碳纤维/氧化石墨烯/有机硅树脂多维混杂复合材料的制备方法，属于纳米材料技术领域。为了解决碳纤维表面活性基团少，与基体树脂浸润性差，从而导致碳纤维增强硅树脂基复合材料界面粘合强度低、力学性能差的技术问题，所述方法为：一、氧化石墨的制备；二、氧化石墨烯的制备；三、氧化石墨烯的氨丙基烷基化处理；四、碳纤维的表面功能化处理；五、碳纤维/氧化石墨烯/有机硅树脂多维混杂复合材料的制备。本发明专利技术制备的碳纤维/氧化石墨烯/有机硅树脂多维混杂复合材料室温下的层间剪切强度可达到30.43Mpa，比未处理前提高了25.8％，扩宽了碳纤维、氧化石墨烯和有机硅树脂的应用范围。
【技术实现步骤摘要】
碳纤维/氧化石墨烯/有机硅树脂多维混杂复合材料的制备方法
本专利技术属于纳米材料
，涉及一种碳纤维/氧化石墨烯/有机硅树脂(CF/GO/SR)多维混杂复合材料的制备方法。
技术介绍
碳纤维/硅树脂基复合材料由于具有优异的耐高温性、耐候性及易于加工成型的特点，广泛应用到航空航天领域。但是碳纤维增强硅树脂基复合材料的机械性能(弯曲、拉伸、冲击等)较弱，而且硅树脂和碳纤维的界面粘合性能较差，严重影响了硅树脂基复合材料在航空航天领域中的进一步应用。众所周知，界面相是复合材料特有的、极其重要的组成部分，界面相的结构和特性直接影响着碳纤维与基体树脂之间的应力传递方式与扩散路径，对复合材料材料的综合性能(强度、韧性以及环境稳定性等)起至关重要的作用。好的界面能降低应力集中，使应力从基体树脂向纤维传递，极大的提高复合材料的力学性能。因此，为了提高碳纤维/有机硅树脂复合材料的层间剪切强度等力学性能，适应新一代航天飞行器的要求，提高碳纤维增强硅树脂基复合材料的界面性能就显得很有必要。改善碳纤维与硅树脂的界面粘合性能，就要从碳纤维和基体树脂两个方面入手。碳纤维原丝表面为乱层石墨结构，活性反应基团较少，表面能低，与硅树脂的浸润性及界面粘合性能差，因此，碳纤维原丝必须经过表面改性处理，增加参与界面反应的活性官能团，使基体树脂与碳纤维参与化学反应，以化学健的方式来提高与基体树脂之间的界面粘合性能。硅树脂表面张力小、表面能低，而且硅树脂分子间作用力小，有效交联密度低，使其机械性能较差。为了提高硅树脂的机械性能，可以添加性能优异的碳纳米材料到硅树脂中，不仅增强硅树脂，而且使其界面相中含有特殊的纳米组元，改善了界面结构，进而提高碳纤维增强硅树脂基复合材料的力学性能。
技术实现思路
为了解决碳纤维表面活性基团少，与基体树脂浸润性差，从而导致碳纤维增强硅树脂基复合材料界面粘合强度低、力学性能差的的技术问题，本专利技术提供了一种碳纤维/氧化石墨烯/有机硅树脂多维混杂复合材料的制备方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一、氧化石墨的制备：把装有4～8g纳米石墨的三口烧瓶放入冰水浴中，缓慢加入9～18gKMnO4和200～400mL浓H2SO4/H3PO4的混合液(浓H2SO4/H3PO4的体积比为9∶1)，机械搅拌0.5～2h使其充分混合均匀；然后升温到40～60℃反应12～18h，反应结束后，滴加700～900mL蒸馏水，接着继续缓慢滴加15～30mL30％H2O2，溶液逐渐变为亮黄色，用5％稀HCl和蒸馏水反复洗涤，离心过滤，直到滤液成中性，40～80℃下真空干燥得到氧化石墨；二、氧化石墨烯的制备：称取0.37～3.74g氧化石墨加入到100～500mL蒸馏水中，利用超声粉碎机探头超声振荡20～40分钟，然后离心洗涤，40～80℃下真空干燥得到氧化石墨烯粉末；三、氧