[发明专利]包含聚氰酸酯组合物的纳米二氧化硅

说明书

技术领域

本公开涉及包含可固化树脂的组合物，由其衍生的纤维强化复合物以及改善纤维强化复合物的机械性能的方法。

背景技术

先进结构复合物是高模量、高强度材料，可用于需要高强度到高重量比的多个应用，例如汽车工业、体育用品工业和航空工业中的应用。这种复合物通常包含嵌入固化树脂基质中的增强纤维(如碳或玻璃)。

先进复合物的多个缺点是制造该复合物所用的基质树脂的缺陷所引起。树脂依赖性特性包括复合物压缩强度和剪切模量(其取决于树脂模量)和冲击强度(其取决于树脂断裂韧度)。已尝试改善这些树脂依赖性复合物特性的各种方法。例如，已掺入弹性体填料(例如羧基-、氨基-或巯基-封端的聚丙烯腈-丁二烯弹性体)，已掺入热塑性塑料(例如聚醚酰亚胺或聚砜)，并且已通过使用较高分子量或较低官能度的单体降低基质树脂的交联密度。这种方法确实对增加树脂断裂韧度和复合物冲击强度有效。但是遗憾地，该方法已造成树脂模量的降低，以及因此造成由该树脂制作的复合物的压缩强度和剪切模量的降低。(并且该方法还往往劣化复合物的高温特性。)因此，通过这些方法制备的复合物不得不较厚且因此较重以表现出各种应用所需的压缩和剪切特性。

作为增加复合物压缩和剪切特性的手段，其他方法专注于增加基质树脂的模量。例如，已使用“增强剂”或反增塑剂。这种材料确实增加固化环氧网络的模量，但也显著地降低玻璃化转变温度以及增加水分吸收。因此，材料在高性能复合物基质树脂中的使用不令人满意。

常规填料(粒度大于1微米的填料)也可以用于增加固化热固性树脂网络的模量，但这种填料出于以下原因而不适用于制造先进复合物。在包含纤维复合物组合物的固化期间，需要足以去掉滞留空气成分(并从而允许产生不含空隙的复合物)的树脂流动。当树脂流动时，较细旦尼尔的纤维可以充当过滤器介质并且将常规填料颗粒与树脂分开，导致填料和固化树脂的非均相分布，这是不能接受的。常规填料还频繁刮擦纤维的表面，从而降低纤维强度。这可严重降低所得复合物的强度。

还已将无定形二氧化硅微纤维或晶须加入热固性基质树脂以提高由其衍生的复合物的抗冲击性和模量。然而，这种微纤维的高纵横比可以导致不可接受的树脂粘度增加，使处理困难并且还限制可以加入基质树脂的微纤维量。

已广泛公开纳米颗粒作为树脂中填料的用途。然而，大多数这些公开专注于维持未填充树脂的粘度。在一些情况下，树脂的未填充粘度对于用常规设备处理来说过低。

因此，需要一种产生基质树脂体系的方法，所述基质树脂体系的断裂韧度和模量均很高并且因此表现出高韧性以及高压缩和剪切特性的复合物。这种方法也应提供常规树脂体系的粘度增加和易加工性。另外，这种材料的制备的改进是所需的。此外，工业努力专注于降低固化温度并因此允许其中结构暴露于较低热应力的较低温度无高压釜处理方法。

发明内容

提供可固化的聚氰酸酯树脂溶胶，其在固化后产生具有高韧性以及高压缩和剪切特性的复合材料。令人惊奇地，已发现，当与具有基于二氧化硅纳米颗粒和可固化的聚氰酸酯树脂的总重量计大于200ppm重量的碱金属和碱土金属离子的可固化的聚氰酸酯溶胶相比，具有基于二氧化硅纳米颗粒和可固化的聚氰酸酯树脂的总重量计不大于200ppm重量的碱金属和碱土金属离子的可固化的聚氰酸酯溶胶产生有利的加工特性。意外地，据观察，当采用具有基于二氧化硅纳米颗粒和可固化的聚氰酸酯树脂溶胶的总重量计不大于200ppm重量的碱金属和碱土金属离子的可固化的聚氰酸酯溶胶时，起始和峰固化温度并非与具有基于二氧化硅纳米颗粒和可固化的聚氰酸酯树脂的总重量计大于200ppm重量的碱金属和碱土金属离子的树脂溶胶一样低。总体结果为可以使用常规方法制备本发明所公开的可固化的聚氰酸酯树脂溶胶。例如，二氧化硅可以加入本发明所公开的可固化的聚氰酸酯树脂溶胶，而不催化可固化的聚氰酸酯树脂的早期起始固化。

当本发明所公开的可固化的聚氰酸酯树脂溶胶与纯树脂比较时，本发明所公开的可固化的聚氰酸酯树脂溶胶具有较低的峰固化温度。这是所期望的，因为这些较低峰固化温度增加了可用于衍生于本发明所公开的可固化的聚氰酸酯树脂溶胶的固化的组合物和制品的复合物制造方法的范围，例如无高压釜选择。较低固化峰值温度也可以影响所得部分品质，从而提供较低热膨胀和较少热应力。