一种超强碳纤维木质基复合材料制作方法技术

本发明专利技术公开了一种超强碳纤维木质基复合材料制作方法，采用聚丙烯腈基碳纤维和木质单板为原料，主要制作过程包括聚丙烯腈基碳纤维的表面活性处理、树脂增韧改性、木质单板负压浸渍工艺、碳纤维木质层积构成、复合热压工艺、防水隔热耐污等功能性处理等。本发明专利技术充分发挥聚丙烯腈基碳纤维轻质高强、层积材结构稳定和聚烯烃共聚物防水隔热耐污的优势，制备出具有超强力学性能、结构尺寸稳定和表面功能性优良的复合材料，适应于高温、高湿、低寒、恶劣气候变化等复杂环境。拓宽层积复合新材料的市场空间、核心竞争力和产品附加值，使其能广泛运用于高新材料生产及应用领域。于高新材料生产及应用领域。于高新材料生产及应用领域。

【技术实现步骤摘要】
一种超强碳纤维木质基复合材料制作方法


[0001]本专利技术属于新型木质复合材料
，具体涉及一种超强碳纤维木质基复合材料制作方法。

技术介绍

[0002]随着国家经济快速发展，人们对木质材料的需求和绿色生态环境的要求不断提高，高品质木材的供需矛盾也日益突出，木材自然属性使得普通人造板在新型复合材料领域中无法与其它材料竞争，在一定程度上制约了木材在工程结构和特殊功能应用的发展。单板层积材是由多层木质单板以顺纹为主组坯、热压胶合而成的板材，包括结构用与非结构用单板层积材，国内目前主要应用在包装箱板、家具和室内装饰等非结构型领域，剪切强度、静曲强度和弹性模量性能等力学性能指标要求较低，与欧洲、北美等国将其大量用于承重梁、承重墙、桁架、混凝土模板等结构领域相比存在较大的差距。
[0003]聚丙烯腈基碳纤维是经高温氧化碳化而成的含碳量90%以上的高强、高模、耐高温特种纤维，主要用途是作为增强材料与树脂、金属、陶瓷等复合，制备出比强度高、比模量大、抗腐蚀、耐久性能好的先进复合材料，能满足现代结构向大跨、高耸、重载、轻质高强发展以及恶劣气候变化等复杂环境的需要，因此被越来越广泛地应用于航天航空、体育器械、建筑工程、轨道交通、集装箱船舶制造等新型复合材料领域。
[0004]本专利技术将聚丙烯腈基碳纤维与木质单板复合，通过对材料的表面活性处理、树脂增韧改性、木质单板负压浸渍工艺、碳纤维木质层积构成、复合热压工艺、防水隔热耐污功能性处理等的研究，使这种超强碳纤维木质基复合材料表现出比传统木质材料更好的力学性能、结构尺寸稳定性和表面功能性。增强后碳纤维木质基复合材料的浸渍剥离性能、水平剪切强度、静曲强度和弹性模量性能都大大提高，尺寸稳定性得到改善并赋予其防水隔热耐污等功能。本专利技术开拓单板层积复合材料在结构型领域的创新之路，可实现企业生产标准化、系列化，生产出具有高科技含量、高附加值的产品，缓解木材的供需压力，扩展了木质基材料在新型复合材料领域的应用，社会经济效益显著。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种超强碳纤维木质基复合材料制作方法。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：以聚丙烯腈基碳纤维、木质单板为原材料；聚丙烯腈基碳纤维作为增强体，木质单板层积材作为基体，通过对原材料改性工艺、层积工艺、热压工艺和功能性处理的研究，将二者热压成一种新型木质复合材料：超强碳纤维木质基复合材料。
[0007]本专利技术主要工艺流程包括聚丙烯腈基碳纤维的表面活性处理、树脂增韧改性、木质单板负压浸渍工艺、碳纤维木质层积构成、复合热压工艺、防水隔热耐污功能性处理等。通过对碳纤维表面活性处理和树脂增韧改性提高碳纤维与木质单板的界面结合性能，改善热固性树脂固化后内应力较大导致质脆、冲击性差的问题；木质单板负压浸渍处理相较于
传统常温常压浸胶方式能够解决浸胶效果不均的问题；碳纤维与木质单板层积构成是通过不同铺设方式组坯成的，层积构成的方式不同，复合材料的整体性能和成本也会随之改变；复合热压工艺包括热压压力、热压时间、热压温度等影响因素，最优热压工艺可复合出理化性能优良的材料，且生产组坯热压过程可实现连续化自动化作业；聚烯烃共聚物（EVA）处理可赋予复合材料防水隔热耐污的功能性特征。
[0008]超强碳纤维木质基复合材料制作方法，包括以下步骤：（1）聚丙烯腈基碳纤维的表面活性处理将聚丙烯腈基碳纤维布裁剪成单板规格尺寸，配制质量分数为0.5～1.5wt%的硅烷偶联剂或钛酸酯偶联剂或十二烷基苯磺酸钠表面活性剂，将碳纤维布放入其中浸泡处理0.5～1.5小时，浸泡温度20～60℃，浸泡后将碳纤维布平铺，低温干燥0.5～1.5h，干燥温度30～90℃，得到经表面活性处理后的碳纤维布；（2）树脂增韧改性在步骤（1）得到的碳纤维布双面涂布环氧树脂或改性酚醛树脂等，施胶量为200～400g/m2，涂布前需将环氧树脂或改性酚醛树脂用其质量5～20%的乙醇进行稀释，并加入纳米SiO2或纳米TiO2或纳米Al2O3刚性粒子进行增韧改性，刚性粒子的施加量为环氧树脂或改性酚醛树脂质量的0.5～10.5%。同时可依据热固性树脂固化的需要加入适量的聚酰胺、强碱弱酸盐等物质；（3）木质单板施胶工艺采用淋胶、辊涂或干膜法施胶方式，木质单板厚度为1.2～3.2mm，含水率为5～12wt%，单板施胶量200～400g/m2，其中单板与单板之间施用改性酚醛树脂或乙烯
