阅读说明：本技术 一种满足EN45545阻燃标准的OoA工艺用预浸料 (OoA process prepreg meeting EN45545 flame-retardant standard ) 是由 李志涛 钱京 尹国强 单瑞俊 毛慧文 于 2019-09-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种满足EN45545阻燃标准的OoA工艺用预浸料,包括碳纤维和阻燃树脂基体；阻燃树脂基体包括一定质量组分的环氧树脂、阻燃剂、固化剂；且阻燃剂至少为2种。其通过最优的阻燃剂组合,分别于燃烧的不同阶段实现阻燃效果,使得阻燃树脂既满足EN45545阻燃标准中HL1或HL2级别,又适用低成本OoA工艺,降低对最终产品力学性能的影响,使得其经预浸料固化后具有优异的力学性能。同时界面改性剂改善阻燃剂和树脂之间的界面极性,让树脂在完全浸润粉体后更加充分的接触和浸润纤维,实现纤维和树脂间的应力传递,充分发挥碳纤维复合材料优异力学性能的特点。(The invention discloses a OoA technical prepreg meeting EN45545 flame retardant standard, which comprises carbon fibers and a flame-retardant resin matrix; the flame-retardant resin matrix comprises epoxy resin, a flame retardant and a curing agent which are prepared from a certain mass component; and at least 2 flame retardants. The flame retardant resin achieves flame retardant effects at different stages of combustion through optimal flame retardant combinations, so that the flame retardant resin not only meets the HL1 or HL2 level in the EN45545 flame retardant standard, but also is suitable for a low-cost OoA process, the influence on the mechanical property of a final product is reduced, and the prepreg has excellent mechanical property after being cured. Meanwhile, the interface modifier improves the interface polarity between the flame retardant and the resin, so that the resin can more fully contact and infiltrate the fiber after completely infiltrating the powder, the stress transfer between the fiber and the resin is realized, and the characteristics of excellent mechanical properties of the carbon fiber composite material are fully exerted.)

一种满足EN45545阻燃标准的OoA工艺用预浸料

技术领域

本发明涉及一种预浸料，具体涉及一种满足EN45545阻燃标准的OoA工艺用预浸料，属于阻燃技术领域。

背景技术

目前，国内外轨道交通机车车辆防火标准主要有欧盟EN45545：2013系列标准《铁路应用-铁路车辆防火》、英国的BS 6853：1999《载客列车设计与构造防火通用规范》、德国DIN 5510：2009系列标准《轨道车辆防火措施》、国际铁路联盟的UIC 564-2《铁路客车或国际铁路联运用同类车辆的防火和消防规则》、美国的NFPA 130《固定轨道交通和旅客铁路系统》、法国NF F16-101/102《铁路车辆防火性能》以及TB/T 3237-2010《动车组用内装材料阻燃技术条件》，这其中又以EN45545：2013系列标准最能模拟真实的火灾环境，故被大部分的国家所采纳。

随着新材料不断地创新，纤维增强树脂基复合材料由于拥有高模、高强、低重等特点，在新材料中崭露头角，逐步开始取得传统的钢铁及铝合金材料，但作为基体材料的树脂基材料并没有传统钢铁及铝合金的耐燃性，因此，提高树脂基材料的阻燃性能成为了重中之重。

目前，市场上已有满足德国DIN 5510：2009及TB/T 3237-2010的环氧阻燃预浸料体系，但满足EN45545：2013的环氧阻燃碳纤维预浸料体系目前几乎没有。

市场上多出现的是满足EN45545标准的内饰用玻纤预浸料，这些材料基本上都是非受力件，传统的玻璃钢就可以满足力学性能要求，因而可以在酚醛树脂或者环氧树脂中加入过量的阻燃剂，诸如ATH等，这样固化后板材的整体阻燃性能将会大幅度提高，同时又可以兼顾内饰材料对力学性能的要求。

