碳纳米管-碳纤维混合增强环氧树脂复合材料的制备方法技术

一种碳纳米管‑碳纤维混合增强环氧树脂复合材料的制备方法。其包括对碳纤维表面进行改性处理；制备含碳纳米管的上浆剂；制备碳纳米管‑碳纤维增强体；制备含碳纳米管增强环氧树脂基体；制备碳纳米管‑碳纤维混合增强环氧树脂复合材料等步骤。本发明专利技术提供的碳纳米管‑碳纤维混合增强环氧树脂复合材料较传统的碳纤维增强环氧树脂复合材料力学性能得到明显改善，其中，界面剪切强度提高了34～42％，复合材料层间剪切强度提高了31～34％。本发明专利技术提供的复合材料制备方法具有成型工艺简单，力学性能优异等优点。

【技术实现步骤摘要】
碳纳米管-碳纤维混合增强环氧树脂复合材料的制备方法
本专利技术属于复合材料制备
，尤其是涉及一种碳纳米管-碳纤维混合增强环氧树脂复合材料的制备方法。
技术介绍
由于碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)具有低密度、高强度、高模量、耐腐蚀等特点，因此目前已广泛应用于航空、航天、汽车、运动器材等领域。但是由于碳纤维的表面惰性和表面官能团的缺少，碳纤维增强树脂基复合材料中的纤维与树脂界面的结合强度较低，从而限制了载荷的传递，因此会影响复合材料的整体性能，同时复合材料还存在层间性能薄弱的问题，这都极大限制了碳纤维增强树脂基复合材料的应用。相对于碳纤维增强树脂基复合材料，碳纳米管-碳纤维混合增强树脂基复合材料能够充分利用彼此的相互作用和协同作用，解决了单一增强复合材料性能难以提升的弊端，使得复合材料的性能发生了质的改变，如可提高碳纤维与树脂基体界面粘接性能、改善基体的抗裂纹性能、提高复合材料的层间断裂韧性、耐磨性等。到目前为止，研究者们将碳纳米管作为增强相应用于碳纤维增强树脂基复合材料界面及树脂中的研究已取得了显著的进展。碳纳米管-碳纤维增强树脂基复合材料的制备方法主要有两种，一种方法是将混有碳纳米管的树脂基体与碳纤维直接复合。这种方法的关键是解决碳纳米管在树脂基体中的分散问题；另一种方法是首先制备碳纳米管-碳纤维增强体，然后与树脂基体复合。这种方法可以明显提高纤维与树脂的界面性能，但是不恰当的制备方法会造成纤维力学性能的明显降低。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种碳纳米管-碳纤维混合增强环氧树脂复合材料的制备方法。为了达到上述目的，本专利技术提供的碳纳米管-碳纤维混合增强环氧树脂复合材料的制备方法包括按顺序进行的下列步骤：(1)对碳纤维表面进行改性处理：将碳纤维浸渍于除杂剂中进行表面清洗，然后将清洗后的碳纤维先后浸渍在氨水和浓硝酸中进行处理，并均用去离子水清洗碳纤维多次，清洗完毕后将碳纤维放入真空干燥箱中进行真空干燥；(2)制备含碳纳米管的上浆剂：将碳纳米管、环氧树脂溶液高速搅拌混合均匀，超声分散，得到含碳纳米管的上浆剂；(3)制备碳纳米管-碳纤维增强体：利用步骤(2)制备的含碳纳米管的上浆剂对步骤(1)制备的表面改性后的碳纤维进行浸渍上浆，烘干，制得碳纳米管-碳纤维增强体；(4)制备含碳纳米管增强环氧树脂基体：将碳纳米管加入到有机溶剂中并进行超声分散，再加入环氧树脂后进行强力搅拌而制成混有碳纳米管的环氧树脂，然后放入真空干燥箱中去除包裹的空气和有机溶剂，之后将固化剂加入到混有碳纳米管的环氧树脂中，搅拌均匀后得到含碳纳米管增强环氧树脂基体；(5)制备碳纳米管-碳纤维混合增强环氧树脂复合材料:利用步骤(4)制备的尚未固化的含碳纳米管增强环氧树脂基体浸渍步骤(3)制备的碳纳米管-碳纤维增强体而制成预浸料，然后将预浸料层叠，最后热压成所述的碳纳米管-碳纤维混合增强环氧树脂复合材料。在步骤(1)中，所述的对碳纤维表面进行改性处理的具体方法是：将碳纤维浸渍在氨水中，在25℃下刻蚀处理12～24h，然后用去离子水清洗碳纤维多次，以除去表面残留的氨水；再将氨水处理后的碳纤维浸渍在浓硝酸中，在115℃下恒温氧化5-10min，然后用去离子水清洗碳纤维多次，以除去表面残留的硝酸；最后放入真空干燥箱中，在干燥温度为80～100℃、干燥时间为3—8h的条件下进行真空干燥。