一種微納米片狀聚氨酯增強碳纖維復合材料及其制備方法
1.本發明涉及復合材料領域，尤其涉及一種微納米片狀聚氨酯增強碳纖維復合材料及其制備方法。
背景技術：
2.隨著航空航天領域以及汽車制造業的高速發展，人們對于高強度高阻尼復合材料的需求日益增加。增強型高阻尼碳纖維復合材料具有比模量大、阻尼損耗性能優越的特性，已廣泛在電子、醫療和航空等領域發揮著重要的作用。
3.目前，增強型高阻尼碳纖維復合材料多采用橡膠片來對碳纖維環氧樹脂基復合材料進行增強。橡膠片通常采用的是已硫化的橡膠，其分子活性和耐候性較弱，橡膠片的硫化特性與環氧樹脂基體的固化機理不一致，容易導致阻尼材料和環氧樹脂無法共同固化，使整個結構界面結合強度變弱。可見，現有的增強型高阻尼碳纖維復合材料無法同時改善阻尼性能和力學性能。
技術實現要素：
4.本發明針對現有技術中的不足，提供一種微納米片狀聚氨酯增強碳纖維復合材料及其制備方法。
5.第一方面，本技術提供一種微納米片狀聚氨酯增強碳纖維復合材料的制備方法，包括如下步驟：步驟1：將制備好的微納米片狀聚氨酯加入到乙醇溶液中，超聲振蕩、加熱，得到聚氨酯的乙醇懸浮液；步驟2：將干燥的環氧樹脂加入所述聚氨酯的乙醇懸浮液中攪拌，充分混合后加熱干燥，加入固化劑并充分混合后，雙面刷涂到碳纖維布上；步驟3：將所述碳纖維布上依次鋪置有孔隔離膜、透氣氈、真空膜，密封后抽真空，制得環氧樹脂預浸料；步驟4：將所述環氧樹脂預浸料堆疊5-10層，雙面擠壓并烘干，得到微納米片狀聚氨酯增強碳纖維復合材料，其中，所述微納米片狀聚氨酯的制備方法包括：將間甲苯異氰酸酯、二甲基硅油與乙酸乙酯充分混合，加入質量分數為0.85 wt%的阿拉伯膠水混合，劇烈攪拌5-10分鐘，制得穩定的乳液體系；將聚乙二醇加入上述乳液體系中，攪拌5分鐘，加入三乙烯四胺反應40分鐘后，加熱至50℃，保溫120分鐘，得到微納米體系；將三乙烯四胺加入上述微納米體系，反應50分鐘后洗滌，在50℃下干燥24小時，得到微納米片狀聚氨酯。
6.步驟3中可以在碳纖維布下鋪放一層隔離紙，保證力學性能穩定，避免出現變形的缺陷。由于單層結構上應用碳纖維增強復合材料在工程上的局限性，因此，本技術提供的微納米片狀聚氨酯增強碳纖維復合材料往往做成層合板的形式。本方案中固化劑可以是593
固化劑、120固化劑等改性胺類固化劑，或者二乙撐三胺、三乙撐四胺等脂肪胺類固化劑，或者2-甲基咪唑等咪唑類固化劑，本方案可采用以上常見固化劑中的任意一種，這里不做展開說明。
7.優選的，所述微納米聚氨酯呈片狀，所述微納米片狀聚氨酯平均粒徑為6~8
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m。
8.優選的，所述環氧樹脂預浸料包括質量分數為60-70%的環氧樹脂，25-30%的固化劑，以及1-10%的微納米片狀聚氨酯。
9.優選的，所述環氧樹脂在25℃下黏度為11000-14000 mpas。
10.優選的，步驟2所述的的加熱溫度為80-100℃，加熱時間為3.5-4小時。
11.優選的，步驟4所述的烘干溫度為120℃，烘干時間為2.5小時后降至室溫，其中，升溫速率為3℃/min，降溫速率為2℃/min，以緩慢降溫目的是降低結構內部殘余應力。
12.第二方面，本技術還提供一種由上述方法所制備的微納米片狀聚氨酯增強碳纖維復合材料。
13.本技術的有益效果如下：本方案采用的微納米片狀聚氨酯在三個維度中，有一個維度往往比其余的兩個維度要小的多，即厚度遠小于長度與寬度，這就使得片狀聚氨酯具有較大的表面積，片狀聚氨酯可以作為分散相以相對獨立的形態均勻分布于整個環氧樹脂中，以減小樹脂基料在固化過程中的內應力，使分子間的交聯纏結減弱，降低交聯密度，從而獲得良好的力學性能和阻尼性能。當片狀聚氨酯填料質量分數在環氧樹脂預浸料中占1 wt%，彎曲強度為937.692 mpa，相比于碳纖維樹脂基復合材料提高了14.4%，彎曲模量為62.656 gpa，相比于碳纖維樹脂基復合材料提高了14.7 %；剪切強度為51.6 mpa，相比于碳纖維樹脂基復合材料提高了11.21%，阻尼比為2.622%，相比于碳纖維樹脂基復合材料提高了6.24%。