一種石墨烯聚合物復合纖維膜增強增韌復合材料的制備方法
【專利說明】
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種高性能復合材料及其制備方法，具體講涉及一種石墨烯聚合物復合纖維膜增強增韌復合材料的制備方法。
【【背景技術】】
[0002]復合材料的高性能化，是復合材料的主要研究方向，尤其是能有效提高復合材料抗沖擊損傷能力的高韌化。而現有的增韌技術主要包括以下幾種方法:1)橡膠增韌，2)熱塑性聚合物共混增韌，3)剛性粒子增韌。后續又提出了層間增韌的概念，即在熱塑性聚合物共混增韌的基礎上，通過在復合材料層間鋪放熱塑性聚合物粉末或熱塑性聚合物薄膜來提高抗沖擊韌性。雖然層間鋪放的聚合物薄膜能有效提高復合材料的抗沖擊損傷能力，但是由于鋪放于層間的熱塑性薄膜嚴重阻礙了基體樹脂在層間的流動及夾雜或其揮發性成分在層間的排出，從而導致復合材料的質量下降。
[0003]石墨烯因其具有良好的彈性、高機械強度和斷裂強度等特性，因而將石墨烯作為一種增強增韌材料，添加到復合材料中，可以進一步改善復合材料的強度和韌性。且石墨烯具有極大的比表面積(比表面積為2630m2g ，極高的楊氏模量(約ITPa)和斷裂強度(130GPa)，更適合于開發輕質高性能的復合材料。如專利號為201310042163.1、發明名稱為《石墨烯增強增韌尼龍樹脂及其制備方法》的發明專利文件公開了一種石墨烯增強增韌尼龍樹脂及其制備方法，石墨烯增強增韌尼龍樹脂由重量百分比為68-76%的尼龍66或尼龍6、20-25 %磷氮結構協效尼龍阻燃劑、1-5 %改性石墨烯、1-2 %的其它助劑組成。其制備方法為先對石墨烯進行表面預處理，石墨烯表面處理后在于各種助劑混合，按配比將各種原料在高速攪拌斗中混合均勻，從混料口中加入到溫度設定為220?280°C、長徑比(L/D)為32: 1-40: I的雙螺桿擠出機中，抽真空造粒即可。但該專利直接將石墨添加于尼龍樹脂材料中，且需對石墨烯進行預處理，僅僅利用了石墨烯自身固有性質，并不能滿足其輕質高性能的要求，因此亟需提供一種輕質高性能的復合材料。
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【發明內容】
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[0004]為了實現復合材料增強增韌，滿足輕質高性能的要求，本發明提供了一種石墨烯聚合物復合纖維膜增強增韌復合材料的制備方法，利用石墨烯聚合物復合纖維膜增強增韌樹脂基復合材料。通過靜電紡絲技術將石墨烯與高分子聚合物復合成纖維膜，該膜具有多孔結構，引入到復合材料中，使得復合材料和石墨烯有機的結合起來，進一步提高了材料的力學性能。實驗證實，將本發明提供的制備方法制得的石墨烯聚合物復合纖維膜加入到樹脂基復合材料制得的復合材料，其力學性能顯著改善，其沖擊后壓縮強度提高了 30%以上，同時耐熱性能有所改善。在保證石墨烯能夠均勻地分散在復合材料中的同時，還能增強復合材料中預浸料的層間作用力，有利于預浸料中的樹脂在加熱時的流動，從而提高整個復合材料內部結構的均勻性。
[0005]為實現上述目的，本發明采用以卞技術方案:
[0006]本發明提供了一種石墨烯聚合物復合纖維膜增強增韌復合材料的制備方法，包括下述步驟:
[0007]I)將質量比為1:1?50的石墨烯和熱塑性聚合物溶解于有機溶劑中形成紡絲溶液；
