一種功能化碳納米纖維多尺度增強復合材料及其制備方法
【專利摘要】本發明為一種功能化碳納米纖維多尺度增強復合材料及其制備方法，是將碳納米管經過純化，得到表面接有羧基的碳納米管，再將碳納米管均勻分散在有機溶劑中與玻璃纖維反應，得到玻璃纖維表面接枝有碳納米管，再將表面接枝有碳納米管的玻璃纖維浸入偶聯劑溶液中處理，得到碳納米管接枝改性功能化玻璃纖維的多尺度增強體；然后利用此多尺度增強體與聚酰亞胺、環氧樹脂、石墨進行加成反應，生成多尺度增強體增強的復合材料。本發明提供的制備方法簡單易行，所得的功能化碳纖維增強復合材料，顯著提高基體樹脂與碳纖維之間的界面強度，使復合材料具有一很好的層間剪切強度和優良的耐磨性。
【專利說明】一種功能化碳納米纖維多尺度增強復合材料及其制備方法
[0001]
【技術領域】
[0002] 本發明屬于納米【技術領域】，具體涉及一種功能化碳納米纖維多尺度增強復合材料 及其制備方法。
【背景技術】
[0003] 聚酰亞胺是綜合性能最佳的有機高分子材料之一，耐高溫達400°C以上，長期使 用溫度范圍-200?300°C，無明顯熔點，高絕緣性能。聚酰亞胺作為一種特種工程材料，已 廣泛應用在航空、航天、微電子、納米、液晶、分離膜、激光等領域。近來，各國都在將聚酰亞 胺的研究、開發及利用列入21世紀最有希望的工程塑料之一。
[0004] 環氧樹脂優良的物理機械和電絕緣性能、與各種材料的粘接性能、以及其使用工 藝的靈活性是其他熱固性塑料所不具備的。因此它能制成涂料、復合材料、澆鑄料、膠粘劑、 模壓材料和注射成型材料，在國民經濟的各個領域中得到廣泛的應用。
[0005] 石墨作為一種常用的固體潤滑劑，常用于降低聚合物的摩擦系數和磨損率，耐酸 性、抗腐蝕和物理特性即耐高溫3000°C，耐低溫_204°C，而且抗氧化，在450°C空氣中失重 1%。因此石墨制品被廣泛應用在冶金、化工、石油化工、高能物理、航天、電子等方面。特別 是近年來，納米材料的發展，已引起研究者的廣泛關注。
[0006] 玻璃纖維是一種性能優異的無機非金屬材料，是非常好的金屬材料替代材料，由 于在多個領域得到廣泛應用，因此日益受到人們的重視。玻璃纖維通常用作復合材料中的 增強材料，電絕緣材料和絕熱保溫材料，電路基板等國民經濟各個領域。玻璃纖維與樹脂之 間的相容性、親和性較差，兩者之間很難形成有效的界面黏結。為了改善玻璃纖維增強樹脂 復合材料的界面黏結，可以通過對玻璃纖維表面進行改性，提高玻璃纖維與聚合物基體間 的界面粘結強度。碳納米管奇特的結構賦予其優異的機械性能、電學性能和熱力學性能，因 此被越來越廣泛地作為聚合物的增強材料，制備輕質高強的復合材料。
【發明內容】
[0007] 本發明的目的在于提供一種功能化碳納米纖維多尺度增強復合材料及其制備方 法。
[0008] 本發明提出的一種功能化碳納米纖維多尺度增強復合材料及其制備方法，是將碳 納米管經過純化，得到表面接有羧基的碳納米管，再將碳納米管均勻分散在有機溶劑中與 玻璃纖維反應，得到玻璃纖維表面接枝有碳納米管，再將表面接枝有碳納米管的玻璃纖維 浸入偶聯劑溶液中處理，得到碳納米管接枝改性功能化玻璃纖維的多尺度增強體；然后利 用此多尺度增強體與聚酰亞胺、環氧樹脂、石墨進行加成反應，生成多尺度增強體增強的復 合材料。具體步驟如下： (1)稱取〇. 1?IX IOg干燥的碳納米管和10?IX 104mL無機酸混合，在1?120kHz超 聲波或lOr/min?106r/min的離心速度攪拌下處理1?24小時，然后加熱至20?150°C， 反應1?48小時，經去離子水稀釋洗滌，微孔濾膜抽濾，反復洗滌至濾液呈中性，在溫度為 15?150°C下真空干燥1?48小時，得到純化的碳納米管； (2) 將步驟⑴中得到的純化碳納米管0. 1?I X IOg和強氧化性酸1?I X IO3HiL混 合，在1?120kHz超聲波下處理1?80小時，然后加熱到20?120°C，攪拌并回流反應1? 