一种碳纤维复合材料的制备方法技术

碳纤维复合材料的制备方法包括：将芳香族二元酐与有机二元胺在极性质子溶剂中制得芳稠环分子质量份数为1％～5％的芳稠环分子溶液；将碳纳米材料加至芳稠环分子溶液中，超声分散，将pH值调为5～9，制得碳纳米材料质量浓度为0.3～0.9mg/mL的分子组装液；将未上浆的碳纤维在分子组装液中浸渍，真空干燥，在碳纤维表面形成模量过渡层；将含模量过渡层的碳纤维与树脂体系预浸复合，按固化温度加热，制得碳纤维复合材料。通过在碳纤维表面构筑碳纳米材料/芳稠环组装体，提高了碳纤维复合材料的界面相模量，使得碳纤维与树脂基体的模量平稳过渡，且树脂基体能充分浸润过渡层，实现碳纤维与树脂基体的机械啮合和化学键结合，改善碳纤维复合材料的界面粘结性能。

Preparation of a Carbon Fiber Composite Material

The preparation methods of carbon fiber composites include: preparing aromatic fused ring molecular solution with molecular weight of 1%-5% from aromatic dibasic anhydride and organic dibasic amine in polar molecular solvent; adding carbon nanomaterials to aromatic fused ring molecular solution, ultrasonic dispersion, adjusting pH value to 5-9, and preparing carbon nanomaterials molecular assembly solution with mass concentration of 0.3-0.9 mg/mL; and adding non-aromatic fused ring molecular solution to aromatic fused ring molecular solution. The sizing carbon fibers were impregnated in the molecular assembly solution and dried in vacuum to form a modulus transition layer on the surface of carbon fibers. Carbon fibers with modulus transition layer were pre-impregnated with resin system and heated at curing temperature to prepare carbon fibers composite. By constructing carbon nano-materials/aromatic fused ring assembly on the surface of carbon fibers, the interfacial phase modulus of carbon fibers composites is improved, the modulus of carbon fibers and resin matrix is smoothly transited, and the resin matrix can fully infiltrate the transition layer, realize the mechanical meshing and chemical bonding between carbon fibers and resin matrix, and improve the interfacial bonding performance of carbon fibers composites.

