CN108892925A - 一种防雷击复合材料表面膜及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

一种防雷击复合材料表面膜及其制备方法和应用，它涉及一种航空航天防雷击复合材料表面膜及其制备方法和应用。本发明要解决以往航空航天复合材料制件防雷击方法中电磁屏蔽性能差、工艺复杂或增重大等问题；采用碳纳米材料和微米银薄片作为导电材料，提出一种环氧树脂改性的新方法，并提高了环氧树脂的耐热性和韧性。本发明的防雷击复合材料表面膜由环氧树脂、微米银薄片、碳纳米材料、增韧改性剂、耐热改性剂、固化剂、UV稳定剂和载体组成。该防雷击表面膜的制备方法是原材料共混均匀后采用树脂热熔法成膜。本发明防雷击复合材料表面膜可改善复合材料结构件的表面质量，并具有防雷击功能。

Description

一种防雷击复合材料表面膜及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种航空航天防雷击复合材料表面膜及其制备方法和应用。
背景技术
由于减重需求，航空航天领域大量采用复合材料替代金属作为飞行器主体材料，复合材料具有优异的比强度等优点，由于复合材料导电性能较金属差，遇到雷击后很难将高能量电流传导出去，必然导致大能量的积聚，造成复合材料的破坏或内部仪器的损伤失效。目前，复合材料防雷击保护主要有采用分流条形式、铺附金属网方式或火焰喷涂铝的方式，以上形式存在电磁屏蔽性能差、工艺复杂或增重大等问题。
发明内容
本发明是针对复合材料提出一种防雷击复合材料表面膜的制备方法和应用。
本发明采用碳纳米管、石墨烯等非金属导电材料配合金属银薄片，作为导电主体材料，采用超声分散技术，使填料均匀分散于树脂基体中，在高温、高压下碳纳米管或石墨烯等填料再次定向排布，与预浸料共固化成型，对飞机部件起到雷击防护和电磁屏蔽作用。
本发明的一种防雷击复合材料表面膜，它按照重量份数是由75～100份的环氧树脂、 25～60份微米银薄片、2～10份的碳纳米材料、10～15份的增韧改性剂、10～20份耐热改性剂、10～30份的固化剂、1～5份UV稳定剂和载体组成。
本发明的一种防雷击复合材料表面膜的制备方法按照以下步骤进行：
一、按质量份数称取75～100份的环氧树脂、25～40份的微米银薄片、2～10份碳纳米材料、10～15份增韧改性剂、10～20份耐热改性剂、10～30份的固化剂和1～5份UV稳定剂；
二、将步骤一称取的环氧树脂在高速分散机中加热到150～170℃，步骤一中称取的碳纳米材料加入到高速分散机中搅拌60～120min，得到共混树脂；
三、将步骤二中共混树脂加热至160～180℃，在超声波分散机中进一步分散；
四、将步骤三中的共混树脂与步骤一中称取的微米银薄片在三辊研磨机中研磨3遍，再与步骤一中称取的增韧改性剂、耐热改性剂、固化剂、UV稳定剂加入到捏合机中， 120～140℃下捏合30～60min，再抽真空10～30min；
五、将步骤四中的树脂在载体辅助下采用热熔压膜机上成膜，成膜温度为80～100℃。
本发明的防雷击复合材料表面膜用于制备防雷击复合材料板。
本发明的一种防雷击复合材料表面膜优点如下：
1、本发明采用了碳纳米管和石墨烯配合微米银薄片作为表面膜导电材料，与传统的银薄片作为导电材料相比，降低了银薄片的加入量，单位电阻值仍保持较低水平，减轻了表面膜重量。
2、本发明增韧剂采用聚酰亚胺和聚酰胺酰亚胺纳米粉末联合增韧环氧树脂，双重增韧效果优于单一方式。
3、耐热改性剂由含硅芳炔树脂和间卡十硼烷-苯并咪唑中的一种或两种按任意比组成。这两种耐热改性剂对环氧树脂耐热性改性效果明显，配合使用兼顾耐热性和经济性。
本发明表面膜的耐热性得到了意想不到的提高，提高幅度高达40％。
附图说明
图1为本发明防雷击复合材料表面膜制备各阶段结构状态示意图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本发明的一种防雷击复合材料表面膜，它按照重量份数是由75～100 份的环氧树脂、25～60份银薄片、2～10份的碳纳米材料、10～15份的增韧改性剂、10～20 份耐热改性剂、10～30份的固化剂、1～5份UV稳定剂和载体组成。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：环氧树脂是由N,N,N',N'- 四(环氧乙烷基甲基)-1,3-苯二甲胺、萘基酚醛环氧树脂中的一种或其中两种按任意比例组成。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：微米银薄片尺寸为 5～15μm。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：碳纳米材料由石墨烯、碳纳米管或导电炭黑中的一种或几种按任意比组成。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四不同的是：增韧剂由聚酰亚胺和聚酰胺酰亚胺按3:2比例组成。
聚酰亚胺结构式：其中R为甲苯二异氰酸酯或二苯基甲烷二异氰酸酯。
聚酰胺酰亚胺结构式：其中：R为或
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五不同的是：耐热改性剂由含硅芳炔树脂和间卡十硼烷-苯并咪唑中的一种或两种按任意比组成。这两种耐热改性剂对热固性树脂表面膜耐热性改性效果最佳，配合使用兼顾耐热性和经济性。其它与具体实施方式一至五之一相同。
含硅芳炔树脂结构式：间卡十硼烷-苯并咪唑结构式：
