硅烷偶联剂改性CNTs/CFDSF/AG‑80环氧树脂复合材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种硅烷偶联剂改性CNTs/CFDSF/AG‑80环氧树脂复合材料的制备方法，该方法主要包括对碳纳米管(CNTs)采用浓硝酸和浓硫酸的混酸溶液进行酸化的第一步骤，将酸化处理后的得到的O‑CNTs通过硅烷偶联剂改性的第二步骤，对碳纤维双层间隔织物(CFDSF)进行表面清洗及表面改性处理的第三步骤以及将配制改性CNTs/AG‑80环氧树脂体系溶液对CFDSF进行浇筑及热固化的第四步骤，通过本发明专利技术上述制备步骤及其具体的工艺参数制备得到了兼具有良好导电性能、热力学性能且对导电材料用量少的硅烷偶联剂改性CNTs/CFDSF/AG‑80环氧树脂复合材料，其改性碳纳米管在基体中均匀分布，该复合材料具有良好的导电稳定性，能够广泛适用于电子、静电防护、电磁屏蔽、微波吸收等领域。

【技术实现步骤摘要】
硅烷偶联剂改性CNTs/CFDSF/AG-80环氧树脂复合材料的制备方法
本专利技术涉及复合材料领域，具体涉及一种硅烷偶联剂改性CNTs/CFDSF(碳纤维双层间隔织物)/AG-80环氧树脂复合材料及其制备方法。
技术介绍
随着电子科技产业的日新月异,对具有良好导电性能的功能性复合材料的需求也越来越大。由于导电复合材料具有质量轻、无锈蚀、尺寸稳定性好、电导率在较大范围内可调的特点，同时还易于加工成各种复杂的形状且易于大批量工业化生产，因而其在静电防护、电磁屏蔽、微波吸收等领域应用广泛。目前常见的导电复合材料通常以高分子为其基体,同时加入碳系材料、金属填料等导电物质,经过物理或化学的方法进行复合，得到既具有一定导电性能又具有良好力学性能的多相复合材料。碳系材料主要包括有炭黑(carbonblack简称CB)、石墨、碳纤维(carbonfiber简称CF)、碳纳米管(carbonnanotubes简称CNTs)等，它们是导电复合材料中导电填料的重要组成部分。由于碳系材料填充的聚合物复合材料易成型、不受成型尺寸限制且耐腐蚀，可以在某些特定环境下使用，因而在越来越多领域受到重视。碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，被称为“终极”纤维，具有许多异常的力学、电学和化学性能，CNTs按每个层面的结构进行划分可分为非螺旋型和螺旋型两类，按照石墨片相互组成的不同层数差异，CNTs又被划分为单壁碳纳米管与多壁碳纳米管两类。CNTs的力学性能优异，其强度约为钢的百倍，而其密度仅相当于钢的六分之一，CNTs各层之间剪切强度约为500MPa，远远高于大多数CF增强复合材料；关于导电性能，CNTs不仅可以拥有金属材料优异的导电性能，还可以充分表现出半导体的电学特征，并且在较低温度下展现出超导的性能,并且CNTs的临界超导电流比较大；关于热学性能，CNTs的热学性能不仅与组成它的石墨片有关，还与其独特的结构与尺寸有关，CNTs和石墨等组成成分相同，都是极优的热传导体，当CNTs作导热材料时，其传热速度可达到1000m/s。虽然CNTs具有特异的力学、电学和化学性能，有着极大的应用价值，但要真正实现CNTs的最大价值，还有很多关键的技术需要克服，首当其冲的是CNTs的分散特性，这是实现CNTs价值的关键，为此需要对CNTs进行改性，目前对CNTs的改性方法主要有物理修饰法和化学修饰法。物理修饰法主要是通过吸附、涂敷和包覆等物理作用来改变CNTs的表面活性基团，从而提高其与基质的结合性，其中比较典型的是聚合物包裹法以及表面活性剂改性的方法，CNTs的C原子因SP2杂化从而形成了高度离域化的π电子，它们可以与同样含有π电子的不同聚合物通过π-π非共价键进行结合，从而获得具有一些特定功能的CNTs；化学修饰法主要利用接枝、氧化等手段直接在CNTs的侧壁上引入小分子化合物或活性官能基团(如-COOH、OH和-NH2)等，提高其活性，从而增加其在溶液和聚合物中的分散性和相容性。目前，碳纳米管/环氧树脂复合材料的国内外研究现状如下：Florian等在“Influenceofdifferentcarbonnanotubesonthemechanicalpropertiesofepoxymatrixcomposites-Acomparativestudy.CompositesScienceandTechnology”中探究了CNTs的含量对环氧基复合材料导电性能以及传热性的影响。实验分析表明，当体系都达到渗滤阀值时，CNTs所需含量远远少于CB，且复合材料的电导率会随着CNTs含量的增加而增加。