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维复合材料的制备方法
本专利技术涉及复合材料领域，尤其涉及一种碳纤维复合材料的制备方法。
技术介绍
碳纤维是由片状石墨微晶沿着纤维轴向堆砌而成的类石墨结构，表面粗糙度低，化学惰性大，与树脂基体的粘结性差，商业化碳纤维表面一般涂覆一层上胶剂，作为连接纤维和树脂基体的界面相和传递载荷的“桥梁”，但由于碳纤维和树脂基体的模量差异过大，并不利于应力在碳纤维与树脂基体之间均匀传递。为使碳纤维和树脂基体之间的模量平稳过渡，文献(应用表明科学，2015，347，583-590)以碳纳米管(CNTs)与碳纤维表面的物理吸附形成界面相模量过渡层，但是CNTs团聚导致应力集中，复合材料容易发生界面脱粘破坏。中国专利(CN104884511A)以相容性优于环氧树脂的聚芳酰胺刚性聚合物在碳纤维构筑了界面过渡相，但是需要通过韧性的迁移剂形成刚性聚合物的溶度梯度，才能使界面相模量平稳过渡，该方法工艺繁琐且无法保证稳定性。
技术实现思路
为了提高碳纤维复合材料的界面相模量，改善碳纤维复合材料的界面粘结性能。本专利技术提供了一种碳纤维复合材料的制备方法。本专利技术提供的碳纤维复合材料的制备方法，包括：将芳香族二元酐与有机二元胺在极性质子溶剂中，制得芳稠环分子质量份数为1％～5％的芳稠环分子溶液；将碳纳米材料加入至芳稠环分子溶液中，超声分散，将pH值调节为5～9，制得碳纳米材料的质量浓度为0.3mg/mL～0.9mg/mL的分子组装液；将未上浆的碳纤维在分子组装液中浸渍，真空干燥，在碳纤维表面形成模量过渡层；将含模量过渡层的碳纤维与树脂体系预浸复合，按固化温度加热，制得碳纤维复合材料。优选的，在上述制备方法中，将摩尔比为1:2～1:4的芳香族二元酐与有机二元胺加入至含有催化剂的极性质子溶剂中，在65℃～120℃下反应16～32h，制得芳稠环分子溶液，其中催化剂的用量为芳香族二元酐质量的0.1％～0.3％。优选的，在上述制备方法中，将未上浆的碳纤维在分子组装液中浸渍2～10min，真空干燥后，在碳纤维表面形成模量过渡层，其中，模量过渡层的质量为碳纤维质量的0.5％～2％。优选的，在上述制备方法中，芳香族二元酐为1,4,5,8-萘四甲酸二酐、3,4,9,10-苝四甲酸二酐、均苯四甲酸二酐、联苯四甲酸二酐、3,3',4,4'-二苯甲酮四甲酸二酐、2,3,3',4'-二苯醚四甲酸二酐、3,3',4,4'-三苯双醚四甲酸二酐中的一种或多种组合。优选的，在上述制备方法中，有机二元胺为脂肪族二元胺、芳香族二元胺和脂环族二元胺中的一种或多种组合。优选的，在上述制备方法中，极性质子溶剂为乙醇、甲醇、乙二醇、丙三醇中的一种或多种组合。优选的，在上述制备方法中，在超声分散后，通过碱性溶液调节pH值，其中，碱性溶液为氢氧化钠溶液、氢氧化钙溶液、氢氧化钾溶液中的一种或多种组合。优选的，在上述制备方法中，碳纳米材料为碳纳米管、石墨烯、富勒烯中的一种或多种组合。优选的，在上述制备方法中，碳纤维为高模碳纤维、高强碳纤维、高强中模碳纤维、高强高模碳纤维中的一种。优选的，在上述制备方法中，树脂体系为环氧树脂、酚醛树脂、双马来酰亚胺、氰酸酯、聚酰亚胺中的一种或多种组合。本专利技术提供的纤维复合材料的制备方法，通过在碳纤维表面构筑碳纳米材料/芳稠环组装体作为模量过渡层，提高了碳纤维复合材料的界面相模量，使得碳纤维与树脂基体的模量平稳过渡，同时树脂基体能充分浸润模量过渡层，实现碳纤维与树脂基体的机械啮合和化学键结合，改善碳纤维复合材料的界面粘结性能。附图说明为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。图1是本专利技术的实施例1中的碳纤维表面的碳纳米管/纳米针叶状芳稠环组装过渡层的SEM形貌图。图2a是本专利技术的实施例1中的含模量过渡层的碳纤维复合材料AFM力学模式形貌以及图2b是模量变化图。图3是本专利技术的实施例2中的碳纤维表面的石墨烯/纳米圆片状芳稠环组装过渡层的SEM形貌图。图4是本专利技术的实施例1～3以及对比例中的单丝复合材料的微脱粘界面剪切强度。具体实施方式根据下述实施例，可以更好地理解本专利技术。然而，本实施例所描述的内容仅用于说明本专利技术，而不应当也不会限制权利要求书所描述的本专利技术。本专利技术提供的碳纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：将芳香族二元酐与有机二元胺在极性质子溶剂中，制得芳稠环分子质量份数为1％～5％的芳稠环分子溶液。