CN109233203A - 一种水力发电装置用碳纤维增强复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水力发电装置用碳纤维增强复合材料，属于高分子材料技术领域。本发明将环氧树脂与稀释剂置于混料机中，于转速为600～800r/min条件下，搅拌混合40～60min，接着向混料机中加入改性碳纤维，固化剂，地沟油，胶粉和磷脂，于转速为400～600r/min条件下，搅拌混合40～60min，得混合浆料，向模具表面喷洒脱模剂，接着将混合浆料注入模具中，接着将模具置于热压成型机中，于温度为130～160℃，压力为2～3MPa条件下，热压成型，即得水力发电装置用碳纤维增强复合材料。本发明提供的水力发电装置用碳纤维增强复合材料具有优异的力学性能。

Description

一种水力发电装置用碳纤维增强复合材料
技术领域
本发明公开了一种水力发电装置用碳纤维增强复合材料，属于高分子材料技术领域。
背景技术
碳纤维是指在惰性气氛中，由有机纤维或者沥青纤维经过高温碳化而成的碳素纤维，该纤维分子结构介于金刚石和石墨之间，含碳量超过90%的多环结构，目前商业和军事用碳纤维按照原料的不同可以分为三大类，分别为：黏胶基、沥青基以及聚丙烯腈基碳纤维。联合碳化物公司在1959年开展了对碳纤维的研究，开发并生产了黏胶基碳纤维，同时期，A.Shindo采用聚丙烯腈纤维为基础原料，发明了生产聚丙烯腈基碳纤维的方法，几乎同时间，某研究院优化了聚丙烯腈基碳纤维的技术方案和工艺条件，实现了高性能聚丙烯腈基碳纤维的工业化制造，联合碳化物公司在1970年又研究开发了高性能沥青基碳纤维，此后，碳纤维的制造工艺取得了飞速的发展，其中聚丙烯腈基碳纤维由于其生产工艺简单，产品性能稳定，力学性能优异，在制造工艺上取得了长足的进步，已发展成为如今碳纤维工业的主流。做为一种高性能纤维，碳纤维具有低密度、强度高、热膨胀系数小、耐高温、摩擦系数小、导电性好、耐高温等突出特点，密度是钢的四分之一，强度是钢的5～6倍。此外，碳纤维的化学特性也非常优秀，具有耐酸碱性好，抗辐射，耐油，抗放射等特性。
碳纤维由于其一系列的优异性能被用作高性能复合材料的主要增强材料。碳纤维复合材料因为具有轻质高强等优良性能，在航空航天、土木建筑、清洁能源等领域都取得了广泛的应用，成为未来材料发展的重要方向。
碳纤维增强树脂基复合材料是由碳纤维增强相与树脂基体相组成，这两个部分并不是独立存在的，而是通过协同作用弥补各自的缺陷而又保持各自的优点，使复合材料具有原组分没有的优点，两相之间的过渡区域就是界面，界面的存在使得基体与增强相所发挥的作用是各自独立又不孤立的，对复合材料而言，界面是联系基体与增强相的桥梁，在增强相与基体复合过程中，会出现界面化学效应、热应力、界面结晶效应，这些效应直接影响到复合材料的宏观性能。目前传统的碳纤维增强材料体系力学性能不佳，还需对其进行研究。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是：针对传统碳纤维增强材料体系力学性能不佳的问题，提供了一种水力发电装置用碳纤维增强复合材料。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种水力发电装置用碳纤维增强复合材料，是由以下重量份数的原料组成：
改性碳纤维 20～30份
环氧树脂 40～60份
稀释剂 20～30份
固化剂 5～8份
地沟油 8～10份
胶粉 10～20份
磷脂 8～10份
所述水力发电装置用碳纤维增强复合材料的制备过程为：按原料组成称量以下原料，环氧树脂与稀释剂搅拌混合，接着加入改性碳纤维，固化剂，地沟油，胶粉和磷脂搅拌混合，注模，热压成型，脱模，即得水力发电装置用碳纤维增强复合材料。
所述改性碳纤维的制备过程为：将稻壳纤维与盐酸按质量比1：10～1：20混合浸泡，过滤，洗涤，得预处理稻壳纤维，按重量份数计，将20～30份预处理稻壳纤维，3～5份纳米铁粉，8～10份氟化钠溶液和3～5份海泡石混合球磨，减压浓缩，干燥，炭化，高温处理，降温，即得改性碳纤维。
