一种芳纶纤维增强树脂基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种芳纶纤维增强树脂基复合材料及其制备方法。采用生物酶处理法制备丙烯酸酯衍生物聚合物包覆的芳纶纤维，根据基体树脂的不同，采用纤维增强树脂基复合材料的常规成型工艺，如模压、层压、热压罐等，或液相成型工艺，如树脂传递模塑RTM、树脂膜溶渗工艺RFI等成型复合材料，即得到所述的一种芳纶纤维增强树脂基复合材料。与采用未改性芳纶纤维制备的复合材料相比，本发明专利技术所提供的复合材料的层间剪切强度提高了10～25%。本发明专利技术技术方案对纤维的损伤低，反应条件温和，工艺简单易行，并具有绿色环保、工业化生产效益高的特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种树脂基复合材料及其制备方法，具体涉及一种芳纶增强纤维增强树脂基复合材料及其制备方法。
技术介绍
在当今科学技术迅猛发展的时代，高性能纤维扮演举足轻重的角色。芳纶纤维以其轻质、高比强度(相当于钢丝的5 6倍)、高比模量、耐腐蚀、耐磨损、低温下优异的热导电性、优异的吸附能力等优异性能，而在众多尖端工业领域中显示出巨大的应用潜力，其中芳纶纤维增强树脂基复合材料是芳纶纤维的主要应用形式，约占芳纶纤维应用总量的 70 80%ο但是，由于芳纶沿轴向高度取向结晶及苯环的位阻效应，酰胺基团较难与其他原子或基团发生作用，表面缺少化学活性基团，表面浸润性也较差，纤维表面光滑，致使其增强的复合材料界面黏结较弱，从而导致复合材料的层间剪切强度差，不能满足应用要求。因此，如何改善芳纶纤维与树脂基体间的界面粘接性成为芳纶纤维增强复合材料研发与应用的关键。目前常用而有效的方法是进行芳纶纤维的表面改性，其原理是利用物理方法提高纤维的表面粗糙度以改善纤维与基体树脂之间的浸润性与粘结性，或者利用化学方法在纤维表面引入一定数量的活性基团(如-COOH、-OH、-NH2*>C=O等)。大量研究表明，化学方法具有相对更显著的改性效果。但是常规化学方法往往对纤维本身的损伤较大，从而劣化所制得的复合材料的综合性能。随着绿色生产呼声的提高，生物酶在工业上的应用逐渐被人们所关注。酶作为一种生物催化剂，具有高度的专一性和高效性(催化效率一般为普通催化剂的IO3 IO15倍) 且催化条件温和、催化活性可控、无毒无害以及易生物降解等优点，所以生物酶加工作为绿色生产工艺具有极大的发展潜力。此外，酶催化对材料本身性能几乎没有影响，为合成纤维改性开辟了一条道路。但是到目前为止，国内外关于开展生物酶催化技术应用于表面改性研究的报道有限，对于芳纶纤维的改性工作，有文献(Guoning Fan, Jingchan Zhao, Yongke Zhang, Zhian Guo. Grafting modification of Kevlar fiber using horseradish peroxidase. Polymer Bulletin, 2006, 56 :507-515)报道了采用生物酶催化聚合技术在Kevlar纤维表面接枝丙烯酰胺(AM)，该方法是在水与二氧六环的混合溶剂中，以辣根过氧化物酶为催化剂，该生物酶在过氧化氢的作用下，夺取Kelvar纤维苯环上的氢，进而诱发单体在其表面发生接枝聚合。研究表明改性后纤维表面粗糙度增加，并有-co-官能团生成。证实了生物酶催化技术在芳纶纤维表面接枝聚合的可行性。但是，该方法存在以下不足(1)采用二氧六环为溶剂，而该溶剂使生物酶的活性降低约20-30% (陈建波，夏春谷，李树本.水-有机溶剂混合体系中辣根过氧化物酶的催化反应.上海师范大学学报(自然科学版).2005. 34 :71-75)；同时所采用的溶剂不能为生物酶与纤维的充分接触创造条件，从而导致生物酶的利用率低；(2)生物酶与过氧化氢的用量比例低，致使无法产生足够多的活性点来催化聚合。上述两方面的原因导致Kevlar纤维表面的接枝量低，所得接枝物的分子量不高，导致无法生成聚合物包覆层，从而纤维的改性效果不佳。