當片狀聚氨酯填料含量在環氧樹脂預浸料中占3wt%，剪切強度為52 mpa，相比于碳纖維樹脂基復合材料提高了12.07%，彎曲強度為870.402 mpa，相比于碳纖維樹脂基復合材料提高了6.19%；彎曲模量為58.85 gpa，相比于碳纖維樹脂基復合材料提高了7.77 %，阻尼比為2.702%，相比于碳纖維樹脂基復合材料提高了9.48%。可見，本微納米片狀聚氨酯增強碳纖維復合材料相比未改良的復合材料在力學性能上得到了一定的提高，同時，阻尼性能也得到了較好的改觀。
附圖說明
14.為了更清楚的說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單介紹，顯而易見的，對于本領域技術人員而言，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
15.圖1為本發明提供的微納米片狀聚氨酯的掃描電鏡圖；圖2 為本發明實施例1提供的一種微納米片狀聚氨酯增強碳纖維復合材料的制備方法的方法流程圖；圖3 為本發明實施例1-4提供微納米片狀聚氨酯增強碳纖維復合材料以及對比例提供的碳纖維復合材料的彎曲強度圖；圖4 為本發明實施例1-4提供微納米片狀聚氨酯增強碳纖維復合材料以及對比例提供的碳纖維復合材料的彎曲模量圖；圖5 為本發明實施例1-4提供微納米片狀聚氨酯增強碳纖維復合材料以及對比例
提供的碳纖維復合材料的層間剪切強度圖；圖6 為本發明實施例1-4提供的微納米片狀聚氨酯增強碳纖維復合材料以及對比例提供的碳纖維復合材料的阻尼比圖。
具體實施方式
16.為了使本技術領域的人員更好地理解本發明中的技術方案，下面將對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬于本發明的保護范圍。
17.請參考圖1，所示為本實施例提供的微納米片狀聚氨酯的掃描電鏡圖。由圖1可見，本技術中所述微納米聚氨酯為片狀結構，平均粒徑為6~8
?μ
m，聚氨酯為致密的薄膜，能夠提供較好的機械強度，當受到外界振蕩時，片狀聚氨酯與環氧樹脂之間，以及片狀聚氨酯與片狀聚氨酯間的摩擦導致能量消耗，降低低頻振動，片狀聚氨酯與樹脂間的相對滑移能夠引起損耗增加，并增強阻尼性能。片狀聚氨酯具有比表面積大、模量高等特點，作為相對獨立的分散相與環氧樹脂共混后會發生鍵合，減少了碳纖維與環氧樹脂界面間的局部應力集中，能夠改善纖維與樹脂基體的界面結合性能。
18.所述微納米片狀聚氨酯的制備方法包括如下步驟：將8g間甲苯異氰酸酯、2g二甲基硅油（pmx200 ）與15g乙酸乙酯充分混合，加入質量分數為0.85 wt%的200ml阿拉伯膠水混合，劇烈攪拌5-10分鐘，制得穩定的乳液體系；將2g聚乙二醇加入上述乳液體系中，攪拌5分鐘，加入2g三乙烯四胺(teta)反應40分鐘后，加熱至50℃，保溫120分鐘，得到微納米體系；將1g三乙烯四胺加入上述微納米體系，反應50分鐘后洗滌，在50℃下干燥24小時，得到微納米片狀聚氨酯。
19.實施例1請參考圖2，所示為本實施例提供的一種微納米片狀聚氨酯增強碳纖維復合材料的制備方法的方法流程圖。由圖2可見，本方法包括如下步驟：步驟s101：將制備好的1g微納米片狀聚氨酯加入到乙醇溶液中，超聲振蕩、加熱，得到聚氨酯的乙醇懸浮液；步驟s102：將干燥的環氧樹脂60g加入所述聚氨酯的乙醇懸浮液中攪拌，充分混合后加熱至80℃干燥3.5小時，加入25g593固化劑并充分混合后，雙面刷涂到碳纖維布上；步驟s103：將所述碳纖維布上依次鋪置有孔隔離膜、透氣氈、真空膜，密封后抽真空，制得環氧樹脂預浸料；步驟s104：將所述環氧樹脂預浸料堆疊10層，雙面擠壓并烘干，得到微納米片狀聚氨酯增強碳纖維復合材料。本實施例中，所述環氧樹脂在25℃下黏度為11000-14000 mpas。同時，本實施例還提供一種由以上方法制得的微納米片狀聚氨酯增強碳纖維復合材料。本技術其他實施例不再對產品實施例進行贅述。
