一种用于补强船体的预浸料树脂及其制备方法与应用
阅读说明：本技术 一种用于补强船体的预浸料树脂及其制备方法与应用 (Prepreg resin for reinforcing ship body and preparation method and application thereof ) 是由 张相一 王景宾 刘卫亮 张振峰 于 2021-11-08 设计创作，主要内容包括：本申请公开了一种用于补强船体的预浸料树脂及其制备方法与应用,属于海洋船舶补强技术领域。该用于补强船体的预浸料树脂,按重量份数计,其包括环氧树脂60份-110份,增韧剂3份-30份,填料5份～25份和固化剂7份-15份；其中,所述固化剂选自异氰酸酯中的至少一种。该预浸料树脂粘度较高,与环氧树脂的结合能力强,用于船体补强领域,能够与船体表面的环氧树脂涂层紧密结合,实现对船体的补强。(The application discloses a prepreg resin for reinforcing a ship body and a preparation method and application thereof, and belongs to the technical field of marine ship reinforcement. The prepreg resin for reinforcing the ship body comprises, by weight, 60-110 parts of epoxy resin, 3-30 parts of a toughening agent, 5-25 parts of a filler and 7-15 parts of a curing agent; wherein the curing agent is at least one selected from isocyanates. The prepreg resin has high viscosity and strong bonding capacity with epoxy resin, is used in the field of hull reinforcement, can be tightly bonded with an epoxy resin coating on the surface of a hull, and realizes the reinforcement of the hull.)
技术领域
本申请涉及一种用于补强船体的预浸料树脂及其制备方法与应用，属于海洋船舶补强技术领域。
背景技术
碳纤维复合材料因其高的比强度、比模量、耐高温、抗疲劳、导电、轻质及易加工等优异性能，广泛应用于航空航天、轨道交通、机械电子、医疗器械、建筑补强等诸多领域。船舶作为海洋环境中最重要的交通工具，其承载能力是至关重要的。因此，对船舶进行加固补强是一个非常热门的话题。相比于传统的船体补强材料，碳纤维复合材料具有天然的优势。首先，采用碳纤维复合材料补强加固船体，施工工艺相对简单、周期短且成型方便，此外，经补强后的船体机械性能良好。同时由于碳纤维与树脂基体材料结合后具有良好的耐疲劳性能及抗腐蚀性能，所以能延长船体的使用寿命；另外，由于碳纤维表面的化学惰性，水生物难以在船体表面附生。
然而目前结构（船体结构、建筑结构等）补强领域均采用传统手糊工艺，即在基材上缠绕碳纤维布（单向布或者以0/90度编织的双向布），再将低粘度树脂浸渍胶涂覆在碳纤维布上，待树脂固化便能补强结构。但是传统手糊工艺操作不方便，树脂含量控制不均匀，对树脂粘度要求高，同时施工环境不好，这些都将影响到补强效果。
