一种石墨烯/碳纳米管增强增韧碳纤维复合材料的制备方法技术

本发明专利技术提供一种石墨烯/碳纳米管增强增韧碳纤维复合材料的制备方法，利用强酸、破坏剂，在氧化剂作用下，分别制备得到三维石墨烯絮状物和表面改性碳纳米管；然后通过高速剪切混合、超声分散工艺得到石墨烯/改性碳纳米管上浆剂；通过上浆工艺制备石墨烯/碳纳米管增强增韧碳纤维复合材料。本发明专利技术制备的石墨烯/碳纳米管增强增韧碳纤维复合材料，不仅具备碳纤维本身导电导热、高强度、高模量、耐摩擦、耐腐蚀性特性，还显著提高了碳纤维的抗拉强度、弯曲强度、界面剪切强度等特性，有效改善碳纤维的再加工性能，具有增强增韧的特性。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯/碳纳米管增强增韧碳纤维复合材料的制备方法
：本专利技术涉及碳纤维
和石墨烯复合材料
，特别涉及一种增强增韧碳纤维复合材料制备方法，具体是一种石墨烯/碳纳米管增强增韧碳纤维复合材料的制备方法。
技术介绍
：碳纤维以其优异的导电导热、高强度、高模量、耐摩擦、耐腐蚀性等特点被广泛的应用于自行车、航天、汽车、运动器材、仪器仪表等领域。碳纤维及其复合材料更是广泛的应用于各行各业，填补了其他材料不能解决的关键、共性技术问题。虽然碳纤维具有横向优越特性。但是，具有纵向特性不佳，如：比传统纤维要脆，容易摩擦起毛，单丝容易断裂等。间接影响了复合材料性能发挥。相关技术人员通过碳纤维的上浆处理，使纤维表面浸润降低摩擦起毛。选择具有保护层作用的韧性上浆液，有效改善碳纤维的再加工性能，克服碳纤维本事韧性差的缺点。
技术实现思路
：本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种新颖、工艺简单、易操作石墨烯/碳纳米管增强增韧碳纤维复合材料的制备方法。本专利技术利用强酸、破坏剂，在氧化剂作用下，制备得到三维石墨烯絮状物和表面改性碳纳米管；高速剪切混合、超声分散工艺得到石墨烯/碳纳米管改性的环氧树脂上浆液；通过传统上浆工艺制备石墨烯/碳纳米管增强增韧碳纤维复合材料，本专利技术采用的技术方案是：一种石墨烯/碳纳米管增强增韧碳纤维复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：(1)制备三维石墨烯絮状物：将破坏剂A1溶于强酸A2，然后加入石墨粉搅拌均匀，再于搅拌下滴加氧化剂A3，滴完后常温静置，得到膨胀的石墨烯聚集体，水洗至中性，烘干，制得三维石墨烯絮状物；(2)制备表面改性碳纳米管：将破坏剂B1溶于强酸B2，然后加入碳纳米管搅拌均匀，再于搅拌下滴加氧化剂B3，滴完后常温静置，得到酸改性的碳纳米管，水洗至中性、烘干，制得表面改性碳纳米管；(3)将步骤(1)、(2)分别制备的三维石墨烯絮状物、表面改性碳纳米管、树脂溶液、分散剂高速搅拌混合，超声分散；得到均匀的石墨烯/改性碳纳米管上浆剂；(4)用步骤(3)制备的石墨烯/改性碳纳米管上浆剂对预处理后的碳纤维进行浸渍上浆，烘干，制得所述石墨烯/碳纳米管增强增韧碳纤维复合材料。所述步骤(1)和(2)中，强酸A2或强酸B2各自独立为硫酸、盐酸、硝酸中一种或者两种以上的混合，优选为硫酸；破坏剂A1或破坏剂B1各自独立为(NH4)2S2O8、Fe3+、K2CrO7中一种或者两种以上的混合，优选为(NH4)2S2O8。氧化剂A3或氧化剂B3各自独立为双氧水和Na2O2中的一种或者两种的混合，优选为双氧水。其中，强酸A2或强酸B2选择H2SO4，破坏剂A1或破坏剂B1选择(NH4)2S2O8，氧化剂A3或氧化剂B3选择H2O2效果最优。进一步，所述硫酸的质量浓度30～98％，双氧水的质量浓度优选为30％。本专利技术所述的破坏剂A1、破坏剂B1、强酸A2、强酸B2、氧化剂A3、氧化剂B3中的字母数字仅用来标记区分不同步骤中的试剂，不具有化学含义。所述步骤(1)中，硫酸中的H2SO4和(NH4)2S2O8的质量比为0.01-2：0.01-10，优选0.1～50:1，更优选0.5～20:1，石墨粉与(NH4)2S2O8的质量比为1:1～10，优选1:4～5、双氧水的用量以石墨粉的质量计为0.01～5mL/g，优选1～5mL/g。