碳纤维／聚氨酯复合材料的制备与性能研究
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利用碳 纤维 的优 异性 能 ， 将其 作 为 增 强 材料 加 入 聚
聚 己二 酸 乙二 醇 丙 二 醇 酯 多 元 醇 （ Ｏ Ｄ Ｘ － ２ １ ８ ，
Ｍ ＝２ ０ ０ ０ ） ， 工业级 ， 烟 台华 大 化 学 工业 有 限 公 司 ；
４， ４ 一 二苯 基 甲烷 二 异 氰 酸 酯 （ ＭＤ Ｉ ） ， 工业级 ， 烟 台 万 华 聚氨酯 股份 有 限公司 ； １ ， ４ 一 丁二 醇 （ Ｂ Ｄ Ｏ） ， 工业
氨酯 弹性 体 中 ， 可 以显 著 提 高复 合 材 料 的 机械 性 能 和耐 热性 能 － ５ １ 。因此 ， 碳 纤维／ 聚 氨酯 复合 材料 代 表着 当前 复合 材料 的发展 主流 ， 是 目前 最 先进 的复 合 材料 之一 。它 以轻质 、 高强 、 耐 高温 、 抗 腐蚀 、 热力
（ １ ． 中国科 学院研 究 生院 摘
北京 １ ０ ０ ０ ４ ９ ） （ ２ ． 中国科 学院山 西煤炭化 学研 究所
要 ：以聚 酯二元 醇 、 异氰 酸 酯 、 碳 纤 维为 主要 原料 ， 采用预 聚体 法制 备 了一 系列碳 纤 维／ 聚 氨 酯
复合材 料 。 并对 该复合 材料 进行 了性 能测试 和 结构表 征 。研 究表 明 ， 复合 材料 的机械 性 能 随着碳 纤
材料 ， 具 有 高机 械 强 度 、 化学惰性 、 高耐磨 、 低 温 性 能、 粘结性 能 和弹性 良好 等一 系列优异 的性 能 ， 但 其 本身 具 有 耐 热性 差 、 软 化 和 热 分 解 温 度 低 的 缺 陷 ｊ ， 随着科 技 的发 展 与 应 用 的拓 展 ， 须 对 聚 氨 酯进 行增 强改 性 ， 提 高其性 能 。 因此 ， 致力 于开 发耐 热性 能优 异 的聚氨酯 复合 材料 成为 聚氨 酯领域 研究
２ ４ ｈ ， 即得碳纤维聚氨酯复合材料样片。
通讯联系人 ： 李其峰 ， 副研究员 ， 主要从事聚氨酯催化合成 和多相催 化方 面的研 究 。基金项 目： 山西省科技 重大专项项 目（ ２ ０ １ １ １ １ ０ １ ０ ５ ８ ） 资助 。
第 ４期
董振 ， 等 ・ 碳纤维／ 聚氨酯复合材料的制备与性能研究
加 入扩链 剂 ＢБайду номын сангаасＤ Ｏ， １ １ ０ ｑ Ｃ下 硫 化 ２ ｈ ， １ ０ ０℃ 下 老 化
本研究 设计 预 聚 体 中 游 离 的 Ｎ Ｃ Ｏ基 团质 量 分 数为 ８ ％， 在 预聚体 的合 成过 程 中加 入 碳 纤维 ， 再 经 扩链 、 硫化 制得碳 纤维／ 聚 氨酯复 合材料 。考察 了碳
强增 韧机理 。 １ 实验部 分
１ ． １ 主 要原料
碳 纤维是 一 种 含 碳 量 高 于 ９ ０ ％ 的无 机 高分 子 纤维 ， 具有 高 比强 度 、 高 比模 量 、 耐高 温 、 耐 腐蚀 、 耐 疲劳 、 抗蠕 变 、 热 膨胀 系数 小 等一 系列 优 异 性 能 Ｊ ，
的重要课 题 。