20.實施例2步驟s201：將制備好的3g微納米片狀聚氨酯加入到乙醇溶液中，超聲振蕩、加熱，得到聚氨酯的乙醇懸浮液；
步驟s202：將干燥的環氧樹脂60g加入所述聚氨酯的乙醇懸浮液中攪拌，充分混合后加熱至80℃干燥3.5小時，加入25g593固化劑并充分混合后，雙面刷涂到碳纖維布上；步驟s203：將所述碳纖維布上依次鋪置有孔隔離膜、透氣氈、真空膜，密封后抽真空，制得環氧樹脂預浸料；步驟s204：將所述環氧樹脂預浸料堆疊10層，雙面擠壓并烘干，得到微納米片狀聚氨酯增強碳纖維復合材料。
21.實施例3步驟s301：將制備好的5g微納米片狀聚氨酯加入到乙醇溶液中，超聲振蕩、加熱，得到聚氨酯的乙醇懸浮液；步驟s302：將干燥的環氧樹脂60g加入所述聚氨酯的乙醇懸浮液中攪拌，充分混合后加熱至80℃干燥3.5小時，加入25g593固化劑并充分混合后，雙面刷涂到碳纖維布上；步驟s303：將所述碳纖維布上依次鋪置有孔隔離膜、透氣氈、真空膜，密封后抽真空，制得環氧樹脂預浸料；步驟s304：將所述環氧樹脂預浸料堆疊10層，雙面擠壓并烘干，得到微納米片狀聚氨酯增強碳纖維復合材料。
22.實施例4步驟s401：將制備好的10g微納米片狀聚氨酯加入到乙醇溶液中，超聲振蕩、加熱，得到聚氨酯的乙醇懸浮液；步驟s402：將干燥的環氧樹脂60g加入所述聚氨酯的乙醇懸浮液中攪拌，充分混合后加熱至80℃干燥3.5小時，加入25g593固化劑并充分混合后，雙面刷涂到碳纖維布上；步驟s403：將所述碳纖維布上依次鋪置有孔隔離膜、透氣氈、真空膜，密封后抽真空，制得環氧樹脂預浸料；步驟s404：將所述環氧樹脂預浸料堆疊10層，雙面擠壓并烘干，得到微納米片狀聚氨酯增強碳纖維復合材料。
23.對比例：步驟s10：將干燥的環氧樹脂60g加熱至80℃以降低黏度，加入25g593固化劑并充分混合后，雙面刷涂到碳纖維布上；步驟s20：將所述碳纖維布上依次鋪置有孔隔離膜、透氣氈、真空膜，密封后抽真空，制得環氧樹脂預浸料；步驟s30：將所述環氧樹脂預浸料堆疊10層，雙面擠壓并烘干，得到碳纖維樹脂基復合材料。
24.請參考圖3-圖6，當片狀聚氨酯填料質量分數在環氧樹脂預浸料中占1 wt%，彎曲強度為937.692 mpa，相比于碳纖維樹脂基復合材料提高了14.4%，彎曲模量為62.656 gpa，相比于碳纖維樹脂基復合材料提高了14.7 %；剪切強度為51.6 mpa，相比于碳纖維樹脂基復合材料提高了11.21%，阻尼比為2.622%，相比于碳纖維樹脂基復合材料提高了6.24%。當片狀聚氨酯填料含量在環氧樹脂預浸料中占3wt%，剪切強度為52 mpa，相比于碳纖維樹脂基復合材料提高了12.07%，彎曲強度為870.402 mpa，相比于碳纖維樹脂基復合材料提高了6.19%；彎曲模量為58.85 gpa，相比于碳纖維樹脂基復合材料提高了7.77 %，阻尼比為2.702%，相比于碳纖維樹脂基復合材料提高了9.48%。可見，本微納米片狀聚氨酯增強碳纖
維復合材料相比未改良的復合材料在力學性能上得到了一定的提高。同時，當片狀聚氨酯質量分數在環氧樹脂預浸料中占10 wt%，其阻尼比為3.29%，相比于碳纖維樹脂基復合材料提升了33.01%，可見，本微納米片狀聚氨酯增強碳纖維復合材料的阻尼性能也同時得到了較好的改觀。
25.實施例5步驟s501：將制備好的8g微納米片狀聚氨酯加入到乙醇溶液中，超聲振蕩、加熱，得到聚氨酯的乙醇懸浮液；步驟s502：將干燥的環氧樹脂70g加入所述聚氨酯的乙醇懸浮液中攪拌，充分混合后加熱至100℃干燥4小時，加入30g二乙撐三胺固化劑并充分混合后，雙面刷涂到碳纖維布上；步驟s503：將所述碳纖維布上依次鋪置有孔隔離膜、透氣氈、真空膜，密封后抽真空，制得環氧樹脂預浸料；步驟s504：將所述環氧樹脂預浸料堆疊5層，雙面擠壓并烘干，得到微納米片狀聚氨酯增強碳纖維復合材料，烘干溫度為120℃，烘干時間為2.5小時后降至室溫，其中，升溫速率為3℃/min，降溫速率為2℃/min。
