一种提高碳纤维浸润性的环氧树脂材料的制备方法

摘要

本发明涉及碳纤维预浸料领域，涉及一种环氧树脂材料，具体涉及一种提高碳纤维浸润性的环氧树脂材料的制备方法。其技术要点如下：按照重量份数计算，包括如下组分：E51环氧树脂50~80份；端环氧基氨基甲酸酯预聚物10~30份，改性松香5~8份，固化剂5~10份，促进剂5~10份，端环氧基稀释剂5~15份，活性增韧剂10~20份和溶剂100~120份。本发明通过在环氧树脂材料中加入活性增韧剂和稀释剂，并对溶剂配比进行了改善，在保证了环氧树脂力学性能的同时，改善了环氧树脂的表界面张力和粘度系数，从而降低了接触角，提高了环氧树脂对碳纤维的浸润性。

说明书

技术领域

本发明涉及碳纤维预浸料领域，涉及一种环氧树脂材料，具体涉及一种提高碳纤维浸润性的环氧树脂材料的制备方法。

背景技术

以碳纤维复合材料为代表的先进树脂基复合材料具有传统材料无法比拟的高比强度、高比模量及轻质化等优点，受到航天航空及运动器材等领域的青睐。而碳纤维预浸料是制备先进树脂基复合材料常用的中间基材，其质量直接影响到复合材料制品的质量。

碳纤维预浸料是由碳纤维纱、环氧树脂还有其他等材料，经过涂膜、热压、冷却、覆膜、卷取等工艺加工而成的复合材料，又名碳纤维预浸布；之所以叫预浸布是因为这只是树脂与碳纤维的初步含浸，在产品成型时才是最终含浸的缘故。现有的环氧树脂对碳纤维预浸料的制备具有浸润性能不好的缺陷，尤其是在 要求极低空隙率碳纤维纸品的应用中对浸润性能要求更高，现有的环氧树脂通常不能满足碳纤维预浸料的制备。

有鉴于上述现有的环氧树脂材料存在的缺陷，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究和创新，以期创设一种提高碳纤维浸润性的环氧树脂材料的制备方法，本发明通过加入新的稀释剂、活性增韧剂和溶剂配方比例，对E51环氧树脂的表面张力和粘度进行调控，从而获得更小的接触角，有效提高E51环氧树脂对碳纤维的浸润性。经过不断的研究、设计，并经反复试作样品及改进后，终于创设出具实用价值的本发明。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种提高碳纤维浸润性的环氧树脂材料，通过加入新的稀释剂、活性增韧剂和溶剂配方比例，对E51环氧树脂的表面张力和粘度进行调控，从而获得更小的接触角，有效提高E51环氧树脂对碳纤维的浸润性。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

本发明提供的一种提高碳纤维浸润性的环氧树脂材料，按照重量份数计算，包括如下组分：E51环氧树脂50~80份；端环氧基氨基甲酸酯预聚物10~30份，改性松香5~8份，固化剂5~10份，促进剂5~10份，端环氧基稀释剂5~15份，活性增韧剂10~20份和溶剂100~120份。

进一步的，溶剂是乙醇、异丙醇和乙酸乙酯，其质量比为5：（2~5）：（1~3）。

进一步的，固化剂为具有柔性脂肪碳链的胺类固化剂。

进一步的，促进剂是苯并噻喃-3-酮、二氢苯并噻喃或2-羟基-4H-1-苯并噻喃-4-酮中的任意一种。上述噻喃的加入能够有效减小接触角，从而提高浸润性。

进一步的，改性松香是有机硅改性松香、聚硅氮烷改性松香或HDS改性松香中的任意一种。改性松香的加入能够调整环氧树脂材料的表面张力，从而提高浸润性，同时与活性增韧剂产生协同作用，保证了环氧树脂材料的力学性能。

进一步的，改性松香的具体制备方法为：将松香溶于乙醇的水溶液中，加入有机硅、聚硅氮烷或HDS，将体系加热到110~130℃，并向其中加入Pt作为催化剂，但反应完全后，将体系冷却至室温，得到白色膏状固体，即为所述改性松香。

