一種鄰位酰亞胺官能化苯并噁嗪樹脂碳纖層壓復合材料及其制備方法與流程

本發明涉及一種復合材料及其制備方法，尤其涉及一種鄰位酰亞胺官能化苯并噁嗪樹脂碳纖層壓復合材料及其制備方法。

背景技術：

纖維增強熱固性樹脂基復合材料已成為世界各國重點研發的關鍵高端材料之一，先進纖維增強熱固性樹脂基復合材料不僅可降低結構部件的質量，對于新一代高端器件的“小型化”、“輕質化”有著舉足輕重的影響。

苯并噁嗪熱固性樹脂早在上世紀40年代就開始有了研究，但直到90年代，美國凱斯西儲大學的Ishida教授對苯并噁嗪樹脂開展研究以來，其才真正作為熱固性樹脂前驅體被使用。關于苯并噁嗪樹脂國內也展開了大量研究，但絕大多數研究都是對于苯并噁嗪新結構合成展開的基礎研究。如申請號為200710048361.3的中國發明專利申請公開《一種含馬來酰亞胺和烯丙基醚的苯并噁嗪及其制備方法》(公開號：CN 101235033A)，該申請將馬來酰亞胺苯并噁嗪中引入了烯丙基醚。又如申請號為200910097549.6的中國發明專利申請公開《含酰亞胺結構的雙苯并噁嗪及其制備法》(公開號：CN 101857592A)，該申請將酰亞胺引入到苯并噁嗪中，合成了新的苯并噁嗪結構。

但是目前針對苯并噁嗪的應用沒有具體地公開，因此研究一種性能優良的苯并噁嗪制備的復合材料具有重要的意義。

有鑒于上述現有的復合材料制備方法存在的缺陷，本發明人基于從事此類產品設計制造多年豐富的實務經驗及專業知識，并配合學理的運用，積極加以研究創新，以期創設一種新型鄰位酰亞胺官能化苯并噁嗪樹脂碳纖層壓復合材料及其制備方法，使其更具有實用性。經過不斷的研究、設計，并經反復試作樣品及改進后，終于創設出確具實用價值的本發明。

技術實現要素：

本發明的主要目的在于，克服現有的復合材料制備方法存在的缺陷，而提供一種新型鄰位酰亞胺官能化苯并噁嗪樹脂碳纖層壓復合材料及其制備方法，提高復合材料的性能，從而更加適于實用，且具有產業上的利用價值。

本發明的目的及解決其技術問題是采用以下技術方案來實現的。依據本發明提出的鄰位酰亞胺官能化苯并噁嗪樹脂碳纖層壓復合材料，由式I所示的鄰位酰亞胺官能化苯并噁嗪樹脂、低沸點極性溶劑和碳纖維布混合壓制所得；

式I為：

為：

其中的任意一種；

-R₂-為：

其中的任意一種。

更進一步的，前述的鄰位酰亞胺官能化苯并噁嗪樹脂碳纖層壓復合材料，鄰位酰亞胺官能化苯并噁嗪樹脂用量為100重量份，低沸點極性溶劑用量為100～120重量份，碳纖維布用量為80～100重量份。