另外，由于船舶的船体基本都是金属结构，而复合材料的基体一般为环氧树脂，二者的结构本质不同，所以二者的粘接强度也比较低，这就限制了树脂基复合材料在船体补强领域的应用。复合材料/金属界面粘接强度问题日益受到关注，成为复合材料加固补强技术的研究重点。对金属基材进行表面预处理是影响复合材料/金属界面粘接强度的重要因素。在用复合材料进行加固之前，先对金属表面进行适当的处理，将疏松的表面氧化物薄膜（锈蚀）、水分、灰尘、油污等杂质清除掉，形成新的表面膜，增加粘接强度。金属表面处理的方法大致可分为机械法和化学法两种。机械法最常用的是打磨和喷砂；化学法包括酸洗、磷化等。机械法打磨精度不高，操作环境不洁净，对人工的依赖性较强；化学法对环境不友好，而且容易过度处理导致金属基材本体性能受损。等离子体是对材料表面进行改性的常用方法。然而目前使用等离子体工艺对金属材料进行处理，往往需要在真空环境中进行，这对于像船舶这样的大型结构难以实现。
发明内容
为了解决上述问题，提供了一种用于补强船体的预浸料树脂及其制备方法与应用，该用于浸渍碳纤维的预浸料树脂粘度较高，与环氧树脂的结合能力强，用于船体补强领域，能够与船体表面的环氧树脂涂层紧密结合，实现对船体的补强。
根据本申请的一个方面，提供了一种用于补强船体的预浸料树脂，按重量份数计，其包括环氧树脂60份-110份，增韧剂3份-30份，填料5份~25份和固化剂7份-15份；
其中，所述固化剂包括异氰酸酯中的至少一种。
可选地，按重量份数计，所述预浸料树脂包括环氧树脂90份，增韧剂9份，填料15份和固化剂10份。
可选地，所述异氰酸酯选自二苯基甲烷二异氰酸酯、多苯基甲烷多异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯、1,5-萘二异氰酸酯和3,3-二甲基-4,4-联苯二异氰酸酯中的至少一种。
可选地，所述环氧树脂包括第一环氧树脂和第二环氧树脂，所述第一环氧树脂为液态双酚A型环氧树脂，第二环氧树脂选自双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、双酚S型环氧树脂、酚醛型环氧树脂和聚氨酯改性环氧树脂中的至少一种。其中，所述第二环氧树脂中的双酚A型环氧树脂可以为液态双酚A型环氧树脂，也可以为固态双酚A型环氧树脂，也可以为二者的组合。
可选地，所述增韧剂选自热塑性树脂、合成橡胶、核壳橡胶、聚氨酯预聚体和邻苯二甲酸酯中的至少一种。
可选地，所述填料选自碳酸钙、碳酸镁、二氧化硅、氧化铝、石英粉、硅微粉和膨润土中的至少一种。
优选的，所述填料包括重量比为（6-10）：（4-6）：（1-3）的碳酸钙、石英粉和膨润土；
更优选的，所述填料包括重量比为8：5：2的碳酸钙、石英粉和膨润土。填料的加入，可以增加生产得到的碳纤维预浸料的刚度和硬度，增加其粘结性能和机械强度。
可选地，所述第一环氧树脂和第二环氧树脂的重量比为（8-12）：（10-90）。优选为1:8。
可选地，所述第二环氧树脂包括重量比为（30-50）：（20-40）:（8-12）的双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂和酚醛型环氧树脂。
优选的，所述第二环氧树脂包括重量比为20：20：30：10的液态双酚A型环氧树脂、固态双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂和邻甲酚醛型环氧树脂。
可选地，按重量份数计，所述碳纤维预浸料包括20份固态双酚A型环氧树脂、30份双酚F型环氧树脂、10份邻甲酚醛型环氧树脂、9份聚丁二烯橡胶增韧剂、30份液态双酚A型环氧树脂、8份碳酸钙、5份石英粉、2份膨润土和10份甲苯二异氰酸酯。
根据本申请的另一个方面，提供了一种用于制备上述任一项所述的预浸料树脂的方法，所述方法包括以下步骤：
将部分所述环氧树脂和固化剂在10℃-30℃下混合后得到混合物A，将剩余所述环氧树脂、增韧剂和填料混合后得到混合物B，将所述混合物A和所述混合物B混合后得到所述预浸料树脂。
可选地，所述方法包括以下步骤：将第一环氧树脂和固化剂在10℃-30℃下混合后得到混合物A，将第二环氧树脂、增韧剂和填料在80℃-150℃下混合后得到混合物B，将所述混合物B的温度降至50℃-60℃后，与所述混合物A混合后得到所述预浸料树脂；