进一步的，活性增韧剂为含羟基环氧化合物与有机硅嵌段聚氨酯预聚体反应制得的端环氧基有机硅嵌段聚氨酯预聚体。

进一步的，含羟基的环氧化合物为羟基缩水甘油醚、双酚A型环氧树脂或双酚F型环氧树脂中的一种或两种以上的混合物。

进一步的，有机硅嵌段聚氨酯预聚体为端羟基聚二甲基硅氧烷、2官能度聚醚多元醇、2官能度聚酯多元醇与二异氰酸酯经聚加成反应制得。

进一步的，端环氧基氨基甲酸酯预聚物为双官能度环氧化合物封端的氨基甲酸酯预聚物中柔性链段为分子量1000~5000的聚醚结构。此种聚醚结构是根据树脂材料中的环氧树脂主体而选择的，其主要作用为调节环氧树脂的韧性，从而提高环氧树脂/碳纤维复合材料的韧性和热稳定性。

进一步的，端环氧基稀释剂为分子链端含有环氧基团的柔性缩水甘油醚活性稀释剂。此种活性稀释剂能够有效改善环氧树脂的粘度系数，从而提高环氧树脂的浸润性。

进一步的，端环氧基稀释剂是聚乙二醇二缩水甘油醚、聚丙二醇二缩水甘油醚或新戊二醇二缩水甘油醚中任意的一种。

进一步的，胺类固化剂为具有柔性脂肪碳链的胺类固化剂。环氧树脂为热固性材料，韧性较差，选择具有柔性脂肪碳链的胺类固化剂在对环氧树脂进行固化时，柔性脂肪碳链与环氧树脂形成一定的“网络互穿”结构，提高树脂材料的韧性，从而提高复合材料的韧性。

进一步的，胺类固化剂是固化剂650、间苯二胺或固化剂ZC-7115H中的任意一种。

本发明的第二个目的是提供一种提高碳纤维浸润性的环氧树脂材料的制备方法，具有同样的效果。

本发明的上述技术效果是由以下技术方案实现的：

本发明提供的一种提高碳纤维浸润性的环氧树脂材料的制备方法，包括如下操作步骤：

S1. 制备活性增韧剂：将经脱水干燥处理后的2官能度多元醇和端羟基聚二甲基硅氧烷投入反应釜中混合均匀，并投入多异氰酸酯，N

S2. 树脂基体的预混：将E51环氧树脂50~80份；端环氧基氨基甲酸酯预聚物10~30份，改性松香5~8份加入到搅拌釜中，并加入加热到40～120℃使之熔融，并搅拌30～240min后开始冷却，冷却到30～60℃后仍持续搅拌，得到混合物A；

S3. 环氧树脂材料的制备：将步骤S1获得的活性增韧剂加入到步骤S2的搅拌釜中与混合物A一起搅拌，并加入固化剂5~10份，促进剂5~10份，端环氧基稀释剂5~15份和溶剂100~120份。严格控制搅拌釜的温度在30～60℃的范围内，搅拌30～120min后快速出料得到所述环氧树脂材料。

作为上述技术方案的优选，步骤S1的具体操作为：将经脱水干燥处理后的2官能度多元醇和端羟基聚二甲基硅氧烷按90：10~50：50的质量比投入反应釜中混合均匀，按n(-NCO)：n(-OH)=1.01：1~2：1的比例投入多异氰酸酯，N

综上所述，本发明具有以下有益效果：

本发明通过在环氧树脂材料中加入活性增韧剂和稀释剂，并对溶剂配比进行了改善，在保证了环氧树脂力学性能的同时，改善了环氧树脂的表界面张力和粘度系数，从而降低了接触角，提高了环氧树脂对碳纤维的浸润性。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，对依据本发明提出的一种提高碳纤维浸润性的环氧树脂材料及其制备方法，其具体实施方式、特征及其功效，详细说明如后。

实施例1：一种提高碳纤维浸润性的环氧树脂材料，按照重量份数计算，包括如下组分：E51环氧树脂50~80份；端环氧基氨基甲酸酯预聚物10~30份，改性松香5~8份，固化剂5~10份，促进剂5~10份，端环氧基稀释剂5~15份，活性增韧剂10~20份和溶剂100~120份。

一种提高碳纤维浸润性的环氧树脂材料的制备方法：

S1. 制备活性增韧剂：将经脱水干燥处理后的2官能度多元醇和端羟基聚二甲基硅氧烷投入反应釜中混合均匀，并投入多异氰酸酯，N

S2. 树脂基体的预混：将E51环氧树脂；端环氧基氨基甲酸酯预聚物，改性松香加入到搅拌釜中，并加入加热到40～120℃使之熔融，并搅拌30～240min后开始冷却，冷却到30～60℃后仍持续搅拌，得到混合物A；