[0008]2)將石墨烯熱塑性聚合物紡絲溶液置入靜電紡絲機注射器中，在8?30kV電壓下，于接收電極上得到石墨烯聚合物復合纖維膜；
[0009]3)在50?100°C的真空條件下去除有機溶劑，得石墨烯聚合物復合纖維膜；
[0010]4)將石墨烯聚合物復合纖維膜鋪覆于復合材料的預浸料層間，室溫下抽真空，經160?180°C熱壓得到本發明的石墨烯聚合物復合纖維膜增強增韌復合材料。
[0011]本發明提供的制備方法步驟I)中的石墨烯為3?5層。
[0012]本發明提供的制備方法步驟I)中的熱塑性聚合物為聚醚酮、聚醚醚酮、聚醚酰亞胺、聚砜、聚醚砜、酚酞改性聚醚砜、聚苯硫醚、聚苯醚或聚酰胺。
[0013]本發明提供的制備方法步驟I)中的有機溶劑為四氫呋喃、二氯乙烷、四氯乙烷、二氯甲烷、三氯甲烷、N，N- 二甲基甲酰胺、N，N- 二甲基乙酰胺或N，N- 二甲基吡咯烷酮。
[0014]本發明提供的制備方法步驟2)中的接收電極與發射電極間的距離為8?23cm。
[0015]本發明提供的制備方法步驟2)中靜電紡絲機制得的石墨烯聚合物復合纖維的直徑為10?50nm。
[0016]本發明提供的制備方法步驟3)中制得的石墨烯聚合物復合纖維膜的厚度為5?50 μ m，寬度為5?40cm。
[0017]本發明提供的制備方法步驟4)中的復合材料為樹脂基復合材料。
[0018]與最接近的現有技術比，本發明提供的技術方案具有以下有益效果:
[0019]I)本發明提供的石墨烯聚合物復合纖維膜因其具有多孔結構，利于基體樹脂加熱時在層間的流動，提高材料內部結構的均勻性；
[0020]2)因石墨烯聚合物復合纖維膜因其具有多孔結構易于層間揮發性成分的排出，保證了復合材料的質量優異；
[0021]3)本發明提供的制備方法制得的復合材料，因石墨烯纖維膜的加入其力學性能顯著提高:沖擊后壓縮強度提高了 30%以上，同時耐熱性能有所改善；
[0022]4)本發明提供的技術方案得到的力學性能的提高的復合材料可廣泛應用于需要減重的航空航天飛行器的輕量化領域。
【【具體實施方式】】
[0023]下面以各實施例對本發明做進一步詳細說明。
[0024]實施例1
[0025]將Ig石墨烯和1g聚醚砜樹脂溶于89gN，N- 二甲基甲酰氨中，攪拌均勻，配成石墨烯聚醚砜混合溶液。將混合溶液通過靜電紡絲機紡絲成膜，紡絲電壓為15kV，工作距離為20cm，進液速度為lml/h ;無紡布沉積在纖維沉積系統，并在80°C的熱空氣中揮發除去有機溶劑，形成無紡布增韌材料。采用熱壓成型工藝，石墨稀無紡布增韌5228A/T300-40B環氧樹脂基碳纖維復合材料。
[0026]與未添加石墨烯聚合物復合纖維膜的5228A/T300-40B環氧樹脂基復合材料相比，實施例1制備的復合材料的沖擊后壓縮強度從234MPa提高到了 321MPa。
[0027]實施例2
[0028]將Ig石墨烯和1g聚砜樹脂溶于89g 二氯乙烷中，攪拌均勻，配成石墨烯聚砜混合溶液。將混合溶液通過靜電紡絲機紡絲成膜。紡絲電壓為12kV，工作距離為15cm，進液速度為1.5ml/h ;無紡布沉積在纖維沉積系統，并在60°C的熱空氣中揮發除去有機溶劑，形成無紡布增韌材料。采用熱壓成型工藝，石墨烯無紡布增韌5228A/T300-40B環氧樹脂基碳纖維復合材料。
[0029]與未添加石墨烯聚合物復合纖維膜的5228A/T300-40B環氧樹脂基復合材料相比，實施例2制備的復合材料的沖擊后壓縮強度從234MPa提高到了 298M