更進一步的，前述的鄰位酰亞胺官能化苯并噁嗪樹脂碳纖層壓復合材料，所述的低沸點極性溶劑為丁酮。

鄰位酰亞胺官能化苯并噁嗪樹脂碳纖層壓復合材料的制備方法，包括如下操作步驟，

步驟一，將鄰位酰亞胺官能化苯并噁嗪溶于低沸點極性溶劑中形成樹脂溶液；

步驟二，將碳纖維布浸入第一步制備的溶液中，蒸發掉低沸點極性溶劑，得到預浸料；

步驟三，將預浸料熱壓成型后得到目標產物。

更進一步的，前述的鄰位酰亞胺官能化苯并噁嗪樹脂碳纖層壓復合材料的制備方法，所述步驟三中，熱壓成型的壓制溫度為180～240℃。

更進一步的，前述的鄰位酰亞胺官能化苯并噁嗪樹脂碳纖層壓復合材料的制備方法，所述步驟三中，熱壓成型的壓制壓力為10～15MPa。

更進一步的，前述的鄰位酰亞胺官能化苯并噁嗪樹脂碳纖層壓復合材料的制備方法，所述步驟三中，熱壓成型的壓制時間為6～8小時。

更進一步的，前述的鄰位酰亞胺官能化苯并噁嗪樹脂碳纖層壓復合材料的制備方法，所述步驟三中，熱壓成型過程中每2小時調高一次壓制溫度。

借由上述技術方案，本發明的鄰位酰亞胺官能化苯并噁嗪樹脂碳纖層壓復合材料及其制備方法至少具有下列優點：

在本發明中充分考慮同分異構效應對苯并噁嗪合成的影響，首次通過對比同分異構效應對苯并噁嗪合成的影響，選擇了易合成、易加工的鄰位酰亞胺官能化苯并噁嗪樹脂作為基體材料，制備了鄰位酰亞胺官能化苯并噁嗪碳纖層壓復合材料；本發明的鄰位酰亞胺苯并噁嗪樹脂碳纖維層壓復合材料具有優異的高熱穩定性和力學強度，以及低吸濕性；彎曲強度為568～693Mpa，彎曲模量為23.55～38.86GPa，氮氣中分解失重5％的溫度高達526～585℃，800℃時的殘炭率高達80.2～85.8％；蒸餾水30天浸泡后吸水率僅為2.02～2.87。本發明制備的鄰位酰亞胺官能化苯并噁嗪樹脂碳纖維層壓復合材料具有高強度、高熱穩定性、自阻燃、耐磨的特點，廣泛適用于航空航天、機械、化工等領域；其工藝簡單，易加工，且成本低廉。

上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的技術手段，并可依照說明書的內容予以實施，以下以本發明的較佳實施例詳細說明如后。

附圖說明

圖1是本發明復合材料制備流程示意圖；

圖2是本發明實施例1得到苯并噁嗪樹脂的DSC譜圖；

圖3是本發明實施例1得到苯并噁嗪樹脂的紅外譜圖。

具體實施方式

為更進一步闡述本發明為達成預定發明目的所采取的技術手段及功效,對依據本發明提出的鄰位酰亞胺官能化苯并噁嗪樹脂碳纖層壓復合材料及其制備方法其具體實施方式、特征，詳細說明如后。

在制備本發明的復合材料之前，需制備鄰位酰亞胺官能苯并噁嗪，具體包括兩個步驟：

第一步，以二酐類化合物和氨基類化合物為原料，按按摩爾比1:2投料，以冰醋酸為溶劑，反應溫度控制在130℃左右，反應時間為5～24小時，反應結束后，直接過濾干燥得到含酰亞胺結構的酚源化合物。

第二步，以第一步中制備的含酰亞胺結構的二酚、胺類化合物和多聚甲醛味反應物，按1:2:4.1投料，二甲苯為溶劑，反應溫度控制在120℃，反應時間為12小時，反應結束后，用沉淀劑將產物沉淀出來，過濾、分離、洗凈、干燥后得到苯并噁嗪樹脂產物。

實施例1

鄰位酰亞胺苯并噁嗪樹脂的制備步驟為：

(1)含酰亞胺結構的二酚的合成：

結構式為：

原料配方組分(按摩爾份計)

均苯四甲酸酐 1份；

鄰羥基苯胺 2份；

二甲基甲酰胺 15份。

在配有回流裝置的單口燒瓶中加入均苯四甲酸酐、鄰羥基苯胺和二甲基甲酰胺，將物料充分混合后，在室溫反應1小時，隨后升溫至回流溫度繼續反應6小時；6小時后停止反應，將反應液緩慢倒入去離子水中，沉淀后過濾，將產物在100℃真空烘箱中干燥12小時得到含酰亞胺結構的二酚化合物；收率為92％。

(2)鄰位亞胺官能化苯并噁嗪的合成：

結構式：

原料配方組分(按摩爾份計)