S3. 环氧树脂材料的制备：将步骤S1获得的活性增韧剂加入到步骤S2的搅拌釜中与混合物A一起搅拌，并加入固化剂，促进剂，端环氧基稀释剂和溶剂，严格控制搅拌釜的温度在30～60℃的范围内，搅拌30～120min后快速出料得到环氧树脂材料。

实施例2：一种提高碳纤维浸润性的环氧树脂材料，按照重量份数计算，包括如下组分：E51环氧树脂50份；端环氧基氨基甲酸酯预聚物10份，有机硅改性松香5份，固化剂5份，促进剂5份，端环氧基稀释剂5份，活性增韧剂10份和溶剂100份。

一种提高碳纤维浸润性的环氧树脂材料的制备方法：

S1. 制备活性增韧剂：将经脱水干燥处理后的2官能度多元醇和端羟基聚二甲基硅氧烷投入反应釜中混合均匀，并投入多异氰酸酯，N

S2. 树脂基体的预混：将E51环氧树脂50~80份；端环氧基氨基甲酸酯预聚物，改性松香加入到搅拌釜中，并加入加热到40～120℃使之熔融，并搅拌30～240min后开始冷却，冷却到30～60℃后仍持续搅拌，得到混合物A；

S3. 环氧树脂材料的制备：将步骤S1获得的活性增韧剂加入到步骤S2的搅拌釜中与混合物A一起搅拌，并加入固化剂，促进剂，端环氧基稀释剂和溶剂，严格控制搅拌釜的温度在30～60℃的范围内，搅拌30～120min后快速出料得到环氧树脂材料。

其中溶剂是乙醇、异丙醇和乙酸乙酯，其质量比为5：5：3。

实施例3：一种提高碳纤维浸润性的环氧树脂材料，按照重量份数计算，包括如下组分：E51环氧树脂50~80份；端环氧基氨基甲酸酯预聚物10份，改性松香5份，固化剂650 10份，苯并噻喃-3-酮5份，聚乙二醇二缩水甘油醚5份，活性增韧剂20份和溶剂120份。

一种提高碳纤维浸润性的环氧树脂材料的制备方法：

S1. 制备活性增韧剂：将经脱水干燥处理后的2官能度多元醇和端羟基聚二甲基硅氧烷投入反应釜中混合均匀，并投入多异氰酸酯，N

S2. 树脂基体的预混：将E51环氧树脂；端环氧基氨基甲酸酯预聚物，改性松香加入到搅拌釜中，并加入加热到40～120℃使之熔融，并搅拌30～240min后开始冷却，冷却到30～60℃后仍持续搅拌，得到混合物A；

S3. 环氧树脂材料的制备：将步骤S1获得的活性增韧剂加入到步骤S2的搅拌釜中与混合物A一起搅拌，并加入固化剂650，苯并噻喃-3-酮，聚乙二醇二缩水甘油醚和溶剂，严格控制搅拌釜的温度在30～60℃的范围内，搅拌30～120min后快速出料得到环氧树脂材料。

其中，溶剂是乙醇、异丙醇和乙酸乙酯，其质量比为5：2：3，端环氧基氨基甲酸酯预聚物为双官能度环氧化合物封端的氨基甲酸酯预聚物中柔性链段为分子量1000~5000的聚醚结构。

实施例4：一种提高碳纤维浸润性的环氧树脂材料，按照重量份数计算，包括如下组分：E51环氧树脂80份；端环氧基氨基甲酸酯预聚物30份，有机硅改性松香8份，间苯二胺10份，二氢苯并噻喃10份，新戊二醇二缩水甘油醚8份，活性增韧20份和溶剂120份。

一种提高碳纤维浸润性的环氧树脂材料的制备方法：

S1. 制备活性增韧剂：将经脱水干燥处理后的2官能度多元醇和端羟基聚二甲基硅氧烷投入反应釜中混合均匀，并投入多异氰酸酯，N

S2. 树脂基体的预混：将E51环氧树脂；端环氧基氨基甲酸酯预聚物，改性松香加入到搅拌釜中，并加入加热到40～120℃使之熔融，并搅拌30～240min后开始冷却，冷却到30～60℃后仍持续搅拌，得到混合物A；

S3. 环氧树脂材料的制备：将步骤S1获得的活性增韧剂加入到步骤S2的搅拌釜中与混合物A一起搅拌，并加入间苯二胺，二氢苯并噻喃，新戊二醇二缩水甘油醚和溶剂，严格控制搅拌釜的温度在30～60℃的范围内，搅拌30～120min后快速出料得到环氧树脂材料。

