一种聚氨酯复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及增强复合材料技术领域，公开了一种聚氨酯复合材料及其制备方法。本发明专利技术提供了一种聚氨酯复合材料，包括连续碳纤维棒和聚氨酯树脂；所述连续碳纤维棒包括连续的碳纤维束和基体树脂。本发明专利技术另提供了所述聚氨酯复合材料的制备方法：将所述连续碳纤维棒排列在模具中，加入所述聚氨酯树脂，在80～110℃下成型，即得。本发明专利技术的聚氨酯复合材料中碳纤维可以保持既定的截面形状，在聚氨酯中的排列也可根据复合材料整体性能需求灵活调整，且连续碳纤维棒和聚氨酯树脂的性能可单独调节；本发明专利技术的制备方法简单易行，适用于规模化生产。适用于规模化生产。适用于规模化生产。

【技术实现步骤摘要】
一种聚氨酯复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及增强复合材料
，特别是涉及一种聚氨酯复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]碳纤维作为优异的增强材料，具有比强度和比模量高、密度低、热膨胀系数小、耐高低温、耐疲劳、抗蠕变等优点，是电和热的良导体。可根据不同领域的应用需求选取不同规格、不同性能的碳纤维。
[0003]随着碳纤维性能的不断提高，国内外学者采用碳纤维增强聚合物复合材料的研究进行了持续深入的研究和开发。但是，目前关于碳纤维增强聚氨酯基复合材料的研究，大多集中在短碳纤维对聚氨酯基复合材料的性能影响。相比之下，连续碳纤维在聚氨酯基复合材料中的碳纤维含量大大提高，与聚氨酯基树脂复合材料的增强强度远比短碳纤维高。
[0004]热塑性的聚氨酯和碳纤维的复合方法主要有溶液浸渍法，薄膜层压，碳纤维混合，粉末混合和熔融拉挤法。如中国专利技术专利文献CN 103507278 A、CN 105385160 A、CN 101845232 B、CN 111546739 B、CN 105199368 B等。溶液浸渍法需要选择合适的溶剂，将热塑性聚氨酯溶解后配成低粘度的溶液，随后使用该溶液对碳纤维束浸渍的复合办法，但需要找到热塑性聚氨酯的良溶剂并具有合适的挥发性，如果在后续没有完全去除溶剂，会在材料内部形成气泡，导致材料的表面缺陷和内部空隙。薄膜层压法是将碳纤维放在两层热塑性聚氨酯的薄膜之间，在一定的温度和压力下，将熔融的树脂压入碳纤维之间，随后在该压力下冷却成型完成复合，方法简单，不使用溶剂，但是需要采用很薄的薄膜才能保证预浸料有较高的碳纤维体积分数，而且复合压力高，时间长。碳纤维混合法是先将热塑性聚氨酯纺成碳纤维后与增强碳纤维混合在一起，形成混合碳纤维束，而粉末混合法是将碳纤维分散开之后，将树脂粉末均匀的吸附在增强碳纤维表面，之后将吸附粉末的碳纤维经过加压，加热使得热塑性树脂将碳纤维粘结起来，最后经过冷却固结定型成为预浸料，这两种方法一种需要将树脂制成细碳纤维，另一种需要将树脂制成粉末，在实际生产中受到很大的限制。熔融浸渍法是将热塑性聚氨酯加热制成低粘度的熔体，将分散开的碳纤维通过该低粘度树脂熔体进行浸渍处理的方法，操作简单，是目前应用最广泛的一种方法。熔融拉挤法是在熔融浸渍法的基础上发展起来的，碳纤维束通过被热塑性树脂熔体充填的管状熔体槽，经过一定形状的口模拉挤呈棒状或者片状预浸料，利用口模可以控制含胶量，降低孔隙率。
[0005]然而，上述连续碳纤维增强聚氨酯复合材料的制备方法中，连续碳纤维和聚氨酯复合基本在预浸料之后，其中连续碳纤维聚氨酯复合材料的性能取决于碳纤维和聚氨酯，但碳纤维在聚氨酯中的形状多呈现二维层状或者网状，无法尽可能地发挥其增强结构的作用。此外，聚氨酯配方设计和制备工艺相隔离，聚氨酯反应剧烈，释放出大量的热而不易控制，对环境温度和湿度敏感容易发泡，和连续碳纤维束复合导致复合材料产生缺陷，使碳纤维的形状和含量不可控。

