CN114316420A - 一种交联型连续纤维束增强复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种交联型连续纤维束增强复合材料及其制备方法和应用。本发明的交联型连续纤维束增强复合材料，包括基材树脂和纤维束增强材料，所述基材树脂与所述纤维束增强材料的重量比为1:9‑9:1；所述交联型纤维束增强复合材料为单层结构或多层结构，当为多层结构时，相邻两层纤维束增强材料的纤维束之间的夹角为0‑90°；按重量份计，所述基材树脂包含如下组分：EVA或POE100份、主交联剂0.1‑2份、助交联剂0.1‑2份、硅烷偶联剂0.1‑1份、光稳定剂0.05‑1份、抗氧剂0.05‑1份。本发明制得的交联型连续纤维束增强复合材料，成本低，具有良好的耐高温性能和力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及纤维增强复合材料技术领域，尤其涉及一种交联型连续纤维束增强复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
常见的以晶硅太阳能电池作为发电核心的光伏组件的基本单元从上至下依次包括玻璃前板、封装胶膜、太阳能晶硅电池、封装胶膜、以及太阳能电池背板五部分经高温层压而成的类三明治结构；这种太阳能光伏组件为了保证其本身强度和户外安全，通常会使用一块厚度相对较厚(约3.2mm)的钢化玻璃作为前板，而钢化玻璃相对较重，这样就使得光伏组件重量剧增，限制了其在屋顶分布式和其他民用场景下的使用，并且为了保护电池片及便于安装，常使用金属铝框为框架并起支撑作用和固定。随着分布式发电逐渐兴起，常规组件因其承重原因而在部分分布式项目中无法使用，如部分彩钢瓦屋顶项目等。因此，为了光伏组件的进一步推广应用，降低光伏组件重量势在必行。
光伏组件为了实现轻量化，现有技术中常采用纤维增强复合材料作为背板、边框或其他封装材料的原料。现有技术的纤维增强复合材料一般采用热塑性材料作为基材，比如聚丙烯PP、聚酰胺PA等。如果用PP作为基材的话，耐温较差，成品的使用温度不能超过120℃；如果用PA作为基材的话，虽然耐温性好，但是材料价格昂贵。
CN110391312A公开了一种具有高效散热效果的轻质光伏背板，包括接触连接的内部背板层和设有若干格栅单元的外部格栅复合板层，内部背板层作为光伏组件的背面封装，且外部格栅复合板层用于取代金属边框作为光伏组件的衬板结构，同时用于光伏组件的背面散热；本发明还涉及了该具有高效散热效果的轻质光伏背板应用的光伏组件；本发明同时具有轻质、安全可靠、无边框设计不容易积灰且不用接地、其版型可灵活多变的优点，避免传统双玻组件的高爆裂问题，而且本发明完全符合光伏标准需求，可以实现真正规模推广应用。该发明中的增强型热塑性复合材料选自连续纤维增强PP复合材料、连续纤维增强PA复合材料、连续纤维增强PE复合材料和连续纤维增强PC复合材料中的至少一种，同样会存在耐高温性差或成本高的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种交联型纤维增强复合材料及其制备方法和应用，制得的交联型纤维增强复合材料，成本低，具有良好的耐高温性能和力学性能。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种交联型连续纤维束增强复合材料，包括基材树脂和纤维束增强材料，所述基材树脂与所述纤维束增强材料的重量比为1:9-9:1；所述交联型纤维束增强复合材料为单层结构或多层结构，当为多层结构时，相邻两层纤维束增强材料的纤维束之间的夹角为0-90°；
按重量份计，所述基材树脂包含如下组分：
本发明的纤维增强复合材料，采用交联型的基材代替热塑性基材，制作成本低，制得的材料具有良好的耐高温性能和力学性能。