所述环氧树脂为环氧树脂E-42，环氧树脂E-44或环氧树脂E-52中的任意一种。
所述稀释剂为二甲苯，丙酮或乙醇中的任意一种。
所述固化剂为二己基三胺，二乙氨基丙胺或三乙烯四胺中的任意一种。
所述胶粉为桃胶粉，骨胶粉，***胶粉或明胶粉中的任意一种。
所述磷脂为牛奶磷脂，大豆磷脂或蛋黄磷脂中的任意一种。
本发明的有益效果是：
本发明通过添加改性碳纤维，在制备过程中，稻壳纤维经过盐酸浸泡，有利于降低纤维间的结合力，使得后期球磨过程中，纳米铁粉，海泡石纤维束能够嵌入进稻壳纤维中，同时，氟化钠溶液能够渗透到稻壳纤维中，接着，在炭化过程中，稻壳纤维中的有机质炭化，在炭化过程中发生收缩，而稻壳纤维坚硬的硅质层阻碍了内部炭质的收缩，从而使得纤维发生螺旋卷曲，形成螺旋状的碳纤维，随着温度的逐渐上升，在纳米铁粉和氟化钠的催化作用下，稻壳纤维表面的二氧化硅与炭质反应，生成碳化硅构成坚硬的骨架，使得碳纤维的强度增强，在使用过程中，螺旋状的改性碳纤维分散在体系中的，表面插嵌的海泡石纤维束形成凸起，使得基体树脂能够在改性碳纤维表面铺展润湿，从而有效改善改性碳纤维与基体树脂间的界面，进一步提升了体系的力学性能，同时，螺旋状的改性碳纤维间易形成机械咬合，从而使得体系的力学性能得到进一步的提升。
具体实施方式
将稻壳纤维与质量分数为20～30%的盐酸按质量比1：10～1：20置于烧杯中，于转速为300～500r/min条件下，搅拌混合浸泡40～60min，得混合浆液，再将混合浆液过滤，得滤饼，接着用氨水将滤饼洗涤至洗涤液为中性，得预处理稻壳纤维，按重量份数计，将20～30份预处理稻壳纤维，3～5份纳米铁粉，8～10份氟化钠溶液和3～5份海泡石混合球磨，得球磨料，接着将球磨料置于旋转蒸发仪中，于温度为60～75℃，压力为500～800Pa条件下，减压浓缩40～60min，得浓缩液，接着将浓缩液置于烘箱中，于温度为105～110℃条件下，干燥至恒重，得干燥球磨料，接着将干燥球磨料置于烧结炉中，并以90～120mL/min速率向炉内充入氮气，于温度为650～850℃条件下，炭化1～2h，接着将温度升至1400～1550℃，于温度为1400～1550℃条件下，高温处理2～3h后，随炉降至室温，即得改性碳纤维；按重量份数计，20～30份改性碳纤维，40～60份环氧树脂，20～30份稀释剂，5～8份固化剂，8～10份地沟油，10～20份胶粉和8～10份磷脂，将环氧树脂与稀释剂置于混料机中，于转速为600～800r/min条件下，搅拌混合40～60min，接着向混料机中加入改性碳纤维，固化剂，地沟油，胶粉和磷脂，于转速为400～600r/min条件下，搅拌混合40～60min，得混合浆料，向模具表面喷洒废弃机油，接着将混合浆料注入模具中，接着将模具置于热压成型机中，于温度为130～160℃，压力为2～3MPa条件下，热压成型后，脱模，即得水力发电装置用碳纤维增强复合材料。所述环氧树脂为环氧树脂E-42，环氧树脂E-44或环氧树脂E-52中的任意一种。所述稀释剂为二甲苯，丙酮或乙醇中的任意一种。所述固化剂为二己基三胺，二乙氨基丙胺或三乙烯四胺中的任意一种。所述胶粉为桃胶粉，骨胶粉，***胶粉或明胶粉中的任意一种。所述磷脂为牛奶磷脂，大豆磷脂或蛋黄磷脂中的任意一种。
实例1
将稻壳纤维与质量分数为30%的盐酸按质量比1：20置于烧杯中，于转速为500r/min条件下，搅拌混合浸泡60min，得混合浆液，再将混合浆液过滤，得滤饼，接着用氨水将滤饼洗涤至洗涤液为中性，得预处理稻壳纤维，按重量份数计，将30份预处理稻壳纤维，5份纳米铁粉，10份氟化钠溶液和5份海泡石混合球磨，得球磨料，接着将球磨料置于旋转蒸发仪中，于温度为75℃，压力为800Pa条件下，减压浓缩60min，得浓缩液，接着将浓缩液置于烘箱中，于温度为110℃条件下，干燥至恒重，得干燥球磨料，接着将干燥球磨料置于烧结炉中，并以120mL/min速率向炉内充入氮气，于温度为850℃条件下，炭化2h，接着将温度升至1550℃，于温度为1550℃条件下，高温处理3h后，随炉降至室温，即得改性碳纤维；按重量份数计，30份改性碳纤维，60份环氧树脂，30份稀释剂，8份固化剂，10份地沟油，20份胶粉和10份磷脂，将环氧树脂与稀释剂置于混料机中，于转速为800r/min条件下，搅拌混合60min，接着向混料机中加入改性碳纤维，固化剂，地沟油，胶粉和磷脂，于转速为600r/min条件下，搅拌混合60min，得混合浆料，向模具表面喷洒废弃机油，接着将混合浆料注入模具中，接着将模具置于热压成型机中，于温度为160℃，压力为3MPa条件下，热压成型后，脱模，即得水力发电装置用碳纤维增强复合材料。