其中，所述第一环氧树脂为液态双酚A型环氧树脂，第二环氧树脂选自双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、双酚S型环氧树脂、酚醛型环氧树脂和聚氨酯改性环氧树脂中的至少一种。其中，所述第二环氧树脂中的双酚A型环氧树脂可以为液态双酚A型环氧树脂，也可以为固态双酚A型环氧树脂，也可以为二者的组合。
通过控制第一环氧树脂与固化剂的混合温度，避免第一环氧树脂与固化剂之间发生反应，从而保证最终生产的碳纤维预浸料具有较高的粘性；通过控制第二环氧树脂与增韧剂的混合温度，保证第二环氧树脂与增韧剂更加均匀的混合，从而确保最终生产的碳纤维预浸料中环氧树脂分布均匀；通过控制混合物A与混合物B的混合温度，确保该预浸料树脂粘度适中的同时，避免固化剂与环氧树脂之间发生反应。
可选的，所述方法包括以下步骤：在真空环境下，将第一环氧树脂和固化剂于10℃-30℃下搅拌3 min -25min，然后经三辊研磨机研磨后得到混合物A；在真空环境下，将第二环氧树脂、增韧剂和填料于80℃-150℃下搅拌10 min -40min后，得到混合物B；将所述混合物B的温度降低至50℃-60℃，在真空环境中，将所述混合物A和所述混合物B搅拌10 min-40min，得到所述预浸料树脂。
优选的，所述方法包括以下步骤：在真空环境下，将第一环氧树脂和固化剂于25℃下搅拌15min，然后经三辊研磨机研磨后得到混合物A；在真空环境下，将第二环氧树脂、增韧剂和填料于95℃下搅拌25min后，得到混合物B；将所述混合物B的温度降低至55℃，在真空环境中，将所述混合物A和所述混合物B搅拌15min，得到所述预浸料树脂。
根据本申请的又一个方面，提供了一种补强船体的方法，所述方法包括以下步骤：
对船体待补强区域进行等离子处理后，继续在所述待补强区域涂刷第三环氧树脂，然后在所述待补强区域铺放碳纤维预浸料，并在水中固化后，从而将所述待补强区域补强；
其中，所述碳纤维预浸料是在60℃-80℃、相对湿度不超过30%下，将碳纤维在预浸料树脂中浸渍后得到的，所述预浸料树脂选自上述任一项所述的预浸料树脂或上述所述的制备方法制得的预浸料树脂。由于该预浸料树脂的粘度较大，为了保证碳纤维预浸料生产过程中的工艺性，同时防止环氧树脂与固化剂之间发生反应，应当严格控制碳纤维预浸料生产过程中的温度。
可选地，所述碳纤维预浸料的制备过程为：将所述预浸料树脂在涂胶机上涂成胶膜，在碳纤维的相对两面分别粘附有所述胶膜，并在60℃-80℃下，将所述胶膜树脂受热软化浸渍到碳纤维中，得到所述碳纤维预浸料。
可选地，所述等离子处理的气体为空气；
所述等离子处理的压力为0.08 MPa -0.12MPa，优选为0.1MPa；
所述等离子处理的功率为50 W -1000W，优选为100 W -800W，优选为200W、300W、400W、500W、600W及700W，更优选为500W；
所述等离子处理的时间为0.5 min -60min，优选为25min。
可选地，对船体待补强区域进行等离子处理后，在不超过30min内对所述待补强区域涂刷第三环氧树脂。
可选地，所述第三环氧树脂的涂刷厚度为1 mm -10mm，优选为3mm。
可选地，所述第三环氧树脂选自双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂和缩水甘油胺型环氧树脂中的至少一种，优选为双酚F型环氧树脂。双酚F型环氧树脂粘度较低，其作为第三环氧树脂涂刷在待补强区域的表面，可以更加均匀。
所述碳纤维选自抗拉强度不低于T300级的碳纤维单向布和碳纤维双向布中的至少一种，优选为抗拉强度为T300级的碳纤维双向平纹编织布。
本申请的有益效果包括但不限于：
1．根据本申请的预浸料树脂，粘度较高，通常可达10000 cPs -80000cPs，其作为碳纤维的预浸料树脂，可以更加精确的控制树脂的含量，保证其生产的碳纤维预浸料不同区域中树脂的均匀性，且由于粘度范围较宽，选材范围广；该预浸料树脂与环氧树脂的结合能力强，用于船体补强领域，能够与船体表面的环氧树脂涂层紧密结合，实现对船体的补强。