具体的，所述基材树脂与所述纤维束增强材料的重量比为1:9-9:1，例如为1:9、1:8、1:7、1:6、1:5、1:4、1:3、1:2、1:1、2:1、3:1、4:1、5:1、6:1、7:1、8:1、9:1等。
相邻两层纤维束束增强材料的纤维束之间的夹角为0-90°，例如夹角为0、10°、15°、20°、25°、30°、34°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°、75°、80°、85°或90°等。各层之间纤维束呈夹角设置，可以使得复合材料强度更好，不易开裂。
按重量份计，所述基材层包含如下组分：
EVA或POE的重量份为100份。
主交联剂的重量份为0.1-2份，例如为0.1份、0.2份、0.3份、0.4份、0.5份、0.6份、0.7份、0.8份、0.9份、1份、1.1份、1.2份、1.3份、1.4份、1.5份、1.6份、1.7份、1.8份、1.9份或2份等。
助交联剂的重量份为0.1-2份，例如为0.1份、0.2份、0.3份、0.4份、0.5份、0.6份、0.7份、0.8份、0.9份、1份、1.1份、1.2份、1.3份、1.4份、1.5份、1.6份、1.7份、1.8份、1.9份或2份等。
硅烷偶联剂的重量份为0.1-1份，例如为0.1份、0.2份、0.3份、0.4份、0.5份、0.6份、0.7份、0.8份、0.9份、1份等。
光稳定剂的重量份为0.05-1份，例如为0.05份、0.06份、0.07份、0.08份、0.09份、0.1份、0.2份、0.3份、0.4份、0.5份、0.6份、0.7份、0.8份、0.9份、1份等。
抗氧剂的重量份为0.05-1份，例如为0.05份、0.06份、0.07份、0.08份、0.09份、0.1份、0.2份、0.3份、0.4份、0.5份、0.6份、0.7份、0.8份、0.9份、1份等。
其中，所述助交联剂为三烯丙基异氰脲酸酯、三聚氰酸三烯丙酯和丙烯酸类助交联剂中的任意一种或至少两种的混合物。
优选地，所述丙烯酸类助交联剂为三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、丙氧化丙三醇三丙烯酸酯和乙氧基化季戊四醇四丙烯酸酯中的任意一种或至少两种的混合物。
优选地，所述助交联剂为三烯丙基异氰脲酸酯或三聚氰酸三烯丙酯与丙烯酸类助交联剂的混合物。
优选地，所述三烯丙基异氰脲酸酯与所述丙烯酸类助交联剂的质量比为(1:2)-(2:1)，例如为1:2、1:1.5、1:1、1.5:1、2:1等。
优选地，所述三聚氰酸三烯丙酯与所述丙烯酸类助交联剂的质量比为(1:2)-(2:1)，例如为1:2、1:1.5、1:1、1.5:1、2:1等。
所述EVA的熔融指数为100-500g/10min，例如为100g/10min、110g/10min、120g/10min、130g/10min、140g/10min、150g/10min、160g/10min、170g/10min、180g/10min、190g/10min、200g/10min、250g/10min、300g/10min、350g/10min、400g/10min、450g/10min或500g/10min等。采用上述熔融指数范围的EVA，便于加工，可以充分浸润至玻纤束周围。熔指太低低于100g/10min的话，树脂无法充分浸润至玻纤束周围；熔指太高高于500g/10min的话，树脂强度太低，所形成的复合材料，力学性能差。