其中，溶剂是乙醇、异丙醇和乙酸乙酯，其质量比为5：2：2，端环氧基氨基甲酸酯预聚物为双官能度环氧化合物封端的氨基甲酸酯预聚物中柔性链段为分子量1000~5000的聚醚结构。

有机硅改性松香的具体制备方法为：将松香溶于乙醇的水溶液中，加入有机硅，将体系加热到110~130℃，并向其中加入Pt作为催化剂，但反应完全后，将体系冷却至室温，得到白色膏状固体，即为有机硅改性松香。

实施例5：一种提高碳纤维浸润性的环氧树脂材料，按照重量份数计算，包括如下组分：E51环氧树脂80份；端环氧基氨基甲酸酯预聚物30份，聚硅氮烷改性松香8份，间苯二胺10份，2-羟基-4H-1-苯并噻喃-4-酮10份，聚丙二醇二缩水甘油醚15份，活性增韧剂20份和溶剂110份。

一种提高碳纤维浸润性的环氧树脂材料的制备方法：

S1. 制备活性增韧剂：将经脱水干燥处理后的2官能度多元醇和端羟基聚二甲基硅氧烷投入反应釜中混合均匀，并投入多异氰酸酯，N

S2. 树脂基体的预混：将E51环氧树脂；端环氧基氨基甲酸酯预聚物，聚硅氮烷改性松香加入到搅拌釜中，并加入加热到40～120℃使之熔融，并搅拌30～240min后开始冷却，冷却到30～60℃后仍持续搅拌，得到混合物A；

S3. 环氧树脂材料的制备：将步骤S1获得的活性增韧剂加入到步骤S2的搅拌釜中与混合物A一起搅拌，并加入间苯二胺，2-羟基-4H-1-苯并噻喃-4-酮，聚丙二醇二缩水甘油醚和溶剂，严格控制搅拌釜的温度在30～60℃的范围内，搅拌30～120min后快速出料得到环氧树脂材料。

其中，溶剂是乙醇、异丙醇和乙酸乙酯，其质量比为5：5：1，端环氧基氨基甲酸酯预聚物为双官能度环氧化合物封端的氨基甲酸酯预聚物中柔性链段为分子量1000~5000的聚醚结构。

聚硅氮烷改性松香的具体制备方法为：将松香溶于乙醇的水溶液中，加入聚硅氮烷，将体系加热到110~130℃，并向其中加入Pt作为催化剂，但反应完全后，将体系冷却至室温，得到白色膏状固体，即: 聚硅氮烷改性松香。

实施例6：一种提高碳纤维浸润性的环氧树脂材料，按照重量份数计算，包括如下组分：E51环氧树脂50~80份；端环氧基氨基甲酸酯预聚物10~30份，HDS改性松香5~8份，间苯二胺5~10份，苯并噻喃-3-酮5~10份，新戊二醇二缩水甘油醚5~15份，活性增韧剂10~20份和溶剂100~120份。

一种提高碳纤维浸润性的环氧树脂材料的制备方法：

S1. 制备活性增韧剂：将经脱水干燥处理后的2官能度多元醇和端羟基聚二甲基硅氧烷投入反应釜中混合均匀，并投入多异氰酸酯，N

S2. 树脂基体的预混：将E51环氧树脂；端环氧基氨基甲酸酯预聚物，HDS改性松香加入到搅拌釜中，并加入加热到40～120℃使之熔融，并搅拌30～240min后开始冷却，冷却到30～60℃后仍持续搅拌，得到混合物A；

S3. 环氧树脂材料的制备：将步骤S1获得的活性增韧剂加入到步骤S2的搅拌釜中与混合物A一起搅拌，并加入间苯二胺，苯并噻喃-3-酮，新戊二醇二缩水甘油醚和溶剂，严格控制搅拌釜的温度在30～60℃的范围内，搅拌30～120min后快速出料得到环氧树脂材料。

其中，溶剂是乙醇、异丙醇和乙酸乙酯，其质量比为5：2：1，端环氧基氨基甲酸酯预聚物为双官能度环氧化合物封端的氨基甲酸酯预聚物中柔性链段为分子量1000~5000的聚醚结构。

HDS改性松香的具体制备方法为：将松香溶于乙醇的水溶液中，加入HDS，将体系加热到110~130℃，并向其中加入Pt作为催化剂，但反应完全后，将体系冷却至室温，得到白色膏状固体，即为HDS改性松香。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例展示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。