化石墨烯的氨丙基烷基化处理：将0.5～1g氧化石墨烯浸入到100～200mL甲苯溶液中，常温下超声20～40min，然后加入3.1～6.2g3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)，操作过程均在氮气保护下进行，20～40℃反应2～4h，80～100℃加热回流反应2～4h，随后冷却，用适量的甲苯洗涤，过滤，在40～80℃真空干燥得到氨基化的氧化石墨烯；四、碳纤维的表面功能化处理：a、碳纤维的酸化处理：将0.5～2g碳纤维缠绕在方形玻璃框架上，然后浸入到50～200mL浓度为65～70％的浓硝酸或浓硫酸和浓硝酸的混合溶液(浓硫酸和浓硝酸的的体积比为3∶1)中，60～100℃下或常温下磁力搅拌氧化5～8h，用去离子水洗涤至溶液成中性，40～80℃下真空干燥得到酸氧化的碳纤维；b、碳纤维的还原处理：氧化后的碳纤维在LiAlH4-四氢呋喃的饱和溶液中加热回流1～4h后，经四氢呋喃和盐酸反复洗涤，然后用蒸馏水反复洗涤，直至溶液成中性，80～100℃下干燥得到还原后的碳纤维；c、碳纤维的氨丙基烷基化处理：将0.5～1g还原后的碳纤维缠绕在方形玻璃框架上，浸入到100～200mL甲苯溶液中，然后加入3.1～6.2g3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)，操作过程均在氮气保下进行，升温到20～40℃反应2～4h，在80～100℃时加热回流反应2～4h，随后冷却，用适量的甲苯洗涤，过滤；d、在40～80℃真空干燥得到氨基化的碳纤维；五、碳纤维/氧化石墨烯/有机硅树脂多维混杂复合材料的制备：将氨基化的氧化石墨烯与硅树脂超声振荡混合均匀，氨基化的氧化石墨烯的质量为硅树脂质量的0.1～1％，再与氨基化的碳纤维通过模压法制备碳纤维/氧化石墨烯/有机硅树脂多维混杂复合材料，基体树脂含量控制在35±1.5mass％范围内。本专利技术具有如下有益效果：1、解决了氧化石墨烯易于团聚的弊端，提高了氧化石墨烯在硅树脂中的分散性，利用氧化石墨烯优异的韧性及强度增强有机硅树脂，提高硅树脂与碳纤维的界面粘合强度，从而提高碳纤维/氧化石墨烯/有机硅树脂多维混杂复合材料的力学性能。2、操作简便，便于工业化生产。3、本专利技术制备的碳纤维/氧化石墨烯/有机硅树脂多维混杂复合材料室温下的层间剪切强度可达到30.43Mpa，比未处理前提高了25.8％，扩宽了碳纤维、氧化石墨烯和有机硅树脂的应用范围。附图说明图1为改性前后碳纤维/硅树脂的层间剪切强度。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本专利技术技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术技术方案的精神和范围，均应涵盖在本专利技术的保护范围中。实施例1：一、氧化石墨的制备：把装有4g纳米石墨的三口烧瓶放入冰水浴中，缓慢加入9gKMnO4和200mL浓H2SO4/H3PO4的混合液(v∶v＝9∶1)，机械搅拌1h使其充分混合均匀；然后升温到50℃反应15h，反应结束后，滴加800mL蒸馏水，接着继续缓慢滴加15mL30％H2O2，溶液逐渐变为亮黄色，用5％稀HCl和蒸馏水反复洗涤，离心过滤，直到滤液接近中性。