一种用于低温燃料贮箱环氧树脂基体的制备方法

本发明涉及一种用于低温燃料贮箱环氧树脂基体的制备方法，属于高分子材料。

背景技术：

1、低温燃料贮箱是液体火箭中用于储存和供给低温液体推进剂(如液氢和液氧)的关键组件。以液氢、液氧为代表的低温燃料，具有高比冲值等特点，逐渐替代四氧化二氮+偏二甲肼传统燃料。低温燃料贮箱的重量约占火箭结构总重量的60％以上，其轻量化对提升火箭运载能力具有重大意义。

2、环氧树脂/碳纤维复合材料相比金属材料，具有密度更小、比强度更高、抗疲劳性更好等优势，可以减轻低温燃料贮箱30％的重量。而，普通环氧树脂在超低温下，树脂分子链被冻结，分子网络运动性变差，加剧了树脂脆性，难以在超低温环境下的使用，极大的影响了影响低温燃料贮箱的可靠性。

3、目前，常规是采用二氧化硅作为增韧剂，可以有效地提升环氧树脂在低温下的韧性，但存在添加量大、树脂粘度大等缺点。而且，常规的环氧树脂复合材料在经历冷热循环后容易产生界面裂纹、孔洞损伤等，导致力学性能下降，很难用于低温燃料贮箱。另外，碳纤维与树脂基体的热膨胀系数会存在差异，以及两者的粘合程度差，使得制备的低温燃料贮箱在冷热循环作用下易产生裂纹，分离，影响其使用。

4、因此，制备增强体添加量低、韧性好、耐低温的环氧树脂，以及环氧树脂/碳纤维复合材料对于低温燃料贮箱具有非常重要的意义。

技术实现思路

1、[技术问题]

2、常规耐低温的环氧树脂存在增强体添加量大、韧性差的问题；

3、常规的环氧树脂复合材料存在冷热循环后力学性能差、粘合程度差的问题。

4、[技术方案]

5、为了解决上述问题，本发明先采用甲醛和间苯二酚对于ti3alc2进行包覆，得到rf@ti3alc2-mxene；之后将rf@ti3alc2-mxene加入环氧树脂体系，固化，得到环氧树脂基体。本发明制备的环氧树脂基体耐低温性能好，且在低温环境下力学性能良好，能用于低温燃料贮箱的制备。采用本发明的环氧树脂基体制备的环氧树脂/碳纤维复合材料在冷热循环后力学性能良好，碳纤维和树脂界面结合好，有利于提升低温燃料贮箱的稳定性。

6、本发明的第一个目的是提供一种制备用于低温燃料贮箱的rf@ti3alc2-mxene/环氧树脂的方法，包括如下步骤：

7、(1)将ti3alc2-mxene分散在乙醇水溶液中，之后加入氨水溶液，混合均匀；再加入甲醛和间苯二酚，在50-100℃下反应12-24h；反应结束后，离心、洗涤、干燥，得到rf@ti3alc2-mxene；

8、(2)将rf@ti3alc2-mxene分散在溶剂中，得到rf@ti3alc2-mxene的分散液；之后在环氧树脂中加入rf@ti3alc2的分散液，混合均匀，去除溶剂，得到rf@ti3alc2-mxene/环氧树脂。

9、在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中ti3alc2的制备方法如下：

10、将lif溶解于hcl溶液中，得到lif溶液；

11、在lif溶液中加入ti3alc2，在35-40℃下刻蚀反应24-48h；反应结束后，离心洗涤，再分散，离心，取上清液，冷冻干燥，得到ti3alc2-mxene；

12、其中，hcl溶液为浓度为9m的盐酸水溶液；

13、lif的粒径为50μm；

14、ti3alc2的粒径为400目；

15、ti3alc2、lif和hcl溶液的用量比为1g：1-1.5g：20-25ml；

16、离心洗涤是离心洗涤至6-7；

17、离心转速为3500-5000rpm；

18、再分散是分散在水中，采用超声分散，超声时间为30-60min。

19、在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中乙醇水溶液中水和乙醇的质量比为8-15：1。

20、在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中氨水溶液的用量为乙醇水溶液的0.1-1％(体积百分比)；氨水溶液的体积浓度为20-30％。

