[發明專利]高模量纖維增強聚合物復合體

在審

• 申請號: 201380053981.X
• 申請日: 2013-10-10
• 公開（公告）號: CN104718245A
• 公開（公告）日: 2015-06-17
• 發明（設計）人: F·N·阮;A·P·哈羅;吉岡健一
• 申請（專利權）人: 東麗株式會社
• 主分類號: C08J5/24
• 分類號: C08J5/24
• 代理公司: 北京市金杜律師事務所 11256
• 代理人: 楊宏軍;牛蔚然

參考文獻的并入

出于一切目的，2012年10月15日提交的美國臨時申請No.61/713,928、2012年10月15日提交的美國臨時申請No.61/713,939、2013年9月4日提交的美國臨時申請No.61/873,647和2013年9月4日提交的美國臨時申請No.61/873,659每篇均通過參考以其全部內容并入本文。

技術領域

本發明提供創新性的纖維增強聚合物組合物，其包含增強纖維和粘合性組合物，其中，所述粘合性組合物經固化后具有至少3.2GPa的樹脂模量和至少2mm的撓曲畸變，并且與具有至少200GPa或甚至超過300GPa的拉伸模量的增強纖維良好鍵合，從而得以同時提高層間剪切強度、斷裂韌性、壓縮特性及拉伸特性。

背景技術

當通過樹脂基質將增強纖維鍵合到一起來制備纖維增強聚合物組合物時，纖維表面上官能團的存在是非常關鍵的。并且，形成的鍵必須能夠耐受環境條件及/或惡劣條件。鍵強度(即，為了將(固化的)樹脂與和固化樹脂接觸的纖維分離所需要的每單位界面面積的力)是對粘合力的量度。最大粘合力并非是通過觀察纖維與樹脂間的粘合破壞來獲得的，而主要是通過觀察樹脂和纖維之一或二者的內聚破壞而獲得的。

為了形成強鍵合，首先要在初始纖維表面上有利地導入氧官能團；第二，還可以對粘合促進劑加以選擇，使得該粘合促進劑的一個端部能夠和纖維表面上的氧官能團共價鍵合，另一端部能夠促進或參與和樹脂中官能團之間的化學相互作用。基本上，粘合促進劑起到固化期間聯結纖維與主體樹脂間的橋梁的作用。等離子體處理、紫外線處理、電暈放電處理或濕式電化學處理等表面處理經常被用于將氧官能團導入到纖維表面上。

最終，為了實現強鍵合，在纖維和樹脂間的界面處不能存在空隙，也就是說，固化后它們之間形成充分的分子接觸。該界面經常被認為是體積區(volumetric?region)或界面相(interphase)。該界面相可以從纖維表面擴展幾個納米至若干微米，這取決于上漿處理過的纖維表面的化學組成、纖維與主體樹脂間的化學相互作用及固化期間其他化學基元向界面的遷移。該界面相因此具有非常獨特的組成，并且其性質與纖維表面或主體樹脂的性質相差很大。進而，因纖維與樹脂間的模量不匹配而導致在界面相存在高應力集中，由此而經常容易發生龜裂。這種高應力集中，有時因樹脂的化學脆化(由纖維誘發)、及熱膨脹系數不同導致的局部殘留應力而增大，結果導致一旦施加負荷就會發生復合體的災難性破壞。

一般而言，不充分的粘合力可能使龜裂能(crack?energy)沿著纖維/母體間的界面消散，但這以從粘合劑經由界面相朝向纖維的應力傳遞能力方面的很大犧牲為代價。另一方面，強粘合力經常導致界面基質脆變的增加，導致在這些區域內發生龜裂并擴展至樹脂富集區。進而，因為纖維破裂端的龜裂能無法沿著纖維/母體間的界面消減，所以通過將鄰接纖維實質性地破斷而轉移到其間。由于這些原因，目前最新的纖維復合體體系需要被設計為能夠實現最佳的粘合水平。

碳纖維是在要求高強度、高模量、輕質的結構材料用途中最重要的增強纖維。由于初始纖維的表面結構，對于用于實現基質樹脂與碳纖維的鍵合的表面處理種類以及表面處理類型的選擇變得越來越重要。前體類型、紡絲工藝和碳化溫度是重要的參數。成功的表面處理應當能使氧官能團在表面均勻分布，并且不要破壞纖維或使其脆弱。

高模量碳纖維(HMCF)(即拉伸模量大于300GPa的碳纖維)在需要承受旋轉負荷、彎曲負荷、扭曲負荷的部件中以及在低溫條件或需要高電性質或熱性質的場所的使用中非常重要。但不幸的是，因為表面上高度組織化的結晶結構，很難使表面氧化，因此如何向這種纖維上鍵合樹脂成為纖維增強聚合物復合體領域中的終極挑戰。其結果導致HMCF在這些應用中的用途非常有限，或根本就無法實現。