[发明专利]一种利用单宁酸双向改性超高分子量聚乙烯纤维与环氧树脂制备复合材料的方法

说明书

本发明公开了一种利用单宁酸双向改性超高分子量聚乙烯纤维与环氧树脂制备复合材料的方法。本发明首先以单宁酸涂覆的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维为原料，以掺杂不同含量单宁酸(TA)的环氧树脂(EP)为基体，以1，3‑二(氨甲基)苯为固化剂，无水乙醇为稀释剂，使用浇注的方法制备超高分子量聚乙烯纤维复合材料。与原复合材料相比，该复合材料的纤维与树脂基体界面的粘结性能有所提高，并且有着优异的拉伸弯曲和抗冲击性能。本发明使用的原料价格便宜，来源广泛且制备方法简单环保，可达到工业化生产，在树脂基复合材料领域有着广泛的应用前景。

【技术领域】：本发明属于纤维/树脂复合材料技术领域，具体涉及一种单宁酸改性环氧树脂及其复合材料制备方法。

【背景技术】：超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维是二十世纪八十年代初研制成功的，继碳纤维和芳纶纤维之后出现的第三代高性能纤维，是目前世界上比强度和比模量最高的纤维。其具有一系列优异的性能，如：高比强度、高比模量，比强度是同等截面钢丝的十多倍，比模量仅次于特级碳纤维。断裂伸长低、断裂功大，具有很强的吸收能量的能力，因而具有突出的抗冲击性和抗切割性。纤维密度低，密度是0.97-0.98g/cm³，可浮于水面。具有优异的抗紫外线辐射，防中子和γ射线，比能量吸收高、介电常数低、电磁波透射率高。耐磨、耐化学腐蚀、有较长的挠曲寿命。但是由于UHMWPE纤维表面无极性基团，无化学活性，表面能低，非极性物质难以浸润，熔点低等缺点，从而限制了其应用。尤其是在增强树脂基复合材料方面，其与树脂基体之间的粘结性能较差，造成抗冲击性能低，导致复合材料在使用过程中出现纤维与树脂基体发生脱胶和树脂基体开裂等问题。

近几年，具有类似于多巴胺的邻苯二酚基团的植物多酚类物质，如单宁酸、焦棓酸等引起了广泛的关注。单宁酸是一种水溶性、高分子量的自然植物多酚，广泛存在于草本和木本植物中。其化学结构类似于超支化芳香族聚酯，具有丰富的酚羟基反应基团。由于这种特殊的结构，单宁酸具有广泛的应用，比如涂层、吸附和抗菌材料，以及纳米材料。单宁酸的来源比较广泛并且价格低廉，同时单宁酸改性对基体颜色改变较小，且单宁酸之间通过共价键或者非共价键作用形成齐聚物沉积在有机和无机基体表面形成无色的涂层，并且能够与末端为氨基或者巯基的化合物发生反应。

而本发明提出一种新的思路，从树脂的角度入手，首先尝试在环氧树脂中加入单宁酸，在树脂和单宁酸修饰的纤维之间建立单宁酸“联桥”，通过单宁酸之间的相互作用、羟基与氨基之间的相互作用，增强纤维与树脂基体之间的粘结力，最终大幅提高最终复合材料的强度。此外，生物基单宁酸的使用将有助于长期可持续性使用，对环境基本无污染。

【发明内容】：本发明提供一种利用单宁酸双向改性超高分子量聚乙烯纤维与环氧树脂制备复合材料的方法。

所采用的技术方案是：

1)单宁酸涂覆超高分子量聚乙烯纤维

将超高分子量聚乙烯纤维于乙醇中浸泡一段时间，去除纤维表面残留的有机溶剂，然后取出烘干。称取0.03～0.5g的Tris溶于200ml水中，调节溶液pH＝8.5，随后称取0.1～0.8g单宁酸，3～8g NaCl，溶于上述Tris溶液中并搅拌，将超高分子量聚乙烯纤维浸入此溶液中，震荡涂覆3～12h，后将超高分子量聚乙烯纤维取出烘干，制得单宁酸改性后超高分子量聚乙烯纤维；

2)单宁酸改性环氧树脂及其复合材料制备

向烧杯中称取一定量的环氧树脂，将单宁酸加入烧杯中，加入一定量无水乙醇作为稀释剂，随后机械搅拌1～3h，使单宁酸完全分散在环氧树脂中，加入1，3-二(氨甲基)苯固化剂，在60℃下真空脱泡5～10min，后将单宁酸涂覆的超高分子量聚乙烯纤维放入模具中，将单宁酸改性的环氧树脂注入模具中，在室温下固化成型后脱模，得到单宁酸涂覆超高分子量聚乙烯纤维与掺杂单宁酸的环氧树脂复合材料。

所述步骤2)中单宁酸与环氧树脂的质量百分比为0％～10％。

所述步骤2)中无水乙醇与环氧树脂的质量比为1∶1～1∶6。