[发明专利]低粘度生物基环氧树脂组合物及碳纤维复合材料

说明书

本发明提供一种新型低粘度生物基环氧树脂组合物及碳纤维复合材料，属于环氧树脂组合物领域。该环氧树脂组合物，按照重量份数计，包括生物基环氧树脂100份，固化剂1‑70份；所述的生物基环氧树脂，其具有式(1)所示的结构。本发明还提供一种碳纤维复合材料，按照重量份数计，包括：生物基环氧树脂15‑30份，固化剂10‑20份，促进剂0.1‑0.3份，碳纤维材料25‑50份，所述的生物基环氧树脂，其具有式(1)所示的结构。本发明的组合物具有优异的力学性能，且通过低粘度环氧树脂和碳纤维复合时，因其具有足够低的粘度提高了其与碳纤维的浸润性，以及足够多的环氧官能团有利于提高与碳纤维的界面粘合性。

技术领域

本发明属于环氧树脂组合物领域，具体涉及一种低粘度生物基环氧树脂组合物及碳纤维复合材料。

背景技术

碳纤维(CF)是由有机纤维在惰性气体中，经过高温碳化而制得的含碳量较高的特种纤维，它具有碳材料的本征特征和因外形成纤维状、柔软、可加成各种织物，是新一代增强纤维。碳纤维具有高强度、高模量、耐高温、密度低、耐摩擦、耐腐蚀和导电导热等优异性能。由于其石墨微晶结构沿纤维轴择优取向，因此沿纤维轴方向有很高的强度和模量，在同样体积的情况下，它的重量不到钢的1/4。碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500MPa以上，是刚的7-9倍，抗拉弹性模量为230～430GPa亦高于钢。因此碳纤维树脂复合材料的比强度及比模量在现有工程材料中是最高的。材料的比模量越高，则构件的强度越大,比强度越高,则构件自重越小。正是由于其独特的性能，先进的碳纤维复合材料在航天航空、军事、汽车和建筑等领域发挥着重要作用。

然而，由于碳纤维是经过1300℃～1600℃高温碳化而制得的碳含量高达90％以上的碳材料，在高温惰性气体中碳化，随着非碳元素的逸出和碳的富集，使其表面活性降低，表面张力下降，与树脂基体的浸润性变差。此外，为了提高碳纤维的拉伸强度需要尽可能减小表面缺陷，因此，其表面体积也较小。平滑的表面使其与树脂基体的锚钉和机械结合作用较弱，导致复合材料的层间剪切强度降低，因此，采用碳纤维作为増强材料制备复合材料时，通常需要对碳纤维进行表面改性处理。因此，通过对基体树脂的选择和设计尤为关键，既能保留碳纤维本身的强度，对制备碳纤维复合材料和碳纤维功能材料都具有重要的意义。目前，市面上公知的碳纤维/环氧树脂复合材料大多都以双酚A型环氧树脂或者改性双酚A型环氧树脂为树脂基体，再与碳纤维结合、固化制作成碳纤维复合材料。但是，复合材料也有不足之处，一方面碳纤维表面活性较低，表面张力下降，使其与树脂基体的浸润性变差，另一方面双酚A型环氧树脂源于石油资源，随着石油资源日益枯竭，寻找可再生资源为主要原料刻不容缓。因此解决碳纤维复合材料与树脂基体浸润性和树脂基体可再生利用，使其朝着环境协调化的方向发展，是目前国内外复合材料研究者潜心研究的一个热门领域。

目前，碳纤维的表面处理方法主要有：氧化处理、等离子体处理、化学接枝处理，上浆处理等。但这些传统的表面处理方法具有明显的优缺点。比如化学处理方法，能增加碳纤维表面的活性基团，从而增强与基体的相互作用：但却往往会对碳纤维造成损伤，降低其强度。物理上浆方法，能防止碳纤维在运输、加工过程发生起毛开又对其力学性能无影响，甚至会有所提高：但是，上浆法往往无法使碳纤维与基体形成强的化学相互作用。专利CN107057283A和专利CN106046682A分别公开了提高碳纤维和环氧树脂界面结合力的方法，但使用了诸如石墨烯、碳纳米管这种昂贵的原料，实用性存在不足；而且这些纳米材料在复合材料中分散性差。专利CN110172228A和CN110172229分别公开了木质素环氧树脂/碳纤维增强复合材料的制备方法，但制备的木质素环氧树脂为固体，需加热熔融，增加了加工难度。

发明内容

本发明的目的是提供一种低粘度生物基环氧树脂组合物及碳纤维复合材料，该组合物具有优异的力学性能，且通过低粘度环氧树脂和碳纤维复合时，因其具有足够低的粘度提高了其与碳纤维的浸润性，以及足够多的环氧官能团有利于提高与碳纤维的界面粘合性。

本发明首先提供一种低粘度生物基环氧树脂组合物，按照重量份数计，包括

生物基环氧树脂100份，固化剂1-70份；