对于碳纤维阻燃预浸料而言，需要同时发挥碳纤维的可承力的作用，因此在开发和使用中需要同时兼顾更高的力学性能和满足要求的阻燃性能。常用于碳纤维阻燃预浸料中的环氧树脂最常见的阻燃形式依然是添加型阻燃。添加型主要是在环氧树脂中引入各种具有阻燃性能的添加剂，使材料具有阻燃性能。添加型阻燃剂价廉易行，但想要达到所需阻燃要求往往添加的比例非常大，这就会影响后期固化后层压板的力学性能。

目前市场上兴起了不含卤素的反应型阻燃剂，其中以DOPO为其典型代表，它们多是通过接枝到不同的环氧树脂上后形成的新型反应型阻燃树脂。由于是在环氧树脂的极性基团上接枝，整体的阻燃剂含量一般都比较低，一般在引入此类阻燃树脂时所需要的份量多达60份以上，再加之本身阻燃剂接枝环氧树脂成本高，虽可在一定程度上减小阻燃粉料的添加，但由于本身阻燃基团引入环氧树脂支链，增加了反应位阻，改变了树脂的整体极性，使得最终树脂的反应活性和对纤维的浸润性产生了不利影响。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种即使在大量引入添加型阻燃剂后，仍可以满足预浸料树脂含浸工艺，同时通过OoA工艺固化后层压板阻燃性能也达到欧标EN45545中的HL1或HL2级别的预浸料。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种满足EN45545阻燃标准的OoA工艺用预浸料，包括碳纤维和阻燃树脂基体，

所述阻燃树脂基体，包括以下质量份的组分：环氧树脂60-80份、阻燃剂15-30份、固化剂9-12份；

预浸料中阻燃树脂基体的质量占比为40％-45％；

所述阻燃剂至少为适用于以下两个燃烧阶段的组合，包括：

初始阶段：氢氧化镁和氢氧化铝中的至少一种，在整个燃烧过程的初始阶段(150℃到350℃温度区间内)，通过阻燃剂的分解吸热，减缓树脂燃烧速度、减小燃烧过程中热能释放。

中期阶段：三聚氰胺尿酸盐、有机膦酸盐、聚磷酸蜜胺和聚磷酸铵中的至少一种，在整个燃烧过程的中期阶段(350℃到550℃温度区间内)，靠热量催化与环氧树脂反应成炭，降低树脂的主链分解为小分子链的几率，减少燃烧过程中气相碳源的生成。

后期阶段：三嗪多元醇、季戊四醇、有机蒙脱土、硼酸盐和硅酸盐中的至少一种。在整个燃烧过程的后期阶段(550℃到900℃温度区间内)，通过羟基的脱水辅助成炭作用及副族元素捕捉反应活性基团小分子的作用，降低烟尘的形成，促进焦炭层的成型及稳固，同时起到隔热绝氧的作用，从而降低树脂燃烧，提高阻燃性能。上述阻燃树脂基体还包括1-3份界面改性剂，包括BYK-W-969、BYK-W-980、BYK-W-996、BYK-088及BYK-9912中的一种或多种。

