本发明涉及复合材料
技术领域：
，特别涉及一种聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂符复合材料及其制备方法和应用。
背景技术：
：聚丙烯腈碳纤维复合材料由于施工灵活方便，工效高，耐腐蚀性好等原因，在建筑结构及建筑物加固维护领域中应用的越来越广泛。但是目前的聚丙烯腈碳纤维复合材料由于质量不稳定，强度还不够达到一些特殊建筑对强度的要求，抗老化性能也存在不足，制约了聚丙烯腈碳纤维复合材料的应用。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题之一在于针对现有聚丙烯腈碳纤维复合材料所存在的上述不足而提供一种强度高、抗老化性能好的碳纤维增强环氧树脂复合材料。本发明所要解决的技术问题之二在于提供一种上述聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料的制备方法。本发明所要解决的技术问题之三在于提供上述聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料的应用。作为本发明第一方面的聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料，由以下重量份的原料制备而成：其中所述表面改性的聚丙烯腈碳纤维长度为8～12mm。在本发明的一个优选实施例中，所述双酚A环氧树脂的数均分子量为60000-80000，重均分子量为100000-150000。在本发明的一个优选实施例中，所述抗静电剂选自乙氧基化烷基酸胺或甘油一硬脂酸酯。在本发明的一个优选实施例中，所述阻燃剂选自铝镁系阻燃剂。在本发明的一个优选实施例中，所述抗氧化剂选自阻酚类抗氧剂、亚磷酸酯抗氧剂、有机硫抗氧剂中的一种或任意两种以上的混合。在本发明的一个优选实施例中，所述光稳定剂为紫外线吸收剂。作为本发明第二发明的聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料的制备方法，具有如下步骤：(1)聚丙烯腈碳纤维的改性A、将聚丙烯腈碳纤维浸没在盛有强酸性电解液的电解槽中进行电化学改性，改性后用水洗净强酸得到第一次改性聚丙烯腈碳纤维；B、将步骤A制备的第一次改性聚丙烯腈碳纤维切断成长度为8-12mm的短切聚丙烯腈碳纤维，然后将它们浸泡在表面改性剂中24小时以上，取出后得到所述表面改性的聚丙烯腈碳纤维；(2)聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料制备步骤称取步骤(1)制备的表面改性的聚丙烯腈碳纤维、双酚A环氧树脂、苯乙烯、抗静电剂、阻燃剂、抗氧化剂、光稳定剂混合均匀后用模塑法成型固化得到所需要的聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料。在本发明的一个优选实施例中，所述步骤(1)中，将聚丙烯腈碳纤维浸没在盛有强酸性电解液的电解槽中进行电化学改性的工艺参数如下：强酸性电解液的pH值为3-4，电流密度为1-2A/m2，时间为2-3min，温度为40-45℃。在本发明的优选实施例中，所述步骤(1)中的所述表面改性剂是由如下重量份的原料制备而成：在本发明的一个优选实施例中，所述表面活性剂为非离子表面活性剂。在本发明的一个优选实施例中，所述聚丙烯腈碳纤维的制备方法如下：1)将纺丝液通过干喷湿纺法制备得到1-1.5旦的聚丙烯腈纤维，所述纺丝液是丙烯腈的单聚物，所述丙烯腈的单聚物的数均分子量2.6×105-4.0×105，重均分子量5×105-8×105；2)将步骤1)制备的聚丙烯腈纤维在1000-1200℃的条件下进行热处理20min，得到聚丙烯腈碳纤维。作为本发明第三方面的聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料的应用是指在建筑结构及建筑物加固维护的应用。由于采用了如上的技术方案，本发明的聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料的抗冲击强度达到12.8KJ/m2以上，抗弯曲强度达到230MPa以上。具体实施方式以下实施例仅是对本发明的说明，并不构成对本发明权利要求保护范围的限制。以下实施例除非有特别的说明，抗静电剂选自乙氧基化烷基酸胺，所述阻燃剂选自氢氧化铝，抗氧化剂选自阻酚类抗氧剂，光稳定剂为紫外线吸收剂，表面活性剂为非离子表面活性剂。实施例1聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料的制备方法，具有如下步骤：(1)聚丙烯腈碳纤维的制备：A、将纺丝液通过干喷湿纺法制备得到1旦的聚丙烯腈纤维，所述纺丝液是丙烯腈的单聚物，所述丙烯腈的单聚物的数均分子量2.6×105，重均分子量5×105；B、将步骤A制备的聚丙烯腈纤维在1000℃的条件下进行热处理20min，得到聚丙烯腈碳纤维。(2)聚丙烯腈碳纤维的改性A、将聚丙烯腈碳纤维浸没在盛有强酸性电解液的电解槽中进行电化学改性，改性后用水洗净强酸得到第一次改性聚丙烯腈碳纤维；工艺参数如下：强酸性电解液的pH值为3，电流密度为1A/m2，时间为2min，温度为40℃。