‑
醋酸乙烯共聚物（EVA）热塑性树脂胶、单板与碳纤维布之间施用的是碳纤维布表面涂布的环氧树脂或改性酚醛树脂胶；在步骤（2）中已经对碳纤维布双面施胶，因此在后续的混合组坯过程中，单板与碳纤维布之间没有再额外的涂胶。
[0009]（4）碳纤维木质层积构成将步骤（2）得到的碳纤维布与木质单板混合组坯，其中木质单板根据单板层积材方式采用顺纹组坯铺设；若干层碳纤维布依产品物理力学性能需要分别铺设在木质单板的上层、中层、下层之间；（5）复合热压工艺层积坯板采用平压法预压，压力0.5～1.0MPa，时间10～60min，后送入热压机热压，温度为105～225℃，压力为1.0～5.0MPa，时间为0.3min/mm～1.5min/mm。相关产品性能：密度0.60～1.20g/cm3；含水率3~12wt%；垂直加载水平剪切强度9.0～11.0MPa；平行加载水平剪切强度13.0～17.0MPa；弹性模量16000～22000MPa、静曲强度120～160MPa，约为普通胶合板产品力学性能的6～10倍，产品力学性能、耐候性、尺寸稳定性显著提高。而非结构用单板层积材的剪切强度、静曲强度和弹性模量性能等力学性能指标要求较低，符合普通胶合板要求即可。
[0010]进一步的，步骤（2）和步骤（3）中所述的改性酚醛树脂的制备方法，包括以下步骤：在原料苯酚中分别加入占苯酚质量5～15%的间苯二酚改性剂、占苯酚质量2～6%的碳酸丙烯酯改性剂和占苯酚质量2～5%的三聚氰胺改性剂，然后分两次缓慢加入占甲醛溶液自身总量80%、20%的甲醛溶液，进行多羟甲基酚与改性剂防腐剂等共聚交联，最后添加占底物总
质量1～4%的竹醋液，搅拌均匀后得到改性酚醛树脂；其中主要原料苯酚和甲醛摩尔比为1/1.5～1/2.5。其中竹醋液作为防腐剂，也可以用柠檬酸、甲基庚烯酮等防腐剂替换。
[0011]进一步的，所述改性酚醛树脂，其主要性能指标为：比重1.05～1.25g/cm3、多羟甲基聚合物数均分子量为1000
〜
3000、粘度100～400mPa.s、pH值10.5～12.5、固含量42～48%、游离酚含量≤0.6%。
[0012]进一步的，步骤（2）中环氧树脂经乙醇稀释、刚性粒子增韧改性、固化剂固化调整后，环氧树脂断裂韧度、冲击韧性等性能可提高2
‑
3倍。改性后的环氧树脂性能指标:断裂韧度KIC为0.6
‑
0.9MPa、应变能释放率GIC为70
‑
200 J/m2。
[0013]本专利技术的显著优点（1）本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超强碳纤维木质基复合材料制作方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）聚丙烯腈基碳纤维的表面活性处理将聚丙烯腈基碳纤维布裁剪成单板规格尺寸，配制质量分数为0.5～1.5wt%的硅烷偶联剂或钛酸酯偶联剂或十二烷基苯磺酸钠表面活性剂，将碳纤维布放入其中浸泡处理0.5～1.5小时，浸泡温度20～60℃，浸泡后将碳纤维布平铺，低温干燥0.5～1.5h，干燥温度30～90℃，得到经表面活性处理后的碳纤维布；（2）树脂增韧改性在步骤（1）得到的碳纤维布双面涂布环氧树脂或改性酚醛树脂，施胶量为200～400g/m2，涂布前需将环氧树脂或改性酚醛树脂用其质量5～20%的乙醇进行稀释，并加入纳米SiO2或纳米TiO2或纳米Al2O3刚性粒子进行增韧改性，刚性粒子的施加量为环氧树脂或改性酚醛树脂质量的0.5～10.5%；（3）木质单板施胶工艺采用淋胶、辊涂或干膜法施胶方式，木质单板厚度为1.2～3.2mm，含水率为5～12wt%，单板施胶量200～400g/m2，其中单板与单板之间施用改性酚醛树脂或乙烯
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醋酸乙烯共聚物热塑性树脂胶；（4）碳纤维木质层积构成将步骤（2）得到的碳纤维布与木质单板混合组坯，其中木质单板根据单板层积材方式采用顺纹组坯铺设；若干...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯伦灯，徐煜炜，
申请(专利权)人：福建农林大学，
类型：发明
国别省市：