在该步骤中，将摩尔比为1:2～1:4芳香族二元酐与有机二元胺在含有催化剂的溶剂中，在65℃～120℃下反应16～32h制得芳稠环分子溶液，相对有机二元酐用量，催化剂质量份数为0.1％～0.3％。优选的，芳香族二元酐为1,4,5,8-萘四甲酸二酐、3,4,9,10-苝四甲酸二酐、均苯四甲酸二酐、联苯四甲酸二酐、3,3',4,4'-二苯甲酮四甲酸二酐、2,3,3',4'-二苯醚四甲酸二酐、3,3',4,4'-三苯双醚四甲酸二酐中的一种或多种组合；有机二元胺为脂肪族二元胺、芳香族二元胺和脂环族二元胺中的一种或多种组合；以及极性质子溶剂为乙醇、甲醇、乙二醇、丙三醇中的一种或几种组合而成的混合溶液。其中，催化剂的种类根据所选用的芳香族二元酐与有机二元胺来定，具体如实施例中所举。将碳纳米材料加入至芳稠环分子溶液中，超声分散，将pH值调节为5～9，优选的调节到6～9，制得碳纳米材料的质量浓度为0.3mg/mL～0.9mg/mL的分子组装液。在该步骤中，碳纳米材料经超声分散后吸附芳稠环分子。优选的，可以使用碱性溶液调节pH值，碱性溶液为氢氧化钠(NaOH)溶液、氢氧化钙(Ca(OH)2)溶液、氢氧化钾(KOH)溶液中的一种或多种组合。碳纳米材料为碳纳米管、石墨烯、富勒烯中的一种或多种组合。将未上浆的碳纤维在分子组装液中浸渍，真空干燥，在碳纤维表面形成模量过渡层。将未上浆的碳纤维浸渍在分子组装液中，浸渍时间为2～10min，然后在干燥烘箱中真空干燥，收卷后，在碳纤维表面形成碳纳米材料/不同形貌芳稠环组装过渡层，即，模量过渡层。其中，模量过渡层的质量为碳纤维质量的0.5％～2％。芳稠环分子具有共平面的共轭体系结构，可以通过分子组装液的溶剂挥发促使芳稠环分子间π-π堆积,并以分子组装液pH值调控端氨基-NH3+间氢键作用，可以驱动其组装成不同形貌，进一步通过π-π共轭和静电吸引，芳稠环组装体可吸附于碳纳米材料，形成碳纳米材料/芳稠环组装体作为模量过渡层。其中，芳稠环自组装体可以为纳米针叶、纳米圆片、纳米棒、纳米线、纳米球、纳米花中的一种或多种组合。碳纤维为高模碳纤维、高强碳纤维、高强中模碳纤维、高强高模碳纤维中的一种。碳纳米材料/芳稠环组装体可以π-π共轭作用吸附于碳纤维表面，形成界面过渡层，而且不会损伤碳纤维的本体强度，实现碳纤维表面的物化改性，能有效提高碳纤维与树脂基体的粘结性能。将含模量过渡层的碳纤维与树脂体系预浸复合，按固化温度加热，获得界面增强的碳纤维复合材料。树脂体系为环氧树脂、酚醛树脂、双马来酰亚胺、氰酸酯、聚酰亚胺中的一种或多种组合。在该步骤中，加热温度根据选用的树脂来定，具体地，温度为具体所选树脂的固化温度。实施例1(1)芳稠环分子的设计制备：将摩尔比为1:2的1,4,5,8-萘本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包括：将芳香族二元酐与有机二元胺在极性质子溶剂中，制得芳稠环分子质量份数为1％～5％的芳稠环分子溶液；将碳纳米材料加入至所述芳稠环分子溶液中，超声分散，将pH值调节为5～9，制得所述碳纳米材料的质量浓度为0.3mg/mL～0.9mg/mL的分子组装液；将未上浆的碳纤维在所述分子组装液中浸渍，真空干燥，在所述碳纤维表面形成模量过渡层；将含所述模量过渡层的碳纤维与树脂体系预浸复合，按固化温度加热，制得碳纤维复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包括：将芳香族二元酐与有机二元胺在极性质子溶剂中，制得芳稠环分子质量份数为1％～5％的芳稠环分子溶液；将碳纳米材料加入至所述芳稠环分子溶液中，超声分散，将pH值调节为5～9，制得所述碳纳米材料的质量浓度为0.3mg/mL～0.9mg/mL的分子组装液；将未上浆的碳纤维在所述分子组装液中浸渍，真空干燥，在所述碳纤维表面形成模量过渡层；将含所述模量过渡层的碳纤维与树脂体系预浸复合，按固化温度加热，制得碳纤维复合材料。2.根据要求1所述的制备方法，其特征在于，将摩尔比为1:2～1:4的芳香族二元酐与有机二元胺加入至含有催化剂的极性质子溶剂中，在65℃～120℃下反应16～32h，制得所述芳稠环分子溶液，其中所述催化剂的用量为所述芳香族二元酐质量的0.1％～0.3％。3.根据要求1所述的制备方法，其特征在于，将所述未上浆的碳纤维在所述分子组装液中浸渍2～10min，真空干燥后，在所述碳纤维表面形成模量过渡层，其中，所述模量过渡层的质量为所述碳纤维质量的0.5％～2％。4.根据要求1所述的制备方法，其特征在于，所述芳香族二...

【专利技术属性】
技术研发人员：李刚，林家伟，杨小平，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11