响； 并对复合材料进行 了热力学分析 （ Ｔ Ｇ ） 、 动态力 学性能分析 （ Ｄ Ｍ Ａ ） ， 研究复合材料耐热性能的变化 情况 ， 并 采用 扫描 电子显 微 镜 （ Ｓ Ｅ Ｍ） 研 究 了复 合 材
料 的断面形 貌 ， 并 据 此 推 测 了碳 纤 维 对 聚 氨酯 的增
学性 能优 良等 特点 ， 可 以广 泛 用 于 承载 结 构 材料 和
级， 德国Ｂ Ａ Ｓ Ｆ公 司 ； 碳 纤维 （ 丙烯 腈基 ， Ｔ ３ ０ ０ ． １ ２ Ｋ） ，
山西煤 炭化 学研 究所 。 １ ． ２ 复合 材料 的制 备
准确称 量 ＭＤ Ｉ 、 预先 脱 水 的 Ｏ Ｄ Ｘ－ ２ １ ８和碳 纤 维
失重 率降低 ， 材料 的玻璃 化 转 变温度和软 化 温度提 高， 引入碳 纤 维后材 料 的耐热 性提 高 。
关 键词 ： 碳纤维； 聚氨 酯 ； 复合材 料 ； 增 强机 理
中图分 类号 ： Ｔ Ｑ ３ ２ ３ ． ８ ； Ｔ Ｑ ３ ４ ２ ． ７ ４ ２ 文献 标识码 ： Ａ 文章编 号 ： １ ０ ０ ５—１ ９ ０ ２ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ４— ０ ０ ２ ８— ０ ４ 聚氨酯 材料 是一 种介 于橡胶 和塑料 之 间 的合 成 纤 维长度 、 碳 纤维 含 量 等对 复 合 材 料 机 械性 能 的影
・ ２ ９・
１ ． ３ 分 析和 表征
２ ． ２ 碳 纤维含 量对 复合 材料 机械 性能 的影 响
采 用 甲苯 一 二 正 丁胺 法 按 照 Ｈ Ｇ ／ Ｔ ２ ４ ０ ９ —９ ２分 析游 离 Ｎ Ｃ Ｏ基 团含 量 ； 机 械 性 能按 照 “ Ｇ Ｂ ／ Ｔ ５ ２ ９ — ９ ２ 、 Ｇ Ｂ ／ Ｔ ５ ２ ９ －９ １ ” 标准测试 ， 采 用 深 圳 新 三 思 材 料 检 测 有 限公 司 的万 能试 验 机 （ Ｃ ＭＴ ６ ５ ０ ３ ） ， 拉 伸 速 度 ５ ０ ０ ｍ ｍ ／ ｍ ｉ ｎ ； 热失重采用 Ｅ ｔ 本 Ｓ Ｈ Ｚ Ｉ Ｍ ＡＤ Ｚ Ｕ 公 司
维长度和 含量 的增加 出现 先升 高后 降低 的趋 势 。 当碳 纤 维 长度 为 ３ ｍｍ、 质 量 分数 为 １ ． ０％ 时 ， 复 合材 料 的机械性 能达到 最佳值 ， 此 时其拉 伸 强度增加 ２ ２ ． ７ ％， 撕 裂强度 增加 ４ ８ ． １ ％， 扯 断 伸 长率 增
加５ ． ９％ 。热 力学分析 和 动 态力学性 能研 究表 明 ， 复 合 材料 的 热分 解 温度 提 高 ， 质 量保 留率提 高 ，
聚
・
氨
酯
工
业
２ ０ １ ３年第 ２ ８卷 第 ４期
２ ０１ ３． Ｖｏ １ ． ２８ Ｎｏ ． ４
２８ ・
Ｐ ＯＬ ＹＵＲＥ Ｔ ＨＡＮＥ Ｉ ＮＤＵＳ Ｔ ＲＹ
碳 纤维／ 聚 氨 酯 复 合 材 料 的制 备 与性 能研 究 术
董 振 ， 赵雨 花 李 其峰 乔 岩 王 军威 亢茂 青 太原 ０ ３ ０ ０ ０ １ ）
耐 高温抗 烧蚀 材料 ， 特别 是航空 航天 结构 材料 ， 有着
巨大 的性 能优 势和 经济效 益 。