优选地，所述POE的熔融指数为150-600g/10min，例如为150g/10min、160g/10min、170g/10min、180g/10min、190g/10min、200g/10min、250g/10min、300g/10min、350g/10min、400g/10min、410g/10min、420g/10min、430g/10min、440g/10min、450g/10min、460g/10min、470g/10min、480g/10min、490g/10min、500g/10min、510g/10min、520g/10min、530g/10min、540g/10min、550g/10min、560g/10min、570g/10min、580g/10min、590g/10min或600g/10min等。采用上述熔融指数范围的POE，便于加工，可以充分浸润至玻纤束周围。熔指太低低于150g/10min的话，树脂无法充分浸润至玻纤束周围；熔指太高高于600g/10min的话，树脂强度太低，所形成的复合材料，力学性能差。
所述纤维束增强材料包含碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维中的任意一种或至少两种的混合物。
本发明中，所述主交联剂为过氧化2-乙基己基碳酸叔丁酯、过氧化2-乙基己基碳酸叔戊酯、2,5-二甲基-2,5-双(过氧化叔丁基)己烷、过氧化-3,5,5-三甲基己酸叔丁酯、二(4-甲基苯甲酰)过氧化物、过氧化二苯甲酰、1,1-二(叔丁基过氧)环己烷、叔丁基过氧化-2-乙基己基-碳酸酯、正丁基-4,4-二(叔丁基过氧化)戊酸酯、过氧化二异丙苯、α,α′-双(叔丁基过氧化)-1,3-二异丙苯和1,1-双(叔丁基过氧基)-3,3,5-三甲基环己烷中的任意一种或至少两种的混合物。
本发明中，所述硅烷偶联剂为乙烯基类硅烷偶联剂、氯烃基类硅烷偶联剂、氨烃基类硅烷偶联剂、环氧烃基类硅烷偶联剂、甲基丙烯酰氧烷基类硅烷偶联剂、含硫烃基类硅烷偶联剂、拟卤素类硅烷偶联剂或季氨烃基类硅烷偶联剂中的任意一种或至少两种的混合物。
本发明中，所述光稳定剂为光屏蔽剂类光稳定剂、淬灭剂类光稳定剂、自由基捕获剂类光稳定剂和氢过氧化物分解剂类光稳定剂中的任意一种或至少两种的混合物。
优选地，所述抗氧剂为受阻酚类抗氧剂、芳香胺类抗氧剂、亚磷酸酯类抗氧剂、硫醚类抗氧剂和金属钝化剂类抗氧剂中的任意一种或至少两种的混合物。
本发明的目的之二在于提供一种目的之一所述的交联型纤维增强复合材料的制备方法，包括如下步骤：按配比配置基材层原料经模头挤出后，与连续纤维束增强材料浸润淋膜，成为单层交联型连续纤维束增强复合材料层，将单层交联型连续纤维束增强复合材料层按所需尺寸大小进行裁切，或，将裁切好的单层交联型连续纤维束增强复合材料按相邻层纤维束之间的夹胶为0-90°进行层叠复合热压，得到多层交联型连续纤维束增强复合材料，将得到的所述多层连续纤维束增强复合材料经热交联、电子束辐照交联、UV辐照交联、X射线交联，得到所述的交联型多层连续纤维束增强复合材料。
所述热压的温度为70-200℃，例如为70℃、80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、150℃、160℃、170℃、180℃、190℃或200℃等。
本发明的目的之三在于提供一种目的之一所述的交联型连续纤维束增强复合材料的应用，将所述交联型连续纤维束增强复合材料用于光伏组件背板材料、汽车外壳、电池外壳、轨道交通设备外壳、飞机零部件、航空器材零部件、风力发电叶片、头盔的制备。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的交联型连续纤维束增强复合材料，采用交联型的基材代替热塑性基材，制作成本低，制得的材料具有良好的耐高温性能和力学性能。具体的，提高原基材的热变形温度和长期使用温度，热变形温度为168-177℃，大幅度提高其力学性能，拉伸强度为54-67MPa。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