在步骤(1)中，所述的氨水和浓硝酸均为市售，分析纯级；碳纤维选用市售工业级JT300A型碳纤维。在步骤(2)中，所述的环氧树脂选用市售工业级TGDDM树脂，环氧树脂溶液采用的溶剂为丙酮或无水乙醇，分析纯级；含碳纳米管的上浆剂中环氧树脂的质量百分比为1～2％；碳纳米管为羧基化多壁碳纳米管(MWCNTs)，管径为40—60nm，含碳纳米管的上浆剂中碳纳米管的质量百分比为0.05～0.1％；高速搅拌混合时，搅拌速度为1～6000rpm，搅拌时间为1～60min；超声分散时，超声功率为200～1200W，超声时间为1～120min，超声方式为连续式超声，分散温度为室温。在步骤(3)中，所述的制备碳纳米管-碳纤维增强体的具体方法是：将步骤(2)制备的含碳纳米管的上浆剂加入到上浆槽中，使步骤(1)制备的表面改性后的碳纤维通过上浆槽，传送速度为0.1～5m/min，传送张力为0.1-300g，然后经过热烤灯进行预烘干并卷取，之后放入真空干燥箱中进行干燥，干燥温度为80～150℃，干燥时间为15min，由此制成所述的碳纳米管-碳纤维增强体。在步骤(4)中，所述的含碳纳米管环氧树脂基体中环氧树脂、有机溶剂和碳纳米管的相对质量比为80～90:10～20:0.05～0.1，有机溶剂为丙酮或无水乙醇，分析纯级；超声分散时，超声功率为200～1200W，超声时间为1～120min，超声方式为连续式超声，分散温度为室温；强力搅拌时，搅拌速度为1～6000rpm，搅拌时间为1～120min；去除空气和有机溶剂的温度为80℃，时间2h；环氧树脂选用市售工业级双酚A型环氧树脂(DGEBA)，固化剂选用低分子量聚酰胺固化剂(W618)。在步骤(5)中，所述的热压工艺为：在80℃下热压3h，然后在120℃下热压1h，热压压力为0.3MPa。本专利技术的有益效果是：(1)采用比较温和的复合处理方法对碳纤维表面进行改性，使得碳纤维表面获得较多的含氧官能团的同时，增加了碳纤维表面粗糙度，有效地改善了碳纤维表面的浸润性，提高了碳纤维与树脂界面的剪切强度；(2)采用含碳纳米管的上浆剂和含碳纳米管树脂基体制备碳纳米管-碳纤维混和增强环氧树脂复合材料，碳纳米管的加入起到了较好的界面增强与抑制裂纹扩展作用，使得复合材料界面和树脂基体性能同时得到改善，与传统的碳纤维增强环氧树脂复合材料相比，碳纳米管-碳纤维混和增强环氧树脂复合材料的层间剪切强度得到了明显的提高，由此可得到界面和基体中均含有碳纳米管增强相的碳纤维复合材料。(3)工艺简单、操作简易，便于工业化生产。附图说明图1为本专利技术实施例提供的碳纳米管-碳纤维混合增强环氧树脂复合材料的制备方法中碳纤维上浆流程示意图。图中：1-控制面板，2-滚筒，3-未上浆的碳纤维，4-含碳纳米管的上浆剂，5-碳纤维运动方向，6-热烤灯，7-滚筒，8-架子图2为本专利技术实施例提供的碳纳米管-碳纤维混合增强环氧树脂复合材料的制备过程中缠绕法制备单向纤维预浸料流程示意图。图中：11-控制面板，12-滚筒，13-张力辊，14-浸胶槽，15-导向辊，16-集束器，17-纱架，18-床身，19-电机，20-导轨(前后移动)，11-导轨(左右运动)具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术提供的碳纳米管-碳纤维混合增强环氧树脂复合材料的制备方法做进一步说明，但本专利技术的保护范围不限于此。