2．根据本申请的预浸料树脂，当碳纤维浸渍在预浸料树脂中生产碳纤维预浸料时，需要在60℃-80℃下的干燥空气环境（相对湿度≤30%）中进行，因此该预浸料树脂以异氰酸酯类化合物为固化剂，以保证生产碳纤维预浸料的工艺环境中，该固化剂与环氧树脂能够共存，防止其在该工艺环境中使环氧树脂发生固化而不能应用于船体补强中；同时异氰酸酯在水中可以水解形成胺类物质，该胺类物质可以作为环氧树脂的固化剂在常温下与环氧树脂发生交联反应，实现船体结构在水下的固化补强。
3．根据本申请的预浸料树脂的制备方法，步骤简单，通过控制加料顺序和混合温度，使得该预浸料树脂混合均匀、粘度适中、储存期长。
4．根据本申请的补强船体的方法，环氧树脂涂层能够与船体紧密结合，从而提高船体的抗腐蚀能力，并在环氧树脂涂层表面铺设碳纤维预浸料，由于碳纤维表面的化学惰性，可以防止水生物在船体表面附生，延伸船体的使用寿命。
5．根据本申请的补强船体的方法，通过使用空气作为等离子气体处理船体表面，空气中的氮气等惰性气体对船体表面进行物理溅射，氧气等活性等离子气体对船体表面进行化学改性，经辐射后的船体金属材料会产生金属氧化物、碳酸盐等“不稳定”状态的活性物质，此类活性物质可以增加船体表面的粗糙度，进一步提高船体表面与环氧树脂涂层的结合强度，从而提高船体表面的抗腐蚀能力；在对船体进行等离子辐照后，快速涂刷环氧树脂涂层，以防止该船体表面的活性物质稳定化，保证环氧树脂涂层与船体表面的结合能力；此外，将碳纤维在预浸料树脂中提前浸渍好，保证碳纤维上的预浸料树脂浸渍均匀，保证对船体的补强效果。
6．根据本申请的补强船体的方法，使用空气作为等离子气体在常压下对船体进行等离子辐照，操作方便，生产成本低，利于在船体补强领域推广。
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
如无特别说明，本申请的实施例中的原料和催化剂均通过商业途径购买。
实施例1 碳纤维预浸料1#
碳纤维预浸料1#的制备步骤如下：
（1）在真空环境中，将10.0份甲苯二异氰酸酯与10.0份液态双酚A型环氧树脂于25℃下搅拌15min，然后经三辊研磨机研磨3次后，得到混合物A；
（2）在真空环境中，将20.0份固态双酚A型环氧树脂、20.0份液态双酚A型环氧树脂、30.0份双酚F型环氧树脂、10.0份邻甲酚醛型环氧树脂、8.0份碳酸钙、5.0份石英粉、2.0份膨润土及9.0份聚丁二烯橡胶增韧剂（日本钟渊化学增韧剂MX-154）于95℃下搅拌25min，得到混合物B；
（3）将混合物B的温度降低至55℃后，与混合物A混合，并在真空环境中搅拌15min后，得到预浸料树脂1#；
（4）将预浸料树脂1#利用涂胶机在60℃下均匀涂覆在离型纸上，得到树脂胶膜1#；
（5）取T300级碳纤维双向平纹编织布，并将该编织布的双面分别与（4）中胶膜1#结合，在70℃、相对湿度不超过30%下浸渍2min后，得到碳纤维预浸料1#。
实施例2 碳纤维预浸料2#
实施例2与实施例1的不同之处在于：步骤（1）中，在真空环境中，将10.0份 1,5-萘二异氰酸酯与10.0份液态双酚A型环氧树脂于25℃下搅拌15min，然后经三辊研磨机研磨3次后，得到混合物A；其余条件与实施例1相同，得到预浸料树脂2#；
将预浸料树脂2#利用涂胶机在60℃下均匀涂覆在离型纸上，得到树脂胶膜2#；
取T300级碳纤维双向平纹编织布，并将该编织布的双面分别与胶膜2#结合，在70℃、相对湿度不超过30%下浸渍2min后，得到碳纤维预浸料2#。
实施例3 碳纤维预浸料3#
实施例3与实施例1的不同之处在于：步骤（1）中，在真空环境中，将10.0份甲苯二异氰酸酯与10.0份液态双酚F型环氧树脂于25℃下搅拌15min，然后经三辊研磨机研磨3次后，得到混合物A；其余条件与实施例1相同，得到预浸料树脂3#；
将预浸料树脂3#利用涂胶机在60℃下均匀涂覆在离型纸上，得到树脂胶膜3#；
取T300级碳纤维双向平纹编织布，并将该编织布的双面分别与胶膜3#结合，在70℃、相对湿度不超过30%下浸渍2min后，得到碳纤维预浸料3#。
实施例4 碳纤维预浸料4#