(3)该研究中接枝的聚合物——聚丙烯酰胺也存在几个明显的缺点，首先其侧基上的酰胺基虽较为活泼，可以发生酰胺的各种典型反应，如水解反应、羟甲基化反应、磺甲基化反应、曼尼奇反应、霍夫曼降解反应和交联反应，通过这些反应可以获得多种功能性的衍生物。但是一般都需在碱性条件下进行，会对纤维本身的力学性能造成损伤。其次，聚丙烯酰胺的长期稳定性差，温度大于 70°C时酰胺基易水解，在光、热和机械作用也可引起降解或发生其他化学反应。因此，将其应用于Kevlar纤维的改性，会引起纤维性能的劣化。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术公开。 即采用绿色环保的生物酶催化技术，在不损害芳纶纤维本身力学性能的情况下，在芳纶纤维表面以化学键合作用接枝包覆聚合物；包覆层聚合物带有活性基团(例如，环氧基团、羟基、氨基等基团)，并具有优良的性能。在此基础上，根据实际应用的需要，选择基体树脂，采用纤维增强树脂基复合材料的常规或液相成型工艺制备芳纶纤维复合材料。实现本专利技术目的所采用的技术方案是提供一种芳纶纤维增强树脂基复合材料，按体积计，它包括100份的基体树脂，10 75份的丙烯酸酯衍生物聚合物包覆的芳纶纤维。所述的基体树脂为环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、不饱和聚酯树脂、氰酸酯树脂、 乙烯基树脂体系及它们的改性体系，或它们的组合。一种上述芳纶纤维增强树脂基复合材料的制备方法，包括如下步骤1)按质量计，将无机盐、无机碱和水以1:20:100 1:120:180的比例混合均勻，，配制成PH值为6. 5 7. 4的PBS缓冲溶液；2)在氮气保护下，按重量计，将1份芳纶纤维置于容器中，加入20 100份的PBS缓冲溶液，再加入60 300份的有机溶剂与水的混合液，0. 0005 0. 01份的辣根过氧化物酶，5 80份的丙烯酸酯衍生物单体，滴加质量分数为5 60%的过氧化氢0. 5 20份，在 30 45°C下反应5 30小时；所述有机溶剂与水的混合液的溶解度参数为15. 0 16. 5 cal1/2-cm-3/2 ；3)取出芳纶纤维，用水和丙酮的混合溶液洗涤、干燥，即得到丙烯酸酯衍生物聚合物包覆的芳纶纤维；4)将基体树脂熔融，或将基体树脂溶解在溶剂中形成胶液；按湿法或熔融法制备芳纶纤维预浸料；再采用常规纤维增强树脂基复合材料成型工艺，得到一种芳纶纤维增强树脂基复合材料。另一种上述芳纶纤维增强树脂基复合材料的制备方法，包括如下步骤1)按质量计，将无机盐、无机碱和水以1 20 100 1 120 180的比例混合均勻，配制成 PH值为6. 5 7. 4的PBS缓冲溶液；2)在氮气保护下，按重量计，将1份芳纶纤维置于容器中，加入20 100份的PBS缓冲溶液，再加入60 300份的有机溶剂与水的混合液，0. 0005 0. 01份的辣根过氧化物酶，5 80份的丙烯酸酯衍生物单体，滴加质量分数为5 60%的过氧化氢0. 5 20份，在30 45°C下反应5 30小时；所述有机溶剂与水的混合液的溶解度参数为15. 0 16. 5 cal1/2-cm-3/2 ；3)取出芳纶纤维，用水和丙酮的混合溶液洗涤、干燥，即得到丙烯酸酯衍生物聚合物包覆的芳纶纤维；4)将基体树脂熔融，采用液相成型工艺，得到一种芳纶纤维增强树脂基复合材料；所述的液相成型工艺包括树脂传递模塑工艺、树脂膜溶渗工艺。所述的芳纶纤维为对位芳纶纤维或间位芳纶纤维。所述的丙烯酸酯衍生物单体为丙烯酸缩水甘油酯，甲基丙烯酸缩水甘油酯，甲基丙烯酸缩水甘油醚，甲基丙烯酸羟乙酯，甲基丙烯酸羟丙酯、二丙烯酸乙二醇酯、二丙烯酸 1，4" 丁二醇酯中的一种或它们的任意组合。所述的无机碱为氢氧化钠，氢氧化钾中的一种，或其组合。所述的无机盐为磷酸二氢钠，磷酸二氢钾，氯化钠或其组合。所述的有机溶剂为甲苯，N，N_ 二甲基甲酰胺，三氯甲烷，乙醇，丙酮，环己酮或其组合O本专利技术同时请求保护丙烯酸酯衍生物单体在制备芳纶纤维增强树脂基复合材料中的应用，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：顾嫒娟，厉世能，梁国正，袁莉，
申请(专利权)人：苏州大学，梁国正，
类型：发明
国别省市：