所述环氧树脂为环氧树脂E-42。所述稀释剂为二甲苯。所述固化剂为二己基三胺。所述胶粉为桃胶粉。所述磷脂为牛奶磷脂。
实例2
按重量份数计，30份碳纤维，60份环氧树脂，30份稀释剂，8份固化剂，10份地沟油，20份胶粉和10份磷脂，将环氧树脂与稀释剂置于混料机中，于转速为800r/min条件下，搅拌混合60min，接着向混料机中加入碳纤维，固化剂，地沟油，胶粉和磷脂，于转速为600r/min条件下，搅拌混合60min，得混合浆料，向模具表面喷洒废弃机油，接着将混合浆料注入模具中，接着将模具置于热压成型机中，于温度为160℃，压力为3MPa条件下，热压成型后，脱模，即得水力发电装置用碳纤维增强复合材料。所述环氧树脂为环氧树脂E-42。所述稀释剂为二甲苯。所述固化剂为二己基三胺。所述胶粉为桃胶粉。所述磷脂为牛奶磷脂。
实例3
将稻壳纤维与质量分数为30%的盐酸按质量比1：20置于烧杯中，于转速为500r/min条件下，搅拌混合浸泡60min，得混合浆液，再将混合浆液过滤，得滤饼，接着用氨水将滤饼洗涤至洗涤液为中性，得预处理稻壳纤维，按重量份数计，将30份预处理稻壳纤维，5份纳米铁粉，10份氟化钠溶液和5份海泡石混合球磨，得球磨料，接着将球磨料置于旋转蒸发仪中，于温度为75℃，压力为800Pa条件下，减压浓缩60min，得浓缩液，接着将浓缩液置于烘箱中，于温度为110℃条件下，干燥至恒重，得干燥球磨料，接着将干燥球磨料置于烧结炉中，并以120mL/min速率向炉内充入氮气，于温度为850℃条件下，炭化2h，接着将温度升至1550℃，于温度为1550℃条件下，高温处理3h后，随炉降至室温，即得改性碳纤维；按重量份数计，30份改性碳纤维，60份环氧树脂，30份稀释剂，8份固化剂，20份胶粉和10份磷脂，将环氧树脂与稀释剂置于混料机中，于转速为800r/min条件下，搅拌混合60min，接着向混料机中加入改性碳纤维，固化剂，胶粉和磷脂，于转速为600r/min条件下，搅拌混合60min，得混合浆料，向模具表面喷洒废弃机油，接着将混合浆料注入模具中，接着将模具置于热压成型机中，于温度为160℃，压力为3MPa条件下，热压成型后，脱模，即得水力发电装置用碳纤维增强复合材料。所述环氧树脂为环氧树脂E-42。所述稀释剂为二甲苯。所述固化剂为二己基三胺。所述胶粉为桃胶粉。所述磷脂为牛奶磷脂。
实例4
将稻壳纤维与质量分数为30%的盐酸按质量比1：20置于烧杯中，于转速为500r/min条件下，搅拌混合浸泡60min，得混合浆液，再将混合浆液过滤，得滤饼，接着用氨水将滤饼洗涤至洗涤液为中性，得预处理稻壳纤维，按重量份数计，将30份预处理稻壳纤维，5份纳米铁粉，10份氟化钠溶液和5份海泡石混合球磨，得球磨料，接着将球磨料置于旋转蒸发仪中，于温度为75℃，压力为800Pa条件下，减压浓缩60min，得浓缩液，接着将浓缩液置于烘箱中，于温度为110℃条件下，干燥至恒重，得干燥球磨料，接着将干燥球磨料置于烧结炉中，并以120mL/min速率向炉内充入氮气，于温度为850℃条件下，炭化2h，接着将温度升至1550℃，于温度为1550℃条件下，高温处理3h后，随炉降至室温，即得改性碳纤维；按重量份数计，30份改性碳纤维，60份环氧树脂，30份稀释剂，8份固化剂，10份地沟油和10份磷脂，将环氧树脂与稀释剂置于混料机中，于转速为800r/min条件下，搅拌混合60min，接着向混料机中加入改性碳纤维，固化剂，地沟油和磷脂，于转速为600r/min条件下，搅拌混合60min，得混合浆料，向模具表面喷洒废弃机油，接着将混合浆料注入模具中，接着将模具置于热压成型机中，于温度为160℃，压力为3MPa条件下，热压成型后，脱模，即得水力发电装置用碳纤维增强复合材料。所述环氧树脂为环氧树脂E-42。所述稀释剂为二甲苯。所述固化剂为二己基三胺。所述磷脂为牛奶磷脂。
