本發(fā)明涉及復(fù)合材料制備，具體涉及一種無鹵阻燃玄武巖纖維-環(huán)氧樹脂組合物復(fù)合材料的制備方法，該方法通過對玄武巖纖維進(jìn)行表面改性并與無鹵阻燃環(huán)氧樹脂基體復(fù)合，制備出兼具優(yōu)異阻燃性能、力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，可廣泛應(yīng)用于航空航天、建筑、軌道交通及電子電氣等需要高性能阻燃材料的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
1、玄武巖纖維作為一種新型無機(jī)非金屬材料，因其優(yōu)異的力學(xué)性能、耐高溫性能及化學(xué)穩(wěn)定性，近年來在高性能復(fù)合材料領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。玄武巖纖維的高強(qiáng)度特性使其制備的復(fù)合材料在承受外部載荷時表現(xiàn)出優(yōu)異的抗拉伸和抗壓性能，此外，其良好的耐熱性能使其在高溫環(huán)境下能保持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，適用于航空航天、建筑、軌道交通等高溫應(yīng)用場景。玄武巖纖維對酸、堿等腐蝕性物質(zhì)的高抵抗力以及優(yōu)異的電磁屏蔽性能進(jìn)一步擴(kuò)展了其在惡劣環(huán)境中的應(yīng)用潛力。然而，由于玄武巖纖維表面化學(xué)活性低，與樹脂基體的界面結(jié)合性能有限，且其復(fù)合材料的阻燃性能需要進(jìn)一步提升，從而限制了其在阻燃復(fù)合材料領(lǐng)域的開發(fā)和應(yīng)用。
2、阻燃性能是復(fù)合材料在許多工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵要求之一。傳統(tǒng)的阻燃方法通常通過在樹脂基體中添加鹵素類阻燃劑實現(xiàn)，但鹵素阻燃劑在燃燒過程中會釋放有毒有害氣體，對環(huán)境和人體健康造成威脅，近年來逐步被無鹵阻燃體系取代。無鹵阻燃劑(如有機(jī)磷阻燃劑和磷腈類化合物)以其低毒性、熱穩(wěn)定性和環(huán)保性成為研究熱點，但其在復(fù)合材料中的應(yīng)用往往會影響材料的力學(xué)性能。此外，聚合物基體的易燃特性會導(dǎo)致復(fù)合材料在燃燒條件下出現(xiàn)“燭芯效應(yīng)”，即熔融的聚合物滲透到纖維表面并快速蔓延，從而進(jìn)一步增加了復(fù)合材料的燃燒危險性。因此，如何通過界面改性技術(shù)優(yōu)化玄武巖纖維與無鹵阻燃環(huán)氧樹脂基體的結(jié)合性能，同時抑制燭芯效應(yīng)，提升復(fù)合材料的阻燃性能和力學(xué)性能，成為當(dāng)前研究的重要方向。
3、環(huán)氧樹脂作為一種熱固性樹脂，因其優(yōu)異的力學(xué)性能、電絕緣性能和耐化學(xué)腐蝕性能，被廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料的基體材料中。通過加入無鹵阻燃劑，環(huán)氧樹脂基體能夠在高溫下成炭并形成致密炭層，從而有效阻隔熱量和氧氣的擴(kuò)散，提高復(fù)合材料的阻燃性能。然而，阻燃劑的加入往往會導(dǎo)致環(huán)氧樹脂的固化體系復(fù)雜化，降低其力學(xué)性能。因此，如何合理選擇無鹵阻燃劑及其添加比例，兼顧復(fù)合材料的阻燃性和力學(xué)性能，是提升環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料綜合性能的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)之一。此外，現(xiàn)有技術(shù)中針對玄武巖纖維-環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的阻燃改性方法多局限于簡單添加阻燃劑，缺乏系統(tǒng)的界面改性設(shè)計，無法充分發(fā)揮玄武巖纖維和環(huán)氧樹脂基體的協(xié)同性能優(yōu)勢。
