【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于复合材料制备，具体涉及一种环氧树脂及其碳纤维复合材料阻燃增韧剂的制备方法及应用。
技术介绍
1、碳纤维增强聚合物(cfrps)因其轻质性和卓越的强度而被用作结构材料，在汽车、航空航天和铁路运输领域有着广泛的应用。这些材料的一个关键标准是，它们能够在发生碰撞以及磨损后保持结构完整性，并且发生火灾时不会排放有害于人类健康的有害气体或烟雾。然而，cfrps中常用的环氧树脂(ep)因其固有的脆性和易燃性，限制了cfrps的应用。因此，研究人员致力于同时提高ep及其cfrps的阻燃性、强度和韧性。
2、纳米技术和纳米材料在提高ep的阻燃性和机械性能方面发挥着关键作用。特别地，以si-o-si笼状骨架结构为特征的多面体低聚倍半硅氧烷(poss)可以提高ep的阻燃性能，同时保持或增强其机械性能。然而，少量单组分poss的加入仅对ep的阻燃性产生了轻微的改善，而过量添加可能导致聚集，大幅度降低其机械性能。因此，最近的研究关注于在poss合成过程中将金属元素引入其笼状结构中。结果表明，相比于原始的poss添加，含金属元素的poss笼状结构可进一步降低ep固化系统的放热速率和总放热量。但这种方法因其合成方法的复杂性和成本高而受到阻碍。p、si和n的协同阻燃在显著增强ep的阻燃性方面已被证明是有效的。chen等人设计了一种新的合成方法，将链结构的1，3-双(3-氨基丙基)-1，1，3，3-四甲基二硅氧烷与9，10-二氢-9-氧杂-10-磷菲10-氧化物(dopo)结合，yu等人将dopo接枝到环状化合物2，4，6，8-四甲基
3、将热塑性树脂接枝或原位聚合到纳米颗粒上进行ep改性的技术显著提高了其韧性，同时保持了ep的固有强度、玻璃化转变温度(tg)和热性能。zhao等人采用原位聚合技术将聚酰胺-6连接到氧化石墨烯上，得到改性ep，其断裂韧性显著提高52.6％，同时与未改性ep并置时保持原始拉伸强度和tg。ep强度和韧性的这种显著增强归因于纳米颗粒的应力分散影响和来自热塑性树脂的柔性链的结合。然而，主要的研究方法需要通过在有机溶剂中直接接枝或原位聚合将聚合物链整合到纳米颗粒上，这一过程往往被认为是繁琐的。利用纳米材料和热塑性树脂之间的非共价相互作用，导致自发自组装，是一种简单而有效的方法，在各个研究领域获得了广泛关注。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是为了解决环氧树脂基体以及其cfrps强韧性能和阻燃性能往往不能同时兼顾的问题，提供一种环氧树脂及其碳纤维复合材料阻燃增韧剂的制备方法及应用。该方法通过自组装的方式制备具有“刚-柔”以及新型离子键结构的ppi，用作环氧以及其碳纤维复合材料的阻燃增韧剂。为制备高强韧以及阻燃的cfrps提供了一种简单有效的新策略。
2、为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案如下：
3、一种环氧树脂及其碳纤维复合材料阻燃增韧剂的制备方法，所述方法为：
4、步骤一：制备八氨基丙基poss；
5、步骤二：通过曼尼希反应制备亚磷酸修饰的poss制备：将poss以及亚磷酸(h3po3)分别溶于水中，之后将两种溶液置于三口烧瓶中在40-60℃条件下充分混合搅拌均匀；将甲醛缓慢滴加到混合溶液中，将混合溶液升温至110℃反应4-6h；通过悬蒸的方式去除水溶剂，并将得到的产物用乙醇反复清洗5次去除其中未反应的h3po3；之后将得到的产物置于真空烘箱中60-80℃干燥24-36h，得到最终的h3po3修饰的poss，命名为p-poss；甲醛的作用是通过曼尼希反应将poss上的氨基与亚磷酸上p-h键反应的桥梁。
6、步骤三：阻燃增韧剂的制备：0.01-0.05mol p-poss溶于50ml的水溶液中，并将0.1-0.5mol的分子量600～10000g/mol聚乙烯亚胺(pei)溶于50ml水溶液中；将p-poss水溶液在搅拌的条件下缓慢的滴加入pei水溶液中，有明显的白色固体沉淀产生。将得到的产物用真空抽滤装置去除溶剂；将抽滤得到的产品用乙醇进行清洗去除未反应的pei，之后将得到的产品在80℃条件下燥8h，得到最终的产物，命名为ppi。
7、pei的作用有如下几方面：(1)pei在ppi结构中作为“柔性”组分可以改善材料的韧性；(2)pei与p-poss之间形成离子键有助于材料韧性的进一步提升；(3)pei与环氧之间优异的相容性提高了p-poss在环氧树脂中的均匀分散；(4)pei上较多的氨基基团在环氧树脂固化的过程中可以与环氧官能团之间发生化学键的相互作用，提高环氧树脂固化体系的交联密度，达到补强的效果；(5)pei的使得ppi组分实现了p、n、si组分对环氧树脂的协同阻燃。