实施例4与实施例1的不同之处在于：步骤（1）中，在真空环境中，将15.0份甲苯二异氰酸酯与10.0份液态双酚A型环氧树脂于25℃下搅拌15min，然后经三辊研磨机研磨3次后，得到混合物A；其余条件与实施例1相同，得到预浸料树脂4#；
将预浸料树脂4#利用涂胶机在60℃下均匀涂覆在离型纸上，得到树脂胶膜4#；
取T300级碳纤维双向平纹编织布，并将该编织布的双面分别与胶膜4#结合，在70℃、相对湿度不超过30%下浸渍2min后，得到碳纤维预浸料4#。
实施例5 碳纤维预浸料5#
实施例5与实施例1的不同之处在于：步骤（2）中，在真空环境中，将50.0份双酚F型环氧树脂、30.0份邻甲酚醛型环氧树脂、8.0份碳酸钙、5.0份石英粉、2.0份膨润土及9.0份聚丁二烯橡胶增韧剂（日本钟渊化学增韧剂MX-154）于95℃下搅拌25min，得到混合物B；其余条件与实施例1相同，得到预浸料树脂5#；
将预浸料树脂5#利用涂胶机在60℃下均匀涂覆在离型纸上，得到树脂胶膜5#；
取T300级碳纤维双向平纹编织布，并将该编织布的双面分别与胶膜5#结合，在70℃、相对湿度不超过30%下浸渍2min后，得到碳纤维预浸料5#。
实施例6 碳纤维预浸料6#
实施例6与实施例1的不同之处在于：步骤（2）中，在真空环境中，将20.0份固态双酚A型环氧树脂、20.0份液态双酚A型环氧树脂、30.0份双酚S型环氧树脂、10.0份邻甲酚醛型环氧树脂、8.0份碳酸钙、5.0份石英粉、2.0份膨润土及9.0份聚丁二烯橡胶增韧剂（日本钟渊化学增韧剂MX-154）于95℃下搅拌25min，得到混合物B；其余条件与实施例1相同，得到预浸料树脂6#；
将预浸料树脂6#利用涂胶机在60℃下均匀涂覆在离型纸上，得到树脂胶膜6#；
取T300级碳纤维双向平纹编织布，并将该编织布的双面分别与胶膜6#结合，在70℃、相对湿度不超过30%下浸渍2min后，得到碳纤维预浸料6#。
实施例7 碳纤维预浸料7#
实施例7与实施例1的不同之处在于：步骤（2）中，在真空环境中，将20.0份固态双酚A型环氧树脂、20.0份液态双酚A型环氧树脂、30.0份双酚F型环氧树脂、10.0份邻甲酚醛型环氧树脂、8.0份碳酸钙、5.0份石英粉、2.0份膨润土及9.0份聚丁二烯橡胶增韧剂（日本钟渊化学增韧剂MX-154）于150℃下搅拌25min，得到混合物B；其余条件与实施例1相同，得到预浸料树脂7#；
将预浸料树脂7#利用涂胶机在60℃下均匀涂覆在离型纸上，得到树脂胶膜7#；
取T300级碳纤维双向平纹编织布，并将该编织布的双面分别与胶膜7#结合，在70℃、相对湿度不超过30%下浸渍2min后，得到碳纤维预浸料7#。
实施例8 碳纤维预浸料8#
实施例8与实施例1的不同之处在于：步骤（2）中，在真空环境中，将20.0份固态双酚A型环氧树脂、20.0份液态双酚A型环氧树脂、30.0份双酚F型环氧树脂、10.0份邻甲酚醛型环氧树脂、8.0份碳酸钙、5.0份石英粉、2.0份膨润土及9.0份邻苯二甲酸二丁酯于95℃下搅拌25min，得到混合物B；其余条件与实施例1相同，得到预浸料树脂8#；
将预浸料树脂8#利用涂胶机在60℃下均匀涂覆在离型纸上，得到树脂胶膜8#；
取T300级碳纤维双向平纹编织布，并将该编织布的双面分别与胶膜8#结合，在70℃、相对湿度不超过30%下浸渍2min后，得到碳纤维预浸料8#。
实施例9 碳纤维预浸料9#
实施例9与实施例1的不同之处在于：步骤（2）中，在真空环境中，将16.0份固态双酚A型环氧树脂、16.0份液态双酚A型环氧树脂、24.0份双酚F型环氧树脂、8.0份邻甲酚醛型环氧树脂、8.0份碳酸钙、5.0份石英粉、2.0份膨润土及9.0份聚丁二烯橡胶增韧剂（日本钟渊化学增韧剂MX-154）于95℃下搅拌25min，得到混合物B；其余条件与实施例1相同，得到预浸料树脂9#；
将预浸料树脂9#利用涂胶机在60℃下均匀涂覆在离型纸上，得到树脂胶膜9#；
取T300级碳纤维双向平纹编织布，并将该编织布的双面分别与胶膜9#结合，在70℃、相对湿度不超过30%下浸渍2min后，得到碳纤维预浸料9#。
实施例10碳纤维预浸料10#