26.實施例6步驟s601：將制備好的3g微納米片狀聚氨酯加入到乙醇溶液中，超聲振蕩、加熱，得到聚氨酯的乙醇懸浮液；步驟s602：將干燥的環氧樹脂68g加入所述聚氨酯的乙醇懸浮液中攪拌，充分混合后加熱至90℃干燥4小時，加入28g二乙撐三胺固化劑并充分混合后，雙面刷涂到碳纖維布上；步驟s603：將所述碳纖維布上依次鋪置有孔隔離膜、透氣氈、真空膜，密封后抽真空，制得環氧樹脂預浸料；步驟s604：將所述環氧樹脂預浸料堆疊5層，雙面擠壓并烘干，得到微納米片狀聚氨酯增強碳纖維復合材料，烘干溫度為120℃，烘干時間為2.5小時后降至室溫，其中，升溫速率為3℃/min，降溫速率為2℃/min。
技術特征：
1.一種微納米片狀聚氨酯增強碳纖維復合材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：步驟1：將制備好的微納米片狀聚氨酯加入到乙醇溶液中，超聲振蕩、加熱，得到聚氨酯的乙醇懸浮液；步驟2：將干燥的環氧樹脂加入所述聚氨酯的乙醇懸浮液中攪拌，充分混合后加熱干燥，加入固化劑并充分混合后，雙面刷涂到碳纖維布上；步驟3：將所述碳纖維布上依次鋪置有孔隔離膜、透氣氈、真空膜，密封后抽真空，制得環氧樹脂預浸料；步驟4：將所述環氧樹脂預浸料堆疊5-10層，雙面擠壓并烘干，得到微納米片狀聚氨酯增強碳纖維復合材料，其中，所述微納米片狀聚氨酯的制備方法包括：將間甲苯異氰酸酯、二甲基硅油與乙酸乙酯充分混合，加入質量分數為0.85 wt%的阿拉伯膠水混合，劇烈攪拌5-10分鐘，制得穩定的乳液體系；將聚乙二醇加入上述乳液體系中，攪拌5分鐘，加入三乙烯四胺反應40分鐘后，加熱至50℃，保溫120分鐘，得到微納米體系；將三乙烯四胺加入上述微納米體系，反應50分鐘后洗滌，在50℃下干燥24小時，得到微納米片狀聚氨酯。2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述微納米片狀聚氨酯呈片狀，所述微納米片狀聚氨酯平均粒徑為6~8
?μ
m。3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述環氧樹脂預浸料包括質量分數為60-70%的環氧樹脂，25-30%的固化劑，以及1-10%的微納米片狀聚氨酯。4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述環氧樹脂在25℃下黏度為11000-14000 mpas。5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟2所述的的加熱溫度為80-100℃，加熱時間為3.5-4小時。6.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟4所述的烘干溫度為120℃，烘干時間為2.5小時后降至室溫，其中，升溫速率為3℃/min，降溫速率為2℃/min。7.一種由上述權利要求1-7中任意一項方法所制備的微納米片狀聚氨酯增強碳纖維復合材料。
技術總結
本申請涉及復合材料領域，提供一種微納米片狀聚氨酯增強碳纖維復合材料及其制備方法。本方案采用的微納米片狀聚氨酯在三個維度中，有一個維度往往比其余的兩個維度要小的多，即厚度遠小于長度與寬度，這就使得片狀聚氨酯具有較大的表面積，片狀聚氨酯可以作為分散相以相對獨立的形態均勻分布于整個環氧樹脂中，以減小樹脂基料在固化過程中的內應力，使分子間的交聯纏結減弱，降低交聯密度，從而獲得良好的力學性能和阻尼性能。本材料相比未改良的復合材料在力學性能上得到了一定的提高，同時，阻尼性能也得到了較好的改觀。阻尼性能也得到了較好的改觀。阻尼性能也得到了較好的改觀。