如无具体说明，本发明的各种原料均可市售购得，或根据本领域的常规方法制备得到。
实施例1
本实施例的交联型连续纤维束增强复合材料，基材树脂和玻璃纤维束增强材料，所述基材树脂与所述玻璃纤维束增强材料的重量比为4:6；交联型纤维束增强复合材料为三层结构，相邻两层纤维束增强材料的纤维束之间的夹角为90°；按重量份计，基材层包含如下组分：
其中，EVAFLEXTM EV220ETR的熔融指数为150g/10min，助交联剂为三烯丙基异氰脲酸酯与三羟甲基丙烷三丙烯酸酯按1:1.5比例的混合物。
本实施例的交联型纤维增强复合材料的制备方法，包括如下步骤：按配比配置基材层原料经模头挤出后，与连续纤维束增强材料浸润淋膜，得到单层交联型连续纤维束增强复合材料层，将单层交联型连续纤维束增强复合材料层按所需尺寸大小进行裁切，将裁切好的单层交联型连续纤维束增强复合材料按相邻层纤维束之间的夹胶为90°进行层叠复合热压，得到多层交联型连续纤维束增强复合材料，将得到的多层连续纤维束增强复合材料经150℃热压交联，得到交联型连续纤维束增强复合材料。
实施例2
本实施例的交联型连续纤维束增强复合材料，基材树脂和玻璃纤维束增强材料，所述基材树脂与所述玻璃纤维束增强材料的重量比为5:5；交联型纤维束增强复合材料为四层结构，相邻两层纤维束增强材料的纤维束之间的夹角为90°；按重量份计，基材层包含如下组分：
其中，EVAFLEXTM EV220ETR的熔融指数为150g/10min，助交联剂为三烯丙基异氰脲酸酯与(3)乙氧化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯按1:1.5比例的混合物。
本实施例的交联型纤维增强复合材料的制备方法同实施例1。
实施例3
本实施例的交联型连续纤维束增强复合材料，基材树脂和玻璃纤维束增强材料，所述基材树脂与所述玻璃纤维束增强材料的重量比为3:7；交联型纤维束增强复合材料为两层结构，相邻两层纤维束增强材料的纤维束之间的夹角为90°按重量份计，基材层包含如下组分：
其中，EVAFLEXTM EV220ETR的熔融指数为150g/10min，助交联剂为三烯丙基异氰脲酸酯与(3)乙氧化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯按1:1.5比例的混合物。
本实施例的交联型纤维增强复合材料的制备方法同实施例1不同之处为，热压交联的温度为140℃。
实施例4
本实施例的交联型连续纤维束增强复合材料，基材树脂和玻璃纤维束增强材料，所述基材树脂与所述玻璃纤维束增强材料的重量比为6:4；交联型纤维束增强复合材料为五层结构，相邻两层纤维束增强材料的纤维束之间的夹角为90°；按重量份计，基材层包含如下组分：
其中，EVAFLEXTM EV220ETR的熔融指数为150g/10min，助交联剂为三烯丙基异氰脲酸酯与(3)乙氧化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯按1:1.5比例的混合物。
本实施例的交联型纤维增强复合材料的制备方法同实施例1不同之处为，热压交联的温度为140℃。
实施例5
本实施例的交联型连续纤维束增强复合材料，基材树脂和碳纤维束增强材料，所述基材树脂与所述碳纤维束增强材料的重量比为4:6；交联型纤维束增强复合材料为三层结构，相邻两层纤维束增强材料的纤维束之间的夹角为90°按重量份计，基材层包含如下组分：
其中，EVAFLEXTM EV220ETR的熔融指数为150g/10min，助交联剂为三烯丙基异氰脲酸酯与三羟甲基丙烷三丙烯酸酯按1:1比例的混合物。
本实施例的交联型纤维增强复合材料的制备方法同实施例1。
实施例6