实施例10与实施例1的不同之处在于：步骤（3）中，将混合物B的温度降低至30℃后，与混合物A混合，并在真空环境中搅拌15min后，得到预浸料树脂10#；其余条件与实施例1相同；
将预浸料树脂10#利用涂胶机在60℃下均匀涂覆在离型纸上，得到树脂胶膜10#；
取T300级碳纤维双向平纹编织布，并将该编织布的双面分别与胶膜10#结合，在70℃、相对湿度不超过30%下浸渍2min后，得到碳纤维预浸料10#。
对比例1 碳纤维预浸料D1#
对比例1与实施例1的不同之处在于：步骤（1）中，在真空环境中，将10.0份乙二胺与10.0份液态双酚A型环氧树脂于25℃下搅拌15min，然后经三辊研磨机研磨3次后，得到混合物A；其余条件与实施例1相同，得到预浸料树脂D1#；
将预浸料树脂D1#利用涂胶机在60℃下均匀涂覆在离型纸上，得到树脂胶膜D1#；
取T300级碳纤维双向平纹编织布，并将该编织布的双面分别与胶膜D1#结合，在70℃、相对湿度不超过30%下浸渍2min后，得到碳纤维预浸料D1#。
对比例2 碳纤维预浸料D2#
对比例2与实施例1的不同之处在于：步骤（1）中，在真空环境中，将10.0份甲苯二异氰酸酯与10.0份液态双酚A型环氧树脂于50℃下搅拌15min，然后经三辊研磨机研磨3次后，得到混合物A；其余条件与实施例1相同，得到预浸料树脂D2#；
将预浸料树脂D2#利用涂胶机在60℃下均匀涂覆在离型纸上，得到树脂胶膜D2#；
取T300级碳纤维双向平纹编织布，并将该编织布的双面分别与胶膜D2#结合，在70℃、相对湿度不超过30%下浸渍2min后，得到碳纤维预浸料D2#。
对比例3 碳纤维预浸料D3#
对比例3与实施例1的不同之处在于：步骤（1）中，在真空环境中，将5.0份甲苯二异氰酸酯与10.0份液态双酚A型环氧树脂于25℃下搅拌15min，然后经三辊研磨机研磨3次后，得到混合物A；其余条件与实施例1相同，得到预浸料树脂D3#；
将预浸料树脂D3#利用涂胶机在60℃下均匀涂覆在离型纸上，得到树脂胶膜D3#；
取T300级碳纤维双向平纹编织布，并将该编织布的双面分别与胶膜D3#结合，在70℃、相对湿度不超过30%下浸渍2min后，得到碳纤维预浸料D3#。
对比例4 碳纤维预浸料D4#
碳纤维预浸料D4#的制备步骤如下：
（1）在真空环境中，将10.0份甲苯二异氰酸酯、30.0份液态双酚A型环氧树脂、20.0份固态双酚A型环氧树脂、30.0份双酚F型环氧树脂、10.0份邻甲酚醛型环氧树脂、8.0份碳酸钙、5.0份石英粉、2.0份膨润土及9.0份聚丁二烯橡胶增韧剂（日本钟渊化学增韧剂MX-154）于95℃下搅拌15min，然后经三辊研磨机研磨3次后，得到预浸料树脂D4#；
（2）将预浸料树脂D4#利用涂胶机在60℃下均匀涂覆在离型纸上，得到树脂胶膜D4#；
取T300级碳纤维双向平纹编织布，并将该编织布的双面分别与胶膜D4#结合，在70℃、相对湿度不超过30%下浸渍2min后，得到碳纤维预浸料D4#。
对比例5 碳纤维预浸料D5#
对比例3与实施例1的不同之处在于：步骤（2）中，在真空环境中，将20.0份固态双酚A型环氧树脂、20.0份液态双酚A型环氧树脂、30.0份双酚F型环氧树脂、10.0份邻甲酚醛型环氧树脂及9.0份聚丁二烯橡胶增韧剂（日本钟渊化学增韧剂MX-154）于95℃下搅拌25min，得到混合物B；其余条件与实施例1相同，得到预浸料树脂D5#；
将预浸料树脂D5#利用涂胶机在60℃下均匀涂覆在离型纸上，得到树脂胶膜D5#；
取T300级碳纤维双向平纹编织布，并将该编织布的双面分别与胶膜D5#结合，在70℃、相对湿度不超过30%下浸渍2min后，得到碳纤维预浸料D5#。
实验例1
将实施例1-10及对比例1-4得到的预浸料树脂1#-10#及预浸料树脂D1#-D5#进行粘度测试，并将上述预浸料树脂在水中固化后，分别进行拉伸强度、拉伸弹性模量、伸长率、弯曲强度及弯曲弹性模量测试，测试方法如下所述，测试结果如表1所示。
粘度：采用Brookfieid CAP2000+锥板粘度计，根据ASTM D4287-1994对预浸料树脂进行粘度测试。