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：固化剂为4,4'- 二氨基二苯砜。其它与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：UV稳定剂是由金红石型纳米钛白粉、纳米氧化锌、2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮、2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮中的一种或几种按任意比组成。其它与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：载体为聚酯无纺布、芳纶纤维无纺布、玻璃纤维无纺布、石英纤维无纺布中的一种。其它与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式的一种防雷击复合材料表面膜的制备方法按照以下步骤进行：
一、按质量份数称取75～100份的环氧树脂、25～40份的微米银薄片、2～10份碳纳米材料、10～15份增韧改性剂、10～20份耐热改性剂、10～30份的固化剂和1～5份UV稳定剂；
二、将步骤一称取的环氧树脂在高速分散机中加热到150～170℃，步骤一中称取的碳纳米材料加入到高速分散机中搅拌60～120min，得到共混树脂；
三、将步骤二中共混树脂加热至160～180℃，在超声波分散机中进一步分散；
四、将步骤三中的共混树脂与步骤一中称取的微米银薄片在三辊研磨机中研磨3遍，再与步骤一中称取的增韧改性剂、耐热改性剂、固化剂、UV稳定剂加入到捏合机中， 120～140℃下捏合30～60min，再抽真空10～30min；
五、将步骤四中的树脂在载体辅助下采用热熔压膜机上成膜，成膜温度为80～100℃。
具体实施方式十一：本实施方式的防雷击复合材料表面膜用于制备它用于制备防雷击复合材料板。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式十一不同的是：防雷击复合材料板制备方法如下：
将防雷击复合材料表面膜平整铺附于预浸料外表面，在热压罐180～200℃、 0.4～0.6MPa下进行共固化，得防雷击复合材料。
其它与具体实施方式十一相同。
本实施方式所述的高速搅拌机搅拌速度不低于1500r/min。
通过以下试验验证本发明的有益效果：
试验1、本试验一种防雷击复合材料表面膜的制备方法按照以下步骤进行：
一、按质量份数称取90份的环氧树脂、40份的微米银薄片、2份碳纳米材料、12份增韧改性剂、10份耐热改性剂、30份的固化剂和2份UV稳定剂；
二、将步骤一称取的环氧树脂在高速分散机中加热到150～170℃，步骤一中称取的碳纳米材料加入到高速分散机中高速搅拌60～120min，得到共混树脂；
三、将步骤二中共混树脂加热至160～180℃，在超声波分散机中进一步分散；
四、将步骤三中的共混树脂与步骤一中称取的微米银薄片在三辊研磨机中研磨3遍，再与步骤一中称取的增韧改性剂、耐热改性剂、固化剂、UV稳定剂加入到捏合机中，120～140℃下捏合30～60min，再抽真空10～30min；
五、将步骤四中的树脂在载体辅助下采用热熔压膜机上成膜，成膜温度为80～100℃。
本试验所述的高速搅拌机搅拌速度不低于1500r/min；
本实施方式所述的真空捏合机真空度不低于-0.092Mpa；
本试验的环氧树脂为N,N,N’,N’-四(环氧乙烷基甲基)-1,3-苯二甲胺：萘基酚醛环氧树脂按质量比为10:1的比例组成；
本试验的增韧改性剂为；增韧改性剂为聚酰亚胺和聚酰胺酰亚胺按质量比为3:2的共混纳米粉末，粉末颗粒为30μm～50μm；
本试验的耐热改性剂为含硅芳炔树脂；
本试验的UV稳定剂为金红石型纳米钛白粉；
本试验的载体为聚酯无纺布。
试验2、本试验一种防雷击复合材料表面膜的制备方法按照以下步骤进行：
一、按质量份数称取90份的环氧树脂、30份的微米银薄片、3份碳纳米材料、10份增韧改性剂、12份耐热改性剂、30份的固化剂和2份UV稳定剂；
二、将步骤一称取的环氧树脂在高速分散机中加热到150～170℃，步骤一中称取的碳纳米材料加入到高速分散机中高速搅拌60～120min，得到共混树脂；
三、将步骤二中共混树脂加热至160～180℃，在超声波分散机中进一步分散；
四、将步骤三中的共混树脂与步骤一中称取的微米银薄片在三辊研磨机中研磨3遍，再与步骤一中称取的增韧改性剂、耐热改性剂、固化剂、UV稳定剂加入到捏合机中， 120～140℃下捏合30～60min，再抽真空10～30min；
五、将步骤四中的树脂在载体辅助下采用热熔压膜机上成膜，成膜温度为80～100℃。
本试验所述的高速搅拌机搅拌速度不低于1500r/min；
本实施方式所述的真空捏合机真空度不低于-0.092Mpa；
本试验的环氧树脂为N,N,N’,N’-四(环氧乙烷基甲基)-1,3-苯二甲胺：萘基酚醛环氧树脂按质量比为10:1的比例组成；
本试验的增韧改性剂为；增韧改性剂为聚酰亚胺和聚酰胺酰亚胺按质量比为3:2的共混纳米粉末，粉末颗粒为30μm～50μm；
本试验的耐热改性剂为含硅芳炔树脂；
本试验的UV稳定剂为金红石型纳米钛白粉；
本试验的载体为聚酯无纺布。
试验1～试验2制备得到防雷击复合材料表面膜基本性能如下表1：
表1防雷击复合材料表面膜基本性能
对比样1为环氧树脂表面膜添加3％质量分数的石墨烯，对比样2为环氧树脂表面膜添加60％质量分数的银薄片。本发明的防雷击复合材料表面膜在相对于纯银薄片添加的试样单位面积质量大幅降低的情况下，保持了很低电阻值，有益于复合材料遭遇雷击后顺利导出雷电流。
实施例3
将实施例1和2制备的防雷击复合材料表面膜制备防雷击复合材料，具体过程如下：
将防雷击复合材料表面膜平整铺附于预浸料外表面，在热压罐180℃、高压0.6MPa下进行共固化，得防雷击复合材料。
经过固化过程防雷击复合材料表面膜中的片状微米银薄片垂直于压力方向呈现规则排列，如附图1。微米银薄片的片层排列有利于电流的导通，且碳纳米管在银薄片间产生桥梁作用，降低银薄片间电阻，最终可达到复合材料的防雷击功能。