ViaMichaelD.等人在“Electricalconductivitymodelingofcarbonblack/polycarbonate,carbonnanotube/polycarbonate,andexfoliatedGraphitenanoplatelet/polycarbonatecomposites.JournalofAppliedPolymerScience”中研究了聚碳酸酯基体中分别加入了CNTs、CB和GNP三类不同的导电填料，并对相应复合材料的导电性能进行了深入探究。研究发现CNTs的阈值为1.2vol％且研究结果表明在PC中加入CNTs其复合材料的导电性能最好。魏小昕在“表面改性碳纳米管/环氧树脂复合材料力学性能的研究”论文中研究了改性CNTs的含量对环氧基复合材料力学性能的影响。结果表明，经过改性后的CNTs其分散性要好于未改性的CNTs，同时，随着CNTs含量的逐渐增加，CNTs/环氧树脂复合材料的力学性能先增后减，且最大拉伸强度为67.3MPa，充分说明改性后的CNTs对基体材料的性能有较好的提升。曾勤在“碳纳米管/环氧树脂复合材料的制备和性能研究”论文中探究了CNTs的含量对环氧树脂热学性能的影响。研究结果表明，随着CNTs含量的增加可以有效促进复合材料的固化反应，且还可以有效提高其热学性能，表明CNTs有良好的耐热性能。张秋菊在“纤维增强改性环氧体系的电学与力学性能研究”论文中研究了纤维增强改性环氧体系的电学与力学性能，其中涉及了一种碳纤维/环氧树脂复合材料的制备，其是将碳纤维织成间隔织物处理后作为增强体加入到AG-80环氧树脂基体中形成复合材料，虽然该复合材料提高了其热力学性能，但导电性及其稳定性仍得不到满足。中国专利申请(201010221872.2)公开了一种多壁碳纳米管(MWNTs)杂化CF/EP层合板复合材料的制备方法，该复合材料的制备方法包括将MWNTs的分散剂超声处理获得均匀分散的MWNTs分散液，再利用喷雾器将MWNTs分散液均匀喷涂在碳纤维织物上，经干燥处理后再与环氧树脂热压成型，该申请在CF/EP复合材料中进入MWNTs，改善了碳纤维织物的表面性能，提高了复合材料的力学性能，但该材料的导电性能不足。由以上研究可知CNTs的含量以及改性方式的不同，对复合材料体系性能的影响也会有很大区别。CNTs的加入虽然会有效提高复合材料体系的导电性能，但随着CNTs含量增加到某一区间后，其力学性能会反而呈现下降的趋势，且整体力学性能并不优异，因此需要对导电填料进行改性处理或者需要探究多组分导电填料对复合材料的协同作用，已解决复合导电材料目前发展中的上述瓶颈问题。
技术实现思路
本专利技术正是为了克服上述技术问题，通过对导电填料的改性处理以及对多组分填料的混合来提高复合材料体系电学性能、力学性能、热学性能等的方法进行研究进而提供一种具有良好导电性能、热力学性能且对导电材料用量少的硅烷偶联剂改性CNTs/CFDSF/AG-80环氧树脂复合材料及其制备方法。为此本专利技术所提供如下技术方案：一种硅烷偶联剂改性CNTs/CFDSF/AG-80环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于，该制备方法具体包括以下步骤：(1)对CNTs采用浓硝酸和浓硫酸的混酸溶液进行酸化，将2～5gCNTs置于250～500ml的浓硝酸和浓硫酸的混酸溶液中，其中浓硝酸与浓硫酸的体积比为3:1～4:1，室温超声处理3～4h后在混合溶液中加入蒸馏水进行稀释，用滤膜抽滤，过滤后继续加入适量蒸馏水稀释，静置，取上层清液倒掉，抽滤，重复以上操作本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅烷偶联剂改性CNTs/CFDSF/AG‑80环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于，该制备方法具体包括以下步骤：(1)对CNTs采用浓硝酸和浓硫酸的混酸溶液进行酸化，将2～5g