60℃下真空干燥得到氧化石墨；二、氧化石墨烯的制备：称取氧化石墨0.37g加入到100mL蒸馏水中，利用超声粉碎机探头超声振荡30分钟，然后用离心机在11000r/min下离心，60℃下真空干燥得到氧化石墨烯粉末；三、氧化石墨烯的氨丙基烷基化处理：将0.5g氧化石墨烯浸入到100mL甲苯溶液中，常温下超声30min，然后加入3.1g3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)，操作过程均在氮气保下进行，升温到30℃反应3h，在100℃时加热回流反应3h，随后冷却，用适量的甲苯洗涤，过滤；在60℃真空干燥得到氨基化的氧化石墨烯；四、碳纤维的表面功能化处理：a、碳纤维的酸化处理：将0.5g碳纤维缠绕在方形玻璃框架上，然后浸入到50mL浓度为68％的浓硝酸中，80℃下磁力搅拌氧化5h，用去离子水洗涤至溶液成中性，60℃下真空干燥得到酸氧化的碳纤维；b、碳纤维的还原处理：氧化后的碳纤维在LiAlH4-四氢呋喃的饱和溶液中加热回流4h后，经四氢呋喃和盐酸多次浸泡及洗涤，然后用蒸馏水反复洗涤，直至溶液成中性，100℃下干燥得到还原后的碳纤维；c、碳纤维的氨丙基烷基化处理：将0.5g还原后的碳纤维缠绕在方形玻璃框架上，浸入到100mLL甲苯溶液中，然后加入3.1g3-本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种碳纤维/氧化石墨烯/有机硅树脂多维混杂复合材料的制备方法，其特征在于所述方法步骤如下： 将氨基化的氧化石墨烯与硅树脂超声振荡混合均匀，氨基化的氧化石墨烯的质量为硅树脂质量的0.1～1％，再与氨基化的碳纤维通过模压法制备碳纤维/氧化石墨烯/有机硅树脂多维混杂复合材料，基体树脂含量控制在35±1.5mass％范围内。
【技术特征摘要】
1.一种碳纤维/氧化石墨烯/有机硅树脂多维混杂复合材料的制备方法，其特征在于所述方法步骤如下：将氨基化的氧化石墨烯与硅树脂超声振荡混合均匀，氨基化的氧化石墨烯的质量为硅树脂质量的0.1~1%，再与氨基化的碳纤维通过模压法制备碳纤维/氧化石墨烯/有机硅树脂多维混杂复合材料，基体树脂含量控制在35±1.5mass%范围内；所述氨基化的氧化石墨烯的制备方法为：将0.5~1g氧化石墨烯浸入到100~200mL甲苯溶液中，常温下超声20~40min，然后加入3.1~6.2g3-氨丙基三乙氧基硅烷，操作过程均在氮气保护下进行，20~40℃反应2~4h，80~100℃加热回流反应2~4h，随后冷却，用适量的甲苯洗涤，过滤，在40~80℃真空干燥得到氨基化的氧化石墨烯；所述氨基化的碳纤维的制备方法为：a、碳纤维的酸化处理：将0.5~2g碳纤维缠绕在方形玻璃框架上，然后浸入到50~200mL浓度为65~70%的浓硝酸或浓硫酸和浓硝酸的混合溶液中，60~100℃下或常温下磁力搅拌氧化5~8h，用去离子水洗涤至溶液成中性，40~80℃下真空干燥得到酸氧化的碳纤维；b、碳纤维的还原处理：氧化后的碳纤维在LiAlH4-四氢呋喃的饱和溶液中加热回流1~4h后，经四氢呋喃和盐酸反复洗涤，然后用蒸馏水反复洗涤，直至溶液成中性，80~100℃下干燥得到还原后的碳纤维；c、碳纤维的氨丙基烷基化处理：将0.5~1g还原后的碳纤维缠绕在方形玻璃框架上，浸入到100~200mL甲苯...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘丽，武光顺，黄玉东，马丽春，张庆波，谢非，王芳，姜波，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23
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