拉伸性能：采用万能拉力试验机，根据ASTM D638-2014对固化后的预浸料树脂进行拉伸强度、拉伸弹性模量及伸长率测试；
弯曲性能：采用万能拉力试验机，根据ASTM D638-2014对固化后的预浸料树脂进行弯曲强度及弯曲弹性模量测试。
表1
编号
粘度（cPs）
拉伸强度（MPa）
拉伸弹性模量（GPa）
伸长率（%）
弯曲强度（MPa）
弯曲弹性模量（GPa）
预浸料树脂1#
28150
91.9
3.63
4.21
158.8
3.61
预浸料树脂2#
28353
75.6
3.44
2.15
135.3
3.41
预浸料树脂3#
27985
74.5
3.46
2.16
130.2
3.42
预浸料树脂4#
28355
75.6
3.51
2.18
134.1
3.45
预浸料树脂5#
26350
76.2
3.50
2.17
133.2
3.48
预浸料树脂6#
31250
77.1
3.59
1.99
135.4
3.53
预浸料树脂7#
21145
72.5
3.43
2.15
128.4
3.41
预浸料树脂8#
21420
76.5
3.58
1.98
129.4
3.55
预浸料树脂9#
22565
71.5
3.47
2.19
130.2
3.42
预浸料树脂10#
28250
77.6
3.44
2.14
133.2
3.41
预浸料树脂D1#
27560
63.4
2.28
1.08
135.4
2.25
预浸料树脂D2#
27951
54.2
3.07
1.39
114.2
2.43
预浸料树脂D3#
25652
55.1
3.11
1.11
103.2
2.07
预浸料树脂D4#
26482
62.3
2.27
1.15
111.5
2.25
预浸料树脂D5#
25845
50.8
2.26
1.13
102.9
2.23
传统手糊工艺树脂
385
51.3
2.15
1.17
107.4
2.07
由表1可以看出，本申请的预浸料树脂粘度较大，与传统手糊工艺树脂相比，对原材料的选择自由度更高，能够产生更佳的性能，且其固化后机械性能好，用于船体补强，具有良好的效果。
应用例1
将实施例1-10及对比例1-5得到的碳纤维预浸料1#-10#及碳纤维预浸料D1#-D5#分别用于船体金属的补强，得到金属基材1#-10#及金属基材D1#-D5#，具体步骤如下所示：
（1）在大气压下，用空气作为等离子气体在500W放电功率下对船体金属结构钢基材辐照25min；
（2）步骤（1）完成后的10min内，对步骤（1）得到的船体金属结构钢基材涂刷双酚F型环氧树脂，涂刷厚度为3mm；
（3）在步骤（2）得到的船体金属结构钢基材铺放碳纤维预浸料；
（4）将步骤（3）得到的船体金属结构钢基材放在水中进行固化。
应用例2
应用例2将实施例1得到的碳纤维预浸料1#用于船体金属的补强，与应用例1的不同之处在于，步骤（1）中，在大气压下，用氩气作为等离子气体在500W放电功率下对船体金属结构钢基材辐照25min；其余条件与应用例1相同；得到金属基材E1#。
应用例3
应用例3将实施例1得到的碳纤维预浸料1#用于船体金属的补强，与应用例1的不同之处在于，步骤（1）中，在大气压下，用空气作为等离子气体在1000W放电功率下对船体金属结构钢基材辐照25min；其余条件与应用例1相同；得到金属基材E2#。
应用例4
应用例4将实施例1得到的碳纤维预浸料1#用于船体金属的补强，与应用例1的不同之处在于，步骤（2）中，步骤（1）完成后的30min时，对步骤（1）得到的船体金属结构钢基材涂刷双酚F型环氧树脂，涂刷厚度为3mm；其余条件与应用例1相同；得到金属基材E3#。
应用例5
应用例5将实施例1得到的碳纤维预浸料1#用于船体金属的补强，与应用例1的不同之处在于，步骤（2）中，步骤（1）完成后的10min内，对步骤（1）得到的船体金属结构钢基材涂刷液态双酚A型环氧树脂，涂刷厚度为3mm；其余条件与应用例1相同；得到金属基材E4#。
应用例6
