一種碳纖維增強高分子基復合材料的制備方法及應用
【專利說明】
【技術領域】
[0001]本發明屬于復合材料的制備技術領域，涉及一種碳纖維增強高分子基復合材料的制備方法及應用。
【【背景技術】】
[0002]碳纖維因其優異的綜合性能(高的比模量和強重比、低熱膨脹、高電導率、高導熱、耐磨以及耐高溫等)而常被用作高分子基復合材料的增強材料[周曦亞編.復合材料.北京:化學工業出版社，2005.01.]。然而因碳纖維表面能小，與樹脂基體的浸潤性差、界面結合性能差等缺點，由其制備的復合材料的力學性能往往與理論值相差較大[Choi I1LeeDG.Surface modificat1n of carbon fiber/epoxy composites with randomlyoriented aramid fiber felt for adhes1n strength enhancement.Composites PartA:Applied Science and Manufacturing.2013;48:1-8.]0
[0003]因此，適當對碳纖維表面進行處理，能夠在很大程度上提高碳纖維與高分子基體的界面結合。國內外學者針對碳纖維表面的結構特點，提出了多種方法對碳纖維表面進行處理，主要可分為氧化法、等離子體處理法、涂層法以及納米顆粒改性法等[劉保英，王孝軍，楊杰，等.碳纖維表面改性研究進展[J].化學研究，2015，26 (2): 111-120.]。氧化法主要包括液相氧化法、氣相氧化法和電化學氧化法等，主要機理為在氧化劑的作用下，碳纖維的暴露面產生許多具有親水性能的含氧極性官能團，其與高分子能夠發生很好地結合，但是碳纖維的強度會出現下降。等離子體處理的機理是利用等離子體發生器產生的等離子體轟擊碳纖維表面，從而增加纖維暴露面的粗糙程度和表面積，并在纖維表面產生含氧極性官能團，從而提高纖維和高分子基體相互之間的浸潤性[Ma K,Wang B,Chen P,et al.Plasmatreatment of carbon fibers:Non_equilibrium dynamic adsorpt1n and its effecton the mechanical properties of RTM fabricated composites[J].Applied SurfaceScience，2011，257(9): 3824-3830.]。由于碳纖維表面受到了損傷，因而其強度在一定程度上也會出現下降。涂層法是在碳纖維表面制備一種能夠與碳纖維和高分子發生物理化學反應的，具有一定厚度、結構和剪切強度的中間層，進而增強復合材料的界面強度，常見的處理方法有偶聯劑涂層法、溶膠凝膠法、上漿劑涂層法和氣相沉積法等，然而這些方法相對比較復雜。
[0004]由于納米顆粒的引入能夠大大地改善復合材料的各項性能(包括摩擦學性能和機械性能等)，納米顆粒獲得了復合材料領域研究者的廣泛關注。在復合材料領域，納米顆粒的引入主要可分為:機械共混法、纖維表面接枝和沉積法等。采用機械共混法和沉積法只能將已合成的納米顆粒通過物理手段引入到復合材料材料中，這易于導致納米顆粒發生團聚。此外，由于界面結合的提高主要是依靠納米尺寸效應來實現，因而這種結合是弱的。。
[0005]因此，尋找一種工藝簡單易控、在不損害碳纖維本身結構的前提下還能獲得優異界面結合的，并且能實現一步法在碳纖維表面生長納米顆粒的制備方法顯得非常有意義。【
【發明內容】
】
[0006]本發明的目的在于提供一種碳纖維增強高分子基復合材料的制備方法及應用，這種方法工藝簡單易控，能夠一步實現納米材料在碳纖維上的合成和生長，并能夠有效改善復合材料中各組分之間的界面結合。
[0007]為實現上述目的，本發明采用以下技術方案:
[0008]一種碳纖維增強高分子基復合材料的制備方法，包括以下步驟:
[0009](I)配制無機化合物所需要的鹽溶液C，并調節其Ph為堿性；
[0010](2)將步驟(I)的溶液C置于反應釜內，并在反應釜內加入長碳纖維片D，將反應釜密封后置于水熱感應加熱設備中，在感應交變磁場的作用下，鹽溶液C變為無機化合物，并負載在長碳纖維片D表面，然后將反應釜冷卻至室溫，將負載有無機化合物的長碳纖維片取出，清洗、干燥；
[0011](3)將步驟(2)得到的長碳纖維片D分散在水中，進行疏解，得到均勻疏解長碳纖維；
[0012](4)將步驟(3)得到的均勻疏解長碳纖維與粘結劑添加劑粉體均勻混合后倒入熱壓模具中，在100?200°C、熱壓壓力為2?1MPa的條件下熱壓I?4h，即得到具有優異界面結合的短切碳纖維/無機非金屬氧化物增強高分子基復合材料。
[0013]優選地，所述粘結劑添加劑為具有熱固性或熱塑性且耐熱耐化學腐蝕的高分子材料。
[0014]優選地，所述粘結劑添加劑可以是熱固性樹脂，包括不飽和聚酯、環氧樹脂、酚醛樹脂、呋喃樹脂、聚酰亞胺樹脂以及有機硅樹脂等;也可以為熱塑性樹脂，包括聚烯烴、聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、聚苯醚、聚苯硫醚、聚醚醚酮。
[0015]優選地，所述的粘結劑添加劑通過噴涂或者抽濾的方式實現。
[0016]優選地，所述的長碳纖維片D是根據以下方法得到的:首先將長碳纖維預處理后，然后將其溶于水中，通過砂芯漏斗抽濾裝置對其進行抽濾得到長碳纖維濾餅，然后通過模壓的方式，在2Mpa?15Mpa的壓力下，靜置1min?60min，然后將其用乙醇和去離子水清各洗3?6次，并于60?100 °C下烘干，即可獲得厚度為0.5mm?1mm的長碳纖維片D。
[0017]優選地，所述水熱感應加熱的感應頻率為10?500KHZ，感應電流為O?1200A的范圍內。
[0018]優選地，所述無機化合物包括氧化物、硫化物或其他，所述氧化物包括金屬氧化物和非金屬氧化物，所述金屬氧化物包括氧化銅、氧化鋅、氧化猛、氧化鈦、氧化鋁、氧化鉬、氧化鎢或其他金屬氧化物，所述非金屬氧化物包括氧化硅、氧化鈣或其他無機非金屬氧化物；所述硫化物包括硫化鉬、硫化鎢、硫化釩、硫化銅、硫化鐵或其他硫化物，所述其他包括羥基磷灰石、磷酸鎬、硅酸鈣或硅酸釔。
[0019]優選地，所述反應釜的填充比為40?80%。
[0020]一種根據上述方法制備的一種碳纖維增強高分子基復合材料，其應用于汽車換擋離合器上。
[0021]與現有技術相比，本發明至少具有以下有益效果:本發明將水熱感應加熱技術中應用于碳纖維表面接枝納米材料，給納米材料改性碳纖維增強高分子基復合材料提供了一種全新的制備方法。該方法制備周期短、工藝簡單易控，無需后續處理且對環境友好，因而更易于實現工業化生產。
【【附圖說明】】
[0022]圖1為本發明制備的MnO2和碳纖維復合結構的掃描電鏡(SEM)照片。
[0023]圖2是本發明實施例1的SEM照片。
[0024]圖3是本發明實施例4的SEM照片。
[0025]圖4是本發明實施例3的SEM照片。
[0026]圖5是本發明實施例2的SEM照片。
【【具體實施方式】】
[0027]實施例1
[0028]—種碳纖維增強高分子基復合材料的制備方法，包括以下步驟:
[0029]步驟一:稱取0.5?5gA(A可以是高錳酸鉀、鉬酸銨、鎢酸鈉、氯化鋅、氯化銅、氯化鈦、氯化鋁等合成金屬氧化物所需的鹽)，溶于40?SOmlB溶劑中(可以是水、乙醇、丙醇以及乙二醇等)，配置成摩爾濃度為0.01?5mol/L的C溶液，調節其pH值為酸性；
[0030]步驟二:將碳布置于丙酮溶液中超聲清洗2?1h后取出，用去離子水清洗后烘干。然后將烘干后的碳布置于0.1?2mol/L的高錳酸鉀溶液中浸泡12?36h(浸