技术实现思路

[0006]本专利技术要解决的技术问题是提供一种聚氨酯复合材料及其制备方法，以克服现有技术生产过程中碳纤维增强复合材料的技术缺陷。
[0007]为了解决上述技术问题，第一方面，本专利技术提供了一种聚氨酯复合材料，包括连续碳纤维棒和聚氨酯树脂；所述连续碳纤维棒包括连续的碳纤维束和基体树脂。
[0008]本专利技术先将连续的碳纤维束和基体树脂单独复合成棒状结构，连续碳纤维棒中的碳纤维是单向延伸，在碳纤维延伸的方向的拉伸强度和弹性模量高，可以用作结构部件，承载负荷；其整体是圆棒状，截面为圆形，在所有垂直碳纤维延伸方向的抗弯刚度、扭转刚度均一致，并且取决于碳纤维本身和基体树脂。连续碳纤维棒在聚氨酯树脂中的排列方式灵活，如图1～图10所示，按需调整连续碳纤维棒的直径和排列间距，图1和图2示意的聚氨酯复合材料中连续碳纤维棒的排列方式可据材料性能需求调整，如图5～图8所示，改变连续碳纤维棒的根数可以调整连续碳纤维棒增强的聚氨酯复合材料的刚度。连续碳纤维棒和聚氨酯树脂相对独立又互为整体，连续碳纤维棒的制备过程和性能不影响聚氨酯的配方和制备工艺，整体的制备工艺简单易行，操作方便，适合工厂规模化生产。
[0009]作为本专利技术聚氨酯复合材料的优选实施方式，所述基体树脂为热固性树脂，基体树脂为交联结构，拉伸强度和弯曲强度强，热稳定性好，与碳纤维束复合固化后得到的连续碳纤维棒在热固性树脂分解温度前均具有稳定的性能和形状，热固性树脂在后续和更多的连续碳纤维棒组合(包括平行排列，交叉排列)以及与聚氨酯树脂进行下一步复合过程中，所得连续碳纤维棒的横截面可以基本保持圆形，不会因为温度或者压力的升高形状发生大幅改变。进一步优选的，所述热固性树脂为环氧树脂，聚氨酯，聚酯中的至少一种，以使材料固化时间短，固化条件简单、可控，工业生产易实现。
[0010]其中热固性树脂的种类与相关性能参数和最终复合材料的用途相关，可根据最终复合材料的用途采用相适用的基体树脂，以满足材料的性能需求。需要说明的是，当连续碳纤维棒增强的聚氨酯复合材料中的基体树脂为热固性交联聚氨酯树脂时，基体树脂与连续碳纤维棒复合的聚氨酯树脂相同。
[0011]作为本专利技术聚氨酯复合材料的优选实施方式，所述聚氨酯树脂的软段为聚醚多元醇、聚酯多元醇、聚烯烃多元醇中的至少一种；所述硬段为芳香族、脂肪族、脂环族的异氰酸酯中的至少一种，所述扩链剂为小分子多元醇或胺类扩链剂，所述交联剂为小分子多元醇。
[0012]进一步优选的，所述聚氨酯树脂的软段为PTMEG、PPG、PCL、PEG、PCDL、HTPB、HTBN中的至少一种，硬段为TD、MDI、NDI、PPDI、HDI、HMDI、IPDI中的至少一种，扩链剂为1，4
‑
丁二醇、乙二醇、1，3
‑
丙二醇、HQEE、HER、MOCA、DETDA中的至少一种；交联剂为TMP、甘油、三羟甲基乙烷中的至少一种。
[0013]作为本专利技术聚氨酯复合材料的优选实施方式，按摩尔比计，所述软段和硬段的摩尔比为(1:2.2)～(1:3)；所述扩链剂和交联剂的摩尔比为(88:12)～(98:2)。优选的，按摩尔比计，所述软段和硬段的摩尔比为(1:2.5)～(1:3)；所述扩链剂和交联剂的摩尔比为(85:15)～(95:5)。
[0014]作为本专利技术聚氨酯复合材料的优选实施方式，所述聚氨酯树脂的制备方法为：
[0015](1)将所述软段在110～130℃条件下抽真空干燥1.5～2.5小时，降温至55～65℃，再加入所述硬段，反应0.5～1.5小时；
[0016](2)依次加入溶剂和扩链剂，反应0.5～1.5小时，再加入交联剂反应0.5～1.5小时，即得聚氨酯树脂。
[0017]作为本专利技术聚氨酯复合材料的优选实施方式，所述溶剂为四氢呋喃或丙酮；以质量比计，所述溶剂与所述软段、硬段、扩链剂、交联剂总质量的比为(0.5～1.2):1。
[0018]作为本专利技术聚氨酯复合材料的优选实施方式，所述连续碳纤维棒的制备方法为：...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种聚氨酯复合材料，其特征在于，包括连续碳纤维棒和聚氨酯树脂；所述连续碳纤维棒包括连续的碳纤维束和基体树脂。2.依据权利要求1所述的聚氨酯复合材料，其特征在于，所述基体树脂为热固性树脂。3.依据权利要求2所述的聚氨酯复合材料，其特征在于，所述热固性树脂为环氧树脂，聚氨酯，聚酯中的至少一种。4.依据权利要求1～3任一权利要求所述的聚氨酯复合材料，其特征在于，所述聚氨酯树脂的软段为聚醚多元醇、聚酯多元醇、聚烯烃多元醇中的至少一种；所述硬段为芳香族、脂肪族、脂环族的异氰酸酯中的至少一种，所述扩链剂为小分子多元醇或胺类扩链剂，所述交联剂为小分子多元醇。5.依据权利要求4所述的聚氨酯复合材料，其特征在于，所述聚氨酯树脂的软段为PTMEG、PPG、PCL、PEG、PCDL、HTPB、HTBN中的至少一种，硬段为TD、MDI、NDI、PPDI、HDI、HMDI、IPDI中的至少一种，扩链剂为1，4
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丁二醇、乙二醇、1，3
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丙二醇、HQEE、HER、MOCA、DETDA中的至少一种；交联剂为TMP、甘油、三羟甲基乙烷中的至少一种。6.依据权利要求4所述的聚氨酯复合材料，其特征在于，按摩尔比计，所述软段和硬段的摩尔比为(1:2.2)～(1:3)；所述扩链剂和交联剂的摩尔比为(88:12)～(98:2)。7.依据权利要求4所述的聚氨酯复合材料，其特征在于，所述聚氨酯树脂的制备方法为：(1)将所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨小牛，黄亚南，赵晓礼，
申请(专利权)人：广东粤港澳大湾区黄埔材料研究院，
类型：发明
国别省市：