B、将步骤A制备的第一次改性聚丙烯腈碳纤维切断成长度为10mm的短切聚丙烯腈碳纤维，然后将它们浸泡在表面改性剂中24小时以上，取出后得到所述表面改性的聚丙烯腈碳纤维；表面改性剂是由如下重量份的原料制备而成：二甲基亚砜10份，脂肪醇聚氧乙烯醚5份，双酚A二缩水甘油醚5份，表面活性剂10份，水40份。(3)聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料制备步骤称取步骤(1)制备的表面改性的聚丙烯腈碳纤维50份、双酚A环氧树脂30份、苯乙烯3份、抗静电剂1份、阻燃剂1份、抗氧化剂1份，混合均匀后用模塑法成型固化得到所需要的聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料。其中双酚A环氧树脂的数均分子量为60000，重均分子量1000000。测试聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料的各项力学性能，结果见表1。实施例2聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料的制备方法，具有如下步骤：(1)聚丙烯腈碳纤维的制备：A、将纺丝液通过干喷湿纺法制备得到1.5旦的聚丙烯腈纤维，所述纺丝液是丙烯腈的单聚物，所述丙烯腈的单聚物的数均分子量4×105，重均分子量6×105；B、将步骤A制备的聚丙烯腈纤维在1200℃的条件下进行热处理20min，得到聚丙烯腈碳纤维。(2)聚丙烯腈碳纤维的改性A、将聚丙烯腈碳纤维浸没在盛有强酸性电解液的电解槽中进行电化学改性，改性后用水洗净强酸得到第一次改性聚丙烯腈碳纤维；工艺参数如下：强酸性电解液的pH值为4，电流密度为2A/m2，时间为3min，温度为45℃。B、将步骤A制备的第一次改性聚丙烯腈碳纤维切断成长度为10mm的短切聚丙烯腈碳纤维，然后将它们浸泡在表面改性剂中24小时以上，取出后得到所述表面改性的聚丙烯腈碳纤维；表面改性剂是由如下重量份的原料制备而成：二甲基亚砜10份，脂肪醇聚氧乙烯醚5份，双酚A二缩水甘油醚5份，表面活性剂10份，水40份。(3)聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料制备步骤称取步骤(1)制备的表面改性的聚丙烯腈碳纤维50份、双酚A环氧树脂30份、苯乙烯3份、抗静电剂1份、阻燃剂1份、抗氧化剂1份，混合均匀后用模塑法成型固化得到所需要的聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料。其中双酚A环氧树脂的数均分子量为70000，重均分子量1200000。测试聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料的各项力学性能，结果见表1。实施例3聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料的制备方法，具有如下步骤：(1)聚丙烯腈碳纤维的制备：A、将纺丝液通过干喷湿纺法制备得到1.5旦的聚丙烯腈纤维，所述纺丝液是丙烯腈的单聚物，所述丙烯腈的单聚物的数均分子量3×105，重均分子量8×105；B、将步骤A制备的聚丙烯腈纤维在1000℃的条件下进行热处理20min，得到聚丙烯腈碳纤维。(2)聚丙烯腈碳纤维的改性A、将聚丙烯腈碳纤维浸没在盛有强酸性电解液的电解槽中进行电化学改性，改性后用水洗净强酸得到第一次改性聚丙烯腈碳纤维；工艺参数如下：强酸性电解液的pH值为3，电流密度为1A/m2，时间为2min，温度为45℃。B、将步骤A制备的第一次改性聚丙烯腈碳纤维切断成长度为10mm的短切聚丙烯腈碳纤维，然后将它们浸泡在表面改性剂中24小时以上，取出后得到所述表面改性的聚丙烯腈碳纤维；表面改性剂是由如下重量份的原料制备而成：二甲基亚砜10份，脂肪醇聚氧乙烯醚5份，双酚A二缩水甘油醚5份，表面活性剂10份，水40份。(3)聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料制备步骤称取步骤(1)制备的表面改性的聚丙烯腈碳纤维50份、双酚A环氧树脂30份、苯乙烯3份、抗静电剂1份、阻燃剂1份、抗氧化剂1份，混合均匀后用模塑法成型固化得到所需要的聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料。其中双酚A环氧树脂的数均分子量为80000，重均分子量1500000。测试聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料的各项力学性能，结果见表1。对比例1其余条件与实施例1相同，减少聚丙烯腈碳纤维的改性步骤，测试得到的聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料的各项力学性能，结果见表1。