所述步骤(1)中，石墨粉粒径为32目～325目，优选为32目、50目、80目、100目、200目、325目中一种或者两种以上的混合。所述步骤(1)中，常温静置的时间1～24h，优选8～10h。所述步骤(1)中，烘干的温度为20℃～80℃，优选60～80℃，时间为1-48h，优选10～20h。所述步骤(2)中，硫酸中的H2SO4和(NH4)2S2O8的质量比为0.01-2:0.01-10，优选0.1～50:1，更优选0.5～20:1，碳纳米管与(NH4)2S2O8的质量比为1:1～10，优选1:2～3，双氧水的用量以碳纳米管的质量计为0.01～5mL/g，优选1～3mL/g。所述步骤(2)中，碳纳米管为多壁碳纳米管或单壁碳纳米管的一种或者两种的混合，碳纳米管的直径为10–100nm。所述步骤(2)中，常温静置的时间1～24h，优选8～10h。所述步骤(2)中，烘干的温度为20～80℃，优选60～80℃，时间为1-48h，优选10～20h。所述步骤(3)中，三维石墨烯絮状物、表面改性碳纳米管、树脂溶液、分散剂的质量占石墨烯/改性碳纳米管上浆剂的质量百分比为0.01-5％、0.01～5％、90-94％、0.01-2％，优选为1-5％、1～5％、90-94％、1-2％。所述石墨烯/改性碳纳米管上浆剂的固含量为0.01～10％。所述树脂溶液为环氧树脂或丙烯酸树脂中的一种或两种的混合，为市售乳液，优选环氧树脂溶液。所述分散剂为羧甲基纤维素钠、聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基磺酸钠中的一种或两种以上的混合。所述步骤(3)中，高速搅拌混合可以在混合搅拌釜中进行，搅拌速度200～1500rpm，搅拌时间1～120min，优选30～120min。超声分散时，超声功率200-1200W，优选800～1200W，超声时间1-120min，优选60～120min，超声方式为连续式超声。所述步骤(4)中，预处理后的碳纤维是指将碳纤维用有机溶剂进行预处理，去除表面保护层。所述有机溶剂是丙酮、乙醇中的一种或者两种的混合。这是碳纤维常用的预处理方式。所述步骤(4)优选按以下步骤操作：步骤(3)制备的石墨烯/改性碳纳米管上浆剂加入上浆槽中，将预处理后的碳纤维原丝束被气流打散开后，通过上浆槽，传动速度0.01-5m/min，优选3～5m/min，传动张力0.01-200g，优选100～200g，然后烘干收卷，所述烘干温度100-200℃，制得所述石墨烯/碳纳米管增强增韧碳纤维复合材料。上浆率通常在1～5％之间。本专利技术还提供一种碳纳米管增强增韧碳纤维复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：(a)制备表面改性碳纳米管：将破坏剂B1溶于强酸B2，然后加入碳纳米管搅拌均匀，再于搅拌下滴加氧化剂B3，滴完后常温静置，得到酸改性的碳纳米管，水洗至中性、烘干，制得表面改性碳纳米管；(b)将步骤(a)制备的表面改性碳纳米管、树脂溶液、分散剂高速搅拌混合，超声分散；得到均匀的改性碳纳米管上浆剂；(c)用步骤(b)制备的改性碳纳米管上浆剂对预处理后的碳纤维进行浸渍上浆，烘干，制得所述碳纳米管增强增韧碳纤维复合材料；所述强酸B2为硫酸，破坏剂B1为(NH4)2S2O8，氧化剂B3为双氧水。本专利技术还提供一种石墨烯增强增韧碳纤维复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：(i)制备三维石墨烯絮状物：将破坏剂A1溶于强酸A2，然后加入石墨粉搅拌均匀，再于搅拌下滴加氧化剂A3，滴完后常温静置，得到膨胀的石墨烯聚集体，水洗至中性，烘干，制得三维石墨烯絮状物；(ii)将步骤(i)制备的三维石墨烯絮状物、树脂溶液、分散剂高速搅拌混合，超声分散；得到均匀的石墨烯上浆剂；(iii)用步骤(ii)制备的石墨烯上浆剂对预处理后的碳纤维进行浸渍上浆，烘干，制得所述石墨烯增强增韧碳纤维复合材料所述强酸A2为硫酸，破坏剂A1为(NH4)2S2O8，氧化剂A3为双氧水。