本發(fā)明涉及復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種通過(guò)光引發(fā)原位聚合制備丙烯酸及其脂類熱塑性復(fù)合材料預(yù)浸料的方法。

背景技術(shù)：

目前，在航天航空技術(shù)領(lǐng)域使用的復(fù)合材料主要有傳統(tǒng)的熱固性復(fù)合材料和高性能熱塑性復(fù)合材料，其中熱固性復(fù)合材料環(huán)境友好性差并且廢棄物難以回收處理，這些缺點(diǎn)制約了它在應(yīng)用上的擴(kuò)展。而先進(jìn)的熱塑性復(fù)合材料與熱固性復(fù)合材料相比，其在強(qiáng)度、韌性、耐腐蝕性、耐熱性能、抗蠕變、抗損傷、抗沖擊等多方面的性能均優(yōu)于傳統(tǒng)熱固性復(fù)合材料，因而受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。

熱塑性復(fù)合材料預(yù)浸料具有存放條件無(wú)限制、廢料可以回收重新利用、成型周期短、簡(jiǎn)化了部件成型工藝環(huán)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了人們的廣泛關(guān)注和迅速發(fā)展。熱塑性復(fù)合材料預(yù)浸料的成型方法主要包括溶液浸漬法、熔融浸漬法、薄膜層疊法、纖維混紡法、粉末混合法等，各種方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)。其中，溶液浸漬法存在預(yù)浸料中的溶劑難以除去的問(wèn)題，此外該方法僅適用于部分無(wú)定形聚合物，局限性較大。熔融浸漬法需要在較高的溫度下將熱塑性塑料熔融，然而高溫下聚合物容易分解成小分子影響力學(xué)性能，除此之外熔融浸漬法還需要較大外力以便達(dá)到盡可能好的浸漬效果。薄膜層疊法中，較大的外力會(huì)造成纖維的損傷，影響復(fù)合材料的力學(xué)性能。纖維混紡法中，聚合物熔體難以迅速浸漬纖維，且樹(shù)脂和纖維很難實(shí)現(xiàn)緊密結(jié)合。在使用粉末混合法時(shí)，又存在粉末加工成本高、分散方法技術(shù)要求高等問(wèn)題?？傊?，上述方法都存在浸漬效果較差的問(wèn)題，這些缺點(diǎn)和不足限制了熱塑性預(yù)浸料的進(jìn)一步發(fā)展和推廣。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有熱塑性復(fù)合材料預(yù)浸料眾多制備工藝存在的上述種種問(wèn)題和不足，提供一種通過(guò)光引發(fā)原位聚合制備熱塑性復(fù)合材料預(yù)浸料的方法。該方法創(chuàng)造性的將纖維浸漬和光引發(fā)聚合結(jié)合在一起，一步到位制得了尺寸均一、穩(wěn)定性好、適合特定結(jié)構(gòu)要求的熱塑性復(fù)合材料預(yù)浸料，該預(yù)浸料可以通過(guò)熱壓、滾壓、纏繞、自動(dòng)鋪放等方法成型復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

一種光引發(fā)原位聚合制備熱塑性復(fù)合材料預(yù)浸料的方法，包括以下步驟：首先將光引發(fā)劑與可進(jìn)行光引發(fā)聚合的樹(shù)脂單體混合均勻，然后用該混合物浸漬纖維，在紫外光源的照射下發(fā)生聚合反應(yīng)，得到熱塑性復(fù)合材料預(yù)浸料。

按照上述方案，所述光引發(fā)劑為1-羥基環(huán)己基苯基甲酮、2-羥基-2-甲基-1-苯基丙酮、2-甲基-2-(4-嗎啉基)-1-[4-(甲硫基)苯基]-1-丙酮、安息香、二苯基乙酮、α-羥烷基苯酮中的至少一種。

按照上述方案，所述可進(jìn)行光引發(fā)聚合的樹(shù)脂單體為丙烯酸及其酯類化合物中的一種或其混合物。具體的，該樹(shù)脂單體由丙烯酸、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸羥乙酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸縮水甘油酯中的至少一種組成。

按照上述方案，纖維浸漬前需進(jìn)行表面處理，纖維的結(jié)構(gòu)為單層纖維織物，纖維的形式為單向布、雙向布、多軸向布、纖維氈中的任意一種。纖維的成分為碳纖維、玻璃纖維、凱夫拉纖維、玄武巖纖維中的任意一種。

按照上述方案，光引發(fā)劑的用量占可進(jìn)行光引發(fā)聚合的樹(shù)脂單體質(zhì)量的0.1-10％。

按照上述方案，纖維與可進(jìn)行光引發(fā)聚合的樹(shù)脂單體的質(zhì)量比為x：(1-x)，0.1≤x≤0.9。

按照上述方案，所述紫外光源設(shè)置有一層或多層，以任意角度照射20-1000s。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：(1)由于采用了粘度很小的丙烯酸及其酯類單體，因此可以保證樹(shù)脂對(duì)纖維的充分浸漬，達(dá)到良好浸漬效果的同時(shí)也加強(qiáng)了樹(shù)脂和纖維的結(jié)合；(2)光引發(fā)聚合反應(yīng)速率快，反應(yīng)過(guò)程可控，不受溫度限制，極大的解決了現(xiàn)有預(yù)浸料制備工藝需要高溫或者大量溶劑的問(wèn)題；(3)本發(fā)明可以得到尺寸均一、穩(wěn)定和適合特定結(jié)構(gòu)要求的預(yù)浸料，該預(yù)浸料通過(guò)熱壓、滾壓、纏繞、自動(dòng)鋪放等方法可成型復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件。