本实施例与实施例1的区别之处在于，EVA的熔融指数为400g/10min，具体为DOW-MITSUI公司生产的型号为EVAFLEXTM EV220ETR，其他的与实施例1的均相同。
实施例7
本实施例与实施例1的区别之处在于，EVA的熔融指数为65g/10min，具体为三井生产的型号为EV40W，其他的与实施例1的均相同。
实施例8
本实施例与实施例1的区别之处在于，EVA的熔融指数为800g/10min，具体为阿科玛公司
28-800，其他的与实施例1的均相同。
实施例9
本实施例与实施例1的区别之处在于，基体树脂为POE，POE的熔融指数为500g/10min，具体为SK公司生产的型号为6805，其他的与实施例1的均相同。
实施例10
本实施例与实施例9的区别之处在于，POE的熔融指数为30g/10min，具体为SK公司生产的型号为8730，其他的与实施例1的均相同。
实施例11
本实施例与实施例9的区别之处在于，POE的熔融指数为1000g/10min，具体为SK公司生产的型号为7410，其他的与实施例1的均相同。
实施例12
本实施例与实施例1的区别之处在于，助交联剂为三烯丙基异氰脲酸酯与三羟甲基丙烷三丙烯酸酯按1:4比例的混合物，其他的与实施例1的均相同。
实施例13
本实施例与实施例1的区别之处在于，助交联剂为三烯丙基异氰脲酸酯与三羟甲基丙烷三丙烯酸酯按4:1比例的混合物，其他的与实施例1的均相同。
对比例1
本对比例与实施例1的区别之处在于，基材层的树脂采用PP代替EVA，其他的与实施例1的均相同。
对比例2
本对比例与实施例1的区别之处在于，助交联剂仅采用三烯丙基异氰脲酸酯，其他的与实施例1的均相同。
对比例3
本对比例与实施例1的区别之处在于，助交联剂三烯丙基异氰脲酸酯与三羟甲基丙烷三丙烯酸酯的用量太小，具体为三烯丙基异氰脲酸酯与三羟甲基丙烷三丙烯酸酯按各0.05份添加，减少的助交联剂的用量平均增加至其他组分中以保证总用量不变，其他的与实施例1的均相同。
对比例4
本对比例与实施例1的区别之处在于，三烯丙基异氰脲酸酯与三羟甲基丙烷三丙烯酸酯的用量太大，具体为三烯丙基异氰脲酸酯与三羟甲基丙烷三丙烯酸酯按各3份，增加的助交联剂的量平均从其他组分中扣除，其他的与实施例1的均相同。
对比例5
本对比例与实施例1的区别之处在于，相邻两层纤维束增强材料的纤维束之间均为一个方向，不存在不同角度设置，其他的与实施例1的均相同。
将实施例1-13与对比例1-5制得的增强复合材料用于光伏组件背板材料，测试其性能，测试结果如表1所示。
其中，热变形温度性能测试标准参照GB1633-2000进行，力学性能拉伸强度的按照GB13022测试。
表1
由表1可以看出，本发明的交联型连续纤维束增强复合材料，交联后的复合材料其耐温性优异，可以满足高温下长时间的使用需求，并且力学性能优异。
交联型的配方仅适用熔点较低的树脂，所以对比例1的PP无法加工。
助交联剂的种类很重要，对比例2单用一种无法满足良好的基材交联度，其所形成的复合材料力学性能不好。
对比例3助交联剂使用量较少时，交联度不高，其耐温性及力学性能不好。
对比例4助交联剂使用量太多时，不好加工，容易在挤出过程中形成交联。
对比例5相邻两层纤维束增强材料的纤维束之间均为一个方向，耐温性及力学性能差。
本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (10)
1.一种交联型连续纤维束增强复合材料，其特征在于，包括基材树脂和纤维束增强材料，所述基材树脂与所述纤维束增强材料的重量比为1:9-9:1；所述交联型纤维束增强复合材料为单层结构或多层结构，当为多层结构时，相邻两层纤维束增强材料的纤维束之间的夹角为0-90°；
按重量份计，所述基材树脂包含如下组分：
2.根据权利要求1所述的交联型连续纤维束增强复合材料，其特征在于，所述助交联剂为三烯丙基异氰脲酸酯、三聚氰酸三烯丙酯和丙烯酸类助交联剂中的任意一种或至少两种的混合物；
