時空分離的陽離子光固化復合材料、其制備方法及應用
【技術領域】
[0001] 本發明屬于紫外光固化快速成型方法的技術領域，具體涉及到一種利用時空分離 的方法制備陽離子光固化復合材料及其應用。
【背景技術】
[0002] 復合材料是應現代科學技術發展涌現出的具有極大生命力的材料，它由兩種或兩 種以上性質不同的材料，通過各種工藝手段組合而成。復合材料的各個組成材料在性能上 起協同作用，得到單一材料無法比擬的優越的綜合性能，它已成為當代一種新型的工程材 料。復合材料具有剛度大、強度高、重量輕的優點，而且可根據使用條件的要求進行設計和 制造，以滿足各種特殊用途，從而極大的提高工程結構的效能。
[0003]樹脂基復合材料以其輕質、高強度、力學性能可設計等優點而被廣泛應用于航空 航天、化工、造船、機械、建材等領域的結構材料中，特別是碳纖維復合材料，由于碳纖維的 力學性能是目前所有纖維材料中最好的，遠遠高于玻璃纖維，與相關基材復合，可以大幅度 提高復合材料的綜合機械性能，受到了廣泛的關注。但是，現有的復合材料成型工藝存在著 生產周期長、生產效率低等缺陷，同時還存在嚴重的污染，因此工業上需要一種綠色環保， 而且能夠快速成型樹脂基復合材料的技術。
[0004] 光固化技術的特點主要是節能環保和固化速度快。但是利用光固化技術制備復合 材料也存在一定的局限性，特別是光固化技術需要在光照條件下固化成型，因此要求成型 模具透明，也限制了增強材料的種類和尺寸，因此現有的光固化技術只能成型很薄的（3mm 左右）玻璃纖維復合材料，幾乎不能夠成型碳纖維復合材料，這使光固化技術在復合材料 領域的應用受到了很大的限制。
[0005] 本發明突破了光固化技術的限制，光照過程與成型過程完全分開，因此在成型過 程中對模具和增強材料是否透光沒有要求；同時因為光照過程與成型過程的時空分離，不 用擔心光引發劑意外光解，降低了對生產環境和生產技術的要求，進一步降低復合材料的 生產成本。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的是提供一種光固化復合材料，其制備方法及應用，此技術制備工藝 簡單，固化速率快，生產效率高，可以替代傳統的復合材料生產技術。
[0007] 為實現上述目的，本發明采用如下技術方案。
[0008] -種時空分離的光固化纖維增強復合材料的制備方法，包括如下步驟：
[0009] (1)將低聚物和陽離子光引發劑按一定比例混合均勾，在紫外光照射下攪拌，使陽 離子光引發劑光解，得到均勻液體A;
[0010] (2)在一定溫度條件下，將液體A與樹脂按一定比例混合均勻，得到均勻液體B;
[0011] (3)在一定溫度條件下，用液體B將纖維增強材料充分浸潤，制成預浸布，將預浸 布鋪層在成型模具。
[0012] (4)調控成型模具的溫度，將成型模具置于成型設備進行固化成型。
[0013] 上述制備方法的步驟（1)、（2)、（3)、（4)中，優選干燥密閉環境，由此制備得到光 固化復合材料的生產效率更高。
[0014] 上述制備方法的步驟（1)中的樹脂為聚醚多元醇類，聚二醇醚類，聚乙二醇，或聚 氧丙三醇。
[0015] 上述制備方法的步驟（1)中所述的陽離子光引發劑包括碘鑰鹽，硫鑰鹽和鐵芳烴 中的一種或幾種。
[0016] 上述制備方法的步驟（2)中的樹脂包括環氧樹脂，乙烯基醚和氧雜環化合物中的 一種或幾種；環氧樹脂為雙酚A環氧樹脂，或雙酚F環氧樹脂，或酚醛環氧樹脂，或二環氧化 聚烯烴化合物，或萘系環氧樹脂，或脂肪族環氧樹脂，或脂環族環氧樹脂。
[0017] 上述制備方法的步驟（2)中所述溫度為-10°C-30°C。
[0018] 上述制備方法的步驟（1)中所述陽離子光引發劑的質量分數為< 80%。
[0019] 上述制備方法的步驟（2)中溶液（1)的質量分數為0· 1% -50%。
[0020] 上述制備方法的步驟（3)中所述溫度條件為-10°c-50°c，。
