一种界面改性芳纶纤维/环氧树脂复合材料的制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种用于提升芳纶纤维/环氧树脂复合材料性能的制备方法。该方法通过等离子体表面处理向芳纶纤维表面引入活性基团，再结合硅烷偶联剂的表面处理进一步增加活性基团的数量，提供更多的结合位点从而有利于实现纤维增强材料芳纶纤维编织布与基体材料环氧树脂的界面结合能力。本发明专利技术还引入颗粒增强材料空心Al2O3微球，其与基体材料均匀混合，维持基体材料的结构稳定性，提高其力学性能，增强避震效果和绝缘性能。本发明专利技术公开的方法基于芳纶

【技术实现步骤摘要】
一种界面改性芳纶纤维/环氧树脂复合材料的制备方法及应用


[0001]本专利技术涉及一种环氧树脂复合材料，尤其是涉及一种通过等离子体界面改性的芳纶纤维增强的环氧树脂复合材料及其在特高压输变电设备中的应用。

技术介绍

[0002]特高压是指直流
±
800千伏和交流1000千伏以上的电压等级，根据研究数据显示，
±
800千伏直流工程输送容量是
±
500千伏直流工程的2
‑
3倍，经济输送距离提高到2
‑
2.5倍。因此研究和运用特高压输变电工程具有广泛的经济效益。
[0003]随着电压的升高，对于设备的绝缘性、安全性和可靠性提出更高的要求。其中，气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)引起结构紧凑、可靠性高、安全性强、环境适应能力强等特点在特高压领域得到了广泛运用。
[0004]绝缘拉杆是特高压GIS断路器当中极为重要的组成构件，主要的应用是连接接地部分传输到高电位部分，起到电气连接通断的作用。由于绝缘拉杆结构较细且长，在电气操作中需要承受一定程度上的拉伸和压缩载荷的冲击电压，操作中的合闸、分闸次数较多，因此对绝缘拉杆的结构设计和质量有着极为严苛的要求。绝缘拉杆的设计尤其注重其电气绝缘性能和机械性能：不得出现击穿或沿面闪络现象，受机械力和热的长期作用不得降低其绝缘性能；同时对于制造材料也有着疲劳性能的高标准要求。根据绝缘拉杆产品的要求和特点，研制的关键主要在于解决耐电压、机械拉伸强度、界面剪切强度等技术。
[0005]目前，GIS断路器用绝缘拉杆几乎全部采用纤维增强的环氧材料制作而成，较为常用的是玻璃纤维、聚酯纤维等。在研发的初期所采用的制造工艺主要有模压法、手糊法、喷射法和缠绕法以及引拔成型法。但上述制造工艺所生产出的产品有一些不足，具有较多的气隙，而且高电压性的耐受能力较差，容易发生游离放电造成绝缘击穿。随着技术进步和制造工艺的成熟，国内已形成了真空压力浸胶的工艺路线，实际应用的效果已经有了很大的提升。
[0006]芳纶纤维(AF)分子结构中的酰胺基团和苯环具有共轭效应，分子结构中的内旋位能比较高，且芳纶纤维的分子链呈现为平面的刚性伸直链，从而芳纶纤维的定向度和结晶度较高，线性结构使分子排列更加紧凑。因此，芳纶纤维有着极高的拉伸强度，且具有绝缘性能好、耐热性好、耐磨性高、电导率低的优点，在制备特高压GIS断路器中前景广阔。但其缺点也显而易见：芳纶纤维的表面光滑且呈惰性，和环氧树脂基体没有物理层面的啮合点，导致芳纶纤维和环氧树脂的浸润性差，形成复合材料时的界面粘附性较差，降低了芳纶纤维/环氧复合材料的综合性能，特别是绝缘性能和力学性能。
[0007]因此如何改提高芳纶纤维与环氧树脂的结合性能，成为制备性能优异的特高压GIS断路器的关键。通过表面改性方法可以有效的降低芳纶纤维表面分子结构的取向度，增加表面的活性基团，进而提高芳纶纤维材料表面的粗糙度，增强复合材料的界面性能，达到提升复合材料整体性能的目的。
[0008]当前，针对材料的表面改性方法主要包括物理改性和化学改性。化学方法主要包括化学蚀刻、化学表面接枝等。已有研究表明，化学处理后的表面粗糙度、界面剪切强度(IFSS)等性能均有显著提高。但是化学处理可能会腐蚀芳纶，并降低其力学性能；此外，化学处理需要大量的水和化学物质，对环境不友好。物理方法包括对芳纶纤维材料的表面进行涂层、等离子改性、使用高能射线对芳纶纤维进行辐射、超声浸渍等。
[0009]近年来，等离子体处理作为一种表面改性的物理方法得到了很大的发展，等离子体处理不仅引起聚合物表面的物理和变化，而且最大限度的保持芳纶的原始本体质量。此外，它是一个干燥的过程，因此对环境友好。但是等离子体处理的时间、放电功率等工艺参数，以及改性后的芳纶与环氧树脂地复合工艺，对于复合材料的力学性能和电学性能存在重要影响。另外一方面，也有报道利用硅烷偶联剂对芳纶纤维进行表面处理，提高其表面的活性官能团数量。