加入装有温度计 、 搅拌器的烧瓶 中， 在Ｎ ： 气氛保 护 下， ８ ０ ～ ８ ５℃下反应 ２ ｈ ， 制得预聚体 ； 采用二正丁 胺法分析游离 Ｎ Ｃ Ｏ基 团含量 ， 按照扩链系数 ０ ． ９ ５
聚 己二 酸 乙二 醇 丙 二 醇 酯 多 元 醇 （ Ｏ Ｄ Ｘ － ２ １ ８ ，
Ｍ ＝２ ０ ０ ０ ） ， 工业级 ， 烟 台华 大 化 学 工业 有 限 公 司 ；
４， ４ 一 二苯 基 甲烷 二 异 氰 酸 酯 （ ＭＤ Ｉ ） ， 工业级 ， 烟 台 万 华 聚氨酯 股份 有 限公司 ； １ ， ４ 一 丁二 醇 （ Ｂ Ｄ Ｏ） ， 工业
氨酯 弹性 体 中 ， 可 以显 著 提 高复 合 材 料 的 机械 性 能 和耐 热性 能 － ５ １ 。因此 ， 碳 纤维／ 聚 氨酯 复合 材料 代 表着 当前 复合 材料 的发展 主流 ， 是 目前 最 先进 的复 合 材料 之一 。它 以轻质 、 高强 、 耐 高温 、 抗 腐蚀 、 热力
（ １ ． 中国科 学院研 究 生院 摘
北京 １ ０ ０ ０ ４ ９ ） （ ２ ． 中国科 学院山 西煤炭化 学研 究所
要 ：以聚 酯二元 醇 、 异氰 酸 酯 、 碳 纤 维为 主要 原料 ， 采用预 聚体 法制 备 了一 系列碳 纤 维／ 聚 氨 酯
复合材 料 。 并对 该复合 材料 进行 了性 能测试 和 结构表 征 。研 究表 明 ， 复合 材料 的机械 性 能 随着碳 纤
材料 ， 具 有 高机 械 强 度 、 化学惰性 、 高耐磨 、 低 温 性 能、 粘结性 能 和弹性 良好 等一 系列优异 的性 能 ， 但 其 本身 具 有 耐 热性 差 、 软 化 和 热 分 解 温 度 低 的 缺 陷 ｊ ， 随着科 技 的发 展 与 应 用 的拓 展 ， 须 对 聚 氨 酯进 行增 强改 性 ， 提 高其性 能 。 因此 ， 致力 于开 发耐 热性 能优 异 的聚氨酯 复合 材料 成为 聚氨 酯领域 研究
２ ４ ｈ ， 即得碳纤维聚氨酯复合材料样片。
通讯联系人 ： 李其峰 ， 副研究员 ， 主要从事聚氨酯催化合成 和多相催 化方 面的研 究 。基金项 目： 山西省科技 重大专项项 目（ ２ ０ １ １ １ １ ０ １ ０ ５ ８ ） 资助 。
第 ４期
董振 ， 等 ・ 碳纤维／ 聚氨酯复合材料的制备与性能研究
加 入扩链 剂 ＢБайду номын сангаасＤ Ｏ， １ １ ０ ｑ Ｃ下 硫 化 ２ ｈ ， １ ０ ０℃ 下 老 化
本研究 设计 预 聚 体 中 游 离 的 Ｎ Ｃ Ｏ基 团质 量 分 数为 ８ ％， 在 预聚体 的合 成过 程 中加 入 碳 纤维 ， 再 经 扩链 、 硫化 制得碳 纤维／ 聚 氨酯复 合材料 。考察 了碳
强增 韧机理 。 １ 实验部 分
１ ． １ 主 要原料
碳 纤维是 一 种 含 碳 量 高 于 ９ ０ ％ 的无 机 高分 子 纤维 ， 具有 高 比强 度 、 高 比模 量 、 耐高 温 、 耐 腐蚀 、 耐 疲劳 、 抗蠕 变 、 热 膨胀 系数 小 等一 系列 优 异 性 能 Ｊ ，
的重要课 题 。
响； 并对复合材料进行 了热力学分析 （ Ｔ Ｇ ） 、 动态力 学性能分析 （ Ｄ Ｍ Ａ ） ， 研究复合材料耐热性能的变化 情况 ， 并 采用 扫描 电子显 微 镜 （ Ｓ Ｅ Ｍ） 研 究 了复 合 材