CNTs置于250～500ml的浓硝酸和浓硫酸的混酸溶液中，其中浓硝酸与浓硫酸的体积比为3:1～4:1，室温超声处理3～4h后在混合溶液中加入蒸馏水进行稀释，用滤膜抽滤，过滤后继续加入适量蒸馏水稀释，静置，取上层清液倒掉，抽滤，重复以上操作数次，直至上层清液PH值为7左右，将滤膜过滤出CNTs，放置烘箱干燥后研磨0.5～1h，得到酸化的碳纳米管O‑CNTs；(2)硅烷偶联剂改性CNTs的制备，称取一定量的步骤(1)得到的研磨充分的O‑CNTs，加入适量KH550和DCC，超声处理2～3小时使其混合均匀，搅拌4～6h使其充分反应，将反应得到的混合溶液用适量无水乙醇清洗，以便除去未反应的KH550和DCC，过滤、干燥，研磨0.5～1h，从而得到硅烷偶联剂改性的碳纳米管Si‑CNTs；(3)对碳纤维双层间隔织物(CFDSF)进行处理，将预先织造、裁剪好的碳纤维双层间隔织物进行表面清洗及表面改性处理，具体工艺为：在室温下，将裁剪好的碳纤维双层间隔织物置于超声波清洗液中进行浸泡1～2h后洗涤30～50min，然后取出在95～110℃条件下干燥，干燥后在双层间隔织物上涂覆一定量溶于水的含有无水乙醇的质量百分数为1.5～3wt％的硅烷偶联剂KH550溶液，室温下放置24h～36h，以便乙醇挥发完全，封存待用；(4)配制改性CNTs/AG‑80环氧树脂体系溶液对CFDSF进行浇筑及热固化，将AG‑80环氧树脂、六氢邻苯二甲酸酐固化剂、2,4,6‑二氨基甲基苯酚促进剂、丙酮和无水乙醇稀释剂，分别置于38～45℃的烘箱中预热1～2小时，称取0.3～2.7g占环氧树脂0.5～4.5wt％并研磨充分的经所述步骤(2)处理后的改性碳纳米管Si‑CNTs，将其放在适量丙酮溶液中超声波处理0.5～1h后，按配比倒入环氧树脂中，在35～45℃搅拌4～6h后，超声处理2～3h后在80～90℃抽真空2～3h，接着依次倒入所述固化剂、促进剂、稀释剂后，将混合溶液在40～50℃充分搅拌0.5～1h，65～75℃抽真空0.5～1h，得到改性CNTs/AG‑80环氧树脂体系溶液；随后在模具中放置所述步骤(3)处理后的碳纤维双层间隔织物，涂覆适量甲基硅油，浇筑上述改性CNTs/AG‑80环氧树脂体系溶液后将整个模具抽真空1～2h，静置36～48h，然后在一定温度时间条件下进行热固化，经冷却得到硅烷偶联剂改性CNTs/CFDSF/AG‑80环氧树脂复合材料。...

【技术特征摘要】
1.一种硅烷偶联剂改性CNTs/CFDSF/AG-80环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于，该制备方法具体包括以下步骤：(1)对CNTs采用浓硝酸和浓硫酸的混酸溶液进行酸化，将2～5gCNTs置于250～500ml的浓硝酸和浓硫酸的混酸溶液中，其中浓硝酸与浓硫酸的体积比为3:1～4:1，室温超声处理3～4h后在混合溶液中加入蒸馏水进行稀释，用滤膜抽滤，过滤后继续加入适量蒸馏水稀释，静置，取上层清液倒掉，抽滤，重复以上操作数次，直至上层清液PH值为7左右，将滤膜过滤出CNTs，放置烘箱干燥后研磨0.5～1h，得到酸化的碳纳米管O-CNTs；(2)硅烷偶联剂改性CNTs的制备，称取一定量的步骤(1)得到的研磨充分的O-CNTs，加入适量KH550和DCC，超声处理2～3小时使其混合均匀，搅拌4～6h使其充分反应，将反应得到的混合溶液用适量无水乙醇清洗，以便除去未反应的KH550和DCC，过滤、干燥，研磨0.5～1h，从而得到硅烷偶联剂改性的碳纳米管Si-CNTs；(3)对碳纤维双层间隔织物(CFDSF)进行处理，将预先织造、裁剪好的碳纤维双层间隔织物进行表面清洗及表面改性处理，具体工艺为：在室温下，将裁剪好的碳纤维双层间隔织物置于超声波清洗液中进行浸泡1～2h后洗涤30～50min，然后取出在95～110℃条件下干燥，干燥后在双层间隔织物上涂覆一定量溶于水的含有无水乙醇的质量百分数为1.5～3wt％的硅烷偶联剂KH550溶液，室温下放置24h～36h，以便乙醇挥发完全，封存待用；(4)配制改性CNTs/AG-80环氧树脂体系溶液对CFDSF进行浇筑及热固化，将AG-80环氧树脂、六氢邻苯二甲酸酐固化剂、2,4,6-二氨基甲基苯酚促进剂、丙酮和无水乙醇稀释剂，分别置于38～45℃的烘箱中预热1～2小时，称取0.3～2.7g占环氧树脂0.5～4.5wt％并研磨充分的经所述步骤(2)处理后的改性碳纳米管Si-CNTs，将其放在适量丙酮溶液中超声波处理0.5～1h后，按配比倒入环氧树脂中，在35～45℃搅拌4～6h后，超声处理2～3h后在80～90℃抽真空2～3h，接着依次倒入所述固化剂、促进剂、稀释剂后，将混合溶液在40～50℃充分搅拌0.5～1h，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李亚鹏，付骋宇，蓝海啸，张鹏飞，邵媛媛，
申请(专利权)人：陕西理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61