优选地，所述丙烯酸类助交联剂为三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、丙氧化丙三醇三丙烯酸酯和乙氧基化季戊四醇四丙烯酸酯中的任意一种或至少两种的混合物；
优选地，所述助交联剂为三烯丙基异氰脲酸酯或三聚氰酸三烯丙酯与丙烯酸类助交联剂的混合物；
优选地，所述三烯丙基异氰脲酸酯与所述丙烯酸类助交联剂的质量比为(1:2)-(2:1)；
优选地，所述三聚氰酸三烯丙酯与所述丙烯酸类助交联剂的质量比为(1:2)-(2:1)。
3.根据权利要求1或2所述的交联型纤维增强复合材料，其特征在于，所述EVA的熔融指数为100-500g/10min；
优选地，所述POE的熔融指数为150-600g/10min；
优选地，所述纤维束增强材料包含碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维中的任意一种或至少两种的混合物。
4.根据权利要求1-3之一所述的交联型连续纤维束增强复合材料，其特征在于，所述主交联剂为过氧化2-乙基己基碳酸叔丁酯、过氧化2-乙基己基碳酸叔戊酯、2,5-二甲基-2,5-双(过氧化叔丁基)己烷、过氧化-3,5,5-三甲基己酸叔丁酯、二(4-甲基苯甲酰)过氧化物、过氧化二苯甲酰、1,1-二(叔丁基过氧)环己烷、叔丁基过氧化-2-乙基己基-碳酸酯、正丁基-4,4-二(叔丁基过氧化)戊酸酯、过氧化二异丙苯、α,α′-双(叔丁基过氧化)-1,3-二异丙苯和1,1-双(叔丁基过氧基)-3,3,5-三甲基环己烷中的任意一种或至少两种的混合物。
5.根据权利要求1-4之一所述的交联型连续纤维束增强复合材料，其特征在于，所述硅烷偶联剂为乙烯基类硅烷偶联剂、氯烃基类硅烷偶联剂、氨烃基类硅烷偶联剂、环氧烃基类硅烷偶联剂、甲基丙烯酰氧烷基类硅烷偶联剂、含硫烃基类硅烷偶联剂、拟卤素类硅烷偶联剂或季氨烃基类硅烷偶联剂中的任意一种或至少两种的混合物。
6.根据权利要求1-5之一所述的交联型连续纤维束增强复合材料，其特征在于，所述光稳定剂为光屏蔽剂类光稳定剂、淬灭剂类光稳定剂、自由基捕获剂类光稳定剂和氢过氧化物分解剂类光稳定剂中的任意一种或至少两种的混合物。
7.根据权利要求1-6之一所述的交联型连续纤维束增强复合材料，其特征在于，所述抗氧剂为受阻酚类抗氧剂、芳香胺类抗氧剂、亚磷酸酯类抗氧剂、硫醚类抗氧剂和金属钝化剂类抗氧剂中的任意一种或至少两种的混合物。
8.一种如权利要求1-7之一所述的交联型连续纤维束增强复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：按配比配置基材层原料经模头挤出后，与连续纤维束增强材料浸润淋膜，得到单层交联型连续纤维束增强复合材料层，将单层交联型连续纤维束增强复合材料层按所需尺寸大小进行裁切，或，将裁切好的单层交联型连续纤维束增强复合材料按相邻层纤维束之间的夹胶为0-90°进行层叠复合热压，得到多层交联型连续纤维束增强复合材料，将得到的所述多层连续纤维束增强复合材料经交联，得到所述的交联型多层连续纤维束增强复合材料。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述热压的温度为70-200℃；
优选地，所述交联为热交联、电子束辐照交联、UV辐照交联、X射线交联中的一种。
10.一种如权利要求1-7之一所述的交联型连续纤维束增强复合材料的应用，其特征在于，将所述交联型连续纤维束增强复合材料用于光伏组件背板材料、汽车外壳、电池外壳、轨道交通设备外壳、飞机零部件、航空器材零部件、风力发电叶片、头盔的制备。
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