含酰亞胺結構二酚1份；

苯胺 1份；

多聚甲醛 4份；

二甲苯 15份。

將上述含酰亞胺結構的二酚化合物、苯胺、多聚甲醛以及二甲苯加入到配備流裝置圓底燒瓶中；將物料充分混合后，升溫至110℃攪拌12小時；將反應液冷卻至室溫，隨后緩慢滴入冷水中，析出沉淀，再過濾，將最終產物放入真空烘箱中于50℃干燥24小時獲得鄰位酰亞胺官能化苯并噁嗪樹脂，收率92％。圖2的DSC圖譜顯示其熔融溫度為152℃，固化峰溫度210℃。圖3所示FTIR譜圖中924cm^-1的苯并噁嗪特征峰，1780cm^-1和1377cm^-1為酰亞胺的特征吸收峰。

制備鄰位酰亞胺官能化苯并噁嗪樹脂碳纖層壓復合材料的步驟如下：

原料用量(按質量分數計)

鄰位酰亞胺官能化苯并噁嗪 100份；

碳纖維布 100份；

丁酮 80份。

將鄰位酰亞胺官能化苯并噁嗪樹脂溶解于丁酮中經機械攪拌半小時形成樹脂溶液，然后將碳纖維布裁剪成20cm*20cm的尺寸并疊放整齊，充分浸漬于樹脂溶液中，自然晾干，再經烘箱干燥于100℃蒸發掉剩余的丁酮溶劑，自然冷卻后得到預浸料。預浸料置于雙層鋼板磨具中在15噸液壓機中壓制，壓制條件為每2小時調高一次溫度，壓制溫度分別為180℃/2h，200℃/2h，220℃/2h，240℃/2h，壓力為15MPa。

所得復合材料的彎曲強度為568MPa，彎曲模量為23.55GPa，氮氣中分解失重5％的溫度為526℃，800℃時的殘炭率為80.2％。可見本實施例得到的產品具有較好的力學性能與熱穩定性，能夠作為航空航天等高端領域的結構承載材料應用。

實施例2

制備鄰位酰亞胺官能化苯并噁嗪樹脂碳纖層壓復合材料的步驟如下：

原料用量(按質量分數計)

鄰位酰亞胺官能化苯并噁嗪 100份；

碳纖維布 110份；

丁酮 90份。

將鄰位酰亞胺官能化苯并噁嗪樹脂溶解于丁酮中經機械攪拌半小時形成樹脂溶液，然后將碳纖維布裁剪成20cm*20cm的尺寸并疊放整齊，充分浸漬于樹脂溶液中，自然晾干，再經烘箱干燥于100℃蒸發掉剩余的丁酮溶劑，自然冷卻后得到預浸料。預浸料置于雙層鋼板磨具中在15噸液壓機中壓制，壓制條件為每2小時調高一次溫度，壓制溫度分別為180℃/2h，200℃/2h，220℃/2h，240℃/2h，壓力為15MPa。

所得復合材料其彎曲強度為644MPa，彎曲模量為32.33GPa，氮氣中分解失重5％的溫度為547℃，800℃時的殘炭率為83.1％。可見本實施例得到的產品具有較好的力學性能與熱穩定性，能夠作為航空航天等高端領域的結構承載材料應用。

實施例3

制備鄰位酰亞胺官能化苯并噁嗪樹脂碳纖層壓復合材料的步驟如下：

原料用量(按質量分數計)

鄰位酰亞胺官能化苯并噁嗪 100份；

碳纖維布 120份；

丁酮 100份。

將鄰位酰亞胺官能化苯并噁嗪樹脂溶解于丁酮中經機械攪拌半小時形成樹脂溶液，然后將碳纖維布裁剪成20cm*20cm的尺寸并疊放整齊，充分浸漬于樹脂溶液中，自然晾干，再經烘箱干燥于100℃蒸發掉剩余的丁酮溶劑，自然冷卻后得到預浸料。預浸料置于雙層鋼板磨具中在15噸液壓機中壓制，壓制條件為每2小時調高一次溫度，壓制溫度分別為180℃/2h，200℃/2h，220℃/2h，240℃/2h，壓力為15MPa。

所得復合材料其彎曲強度為693MPa，彎曲模量為38.86GPa，氮氣中分解失重5％的溫度為585℃，800℃時的殘炭率為85.8％。可見本實施例得到的產品具有優異的力學性能與熱穩定性，能夠作為航空航天等高端領域的結構承載材料應用。

以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，并非對本發明作任何形式上的限制，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發明，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明技術方案范圍內，當可利用上述揭示的技術內容做出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發明技術方案的范圍內。