技术实现思路

[0010]针对上述芳纶纤维在特高压GIS断路器应用中存在的问题，本专利技术通过调整等离子体处理工艺参数，结合硅烷偶联剂改性工艺，改善芳纶纤维增强材料与环氧树脂基体材料的结合方式，实现纤维和颗粒共同增强的树脂基材料的成功制备，得到的复合材料具有优良力学性能和电学性能，有望推动芳纶纤维在特高压GIS断路器中的应用前景。
[0011]本专利技术第一方面提供一种界面改性芳纶纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，该方法详细操作如下：
[0012]—将芳纶纤维编织布清洗、干燥后固定于基板上，以等离子体刷作为高压电极在空气环境中对芳纶纤维编织布表面进行等离子体改性处理；
[0013]—将经过等离子体改性处理后的芳纶纤维编织布在30
‑
50℃下用KH550或KH570浸泡处理4
‑
6h，自然风干后备用；
[0014]—将环氧树脂、固化剂、促进剂及颗粒增强材料混合均匀，得到共混体系作为基体材料，备用；
[0015]—在内模上涂布一层基体材料，然后铺一层经过等离子体改性处理后的芳纶纤维编织布，之后再依次重复涂布基体材料、铺一层经过等离子体改性处理后的芳纶纤维编织布步骤若干次，得到三明治结构；
[0016]—将外模与内模组合，施加压力进行热压固化，脱模后，再次加热进行后固化，得到界面改性芳纶纤维/环氧树脂复合材料层压结构。
[0017]根据上述方案，芳纶纤维编织布优选为凯夫拉芳纶纤维编织布，厚度通常在0.3
‑
0.5mm之间，满足多层堆叠后得到的三明治结构厚度适中、性能达标的要求。
[0018]基板通常可以选择玻璃基板，要求表面平整、无异物。玻璃基板可以预先用酒精清洗后吹干。
[0019]根据上述方案，基体材料中环氧树脂、固化剂、促进剂和颗粒增强材料的质量比为100:(65
‑
80):(1
‑
6):(0.3
‑
8)，其中环氧树脂为DGEBA，固化剂为酸酐类固化剂，促进剂为甲基二乙醇胺或胺基苯酚，颗粒增强材料为粒径为30
‑
70μm的空心Al2O3微球，壁厚10
‑
25μm。
[0020]本专利技术选择添加适量的空心Al2O3微球作为颗粒增强材料，与芳纶纤维编织布共同提高树脂基材料的强度。其中颗粒增强材料的空心的结构，有助于提升复合材料的绝缘性
能，且形成的空腔结构，可以实现材料的轻质化并提升减少震动的效果。通过筛选，选择粒径为30
‑
70μm的空心球(其壁厚约为10
‑
25μm)，其对复合材料的强化效果最佳，且颗粒均匀分散在基体中形成均匀分布的空穴，绝缘性能得以提升。
[0021]根据上述方案，等离子体改性处理的参数为：高压输出电压为3
‑
7kV，频率50
±
1kHz，放电功率80W，等离子体刷的移动速率为1mm/s，处理时间为60本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种界面改性芳纶纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法如下：—将芳纶纤维编织布清洗、干燥后固定于基板上，以等离子体刷作为高压电极在空气环境中对所述芳纶纤维编织布表面进行等离子体改性处理；—将经过等离子体改性处理后的芳纶纤维编织布在30
‑
50℃下用KH550或KH570浸泡处理4
‑
6h，自然风干后备用；—将环氧树脂、固化剂、促进剂及颗粒增强材料混合均匀，得到共混体系作为基体材料，备用；—在内模上涂布一层所述基体材料，然后铺一层经过等离子体改性处理后的所述芳纶纤维编织布，之后再依次重复涂布所述基体材料、铺一层经过等离子体改性处理后的所述芳纶纤维编织布步骤若干次，得到三明治结构；—将外模与内模组合，施加压力进行热压固化，脱模后，再次加热进行后固化，得到所述界面改性芳纶纤维/环氧树脂复合材料层压结构。2.根据权利要求1所述的一种界面改性芳纶纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于，所述芳纶纤维编织布为凯夫拉芳纶纤维编织布，厚度为0.3
‑
0.5mm，所述基板为玻璃基板。3.根据权利要求1所述的一种界面改性芳纶纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于，所述基体材料中环氧树脂、固化剂、促进剂和颗粒增强材料的质量比为100:(65
‑
80):(1
‑
6):(0.3
‑
8)，其中所述环氧树脂为DGEBA，所述固化剂为酸酐类固化剂，所述促进剂为甲基二乙醇胺或胺基苯酚，所述颗粒增强材料为粒径30
‑
70μm的空心Al2O3微球。4.根据权利要求1所述的一种界面改性芳纶纤维...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋景萱，谢庆，阮浩鸥，朱玫盈，庾翔，樊思迪，路修权，杨瑞，律方成，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：