8、进一步地，所述步骤一具体为：通过甲醇作为溶剂，3-氨丙基三甲氧基硅烷为原料，浓盐酸为催化剂，按照甲醇：3-氨丙基三甲氧基硅烷：浓盐酸体积比为100:10:10的比例在40℃反应24h，之后通过超干四氢呋喃进行沉淀，真空抽滤获得poss，产率75％-80％。
9、进一步地，步骤二中，所述poss、亚磷酸和甲醛的摩尔比为0.01：0.1：0.08。
10、进一步地，步骤三中，p-poss水溶液与pei水溶液的体积比为1：1-2。
11、一种上述制备方法制备的环氧树脂及其碳纤维复合材料阻燃增韧剂的应用，所述应用为：将ppi以及h256(固化剂)加入到双酚a型环氧树脂(ep)中，并进行充分混合使其分散均匀；其中ep与h256按照质量比100：32进行混合；混合后的环氧+固化剂+ppi混合体系通过离心的方式去除内部存在的气泡，并将其置于模具中在90℃、120℃、150℃分别两小时的条件下进行固化；之后将体系冷却到室温得到目标的环氧固化体系，被命名为ep/x-ppi，其中x代表ppi在环氧树脂中的质量百分数，x取1％～7％。
12、一种上述制备方法制备的环氧树脂及其碳纤维复合材料阻燃增韧剂的应用，所述应用为：碳纤维增强环氧树脂复合材料的制备：将纤维浸入到由ppi、h256以及环氧树脂组成的混合物中，其中ep与h256按照质量比100：32进行混合；之后将其置于模具中在90℃、120℃、150℃分别两小时的条件下进行固化，同时在10mpa的压力下进行模压成型制备cfrps，由纯ep以及ep/x-ppi制备的cfrps分别被命名为cf/ep本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种环氧树脂及其碳纤维复合材料阻燃增韧剂的制备方法，其特征在于：所述方法为：
2.根据权利要求1所述的一种环氧树脂及其碳纤维复合材料阻燃增韧剂的制备方法，其特征在于：所述步骤一具体为：通过甲醇作为溶剂，3-氨丙基三甲氧基硅烷为原料，浓盐酸为催化剂，按照甲醇：3-氨丙基三甲氧基硅烷：浓盐酸体积比为100:10:10的比例在40℃反应24h，之后通过超干四氢呋喃进行沉淀，真空抽滤获得POSS，产率75％-80％。
3.根据权利要求1所述的一种环氧树脂及其碳纤维复合材料阻燃增韧剂的制备方法，其特征在于：步骤二中，所述POSS、亚磷酸和甲醛的摩尔比为0.01：0.1：0.08。
4.根据权利要求1所述的一种环氧树脂及其碳纤维复合材料阻燃增韧剂的制备方法，其特征在于：步骤三中，P-POSS水溶液与PEI水溶液的体积比为1：1-2。
5.一种权利要求1～4任一项所述制备方法制备的环氧树脂及其碳纤维复合材料阻燃增韧剂的应用，其特征在于：所述应用为：将PPI以及H256加入到双酚A型环氧树脂中，并进行充分混合使其分散均匀；其中EP与H256按照
6.一种权利要求1～4任一项所述制备方法制备的环氧树脂及其碳纤维复合材料阻燃增韧剂的应用，其特征在于：所述应用为：碳纤维增强环氧树脂复合材料的制备：将纤维浸入到由PPI、H256以及环氧树脂组成的混合物中，其中EP与H256按照质量比100：32进行混合；之后将其置于模具中在90℃、120℃、150℃分别两小时的条件下进行固化，同时在10MPa的压力下进行模压成型制备CFRPs，命名为CF/x-PPI，x代表PPI在环氧树脂中的质量百分数，x取1％～7％，纤维占比为65％～75％。
...【技术特征摘要】
1.一种环氧树脂及其碳纤维复合材料阻燃增韧剂的制备方法，其特征在于：所述方法为：
2.根据权利要求1所述的一种环氧树脂及其碳纤维复合材料阻燃增韧剂的制备方法，其特征在于：所述步骤一具体为：通过甲醇作为溶剂，3-氨丙基三甲氧基硅烷为原料，浓盐酸为催化剂，按照甲醇：3-氨丙基三甲氧基硅烷：浓盐酸体积比为100:10:10的比例在40℃反应24h，之后通过超干四氢呋喃进行沉淀，真空抽滤获得poss，产率75％-80％。
3.根据权利要求1所述的一种环氧树脂及其碳纤维复合材料阻燃增韧剂的制备方法，其特征在于：步骤二中，所述poss、亚磷酸和甲醛的摩尔比为0.01：0.1：0.08。
4.根据权利要求1所述的一种环氧树脂及其碳纤维复合材料阻燃增韧剂的制备方法，其特征在于：步骤三中，p-poss水溶液与pei水溶液的体积比为1：1-2。
5.一种权利要求1～4任一项所述制备方法制备的环氧树脂及其碳纤维复合材料阻燃增韧剂的应用，其特征在于：所述应用为...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘丽，刘海龙，吴一琪，柴铭茁，黄玉东，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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