对比例2和对比例3其余条件与实施例1相同，丙烯腈的单聚物和双酚A环氧树脂的数均分子量、重均分子量、聚丙烯腈碳纤维的改性的条件不同，测试得到的聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料的各项力学性能，结果见表1。表1对实施例1-3和对比例1-3对比可以看出，当电解条件为强酸性电解液的pH值为3，电流密度为1A/m2，时间为2min，温度为40℃时，所述的聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料的力学性能更好，由对比例3与实施例1-3的比对发现，当丙烯腈的单聚物和双酚A环氧树脂的数均分子量、重均分子量过高时，对聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料的力学性能有负面影响。聚丙烯腈碳纤维长度对聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料力学性能的影响实施例4聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料的制备方法，具有如下步骤：(1)聚丙烯腈碳纤维的制备：A、将纺丝液通过干喷湿纺法制备得到1旦的聚丙烯腈纤维，所述纺丝液是丙烯腈的单聚物，所述丙烯腈的单聚物的数均分子量2.6×105，重均分子量5×105；B、将步骤A制备的聚丙烯腈纤维在1000℃的条件下进行热处理20min，得到聚丙烯腈碳纤维。(2)聚丙烯腈碳纤维的改性A、将聚丙烯腈碳纤维浸没在盛有强酸性电解液的电解槽中进行电化学改性，改性后用水洗净强酸得到第一次改性聚丙烯腈碳纤维；工艺参数如下：强酸性电解液的pH值为3，电流密度为1A/m2，时间为2min，温度为40℃。B、将步骤A制备的第一次改性聚丙烯腈碳纤维切断成长度为8mm的短切聚丙烯腈碳纤维，然后将它们浸泡在表面改性剂中24小时以上，取出后得到所述表面改性的聚丙烯腈碳纤维；表面改性剂是由如下重量份的原料制备而成：二甲基亚砜10份，脂肪醇聚氧乙烯醚5份，双酚A二缩水甘油醚5份，表面活性剂10份，水40份。(3)聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料制备步骤称取步骤(1)制备的表面改性的聚丙烯腈碳纤维50份、双酚A环氧树脂30份、苯乙烯3份、抗静电剂1份、阻燃剂1份、抗氧化剂1份，混合均匀后用模塑法成型固化得到所需要的聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料。其中双酚A环氧树脂的数均分子量为60000，重均分子量1000000。测试聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料的各项力学性能，结果见表2。实施例5其余条件与实施例4相同，只是短切聚丙烯腈碳纤维长度为12mm；测试聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料的各项力学性能，结果见表2。对比例4其余条件与实施例4相同，只是短切聚丙烯腈碳纤维长度为6mm；测试聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料的各项力学性能，结果见表2。对比例5其余条件与实施例4相同，只是短切聚丙烯腈碳纤维长度为15mm；测试聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料的各项力学性能，结果见表2。表2由实施例1、4、5和对比例4、5对比发现，当短切聚丙烯腈碳纤维长度在8-12mm时，聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料的综合力学性能更好。聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料配方对聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料的力学性能的影响实施例6聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料的制备方法，具有如下步骤：(1)聚丙烯腈碳纤维的制备：A、将纺丝液通过干喷湿纺法制备得到1旦的聚丙烯腈纤维，所述纺丝液是丙烯腈的单聚物，所述丙烯腈的单聚物的数均分子量2.6×105，重均分子量5×105；B、将步骤A制备的聚丙烯腈纤维在1000℃的条件下进行热处理20min，得到聚丙烯腈碳纤维。(2)聚丙烯腈碳纤维的改性A、将聚丙烯腈碳纤维浸没在盛有强酸性电解液的电解槽中进行电化学改性，改性后用水洗净强酸得到第一次改性聚丙烯腈碳纤维；工艺参数如下：强酸性电解液的pH值为3，电流密度为1A/m2，时间为2min，温度为40℃。B、将步骤A制备的第一次改性聚丙烯腈碳纤维切断成长度为8mm的短切聚丙烯腈碳纤维，然后将它们浸泡在表面改性剂中24小时以上，取出后得到所述表面改性的聚丙烯腈碳纤维；表面改性剂是由如下重量份的原料制备而成：二甲基亚砜10份，脂肪醇聚氧乙烯醚5份，双酚A二缩水甘油醚5份，表面活性剂10份，水40份。