[发明专利]碳纤维/环氧树脂预浸料及其制法

说明书

技术领域

本发明属于一种碳纤维/环氧树脂预浸料及其制法。

技术背景

碳纤维复合材料因其出色的力学性能，在高技术领域得到广泛的应用。随着对碳纤维复合材料研究的逐渐深入，研究者们发现复合材料的性能不但受限于各组分材料及加工工艺，同时也受到加工过程中预浸料品质的影响。

预浸料是复合材料生产中重要的中间产品，预浸料品质的优劣直接影响复合材料的整体性能。碳纤维预浸料生产一般是直接采用市售的碳纤维和树脂，通过优化加工工艺及后期加入一定的改性剂，以此提高预浸料的品质。但是，碳纤维在生产的最后一道工序中需要进行上浆处理，以增加碳纤维的可加工性，如集束性、耐磨性和开纤扩幅性等，同时所用上浆剂的种类也对碳纤维与树脂之间的界面结合强度存在重要影响。一般来讲，为获得碳纤维与树脂之间的高界面结合强度，需要采用与基体树脂化学结构相同或相近的树脂作为上浆剂主组分。实际应用中，由于树脂种类繁多，且碳纤维在出厂过程中无法预知后期与之匹配的树脂种类，因此所用上浆剂只能以目前使用量最大的环氧树脂为主。但是，环氧树脂也存在不同的结构，因此直接采用市售的碳纤维难免存在与所用树脂之间匹配性有限的问题，在一定程度上限制了预浸料的品质。

另一方面，由于环氧树脂本身固化后分子链形成网状结构的缘故，传统的碳纤维/环氧树脂预浸料存在层间韧性差的缺陷。常用的改性方式是纳米粒子增韧，日本三菱丽阳株式会社(中国发明专利申请201210376448.4)公开了一种在碳纤维预浸料至少一侧表面附着碳化硅粒子、氧化铝粒子或高岭土粒子的方法。但是，采用该方法在预浸料制备成复合材料后，添加的纳米粒子只存在于层间，无法均匀分散在树脂基体中，层间局部存在的纳米粒子在受力过程中易于产生应力集中，降低复合材料的机械性能。

综合上述分析，需要一种既不需要碳纤维上浆，又能够改善碳纤维与树脂之间界面结合强度，还能够改善复合材料层间韧性的碳纤维/环氧树脂预浸料，从而获得高品质的碳纤维增强环氧树脂复合材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种既无碳纤维上浆，又能够改善碳纤维与树脂之间界面结合强度，还能够改善复合材料层间韧性的碳纤维/环氧树脂预浸料及制备方法。

本发明所述的碳纤维/环氧树脂预浸料为单向预浸料，由改性的碳纤维丝束浸胶后通过排丝机缠绕排丝获得，各组份质量组成为：

氧化锌0.8％－2.9％；

C₆H₅NHCH₂Si(OCH₂CH₃)₃或NH₂(CH₂CH₂NH)₂(CH₂)₃Si(OCH₃)₃0.1％－0.2％；

未上浆且表面无沟槽结构的聚丙烯腈基碳纤维长丝50％－55％；

AG-80环氧树脂或ZEP-001环氧树脂25％－35％；

4,4’-二氨基二苯醚或4,4’-二氨基二苯甲烷8％－10％；

碳纤维增强双马来酰亚胺复合材料粉4％－8％。

如上所述的氧化锌为纳米线形态，直径为80至120纳米。

如上所述的未上浆且表面无沟槽结构的聚丙烯腈基碳纤维长丝，采用干喷湿纺工艺制备的聚丙烯腈基碳纤维，碳纤维长度不低于20厘米。

如上所述的碳纤维增强双马来酰亚胺复合材料粉是由回收的废旧碳纤维增强双马来酰亚胺复合材料研磨得到的，该粉料粒径分布的D50的值为1至5微米，粉料中双马来酰亚胺树脂的质量分数为35％-45％，并且该粉料是分散在AG-80环氧树脂或ZEP-001环氧树脂中的。

本发明所述的碳纤维/环氧树脂预浸料的制备方法，是一种与碳纤维生产过程可直接兼容并且连续生产的方法，碳纤维丝束经过炭化处理和阳极氧化处理之后，直接进入本发明提供的制备工艺中，不经过上浆和收丝的过程，经过本发明提供的制备工艺后，以单向预浸布的形式收集，之后进入预浸布加热预交联的工艺，从而获得本发明所述的碳纤维/环氧树脂预浸料，具体是通过以下方法制备：