[发明专利]用于轻质运动器械的环氧/POSS/碳纤维纳米复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米复合材料，尤其是涉及一种主要用于轻质运动器械，特别是网球拍、 羽毛球拍制造的环氧/POSS/碳纤维纳米复合材料及其制备方法。

背景技术

竞技运动的发展，对运动器材的材料提出了更高的要求。现代运动器材制造业中已使用 了接近宇航工业和军事工业产品的材质。人们发现，将碳纤维与塑料混合，得到的材料在可 塑性和刚性强度上可以与铝合金媲美，但重量却可以大大减轻。

美国专利US 20080166511，US 20030124355，US 20030082385，US 7005185，US 7005185 公开了碳纤维/环氧复合材料的制备、工艺及其应用。环氧碳纤维复合材料是由碳纤维和环氧 树脂制备的复合材料，是以环氧树脂为基体，碳纤维为增强体，采用先进复合材料的成型加 工方法制备而成的一系列高性能复合材料。环氧碳纤维复合材料作为先进复合材料的一个最 重要的分支，具有比强度和比模量高，可设计性好，抗疲劳性好，耐腐蚀，结构尺寸稳定性 好，以及便于大面积整体成型的独特优点，还有特殊的电磁性能和吸波隐身作用，充分体现 了集结构承载和功能于一体的特点，得到了广泛应用。

采用环氧/碳纤维复合材料作为结构材料的轻质运动器械很多，如：水上体育用品：如皮 艇、赛艇、滑艇、帆船、帆板、冲浪板等；球类运动器材：网球拍、羽毛球拍及垒球棒、篮 球架的篮板等；冰雪运动中：滑雪板、滑雪杖、雪撬、冰球棒等。跳高运动用的撑杆、射箭 运动的弓和箭等也都选用复合材料代替传统材料。

环氧树脂属于热固性树脂，和固化剂发生交联反应后即形成不溶不熔的三维体型结构聚 合物，但是通常交联以后环氧树脂的脆性较大，抗冲击和抗应力性能较差，因此需要对其进 行增韧改性，这方面的研究已成为环氧树脂改性研究领域的一个重要组成。自从20世纪80 年代出现纳米复合材料的概念以来，环氧树脂基纳米复合材料的研究也受到了重视。许多研 究发现用无机纳米微粒改性环氧树脂可以同时起到增韧和增强的效果，如果用功能纳米材料 改性还可以制备各种具有阻燃、阻隔等特殊性能的纳米复合材料。此外，也有研究发现利用 嵌段共聚物在环氧树脂基质中自组装形成纳米结构，可以制得性能优异的新型环氧树脂纳米 复合材料，如Guo等(Guo et al.Journal of Polymer Science：Part B：Polymer Physics，2003，41， 1994-2003)研究了聚甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物嵌段聚异戊二烯改性环 氧体系，成功地控制嵌段共聚物在环氧中的纳米形态；Wu等(Wu et al.Journal of Polymer Science：Part B：Polymer Chemistry，2005，43，1950-1965)以聚氧化乙烯嵌段聚氧化丙烯改性 环氧体系，发现蠕虫状纳米机构可以使环氧体系增韧4倍之多。类似关于嵌段聚合物的报道 还有很多，其主要缺点是难以同时实现增韧和增强。

近年来涌现出一类齐聚笼型倍半硅氧烷材料(以下简称POSS)，具有纳米尺寸和有机- 无机杂化结构，是一类有潜力的聚合物改性填料。由于其无机硅氧笼外层被有机基团包覆， 使得其与聚合物的相容性得到改善。表面还具有活性官能团可以化学键合到聚合物网络中去。 在聚合物中，笼型结构发生自组装形成纳米团簇，具有合适尺寸，对聚合物有增强增韧效果， 并改善聚合物热性能。关于POSS应用于环氧体系增强增韧的研究大多停留在实验室理论研 究阶段，如：Zucchi等(Zucchi et al.Macromolecules，2007，40，1274-1282)研究了POSS 在环氧预反应体系的POSS形态结构和结晶性能，Strachota等(Strachota et al.Polymer，2007， 48，3041-3058)研究了POSS存在下的环氧固化动力学及POSS聚集形态。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于轻质运动器械的环氧/POSS/碳纤维纳米复合材料及其制 备方法。所述环氧/POSS/碳纤维纳米复合材料是由单官能团全封闭八聚笼形倍半硅氧烷 (POSS)改性环氧碳纤维复合材料而制得。

本发明所述的环氧/POSS/碳纤维纳米复合材料包括碳纤维、POSS和环氧树脂固化物，按 质量百分比，碳纤维20％～60％，POSS 0.5％～20％，环氧树脂固化物30％～70％。