50小時，去離子水稀釋洗滌，超微孔濾膜抽濾，反復洗滌至濾液呈中性，在25?200°C溫度 下真空干燥1?48小時，得到酸化的碳納米管； (3) 將步驟⑵所得酸化的碳納米管0. 1?I X IOg和1?I X IO3HiL有機溶劑混合， 以1?120kHz超聲波或攪拌處理1?24小時，使酸化碳納米管均勻分散在有機溶劑中，在 5?120°C溫度下，加入0. 1?IXlO3g干燥的玻璃纖維，反應1?96小時，抽濾并反復洗 滌，在20?200°C溫度下真空干燥1?48小時，得到表面接枝有碳納米管的玻璃纖維多尺 度增強體； (4) 將步驟（3)所得表面接枝有碳納米管的玻璃纖維多尺度增強體0. 1?IX IO3g浸 入1?I X IO3HiL偶聯劑溶液中，在5?120°C溫度下，反應1?96小時后，抽濾并在20? 200°C溫度下干燥1?48小時，得到表面接枝有碳納米管的功能化玻璃纖維多尺度增強 體； (5) 將步驟（4)所得的表面接枝有碳納米管的功能化玻璃纖維多尺度增強體0. 1? I X 103g、聚酰亞胺1?I X 103g，環氧樹脂1?I X 103g和干燥的石墨0. 1?I X IOg,經真 空除泡復合成型，得到碳納米管接枝玻璃纖維多尺度增強體增強復合材料。
[0009] 本發明提供的制備方法簡單易行，所得的功能化碳纖維增強復合材料，顯著提高 基體樹脂與碳纖維之間的界面強度，使復合材料具有很好的層間剪切強度和優良的耐磨 性。
【具體實施方式】
[0010] 實施例1 本發明提出的一種功能化碳納米纖維多尺度增強復合材料及其制備方法，具體步驟如 下： (1) 稱取0. 1?I X IOg干燥的碳納米管和10?I X 104mL無機酸混合，在60kHz超聲波 或10r/min?106r/min的離心速度攪拌下處理10小時，然后加熱至50°C，反應20小時，經 去離子水稀釋洗滌，微孔濾膜抽濾，反復洗滌至濾液呈中性，在溫度為50°C下真空干燥24 小時，得到純化的碳納米管； (2) 將步驟⑴中得到的純化碳納米管0. 1?I X IOg和強氧化性酸1?I X IO3HiL混 合，在1?120kHz超聲波下處理40小時，然后加熱到20?120°C，攪拌并回流反應20小 時，去離子水稀釋洗滌，超微孔濾膜抽濾，反復洗滌至濾液呈中性，在25?200°C溫度下真 空干燥20小時，得到酸化的碳納米管； (3) 將步驟⑵所得酸化的碳納米管0. 1?I X IOg和1?I X IO3HiL有機溶劑混合， 以1?120kHz超聲波或攪拌處理12小時，使酸化碳納米管均勻分散在有機溶劑中，在5? 120°C溫度下，加入0. 1?IX IO3g干燥的玻璃纖維，反應24小時，抽濾并反復洗滌，在20? 200°C溫度下真空干燥12小時，得到表面接枝有碳納米管的玻璃纖維多尺度增強體； (4) 將步驟（3)所得表面接枝有碳納米管的玻璃纖維多尺度增強體0. 1?IX IO3g浸 入1?I X IO3HiL偶聯劑溶液中，在5?120°C溫度下，反應24小時后，抽濾并在20?200°C 溫度下干燥12小時，得到表面接枝有碳納米管的功能化玻璃纖維多尺度增強體； (5) 將步驟（4)所得的表面接枝有碳納米管的功能化玻璃纖維多尺度增強體0. 1? I X 103g、聚酰亞胺1?I X 103g，環氧樹脂1?I X 103g和干燥的石墨0. 1?I X IOg,經真 空除泡復合成型，得到碳納米管接枝玻璃纖維多尺度增強體增強復合材料。