(3)聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料制备步骤称取步骤(1)制备的表面改性的聚丙烯腈碳纤维60份、双酚A环氧树脂40份、苯乙烯5份、抗静电剂1份、阻燃剂1份、抗氧化剂1份，混合均匀后用模塑法成型固化得到所需要的聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料。其中双酚A环氧树脂的数均分子量为60000，重均分子量1000000。测试聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料的各项力学性能，结果见表3。实施例7和对比例6、7与实施例6相比，其余条件均相同，在制备聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料时，将双酚A环氧树脂、苯乙烯、表面改性的聚丙烯腈碳纤维、抗静电剂、阻燃剂、抗氧化剂按表3所示的重量份用模塑法制得。分别测试聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料的各项力学性能，结果见表3。表3由表3可以看出，当双酚A环氧树脂与表面改性的聚丙烯腈碳纤维的比例以及苯乙烯对聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料的力学性能的影响也比较大。表面改性剂配方对聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料的力学性能的影响实施例8聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料的制备方法，具有如下步骤：(1)聚丙烯腈碳纤维的制备：A、将纺丝液通过干喷湿纺法制备得到1旦的聚丙烯腈纤维，所述纺丝液是丙烯腈的单聚物，所述丙烯腈的单聚物的数均分子量2.6×105，重均分子量5×105；B、将步骤A制备的聚丙烯腈纤维在1000℃的条件下进行热处理20min，得到聚丙烯腈碳纤维。(2)聚丙烯腈碳纤维的改性A、将聚丙烯腈碳纤维浸没在盛有强酸性电解液的电解槽中进行电化学改性，改性后用水洗净强酸得到第一次改性聚丙烯腈碳纤维；工艺参数如下：强酸性电解液的pH值为3，电流密度为1A/m2，时间为2min，温度为40℃。B、将步骤A制备的第一次改性聚丙烯腈碳纤维切断成长度为10mm的短切聚丙烯腈碳纤维，然后将它们浸泡在表面改性剂中24小时以上，取出后得到所述表面改性的聚丙烯腈碳纤维；表面改性剂是由如下重量份的原料制备而成：二甲基亚砜25份，脂肪醇聚氧乙烯醚10份，双酚A二缩水甘油醚10份，表面活性剂15份，水50份。(3)聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料制备步骤称取步骤(1)制备的表面改性的聚丙烯腈碳纤维50份、双酚A环氧树脂30份、苯乙烯3份、抗静电剂1份、阻燃剂1份、抗氧化剂1份，混合均匀后用模塑法成型固化得到所需要的聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料。其中双酚A环氧树脂的数均分子量为60000，重均分子量1000000。测试聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料的各项力学性能，结果见表3。实施例9和对比例8、9其余条件与实施例8相同，除了表面改性剂的配方不同，根据表4所示的配方制备表面改性剂，制备得到聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料，分别测试聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料的各项力学性能，结果见表4。表4实施例1实施例8实施例9对比例8对比例9二甲基亚砜102520520脂肪醇聚氧乙烯醚51071010双酚A二缩水甘油醚5108015表面活性剂1015121212水4050454040抗拉伸强度/MPa180182178170174抗层间剪切强度/MPa9596928989抗弯曲强度/MPa230232235222220抗冲击强度(KJ/m2)13.013.213.512.412.2硬度/邵氏硬度D8886858081由表4可以看出，表面改性剂的配方对聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料的力学性能也有影响。综上所述，由本发明公开的技术方案可以制备一种力学性能优良的聚丙烯腈碳纤维增强环氧树脂复合材料。以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的权利要求的保护范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等同替换，均包括在本发明的权利要求保护范围中。当前第1页1 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