本专利技术的有益效本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯/碳纳米管增强增韧碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：(1)制备三维石墨烯絮状物：将破坏剂A1溶于强酸A2，然后加入石墨粉搅拌均匀，再于搅拌下滴加氧化剂A3，滴完后常温静置，得到膨胀的石墨烯聚集体，水洗至中性，烘干，制得三维石墨烯絮状物；(2)制备表面改性碳纳米管：将破坏剂B1溶于强酸B2，然后加入碳纳米管搅拌均匀，再于搅拌下滴加氧化剂B3，滴完后常温静置，得到酸改性的碳纳米管，水洗至中性、烘干，制得表面改性碳纳米管；(3)将步骤(1)、(2)分别制备的三维石墨烯絮状物、表面改性碳纳米管、树脂溶液、分散剂高速搅拌混合，超声分散；得到均匀的石墨烯/改性碳纳米管上浆剂；(4)用步骤(3)制备的石墨烯/改性碳纳米管上浆剂对预处理后的碳纤维进行浸渍上浆，烘干，制得所述石墨烯/碳纳米管增强增韧碳纤维复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯/碳纳米管增强增韧碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：(1)制备三维石墨烯絮状物：将破坏剂A1溶于强酸A2，然后加入石墨粉搅拌均匀，再于搅拌下滴加氧化剂A3，滴完后常温静置，得到膨胀的石墨烯聚集体，水洗至中性，烘干，制得三维石墨烯絮状物；(2)制备表面改性碳纳米管：将破坏剂B1溶于强酸B2，然后加入碳纳米管搅拌均匀，再于搅拌下滴加氧化剂B3，滴完后常温静置，得到酸改性的碳纳米管，水洗至中性、烘干，制得表面改性碳纳米管；(3)将步骤(1)、(2)分别制备的三维石墨烯絮状物、表面改性碳纳米管、树脂溶液、分散剂高速搅拌混合，超声分散；得到均匀的石墨烯/改性碳纳米管上浆剂；(4)用步骤(3)制备的石墨烯/改性碳纳米管上浆剂对预处理后的碳纤维进行浸渍上浆，烘干，制得所述石墨烯/碳纳米管增强增韧碳纤维复合材料。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述强酸A2或强酸B2各自独立为硫酸、盐酸、硝酸中一种或者两种以上的混合；破坏剂A1或破坏剂B1各自独立为(NH4)2S2O8、Fe3+、K2CrO7中一种或者两种以上的混合；氧化剂A3或氧化剂B3各自独立为双氧水和Na2O2中的一种或者两种的混合。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述强酸A2或强酸B2为硫酸，破坏剂A1或破坏剂B1为(NH4)2S2O8，氧化剂A3或氧化剂B3为双氧水。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于所述硫酸的质量浓度30～98％，双氧水的质量浓度为30％。5.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于所述步骤(1)中，硫酸中的H2SO4和(NH4)2S2O8的质量比为0.01-2：0.01-10，石墨粉与(NH4)2S2O8的质量比为1:1～10，双氧水的用量以石墨粉的质量计为0.01～5mL/g。6.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于所述步骤(2)中，硫酸中的H2SO4和(NH4)2S2O8的质量比为0.01-2:0.01-10，碳纳米管与(NH4)2S2O8的质量比为1:1～10双氧水的用量以碳纳米管的质量计为0.01～5mL/g。7.如权利要求3或4所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪训国，
申请(专利权)人：杭州超探新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33