实例5
将稻壳纤维与质量分数为30%的盐酸按质量比1：20置于烧杯中，于转速为500r/min条件下，搅拌混合浸泡60min，得混合浆液，再将混合浆液过滤，得滤饼，接着用氨水将滤饼洗涤至洗涤液为中性，得预处理稻壳纤维，按重量份数计，将30份预处理稻壳纤维，5份纳米铁粉，10份氟化钠溶液和5份海泡石混合球磨，得球磨料，接着将球磨料置于旋转蒸发仪中，于温度为75℃，压力为800Pa条件下，减压浓缩60min，得浓缩液，接着将浓缩液置于烘箱中，于温度为110℃条件下，干燥至恒重，得干燥球磨料，接着将干燥球磨料置于烧结炉中，并以120mL/min速率向炉内充入氮气，于温度为850℃条件下，炭化2h，接着将温度升至1550℃，于温度为1550℃条件下，高温处理3h后，随炉降至室温，即得改性碳纤维；按重量份数计，30份改性碳纤维，60份环氧树脂，30份稀释剂，8份固化剂，10份地沟油，20份胶粉，将环氧树脂与稀释剂置于混料机中，于转速为800r/min条件下，搅拌混合60min，接着向混料机中加入改性碳纤维，固化剂，地沟油，胶粉，于转速为600r/min条件下，搅拌混合60min，得混合浆料，向模具表面喷洒废弃机油，接着将混合浆料注入模具中，接着将模具置于热压成型机中，于温度为160℃，压力为3MPa条件下，热压成型后，脱模，即得水力发电装置用碳纤维增强复合材料。所述环氧树脂为环氧树脂E-42。所述稀释剂为二甲苯。所述固化剂为二己基三胺。所述胶粉为桃胶粉。
对比例：上海某新材料科技有限公司生产的碳纤维增强复合材料。
将实例1至5所得碳纤维增强复合材料和对比例产品进行性能检测，具体检测方法如下：
检测上述碳纤维增强复合材料的层间剪切强度，具体检测结果如表1所示：
表1：性能检测表
检测内容 实例1 实例2 实例3 实例4 实例5 对比例
层间剪切强度/MPa 57.8 46.2 45.7 47.4 46.9 38.5
由表1检测结果可知，本发明所得水力发电装置用碳纤维增强复合材料具有优异的力学性能。

Claims (7)

1.一种水力发电装置用碳纤维增强复合材料，其特征在于：是由以下重量份数的原料组成：
改性碳纤维 20～30份
环氧树脂 40～60份
稀释剂 20～30份
固化剂 5～8份
地沟油 8～10份
胶粉 10～20份
磷脂 8～10份
所述水力发电装置用碳纤维增强复合材料的制备过程为：按原料组成称量以下原料，环氧树脂与稀释剂搅拌混合，接着加入改性碳纤维，固化剂，地沟油，胶粉和磷脂搅拌混合，注模，热压成型，脱模，即得水力发电装置用碳纤维增强复合材料。
2.根据权利要求1所述一种水力发电装置用碳纤维增强复合材料，其特征在于：所述改性碳纤维的制备过程为：将稻壳纤维与盐酸按质量比1：10～1：20混合浸泡，过滤，洗涤，得预处理稻壳纤维，按重量份数计，将20～30份预处理稻壳纤维，3～5份纳米铁粉，8～10份氟化钠溶液和3～5份海泡石混合球磨，减压浓缩，干燥，炭化，高温处理，降温，即得改性碳纤维。
3.根据权利要求1所述一种水力发电装置用碳纤维增强复合材料，其特征在于：所述环氧树脂为环氧树脂E-42，环氧树脂E-44或环氧树脂E-52中的任意一种。
4.根据权利要求1所述一种水力发电装置用碳纤维增强复合材料，其特征在于：所述稀释剂为二甲苯，丙酮或乙醇中的任意一种。
5.根据权利要求1所述一种水力发电装置用碳纤维增强复合材料，其特征在于：所述固化剂为二己基三胺，二乙氨基丙胺或三乙烯四胺中的任意一种。
6.根据权利要求1所述一种水力发电装置用碳纤维增强复合材料，其特征在于：所述胶粉为桃胶粉，骨胶粉，***胶粉或明胶粉中的任意一种。
7.根据权利要求1所述一种水力发电装置用碳纤维增强复合材料，其特征在于：所述磷脂为牛奶磷脂，大豆磷脂或蛋黄磷脂中的任意一种。
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