[0011] 實施例2 本發明提出的一種功能化碳納米纖維多尺度增強復合材料及其制備方法，具體步驟如 下： (1) 稱取〇. 1?I X IOg干燥的碳納米管和10?I X 104mL無機酸混合，在1?120kHz 超聲波或l〇r/min?106r/min的離心速度攪拌下處理12小時，然后加熱至20?150°C， 反應24小時，經去離子水稀釋洗滌，微孔濾膜抽濾，反復洗滌至濾液呈中性，在溫度為15? 150°C下真空干燥1?48小時，得到純化的碳納米管； (2) 將步驟⑴中得到的純化碳納米管0. 1?I X IOg和強氧化性酸1?I X IO3HiL混 合，在1?120kHz超聲波下處理48小時，然后加熱到20?120°C，攪拌并回流反應36小 時，去離子水稀釋洗滌，超微孔濾膜抽濾，反復洗滌至濾液呈中性，在25?200°C溫度下真 空干燥36小時，得到酸化的碳納米管； (3) 將步驟⑵所得酸化的碳納米管0. 1?I X IOg和1?I X IO3HiL有機溶劑混合， 以1?120kHz超聲波或攪拌處理12小時，使酸化碳納米管均勻分散在有機溶劑中，在5? 120°C溫度下，加入0. 1?I X IO3g干燥的玻璃纖維，反應36小時，抽濾并反復洗滌，在20? 200°C溫度下真空干燥36小時，得到表面接枝有碳納米管的玻璃纖維多尺度增強體； (4) 將步驟（3)所得表面接枝有碳納米管的玻璃纖維多尺度增強體0. 1?IX IO3g浸 入1?I X IO3HiL偶聯劑溶液中，在5?120°C溫度下，反應36小時后，抽濾并在20?200°C 溫度下干燥12小時，得到表面接枝有碳納米管的功能化玻璃纖維多尺度增強體； (5) 將步驟（4)所得的表面接枝有碳納米管的功能化玻璃纖維多尺度增強體0. 1? I X 103g、聚酰亞胺1?I X 103g，環氧樹脂1?I X 103g和干燥的石墨0. 1?I X IOg,經真 空除泡復合成型，得到碳納米管接枝玻璃纖維多尺度增強體增強復合材料。
[0012] 實施例3 本發明提出的一種功能化碳納米纖維多尺度增強復合材料及其制備方法，具體步驟如 下： (1) 稱取〇. 1?I X IOg干燥的碳納米管和10?I X 104mL無機酸混合，在1?120kHz 超聲波或l〇r/min?106r/min的離心速度攪拌下處理24小時，然后加熱至20?150°C， 反應48小時，經去離子水稀釋洗滌，微孔濾膜抽濾，反復洗滌至濾液呈中性，在溫度為15? 150°C下真空干燥48小時，得到純化的碳納米管； (2) 將步驟⑴中得到的純化碳納米管0. 1?I X IOg和強氧化性酸1?I X IO3HiL混 合，在1?120kHz超聲波下處理80小時，然后加熱到20?120°C，攪拌并回流反應50小 時，去離子水稀釋洗滌，超微孔濾膜抽濾，反復洗滌至濾液呈中性，在25?200°C溫度下真 空干燥48小時，得到酸化的碳納米管； (3) 將步驟⑵所得酸化的碳納米管0. 1?I X IOg和1?I X IO3HiL有機溶劑混合， 以1?120kHz超聲波或攪拌處理24小時，使酸化碳納米管均勻分散在有機溶劑中，在5? 120°C溫度下，加入0. 1?IX IO3g干燥的玻璃纖維，反應96小時，抽濾并反復洗滌，在20? 200°C溫度下真空干燥48小時，得到表面接枝有碳納米管的玻璃纖維多尺度增強體； (4) 將步驟（3)所得表面接枝有碳納米管的玻璃纖維多尺度增強體0. 1?IX IO3g浸 入1?I X IO3HiL偶聯劑溶液中，在5?120°C溫度下，反應96小時后，抽濾并在20?200°C 溫度下干燥48小時，得到表面接枝有碳納米管的功能化玻璃纖維多尺度增強體； (5) 將步驟（4)所得的表面接枝有碳納米管的功能化玻璃纖維多尺度增強體0. 1? I X 103g、聚酰亞胺1?I X 103g，環氧樹脂1?I X 103g和干燥的石墨0. 1?I X IOg,經真 空除泡復合成型，得到碳納米管接枝玻璃纖維多尺度增強體增強復合材料。
【權利要求】
1. 一種功能化碳納米纖維多尺度增強復合材料及其制備方法，其特征在于利用此多尺 度增強體與聚酰亞胺、環氧樹脂、石墨進行加成反應，生成多尺度增強體增強的復合材料。
【文檔編號】C08K7/14GK104212169SQ201410451187
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月6日 優先權日:2014年9月6日
【發明者】徐祝方 申請人:丹陽丹金汽車部件有限公司