具體實(shí)施方式

為使本領(lǐng)域普通技術(shù)人員充分理解本發(fā)明的技術(shù)方案和有益效果，以下結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明。

實(shí)施例1

一種光引發(fā)原位聚合制備熱塑性復(fù)合材料預(yù)浸料的方法，包括以下步驟：

1)首先將2g光引發(fā)劑2-羥基-2-甲基-1-苯基丙酮(1173)加入到100g的甲基丙烯酸甲酯中，通過(guò)攪拌使其混合均勻；

2)取300×300mm的單向玻璃纖維布提前進(jìn)行表面處理。纖維的表面處理為常規(guī)處理方式，主要包括去除纖維表面的原始上漿劑或者補(bǔ)充與熱塑性樹(shù)脂相容的上漿劑，去除原始上漿劑可采用溶劑(如丙酮等)進(jìn)行，去除原始上漿劑的纖維干燥后使用。采用上一步配好的試劑對(duì)該單向玻璃布進(jìn)行浸漬，通過(guò)緊壓輥擠出多余的單體和氣泡；

3)將浸漬好的纖維混合物置于紫外光源下照射480s-600s，引發(fā)混合體系聚合反應(yīng)，形成熱塑性預(yù)浸料。經(jīng)分析測(cè)試，該預(yù)浸料樹(shù)脂含量為30.4％，浸漬效果參數(shù)f＝1.94g/m。

其中，預(yù)浸料樹(shù)脂含量的測(cè)試方法參考“gb-t/2577-2005玻璃纖維增強(qiáng)塑料樹(shù)脂含量試驗(yàn)方法”，浸漬效果的測(cè)試方法參考文獻(xiàn)“孟成銘，郭建鵬，楊濤等.連續(xù)長(zhǎng)碳纖維增強(qiáng)ppa的制備及性能的研究[j].塑料工業(yè)，2013，41(9):32-34?！保嚓P(guān)公式如下：

a.樹(shù)脂含量：

式中mt樹(shù)脂含量，％；m2坩堝和試樣總質(zhì)量，單位為毫克(mg)；m3灼燒后坩堝殘余物總質(zhì)量，單位為毫克(mg)；m1坩堝質(zhì)量，單位為毫克(mg)。

b.浸漬效果：

式中，mlft－長(zhǎng)碳纖維浸漬條狀物的質(zhì)量；l－長(zhǎng)碳纖維浸漬條狀物的長(zhǎng)度；mpp－長(zhǎng)碳纖維浸漬條狀物中樹(shù)脂的質(zhì)量；mgf－長(zhǎng)碳纖維浸漬條狀物中碳纖維的質(zhì)量；ρgf－單位長(zhǎng)度下單股碳纖維的質(zhì)量。

實(shí)施例2

一種光引發(fā)原位聚合制備熱塑性復(fù)合材料預(yù)浸料的方法，包括以下步驟：

1)首先將2g光引發(fā)劑2-羥基-2-甲基-1-苯基丙酮(1173)加入到10g丙烯酸丁酯、80g的甲基丙烯酸甲酯和10g甲基丙烯酸縮水甘油酯混合單體中，通過(guò)攪拌使其混合均勻；

2)取300×300mm的雙向碳纖維布提前進(jìn)行表面處理，采用上一步配好的試劑對(duì)該雙向碳纖維布進(jìn)行浸漬，通過(guò)緊壓輥擠出多余的單體和氣泡；

3)將浸漬好的纖維混合物置于紫外光源下照射360s-480s，引發(fā)混合體系聚合反應(yīng)，形成熱塑性預(yù)浸料。經(jīng)分析測(cè)試，該預(yù)浸料的樹(shù)脂含量為31.8％，浸漬效果f＝2.13g/m。

實(shí)施例3

一種光引發(fā)原位聚合制備熱塑性復(fù)合材料預(yù)浸料的方法，包括以下步驟：

1)首先將1.5g光引發(fā)劑1-羥基環(huán)己基苯基甲酮(184)加入到10g丙烯酸丁酯、70g的甲基丙烯酸甲酯和20g甲基丙烯酸縮水甘油酯混合單體中，通過(guò)攪拌使其混合均勻；

2)取300×300mm的多軸向玄武巖纖維布提前進(jìn)行表面處理，采用上一步配好的試劑對(duì)該多軸向玄武巖纖維布進(jìn)行浸漬，通過(guò)緊壓輥擠出多余的單體和氣泡；

3)將浸漬好的纖維混合物置于紫外光源下照射360s-480s，引發(fā)混合體系聚合反應(yīng)，形成熱塑性預(yù)浸料。經(jīng)分析測(cè)試，該預(yù)浸料的樹(shù)脂含量為32.4％，浸漬效果f＝2.24g/m。

實(shí)施例4

一種光引發(fā)原位聚合制備熱塑性復(fù)合材料預(yù)浸料的方法，包括以下步驟：

1)首先將1.0g光引發(fā)劑α-羥烷基苯酮加入到10g丙烯酸丁酯、60g的甲基丙烯酸甲酯和30g甲基丙烯酸縮水甘油酯混合單體中，通過(guò)攪拌使其混合均勻；

2)取300×300mm的單向玻璃纖維布提前進(jìn)行表面處理，采用上一步配好的試劑對(duì)該單向玻璃纖維布進(jìn)行浸漬，通過(guò)緊壓輥擠出多余的單體和氣泡；

3)將浸漬好的纖維混合物置于紫外光源下照射600s-720s，引發(fā)混合體系聚合反應(yīng)，形成熱塑性預(yù)浸料。經(jīng)分析測(cè)試，該預(yù)浸料的樹(shù)脂含量為31.4％，浸漬效果f＝2.23g/m。