一种纳米复合纤维预制体的制备方法技术

一种纳米复合纤维预制体的制备方法，采用超声波使一定量的碳纳米管分散在电解质溶液中。利用碳纳米管的导电性，把碳纤维预制体作为阳极，通过超声辅助电化学方法使碳纳米管沉积在碳预制体纤维表面，然后进行清洗、烘干和铺层。本发明专利技术把碳纳米管的优异性能与传统ＲＴＭ工艺的低成本、高性能特点结合起来，实现了组元材料的优势互补和加强，制得的复合材料经济有效地利用了碳纳米管的独特性能，可作为结构和功能材料使用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种复合材料的制备方法，尤其是一种纳米复合纤维 预制体的制备方法，属于聚合物基复合材料制造

技术介绍
树脂传递模塑(Resin Transfer Molding, RTM)作为一种先进的 复合材料成型工艺，以其成本低、成型速度快、产品质量好、对环境 污染小的优点和先进的工艺形式在国内外受到广泛关注。然而，RTM 成型的复合材料实际使用强度低于理论强度却是一个不争的事实。以 三维立体织物作为RTM工艺预制体，虽然材料结构和性能的整体性较 好，但是对树脂体系粘度提出了苛刻的要求；而以二维织物作为预制 体，复合材料在厚度方向的性能很差。与预浸料热压成型技术相比， RTM工艺特点决定了更容易形成不良的树脂-纤维结合界面。纳米粒 子具有独特的量子尺寸效应、表面效应和宏观隧道效应，由其制得的 复合材料表现出独特的物理、化学性能，大大优于相同组分的常规聚 合物基复合材料，因此已经引起了人们越来越多的关注。碳纳米管 (Carbon Nanotubes， CNTs) /聚合物基复合材料是一类新型的结构 和功能材料。碳纳米管具有优良的导电性能和极好的力学性能，引入 聚合物中可以形成导电网络，将其应用于传统的RTM工艺中，可以实现组元材料的优势互补和加强，经济有效地利用碳纳米管的独特性 能，制得集结构与功能于一身的聚合物基复合材料。目前碳纳米管/聚合物基复合材料的制备大多是将其直接加入树脂体系之中，现在普遍存的问题是(1)、碳纳米管具有极高的团聚倾向使其不容易在树脂体系中形成均匀分散，因而限制其性能的充分发挥；(2) 、 RTM工艺要求树脂体系必须具有较低的粘度，而碳纳 米管的引入不可避免地引起树脂体系粘度增加，不利于RTM工艺过程 中的浸润和充模过程。在复合材料中同时使用碳纳米管和碳纤维作为 增强体的报道较少。中国专利(申请号200710144499.3碳纳米管连 接碳纤维多尺度增强体及其制备方法)报道了经1， 6己二胺修饰的 碳纳米管和表面有酰氯官能团的碳纤维之间的化学反应制成的碳纳 米管连接碳纤维多尺度增强体。但是该专利并没有提及如何解决对于 碳纳米管应用来说至关重要的问题，即碳纳米管和碳纤维发生化学反 应的同时形成团聚的问题，因而不能实现碳纳米管在纳米尺度的均匀 分散和性能发挥。
技术实现思路
本专利技术把CNTs的优异性能与传统RTM工艺的低成本、高性能特 点结合起来。利用CNTs的导电性质，通过超声辅助电化学沉积方法， 使其均匀分散在碳纤维预制体内部。由于在超声波作用下，CNTs缠 结程度变小，碳纳米管既有可能沉积在同一碳纤维表面(形成纳米复 合界面层)，也有可能沉积在不同的碳纤维表面(桥连)，形成多尺度混杂的3D立体碳纤维预制体。超声波和电场的同时存在使碳纳米管取向并且降低了其发生团聚的倾向。CNTs的加入能够有效地在树脂 基体内部微裂纹之间实现"桥连"，延长微裂纹的形成时间，从而使 CNTs在断裂面之间起到了增强作用，同时降低了 RTM工艺对于树脂 体系粘度的要求，并且使复合材料的电导率提高。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是采用灼烧方法将进 行碳纤维去涂层处理。将一定量的碳纳米管(按碳纤维预制体质量计 算)加入电解质水溶液中，在超声波的作用下使之均匀分散。以去涂 层处理的碳纤维预制体作为阳极，以对石墨板为阴极，在分散有碳纳 米管的电解质溶液中通以直流电。在超声波的作用下，碳纳米管的缠 结程度变小并取向，逐渐沉积在预制体碳纤维表面。经清洗、烘干及 按设定方式铺层，制备出纳米复合纤维预制体。本专利技术中所述的电解 质是指氢氧化钾、碳酸氢铵、盐酸和磷酸等；所述的碳纤维预制体是 指2D平纹、斜纹碳布和3D立体织物；所述的碳纳米管为单壁(S丽T) 或多壁碳纳米管(MWNT)，表面修饰或表面未修饰的碳纳米管。