[0021] 上述制備方法的步驟（4)中所述溫度條件為彡15°C。
[0022] 上述制備方法的步驟（3)中所述的纖維增強布可以是碳纖維（布）、玻璃纖維 (布）、尼龍纖維（布）、聚丙烯纖維（布）等。
[0023] 本發明涉及的光聚合方法為陽離子光聚合，有后固化行為，可以通過對固化成型 的復合材料進行后固化處理以提高其性能。
[0024] 本發明的制備方法中，所述復合材料的形狀，浸潤并成型的工藝對本領域技術人 員而言是容易想到的。
[0025] 本發明還公開一種光固化復合材料，是利用上述制備方法制備而成。
[0026] 本發明涉及到的上述光固化復合材料的應用領域與利用傳統方法制備的復合材 料的應用領域一致。
[0027] 本發明的工藝原理是：陽離子聚合是一種活性聚合方法，陽離子光引發劑光解后 生成的陽離子基團是一種活性基團，其活性在理論上一直穩定存在而且不衰減，在實際生 產中，陽離子基團的活性能保持一年以上；因此將陽離子光引發劑光解后，生成的陽離子基 團的活性可以保持很長時間；但是將陽離子光引發劑光解后加入陽離子光固化樹脂，以實 現光照與固化成型的時空分離，將會存在以下三個問題：（1)、不利于長期儲存；光引發劑 光解后很容易受潮，導致陽離子光引發劑的活性降低，甚至不能引發陽離子光固化樹脂進 行反應。⑵、體系誘導期太短；陽離子光引發劑光解后活性基團的活性高，與樹脂反應速 度快，瞬間生成一個凝膠團，光解后的引發劑被包裹在凝膠團中，不能與光固化樹脂進行反 應；（3)、陽離子光引發劑在陽離子光固化樹脂體系的溶解性不佳，混合均勻所需時間較長。
[0028] 本發明成功的解決了以上問題，實現了光照與固化成型的時空分離。
[0029] 本發明將陽離子光引發劑與聚醚多元醇類等不易揮發的低聚物混合，以攪拌光照 的形式使其光解（得到光引發劑體系PI);光解后生成的活性基團均勻的分散在液體中，聚 醚多元醇類等低聚物在體系中充當鏈轉移劑，使生成的陽離子基團的活性一直穩定存在； 解決了不利于長期儲存的問題。
[0030] 陽離子光引發劑與聚醚多元醇類等不易揮發的低聚物混合后，整體與陽離子光固 化樹脂的溶解性會提高，更容易快速混合均勻，解決了其溶解性的問題。
[0031] 活性基團均勻分散到了聚醚多元醇類等低聚物中，降低了活性基團的濃度，從而 光引發劑體系PI在與光固化樹脂混合過程中，有較長的誘導期，不會瞬間出現凝膠團，同 時可以通過控制體系溫度來控制整個體系的反應速度和誘導期，在誘導期階段完成光固化 樹脂對纖維增強材料的浸潤，并排除體系中可能存在的氣泡；誘導期結束后，整個體系將會 快速反應，得到需要的復合材料。同時，聚醚多元醇類等低聚物中含有羥基，最終會與環氧 基團結合，因此整個過程中不會有溶劑揮發；誘導期結束后，其反應速度與光固化成型的速 度相似，最終制備得到的復合材料性能與傳統固化方法固化得到的復合材料性能相似甚至 更加優異。
[0032] 利用該技術制備樹脂基復合材料既保證了復合材料的性能，同時也具有光固化技 術快速，節能，環保等優點，縮短了樹脂基復合材料的生產周期，提高了生產效率，工藝簡 單，可替代傳統的復合材料成型工藝。
【具體實施方式】
[0033] 下面通過優選實施例對本發明的技術方案做進一步說明，以下實施例有助于本領 域的技術人員進一步理解本發明，但不應將其理解為對本發明保護范圍的限制。應當指出 的是，對本領域的技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改 進。這些都屬于本發明的保護范圍之內。
[0034] 實施例1:
[0035] 向分子量為200的聚乙二醇中加入質量分數為5%的三芳基六氟銻酸硫鑰鹽并混 合均勾，取20g混合均勾的樣品加入50ml的燒杯中，一邊攪拌一邊用萊燈以100mw/cm2的 光強照射20min，得到均勻液體（命名為PI)，將其倒入瓶中待用。將縮