实施例1本实施例提供的碳纳米管-碳纤维混合增强环氧树脂复合材料的制备方法包括按顺序进行的下列步骤：(1)对碳纤维表面进行改性处理：将市售工业级JT300A型碳纤维浸渍在分析纯级的氨水中，在25℃下刻蚀处理12h，然后用去离子水清洗碳纤维多次，以除去表面残留的氨水；再将氨水处理后的碳纤维浸渍在分析纯级的浓硝酸中，在115℃下恒温氧化5min，然后用去离子水清洗碳纤维多次，以除去表面残留的硝酸；最后放入本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纳米管‑碳纤维混合增强环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于：所述的制备方法包括按顺序进行的下列步骤：(1)对碳纤维表面进行改性处理：将碳纤维浸渍于除杂剂中进行表面清洗，然后将清洗后的碳纤维先后浸渍在氨水和浓硝酸中进行处理，并均用去离子水清洗碳纤维多次，清洗完毕后将碳纤维放入真空干燥箱中进行真空干燥；(2)制备含碳纳米管的上浆剂：将碳纳米管、环氧树脂溶液高速搅拌混合均匀，超声分散，得到含碳纳米管的上浆剂；(3)制备碳纳米管‑碳纤维增强体：利用步骤(2)制备的含碳纳米管的上浆剂对步骤(1)制备的表面改性后的碳纤维进行浸渍上浆，烘干，制得碳纳米管‑碳纤维增强体；(4)制备含碳纳米管增强环氧树脂基体：将碳纳米管加入到有机溶剂中并进行超声分散，再加入环氧树脂后进行强力搅拌而制成混有碳纳米管的环氧树脂，然后放入真空干燥箱中去除包裹的空气和有机溶剂，之后将固化剂加入到混有碳纳米管的环氧树脂中，搅拌均匀后得到含碳纳米管增强环氧树脂基体；(5)制备碳纳米管‑碳纤维混合增强环氧树脂复合材料:利用步骤(4)制备的尚未固化的含碳纳米管增强环氧树脂基体浸渍步骤(3)制备的碳纳米管‑碳纤维增强体而制成预浸料，然后将预浸料层叠，最后热压成所述的碳纳米管‑碳纤维混合增强环氧树脂复合材料。...

【技术特征摘要】
1.一种碳纳米管-碳纤维混合增强环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于：所述的制备方法包括按顺序进行的下列步骤：(1)对碳纤维表面进行改性处理：将碳纤维浸渍于除杂剂中进行表面清洗，然后将清洗后的碳纤维先后浸渍在氨水和浓硝酸中进行处理，并均用去离子水清洗碳纤维多次，清洗完毕后将碳纤维放入真空干燥箱中进行真空干燥；(2)制备含碳纳米管的上浆剂：将碳纳米管、环氧树脂溶液高速搅拌混合均匀，超声分散，得到含碳纳米管的上浆剂；(3)制备碳纳米管-碳纤维增强体：利用步骤(2)制备的含碳纳米管的上浆剂对步骤(1)制备的表面改性后的碳纤维进行浸渍上浆，烘干，制得碳纳米管-碳纤维增强体；(4)制备含碳纳米管增强环氧树脂基体：将碳纳米管加入到有机溶剂中并进行超声分散，再加入环氧树脂后进行强力搅拌而制成混有碳纳米管的环氧树脂，然后放入真空干燥箱中去除包裹的空气和有机溶剂，之后将固化剂加入到混有碳纳米管的环氧树脂中，搅拌均匀后得到含碳纳米管增强环氧树脂基体；(5)制备碳纳米管-碳纤维混合增强环氧树脂复合材料:利用步骤(4)制备的尚未固化的含碳纳米管增强环氧树脂基体浸渍步骤(3)制备的碳纳米管-碳纤维增强体而制成预浸料，然后将预浸料层叠，最后热压成所述的碳纳米管-碳纤维混合增强环氧树脂复合材料。2.根据权利要求1所述的碳纳米管-碳纤维混合增强环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述的对碳纤维表面进行改性处理的具体方法是：将碳纤维浸渍在氨水中，在25℃下刻蚀处理12～24h，然后用去离子水清洗碳纤维多次，以除去表面残留的氨水；再将氨水处理后的碳纤维浸渍在浓硝酸中，在115℃下恒温氧化5-10min，然后用去离子水清洗碳纤维多次，以除去表面残留的硝酸；最后放入真空干燥箱中，在干燥温度为80～100℃、干燥时间为3—8h的条件下进行真空干燥。3.根据权利要求1所述的碳纳米管-碳纤维混合增强环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述的氨水和浓硝酸均为市售，分析纯级；碳纤维选用市售工业级JT300A型碳纤维。4.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：李娜，路鹏程，孙凌丰，
申请(专利权)人：中国民航大学，
类型：发明
国别省市：天津,12