具体包 括下列步骤(1)、采用灼烧方法将100份碳纤维预制体在400 650 。C的真空环境中灼烧20 40min进行去涂层处理。(2)、将1 4份碳 纳米管加入电解质水溶液中，在超声波的作用下使之均匀分散，超声 波的功率为200W，处理时间l 3h。 (3)、以碳纤维预制体作为阳极， 以对石墨板为阴极，在分散有碳纳米管的电解质溶液中通以直流电， 电解质溶液浓度为0.02 0. 10mg/ml，施加的电流垂度为20 700mA/g。在超声波的作用下，处理时间为10 30min，处理温度为20 40°C。超声波的功率为200W，处理时间l 2h。 (4)、将经过电化学处 理的沉积碳纳米管的碳纤维预制体进行清洗、烘干，在按照设定方式 铺层后即得纳米复合纤维预制体。本专利技术所达到的有益效果是，采用该方法制备RTM工艺用纳米复 合纤维预制体，不仅使层间剪切强度提高80 100%，耐冲击性能提高 20 30%，其电导率也提高了三个数量级，同时由于所用电解液浓度 较低，清洗方便。本专利技术所述RTM工艺用纳米复合纤维预制体也适用 其它复合材料液体模塑工艺，如树脂膜熔渗(Resin Film Infusion, RFI)。制得的高性能复合材料可作为结构材料和功能材料使用，具有 广阔的应用前景。附图说明图1为本专利技术所用装置的示意图。在图1中，符号1代表石墨极板；符号2代表碳纤维预制体；符号3代表电解液；符号4代表电解槽；符号5代表电源。具体实施例方式具体实施方式一 本实施方式纳米复合纤维预制体按重量份数 比由1 4份的碳纳米管经超声辅助电化学沉积在100份平纹碳布表面 制备。具体歩骤如下(一)、采用灼烧方法将碳纤维织物在65(TC的 真空环境中灼烧20min进行去涂层处理；(二)、本实施方式中将碳纳 米管加入浓度为O. 02 0. 05mg/ml的氢氧化钾溶液中，在超声波的作用下使之均匀分散，超声波的功率为200W，处理时间lh。(三)、以碳 纤维预制体作为阳极，以对石墨板为阴极，在分散有碳纳米管的电解 质溶液中通以直流电，施加的电流密度为20 100mA/g。在超声波的 作用下，电化学处理时间为10 30min，处理温度为20 40。C 。超声 波的功率为200W。(四)、将经过电化学处理的表面沉积碳纳米管的碳 纤维预制体进行清洗、烘干，在按照设定方式铺层后即得纳米复合纤 维预制体。本实施方式制备的纳米复合纤维预制体不仅改善纤维和树脂之 间的界面并且实现了复合材料在纳米尺度上的增强，可用作RTM成型 防热透波和抗静电用复合材料的增强体。具体实施方式二本实施方式与具体实施方式一的不同点是制 备纳米复合纤维预制体的碳纤维织物为斜纹碳布。其它步骤与参数与 实施方式一相同。具体实施方式三本实施方式与具体实施方式一的不同点是制 备纳米复合纤维预制体使用的是表面羧基化多壁碳纳米管(MWNT)。 具体步骤如下将2gM丽T溶于240ml浓硫酸(98%) /浓硝酸(体积比3: 1)中，超声分散4'h后，在14(TC下强力机械搅拌3h，然后用去离子水 洗涤至中性，得到表面羧基化MWNT。其它步骤与参数与实施方式一相 同。具体实施方式四本实施方式与具体实施方式三的不同点是制备纳米复合纤维预制体使用的是表面羧基化单壁碳纳米管(SWNT)。 具体步骤如下将2gS丽T溶于240ml浓硫酸(98%) /浓硝酸(体积比3:1)中，超声本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米复合纤维预制体的制备方法，其特征在于该方法的步骤如下：（１）采用灼烧方法将进行碳纤维去涂层处理；（２）将碳纳米管加入电解质水溶液中，在超声波的作用下使之均匀分散；（３）以去涂层处理的碳纤维预制体作为阳极，以对石墨板为阴极，在分散有碳纳米管的电解质溶液中通以直流电流，在超声波的作用下使碳纳米管沉积在预制体碳纤维表面；（４）将表面沉积碳纳米管的碳纤维预制体进行清洗、烘干，即得纳米复合纤维预制体。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王柏臣，马克明，陈平，金保宏，于祺，
申请(专利权)人：沈阳航空工业学院，
类型：发明
国别省市：89[中国|沈阳]