Claims (10)

1.一种防雷击复合材料表面膜，其特征在于防雷击复合材料表面膜按照重量份数是由75～100份的环氧树脂、25～60份微米银薄片、2～10份的碳纳米材料、10～15份的增韧改性剂、10～20份耐热改性剂、10～30份的固化剂、1～5份UV稳定剂和载体组成。
2.根据权利要求1中所述的一种防雷击复合材料表面膜，其特征在于环氧树脂是由N,N,N',N'-四(环氧乙烷基甲基)-1,3-苯二甲胺、萘基酚醛环氧树脂中的一种或其中两种按任意比例组成。
3.根据权利要求1中所述的一种防雷击复合材料表面膜，其特征在于微米银薄片尺寸为5～15μm。
4.根据权利要求1中所述的一种防雷击复合材料表面膜，其特征在于碳纳米材料由石墨烯、碳纳米管或导电炭黑中的一种或几种按任意比组成。
5.根据权利要求1中所述的一种防雷击复合材料表面膜，其特征在于增韧剂由聚酰亚胺和聚酰胺酰亚胺按3:2比例组成。
6.根据权利要求1中所述的一种防雷击复合材料表面膜，其特征在于耐热改性剂由含硅芳炔树脂和间卡十硼烷-苯并咪唑中的一种或两种按任意比组成。
7.根据权利要求1中所述的一种防雷击复合材料表面膜，其特征在于固化剂为4,4'-二氨基二苯砜。
8.制备权利要求1所述的一种防雷击复合材料表面膜的方法，其特征在于防雷击复合材料表面膜制备方法按照以下步骤进行：
一、按质量份数称取75～100份的环氧树脂、25～40份的微米银薄片、2～10份碳纳米材料、10～15份增韧改性剂、10～20份耐热改性剂、10～30份的固化剂和1～5份UV稳定剂；
二、将步骤一称取的环氧树脂在高速分散机中加热到150～170℃，步骤一中称取的碳纳米材料加入到高速分散机中搅拌60～120min，得到共混树脂；
三、将步骤二中共混树脂加热至160～180℃，在超声波分散机中进一步分散；
四、将步骤三中的共混树脂与步骤一中称取的微米银薄片在三辊研磨机中研磨3遍，再与步骤一中称取的增韧改性剂、耐热改性剂、固化剂、UV稳定剂加入到捏合机中，120～140℃下捏合30～60min，再抽真空10～30min；
五、将步骤四中的树脂在载体辅助下采用热熔压膜机上成膜，成膜温度为80～100℃。
9.一种防雷击复合材料表面膜的应用，其特征在于它用于制备防雷击复合材料板。
10.根据权利要求9所述的一种防雷击复合材料表面膜的应用，其特征在于防雷击复合材料板制备方法如下：
将防雷击复合材料表面膜平整铺附于预浸料外表面，在热压罐180～200℃、0.4～0.6MPa下进行共固化，得防雷击复合材料。
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