[发明专利]一种双功能环氧树脂复合材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种具有紫外屏蔽和损伤自报告双功能的环氧树脂复合材料及制备方法，属于复合材料制备和结构监测技术领域，所述复合材料按重量份数由100份环氧树脂、60~87份固化剂、0~9份催化剂、45~300份纤维制备而成。本发明体系无需加入紫外屏蔽剂和任何力色团添加剂，所得环氧树脂材料即可表现出优异的紫外屏蔽和力致变色能力。同时复合材料在周期性冲击下能够表现出强烈色彩变化，为机械冲击造成的材料损伤提供一种有效准确的预测能力。与现有材料的损伤后分析不同，这种高分子复合材料在受损断裂前颜色就会发生改变，为保障材料的安全使用提供一种警示作用。

技术领域：

本发明属于复合材料制备和结构监测领域，具体涉及一种具有紫外屏蔽和损伤自报告双功能的环氧树脂复合材料及制备方法。

背景技术：

紫外线辐射属于一种高能辐射，已广泛应用于光刻、食品分析、污水处理、医疗等领域。然而长期暴露于其辐射下不仅会对人体皮肤、组织造成严重损伤，还会导致聚合物的化学键断裂，降低材料的力学性能，加速材料老化，缩短使用寿命。纤维增强聚合物复合材料(FRPCs)以其优异的力学性能和轻质等优点，在航空工业、汽车、地面运输、体育用品等领域得到广泛应用。然而，由于FRPCs基体长期暴露于室外大气环境中，聚合物不可避免地受到紫外辐射发生氧化和老化，导致材料的使用性能降低。因此，提高FRPCs的抗紫外线能力是FRPCs发展中亟待解决的问题。

另一方面，FRPCs虽然具有优异的机械性能，但其在复杂使用环境下的失效很难预测。如果能及时识别出以FRPCs为基体所制备的飞机机翼、风力涡轮机叶片或其他设备的损伤并进行修复，就可以挽救生命、节省成本、保障材料使用安全。目前，为了探究FRPCs的损伤位置和程度，一般采用非破坏性检测技术，包括视觉检查、声波发射、剪切散斑干涉、脉冲热成像和X/γ射线分析等。然而这些方法大多适用于材料损伤后的分析，且分析过程耗时长、设备复杂。此外，虽然力致变色材料的损伤可以通过颜色变化被迅速发现，但是大部分力致变色材料的构建需要将具有机械力响应性的生色团、微胶囊或荧光蛋白引入到树脂基体中，不仅增加了工艺合成难度，而且灵敏度低，损伤位置难以准确判断。为了能够实现在故障发生前准确判断材料失效位置及程度，发展一种高效的具有损伤自报告监测结构的高分子材料对拓展FRPCs应用具有重大意义。

发明内容：

在航天高分子材料上，经常需要具有紫外屏蔽和损伤自报告双重功能的材料，而如今尚未发现有合成具有这两种功能的环氧树脂复合材料，因此，本课题组通过研究，提出了一种具有紫外屏蔽和损伤自报告双功能的环氧树脂复合材料，解决现有环氧树脂紫外屏蔽性能不足，复合材料损伤分析耗时长、分析设备复杂，力致变色材料制备工艺繁琐、灵敏度低等问题。该环氧树脂复合材料按重量份数由100份环氧树脂、60～87份固化剂、45～300份纤维制备而成；其中，所述环氧树脂为双酚A二缩水甘油醚、4,5-环氧己烷-1,2-二甲酸二缩水甘油酯、4,4'-二氨基二苯甲烷环氧树脂、间苯二酚甲醛环氧树脂中的一种或多种；所述固化剂为4,4'-二硫代二苯胺、2,2'-二硫代二苯胺、4,4'-二硫代二苯甲酸、2,2'-二硫代二苯甲酸、3,3'-氧基二苯胺、4,4'-二氨基二苯甲烷、马来酸酐、邻苯二甲酸酐中的一种或多种。

所述纤维为玻璃纤维、碳纤维、竹纤维、麻纤维、木纤维的一种。

所述制备原料还包括催化剂，所述催化剂为乙酰乙酸锌、醋酸锌、乙酰丙酮锌、1,5,7-三叠氮双环(4.4.0)癸-5-烯、三苯基膦中的一种或多种。

所述催化剂以100份环氧树脂的重量计，添加量为0～9份。同时，本发明还提供一种具有紫外屏蔽和损伤自报告双功能的环氧树脂复合材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤M-1：将环氧树脂、固化剂均匀混合后得到胶液a；

步骤M-2：将步骤M-1所得胶液a进行浇注后处理，于40～100℃条件下处理0.5～2h，100～160℃条件下处理1～5h，150～200℃条件下处理1～5h，获得一种具有紫外屏蔽和损伤自报告双功能的环氧树脂材料；