料 的断面形 貌 ， 并 据 此 推 测 了碳 纤 维 对 聚 氨酯 的增
学性 能优 良等 特点 ， 可 以广 泛 用 于 承载 结 构 材料 和
级， 德国Ｂ Ａ Ｓ Ｆ公 司 ； 碳 纤维 （ 丙烯 腈基 ， Ｔ ３ ０ ０ ． １ ２ Ｋ） ，
山西煤 炭化 学研 究所 。 １ ． ２ 复合 材料 的制 备
准确称 量 ＭＤ Ｉ 、 预先 脱 水 的 Ｏ Ｄ Ｘ－ ２ １ ８和碳 纤 维
失重 率降低 ， 材料 的玻璃 化 转 变温度和软 化 温度提 高， 引入碳 纤 维后材 料 的耐热 性提 高 。
关 键词 ： 碳纤维； 聚氨 酯 ； 复合材 料 ； 增 强机 理
中图分 类号 ： Ｔ Ｑ ３ ２ ３ ． ８ ； Ｔ Ｑ ３ ４ ２ ． ７ ４ ２ 文献 标识码 ： Ａ 文章编 号 ： １ ０ ０ ５—１ ９ ０ ２ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ４— ０ ０ ２ ８— ０ ４ 聚氨酯 材料 是一 种介 于橡胶 和塑料 之 间 的合 成 纤 维长度 、 碳 纤维 含 量 等对 复 合 材 料 机 械性 能 的影
・ ２ ９・
１ ． ３ 分 析和 表征
２ ． ２ 碳 纤维含 量对 复合 材料 机械 性能 的影 响
采 用 甲苯 一 二 正 丁胺 法 按 照 Ｈ Ｇ ／ Ｔ ２ ４ ０ ９ —９ ２分 析游 离 Ｎ Ｃ Ｏ基 团含 量 ； 机 械 性 能按 照 “ Ｇ Ｂ ／ Ｔ ５ ２ ９ — ９ ２ 、 Ｇ Ｂ ／ Ｔ ５ ２ ９ －９ １ ” 标准测试 ， 采 用 深 圳 新 三 思 材 料 检 测 有 限公 司 的万 能试 验 机 （ Ｃ ＭＴ ６ ５ ０ ３ ） ， 拉 伸 速 度 ５ ０ ０ ｍ ｍ ／ ｍ ｉ ｎ ； 热失重采用 Ｅ ｔ 本 Ｓ Ｈ Ｚ Ｉ Ｍ ＡＤ Ｚ Ｕ 公 司
维长度和 含量 的增加 出现 先升 高后 降低 的趋 势 。 当碳 纤 维 长度 为 ３ ｍｍ、 质 量 分数 为 １ ． ０％ 时 ， 复 合材 料 的机械性 能达到 最佳值 ， 此 时其拉 伸 强度增加 ２ ２ ． ７ ％， 撕 裂强度 增加 ４ ８ ． １ ％， 扯 断 伸 长率 增
加５ ． ９％ 。热 力学分析 和 动 态力学性 能研 究表 明 ， 复 合 材料 的 热分 解 温度 提 高 ， 质 量保 留率提 高 ，
聚
・
氨
酯
工
业
２ ０ １ ３年第 ２ ８卷 第 ４期
２ ０１ ３． Ｖｏ １ ． ２８ Ｎｏ ． ４
２８ ・
Ｐ ＯＬ ＹＵＲＥ Ｔ ＨＡＮＥ Ｉ ＮＤＵＳ Ｔ ＲＹ
碳 纤维／ 聚 氨 酯 复 合 材 料 的制 备 与性 能研 究 术
董 振 ， 赵雨 花 李 其峰 乔 岩 王 军威 亢茂 青 太原 ０ ３ ０ ０ ０ １ ）
耐 高温抗 烧蚀 材料 ， 特别 是航空 航天 结构 材料 ， 有着
巨大 的性 能优 势和 经济效 益 。
加入装有温度计 、 搅拌器的烧瓶 中， 在Ｎ ： 气氛保 护 下， ８ ０ ～ ８ ５℃下反应 ２ ｈ ， 制得预聚体 ； 采用二正丁 胺法分析游离 Ｎ Ｃ Ｏ基 团含量 ， 按照扩链系数 ０ ． ９ ５