上述环氧树脂包括双酚A型环氧树脂、酚醛环氧树脂及大分子苯氧树脂。

上述固化剂为双氰胺、4，4’-二氨基二苯砜、有机脲类、硫脲类、咪唑类化合物和路易斯酸类中的一种或多种。

上述的一种满足EN45545阻燃标准的OoA工艺用预浸料的制备方法，按质量份混料制得的阻燃树脂基体，与碳纤维经热熔法涂膜、含浸后，制得预浸料。

进一步的，上述混料为：

按质量份，将一定量的环氧树脂加入到混合釜中，升温搅匀；加入阻燃剂，搅匀；再加入界面改性剂，搅匀；降温后加入固化剂，搅匀后出料，制得阻燃树脂基体。

进一步的，上述涂膜，控制涂膜的温度为70-75℃，计量辊间隙为0.1-0.2mm，支持辊压力为100-160kg，涂胶速度为7-12m/min。

进一步的，上述含浸，控制开纤维辊温度为75-85℃，加热板温度为90-110℃，含浸辊温度为60-80℃，冷风箱温度为7-12℃，含浸速度为3-5m/min。

进一步的，上述预浸料中的碳纤维为同一方向并行排列或以相互垂直方向2/2方式排列。

本发明的有益之处在于：

本发明的一种满足EN45545阻燃标准的OoA工艺用预浸料，针对现用技术中由于添加过量低效率的阻燃剂，使得阻燃树脂改性后难浸润，需依靠高成本的热压罐工艺，其很难适用低成本的OoA工艺等问题；通过选用最优的阻燃剂，发挥不同阻燃剂在燃烧初始阶段，中期阶段和后期阶段等的作用，以最高效的用量实现阻燃效果，使得阻燃树脂可以很好地满足EN45545阻燃标准中HL1或HL2阻燃级别，又可适用于低成本OoA生产工艺，同时降低对最终产品力学性能的影响，经预浸料固化后具有优异的力学性能。

本发明还引用了界面改性剂，改善阻燃剂和树脂之间的界面极性，使得两者有效浸润，让树脂在完全浸润阻燃剂粉体后更加充分的接触和浸润纤维，实现纤维和树脂间的应力传递，充分发挥碳纤维复合材料优异力学性能的特点。

本发明通过使用不同组合的阻燃剂与界面改性剂，改善了现有的预浸料，使其能够基于并适用于低成本的混料、涂膜、含浸、OoA工艺，并制得高性能的产品，极大的提高了制备效率，降低了原料、工艺及设备成本，具有很强的实用性和广泛的适用性。

附图说明

图1为本发明的涂膜的工艺流程示意图。

图2为本发明的含浸的工艺流程示意图。

图3为本发明的预浸料A固化后层压板的C扫图。

图4为本发明的预浸料B固化后层压板的C扫图。

图5为本发明的预浸料C固化后层压板的C扫图。

图6为本发明的预浸料D固化后层压板的C扫图

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

本发明所使用的碳纤维的规格为HFW200T-A3-2/2-1000(江苏恒神股份有限公司)，其余试剂均为市购。

实施例1

一种满足EN45545阻燃标准的预浸料A，由碳纤维和阻燃树脂基体a组成，其中阻燃树脂基体a按以下质量份数称取：环氧树脂66份、阻燃剂22份、界面改性剂1份、固化剂11份。

将双酚A环氧树脂19份，酚醛环氧树脂40份，苯氧树脂浓缩液7份加入到混合釜中，升温至85℃，充分搅拌至混合均匀，加入阻燃剂ATH 6份、聚磷酸铵12份以及硼酸锌4份，充分搅拌至混合均匀，加入BYK-9920界面改性剂1份，充分搅匀后，降温至70℃，加入固化剂11份，均匀搅拌15min出料，得到阻燃树脂基体a。

阻燃树脂基体a涂膜时，控制涂膜计量辊温度在72℃，计量辊间隙在0.12mm，支持辊压力为120kg，涂胶速度控制为7m/min；含浸时，控制开纤维辊温度为78℃，加热板温度为90℃；含浸辊温度控制为75℃，冷风箱温度控制为7℃，含浸速度控制为3m/min；预浸料整体的阻燃树脂基体a含量控制为42％，最终得到预浸料A。

实施例2

一种满足EN45545阻燃标准的预浸料B，由碳纤维和阻燃树脂基体b组成，其中阻燃树脂基体b按以下质量份数称取：环氧树脂58份、阻燃剂31份、固化剂11份。

将双酚A环氧树脂15份，酚醛环氧树脂36份，苯氧树脂浓缩液7份加入到混合釜中，升温至85℃，充分搅拌至混合均匀，加入阻燃剂ATH 14份和三聚氰胺脲酸盐17份，充分搅拌至混合均匀，充分搅匀后，降温至70℃，加入固化剂11份，均匀搅拌15min出料，得到阻燃树脂基体b。

阻燃树脂基体b涂膜时，控制涂膜计量辊温度为74℃，计量辊间隙为0.12mm，支持辊压力为120kg，涂胶速度控制为8m/min；含浸时，控制开纤维辊温度为78℃，加热板温度为95℃，含浸辊温度控制为75℃，冷风箱温度控制为10℃，含浸速度控制为3m/min；预浸料整体的阻燃树脂基体b含量控制为42％，最终得到预浸料B。