21、在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中ti3alc2-mxene和乙醇水溶液的比为5g：300-500ml。

22、在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中ti3alc2-mxene、甲醛、间苯二酚的质量比为1：1-3：1-4。

23、在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中混合均匀是20-30℃(常温)搅拌20-40min。

24、在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中离心的转速为3500-5000rpm，洗涤是采用水清洗。

25、在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中溶剂为丙酮或乙醇。

26、在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中rf@ti3alc2-mxene的分散液的质量浓度为5-10wt％。

27、在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中环氧树脂和rf@ti3alc2-mxene的分散液的质量比为100：0.1-0.8。

28、在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中去除溶剂是通过加热去除。

29、在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中环氧树脂为e-51。

30、本发明的第二个目的是本发明所述的方法制备得到的rf@ti3alc2-mxene/环氧树脂。

31、本发明的第三个目的是提供一种制备用于低温燃料贮箱的环氧树脂基体的方法，包括如下步骤：

32、在rf@ti3alc2-mxene/环氧树脂中加入固化剂，固化，得到用于低温燃料贮箱的环氧树脂基体。

33、在本发明的一种实施方式中，固化剂和环氧树脂的质量比为15-25：100。

34、在本发明的一种实施方式中，固化剂为二乙基甲苯二胺。

35、在本发明的一种实施方式中，固化是阶梯固化，具体是在110℃下固化2h，150℃下固化2h。

36、本发明的第四个目的是本发明所述的方法制备得到的用于低温燃料贮箱的环氧树脂基体。

37、本发明的第五个目的是提供一种制备环氧树脂/碳纤维复合材料的方法，其采用了本发明所述的rf@ti3alc2/环氧树脂。

38、在本发明的一种实施方式中，制备环氧树脂/碳纤维复合材料的方法包括如下步骤：

39、将rf@ti3alc2/环氧树脂和固化剂按照质量比4-6：1混合，去除气泡，得到混合溶液；

40、将碳纤维置于模具中，再将混合溶液倒入，固化，形成环氧树脂/碳纤维复合材料。

41、在本发明的一种实施方式中，去除气泡是经过机械搅拌，置于真空度为-0.1mpa的真空烘箱中，抽去微小的气泡。

42、在本发明的一种实施方式中，固化剂为二乙基甲苯二胺。

43、在本发明的一种实施方式中，固化是阶梯固化，具体是在110℃下固化2h，150℃下固化2h。

44、在本发明的一种实施方式中，碳纤维与混合溶液的质量比为1：100。

45、本发明的第六个目的是本发明所述的方法制备得到的环氧树脂/碳纤维复合材料。

46、本发明的第七个目的是本发明所述的rf@ti3alc2-mxene/环氧树脂、低温燃料贮箱的环氧树脂基体或环氧树脂/碳纤维复合材料在航空航天领域的应用。

47、本发明的第八个目的是提供一种低温燃料贮箱，其采用本发明所述的rf@ti3alc2-mxene/环氧树脂、低温燃料贮箱的环氧树脂基体或环氧树脂/碳纤维复合材料。

48、本发明的第九个目的是提供一种提升环氧树脂以及燃料贮箱的耐低温性能的方法，其采用本发明所述的rf@ti3alc2-mxene/环氧树脂、低温燃料贮箱的环氧树脂基体或环氧树脂/碳纤维复合材料。

49、[有益效果]

50、(1)本发明采用的甲醛和间苯二酚为前驱体，在ti3alc2-mxene表面包覆高分子，有效地提高了ti3alc2-mxene在环氧树脂中的分散性。

51、(2)本发明采用rf@ti3alc2作为环氧树脂的增韧剂，可以实现以较少的添加量使环氧树脂获得良好的低温力学性能。

52、(3)本发明制备的低温燃料贮箱的环氧树脂基体或环氧树脂/碳纤维复合材料可以用于制备低温燃料贮箱。