应用例6将实施例1得到的碳纤维预浸料1#用于船体金属的补强，与应用例1的不同之处在于，步骤（2）中，步骤（1）完成后的10min内，对步骤（1）得到的船体金属结构钢基材涂刷双酚F型环氧树脂，涂刷厚度为12mm；其余条件与应用例1相同；得到金属基材E5#。
实验例2
将实施例1-10及对比例1-5得到的碳纤维预浸料1#-10#及碳纤维预浸料D1#-D5#分别在水中固化后进行拉伸强度、弯曲强度和层间剪切强度测试，并对应用例1-6得到的金属基材1#-10#、D1#-D5#及E1#-E5#分别进行正拉粘结强度测试，另外，对传统手糊工艺树脂得到的碳纤维及金属基材分别进行测试，测试方法如下所述，测试结果如表2所示：
拉伸强度：参照ASTM D3039-2017测试碳纤维预浸料的拉伸强度。
弯曲强度：参照ASTM D7264-2015测试碳纤维预浸料的弯曲强度。
层间剪切强度：参照ASTM D2344-2016测试碳纤维预浸料的层间剪切强度。
正拉粘结强度：参照GB 50728-2011测试金属基材的正拉粘结强度。
表2
编号
拉伸强度(MPa)
弯曲强度（MPa）
层间剪切强度（MPa）
编号
正拉粘结强度（MPa）
碳纤维预浸料1#
945
945
80.3
金属基材1#
6.5
碳纤维预浸料2#
789
721
53.6
金属基材2#
4.1
碳纤维预浸料3#
792
716
52.1
金属基材3#
3.9
碳纤维预浸料4#
801
722
55.2
金属基材4#
3.8
碳纤维预浸料5#
811
718
56.3
金属基材5#
3.9
碳纤维预浸料6#
802
716
55.1
金属基材6#
3.8
碳纤维预浸料7#
799
721
49.9
金属基材7#
4.0
碳纤维预浸料8#
806
736
51.3
金属基材8#
3.8
碳纤维预浸料9#
811
731
52.6
金属基材9#
3.9
碳纤维预浸料10#
819
722
54.2
金属基材10#
3.8
碳纤维预浸料D1#
-
-
-
金属基材D1#
-
碳纤维预浸料D2#
706
430
41.2
金属基材D2#
3.1
碳纤维预浸料D3#
607
419
42.6
金属基材D3#
2.9
碳纤维预浸料D4#
611
422
43.6
金属基材D4#
3.0
碳纤维预浸料D5#
613
426
44.2
金属基材D5#
2.8
传统手糊工艺碳纤维
328
217
47.6
金属基材
2.3
碳纤维预浸料1#
945
945
80.3
金属基材E1#
4.0
碳纤维预浸料1#
945
945
80.3
金属基材E2#
4.2
碳纤维预浸料1#
945
945
80.3
金属基材E3#
4.0
碳纤维预浸料1#
945
945
80.3
金属基材E4#
2.9
碳纤维预浸料1#
945
945
80.3
金属基材E5#
4.2
由表2可知，本申请的碳纤维预浸料用于补强船体时，能够与环氧树脂层紧密结合，并能够在水中固化，可以实现船体结构在水下的固化补强。由于预浸料树脂D1#中使用乙二胺作为固化剂，该胺类物质在室温下即可与环氧树脂发生交联反应，使之固化，因此在用于船体补强时，碳纤维预浸料D1#在铺放在金属结构钢基材之前就已经固化，因此无法继续与金属结构钢基材上的环氧树脂涂层结合，无法实现用于船体结构的补强；另外，预浸料树脂D4#直接将固化剂、增韧剂、填料与环氧树脂在高温下混合，由于固化剂甲苯二异氰酸酯中的部分官能团在高温下与环氧树脂可能发生反应，因此该预浸料树脂在水下固化时，与水反应得到的胺类固化剂大大减小，因此固化性能较差；此外，传统手糊工艺生产的碳纤维无法控制树脂含量，因此机械性能较差，且用于船体补强时，与金属基材间的粘结强度小，补强效果差。
以上所述，仅为本申请的实施例而已，本申请的保护范围并不受这些具体实施例的限制，而是由本申请的权利要求书来确定。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的技术思想和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
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