对比例1

一种非阻燃预浸料C，由碳纤维和普通树脂基体c组成，其中普通树脂基体c按以下质量份数称取：环氧树脂：89份、固化剂：11份。

将双酚A环氧树脂25份，酚醛环氧树脂58份，苯氧树脂浓缩液7份加入到混合釜中，升温至85℃，充分搅拌至混合均匀，降温至70℃，加入固化剂11份，均匀搅拌15min出料，得到普通树脂基体c。

普通树脂基体c涂膜时，控制涂膜计量辊温度为70℃，计量辊间隙为0.12mm，支持辊压力为100kg，涂胶速度控制为10m/min；含浸时，控制开纤维辊温度为75℃，加热板温度为100℃，含浸辊温度控制为65℃，冷风箱温度控制为7℃，含浸速度控制为3m/min；预浸料整体的普通树脂基体c含量控制为42％，最终得到预浸料C。

对比例2

一种不满足EN45545阻燃标准的预浸料D，由碳纤维和阻燃树脂基体d组成，其中阻燃树脂基体d按以下质量份数称取：环氧树脂58份、阻燃剂31份、固化剂11份。

将双酚A环氧树脂15份，酚醛环氧树脂36份，苯氧树脂浓缩液7份加入到混合釜中，升温至85℃，充分搅拌至混合均匀，加入阻燃剂ATH 31份，充分搅拌至混合均匀，充分搅匀后，降温至70℃，加入固化剂11份，均匀搅拌15min出料，得到阻燃树脂基体d。

阻燃树脂基体d涂膜时，控制涂膜计量辊温度为74℃，计量辊间隙为0.12mm，支持辊压力为120kg，涂胶速度控制为8m/min；含浸时，控制开纤维辊温度为76℃，加热板温度为97℃，含浸辊温度控制为75℃，冷风箱温度控制为10℃，含浸速度控制为3m/min；预浸料整体的阻燃树脂基体d含量控制为42％，最终得到预浸料D。

将上述制得的预浸料A、预浸料B、预浸料C和预浸料D，通过OoA工艺固化后，制得层压板，其板材力学性能和阻燃性能如下表1和表2所示：

表1层压板力学性能

实验项目	测试标准	预浸料A	预浸料B	预浸料C	预浸料D
						经向拉伸强度/MPa	ASTM D3039	835	751	898	742
纬向拉伸强度/MPa	ASTM D3039	808	722	872	715
						经向压缩强度/MPa	ASTM D6641	781	683	805	645
纬向压缩强度/MPa	ASTM D6641	720	675	783	625
						层间剪切强度/MPa	ASTM D2344	70	51	75	50

表2层压板阻燃性能

由表1和表2可见：

本发明的实施例1中预浸料A，在最优阻燃协效配合以及界面改性剂的帮助下，力学性能和阻燃性能达到了最优，相比于对比例1中非阻燃的预浸料C而言，力学性能保有率高，相比于实施例2中预浸料B和对比例2中预浸料D，通过优化阻燃剂配比，分别于燃烧初期、中期、后期多段协同阻燃，实现在燃烧过程中针对性降低燃烧热量、减少分子链分解，燃烧过程中引导形成稳定焦炭层、并在形成炭层过程中抑制烟雾产生，从而使其预浸料A固化后板材有更加优异的阻燃性能，同时，在界面改性剂的作用下，预浸料A有更优的层间剪切强度。从实施例2和对比例2中也可明显发现，若只是采用单一只作用于燃烧初始阶段的阻燃剂，在同等阻燃添加比例下，阻燃性能是无法满足EN45545阻燃级别要求。

由上述制得的预浸料A、预浸料B、预浸料C和预浸料D，通过OoA工艺固化后，制得层压板的内部缺陷情况，如附图3-6(C扫图)所示：

(仪器名称：便携性自耦合高频超声C扫、型号：HSJ18503、厂家：OMNI、扫图设置参数：增益8dB)

可见，由预浸料A、预浸料B、预浸料C和预浸料D，通过OoA工艺固化后制得的层压板的C扫满足复合材料使用过程中对典型件内部C扫的要求，说明本发明的涂膜、含浸过程参数可以很好地制造出满足低成本OoA工艺的预浸料。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。