4、綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)在玄武巖纖維-環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的阻燃改性中仍存在諸多不足。一方面，玄武巖纖維與樹脂基體界面結(jié)合性能較差，影響復(fù)合材料的整體力學(xué)性能；另一方面，傳統(tǒng)阻燃方法難以有效抑制“燭芯效應(yīng)”，限制了材料的阻燃性能和應(yīng)用場景。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明通過對玄武巖纖維進(jìn)行表面改性，采用無鹵阻燃劑構(gòu)建高效阻燃體系，同時優(yōu)化復(fù)合材料的制備工藝，制備出阻燃性能優(yōu)異、力學(xué)性能卓越且環(huán)保性突出的玄武巖纖維-環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，具有重要的理論價值和廣泛的實際應(yīng)用前景。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本發(fā)明提供了一種無鹵阻燃玄武巖纖維-環(huán)氧樹脂組合物復(fù)合材料的制備方法，通過對玄武巖纖維進(jìn)行表面改性并與無鹵阻燃環(huán)氧樹脂基體復(fù)合，解決現(xiàn)有玄武巖纖維與樹脂基體界面結(jié)合性能差和阻燃性能不足的問題，顯著提升了復(fù)合材料的力學(xué)性能、阻燃性能和熱穩(wěn)定性。本發(fā)明工藝簡單高效，制備得到的復(fù)合材料環(huán)保性高，適用于航空航天、建筑及軌道交通等對阻燃性能和力學(xué)性能有高要求的領(lǐng)域。
2、1.玄武巖纖維的表面改性
3、(1)偶聯(lián)劑溶液制備：將450ml無水乙醇與50ml去離子水混合形成乙醇-水溶液。加入氨基類偶聯(lián)劑kh-550(體積比為乙醇-水溶液的25％)，攪拌均勻，形成均相的偶聯(lián)劑溶液。
4、(2)纖維處理：將玄武巖纖維短切紗50g浸入偶聯(lián)劑溶液中，保持恒溫60℃，在磁力攪拌條件下反應(yīng)2-4小時。用去離子水多次清洗玄武巖纖維以去除多余偶聯(lián)劑，隨后在80℃下烘干至恒重，得到表面改性的玄武巖纖維(bf-nh2)。
5、2.無鹵阻燃環(huán)氧樹脂混合物的制備
6、(1)環(huán)氧樹脂基體：稱取雙酚a型環(huán)氧樹脂(e-51)100g，置于50-80℃的水浴中加熱熔融。
7、(2)阻燃劑添加：加入10-25g有機(jī)磷阻燃劑(如季戊四醇磷酸酯或磷腈類阻燃劑)，在恒溫條件下攪拌1小時，使阻燃劑與環(huán)氧樹脂均勻混合。
8、(3)助劑添加：依次加入流平劑、消泡劑和分散劑(各為環(huán)氧樹脂質(zhì)量的0.5-2％)，繼續(xù)攪拌30分鐘。
9、(4)固化劑添加：降溫至50℃，加入甲基六氫鄰苯二甲酸酐(固化劑，按環(huán)氧樹脂質(zhì)量的20-30％)并充分?jǐn)嚢?，制備得到均勻分散的無鹵阻燃環(huán)氧樹脂組合物。
10、3.玄武巖纖維浸漬
11、(1)浸漬過程：將表面改性后的玄武巖纖維(bf-nh2)按纖維體積分?jǐn)?shù)40-60％分批加入至無鹵阻燃環(huán)氧樹脂混合物中。使用超聲分散設(shè)備在常溫條件下處理30分鐘，確保玄武巖纖維與樹脂基體充分浸潤且玄武巖纖維在樹脂基體中均勻分布。
12、(2)排氣處理：將浸漬后的樹脂-纖維混合物置于真空脫泡裝置中，維持真空狀態(tài)20分鐘，去除混合物中的氣泡，確保復(fù)合材料內(nèi)部無孔隙。
13、4.復(fù)合材料的成型
14、(1)模具準(zhǔn)備：將清潔的模具表面涂覆脫模劑，確保后續(xù)復(fù)合材料成型的完整性。將浸漬后的纖維-樹脂混合物均勻鋪設(shè)至模具內(nèi)，控制厚度前后一致。
15、(2)熱壓成型：將模具置于熱壓機(jī)中，壓力控制在以2-5mpa，在80-120℃溫度下進(jìn)行預(yù)固化1-2小時，隨后升溫至150-180℃進(jìn)行后固化2-4小時。
16、(3)脫模及后處理：熱壓完成后，將模具冷卻至室溫；從模具中取出成型的復(fù)合材料，并對邊角進(jìn)行修整，得到最終樣品。
17、5.實驗驗證及性能測試
18、(1)樣品規(guī)格：按上述流程制備不同纖維體積分?jǐn)?shù)(40％、50％、60％)和阻燃劑添加量(10％、15％、20％)的復(fù)合材料樣品，用于后續(xù)性能測試。
19、(2)對樣品進(jìn)行如下測試：
20、a.阻燃性能測試：采用氧指數(shù)法(loi)和ul-94垂直燃燒測試，評估復(fù)合材料的阻燃性能；
21、b.力學(xué)性能測試：使用拉伸試驗機(jī)和彎曲試驗機(jī)測試復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度；
22、c.熱穩(wěn)定性測試：采用熱重分析(tga)測試材料的熱分解溫度和熱穩(wěn)定性。
23、本發(fā)明提供的無鹵阻燃玄武巖纖維-環(huán)氧樹脂組合物復(fù)合材料制備方法，通過對玄武巖纖維表面改性及阻燃樹脂基體優(yōu)化設(shè)計，顯著改善了纖維與樹脂基體的界面結(jié)合性能，有效抑制“燭芯效應(yīng)”，提高了復(fù)合材料的阻燃性能(氧指數(shù)≥30％，ul-94達(dá)到v-0級)和力學(xué)性能(拉伸強(qiáng)度≥300mpa，彎曲強(qiáng)度≥350mpa)。此外，本方法環(huán)保性高，工藝簡單，所得復(fù)合材料適用于多種高性能場景，具有廣闊的應(yīng)用前景。