一种轻质高强碳纤维复合材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种轻质高强碳纤维复合材料的制备方法，属于高分子材料技术领域。本发明专利技术将碳纤维与硝酸混合浸泡，过滤，洗涤，得一次处理碳纤维；将一次处理碳纤维，改性添加剂，沼液，营养液，去离子水搅拌混合发酵，过滤，干燥，得二次处理碳纤维；将二次处理碳纤维与正硅酸乙酯搅拌混合，过滤，干燥，逐级升温，高温处理，降温，得改性碳纤维；将环氧树脂，稀释剂，改性碳纤维，油泥，硅烷偶联剂，固化剂，改性海泡石搅拌混合，注模，热压成型，脱模，即得轻质高强碳纤维复合材料。本发明专利技术提供的轻质高强碳纤维复合材料具有优异的力学性能。

【技术实现步骤摘要】
一种轻质高强碳纤维复合材料的制备方法
本专利技术公开了一种轻质高强碳纤维复合材料的制备方法，属于高分子材料

技术介绍
高强轻质复合材料不仅可以应用于油、气管道保温领域，还可以为海洋开发中的各种装备提供浮力。高强轻质复合材料属于新材料领域。但是在应用过程中，要求高强轻质复合材料本身具有较低的密度和较高的抗压缩强度。但是传统高强轻质复合材料应用于浮力材料领域时，特别是环氧/空心玻璃微珠复合材料应用于海洋开发用浮力材料时，由于空心玻璃微珠的引入会产生一些缺陷导致力学性能的下降。复合材料在压缩情况下常发生开裂或者破坏现象，空心玻璃微珠虽然具有一定的阻止复合材料中开裂蔓延的效果，但效果不大；如果在复合材料中添加一种可以阻止微小开裂继续蔓延的物质，那么就可以大大提高复合材料的力学强度。纤维材料如碳纤维材料在工程应用领域是一种比较好的增强高分子材料的物质，但是碳纤维材料由于本身是碳材料，极性和环氧树脂的极性相差很大，两者的相容性和分散性会出现问题。一方面碳纤维或者说短切碳纤维材料很容易团聚即很难和环氧树脂混合均匀；另外一方面碳纤维和环氧树脂的结合性很差，两者具有很明显的界面，混合后容易产生缺陷，会降低复合材料的力学性能。碳纤维在制备过程中，虽然会引入上浆剂，以改善其与树脂的结合性，但是其上浆剂毕竟和碳纤维本体的结合性较差，无法满足复合浮力材料增强的效果。因此改善碳纤维的表面性能，从而改善其分散性和界面结合性就成为增强环氧复合浮力材料一个比较亟待解决的问题。碳纤维是指在惰性气氛中，由有机纤维或者沥青纤维经过高温碳化而成的碳素纤维，该纤维分子结构介于金刚石和石墨之间，含碳量超过90%的多环结构，目前商业和军事用碳纤维按照原料的不同可以分为三大类，分别为：黏胶基、沥青基以及聚丙烯腈基碳纤维。联合碳化物公司在1959年开展了对碳纤维的研究，开发并生产了黏胶基碳纤维，同时期，A.Shindo采用聚丙烯腈纤维为基础原料，专利技术了生产聚丙烯腈基碳纤维的方法，几乎同时间，某研究院优化了聚丙烯腈基碳纤维的技术方案和工艺条件，实现了高性能聚丙烯腈基碳纤维的工业化制造，联合碳化物公司在1970年又研究开发了高性能沥青基碳纤维，此后，碳纤维的制造工艺取得了飞速的发展，其中聚丙烯腈基碳纤维由于其生产工艺简单，产品性能稳定，力学性能优异，在制造工艺上取得了长足的进步，已发展成为如今碳纤维工业的主流。做为一种高性能纤维，碳纤维具有低密度、强度高、热膨胀系数小、耐高温、摩擦系数小、导电性好、耐高温等突出特点，密度是钢的四分之一，强度是钢的5～6倍。此外，碳纤维的化学特性也非常优秀，具有耐酸碱性好，抗辐射，耐油，抗放射等特性。碳纤维由于其一系列的优异性能被用作高性能复合材料的主要增强材料。碳纤维复合材料因为具有轻质高强等优良性能，在航空航天、土木建筑、清洁能源等领域都取得了广泛的应用，成为未来材料发展的重要方向。目前传统的碳纤维复合材料还存在力学性能无法进一步提升的问题，因此还需对其进行研究。
技术实现思路
本专利技术主要解决的技术问题是：针对传统轻质高强碳纤维复合材料力学性能不佳的问题，提供了一种轻质高强碳纤维复合材料的制备方法。为了解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：（1）将碳纤维与硝酸按质量比1：10～1：20混合浸泡，过滤，洗涤，得一次处理碳纤维；（2）按重量份数计，将20～30份一次处理碳纤维，10～20份改性添加剂，3～5份沼液，2～3份营养液，20～30份去离子水搅拌混合发酵，过滤，干燥至含水率为5～8%，得二次处理碳纤维；（3）将二次处理碳纤维与正硅酸乙酯按质量比1：10～1：20搅拌混合，过滤，干燥，逐级升温，高温处理，降温，得改性碳纤维；（4）按重量份数计，将40～60份环氧树脂，20～30份稀释剂，20～30份改性碳纤维，3～5份油泥，3～5份硅烷偶联剂，5～8份固化剂，10～20份改性海泡石搅拌混合，注模，热压成型，脱模，即得轻质高强碳纤维复合材料。步骤（2）所述改性添加剂的制备过程为：将（N-脒基）十二烷基丙烯酰胺与甲氧基聚乙二醇按质量比1：1～2：1混合，并加入甲氧基聚乙二醇质量0.1～0.2倍的对二氯苯和甲氧基聚乙二醇质量0.07～0.10倍的二茂铁，搅拌混合，即得改性添加剂。步骤（2）所述营养液是由以下重量份数的原料组成：2～3份葡萄糖，2～3份果糖，1～2份甘油，1～2份聚乙二醇，20～30份水。步骤（4）所述环氧树脂为环氧树脂142，环氧树脂144或环氧树脂152中任意一种。步骤（4）所述稀释剂为丙酮，二甲苯，甲苯或乙醇中的任意一种。步骤（4）所述硅烷偶联剂为硅烷偶联剂KH-550，硅烷偶联剂KH-560或硅烷偶联剂KH-570中的任意一种。步骤（4）所述固化剂为二己基三胺，二乙氨基丙胺或三乙烯四胺中的任意一种。步骤（4）所述改性海泡石的制备过程为：将海泡石与盐酸按质量比1：10～1：20搅拌反应，过滤，得滤渣，接着将滤渣焙烧，降温，即得改性海泡石。步骤（3）所述正硅酸乙酯中还可以加入二次处理碳纤维质量20~30%的改性氧化石墨烯；所述改性氧化石墨烯的改性过程为：（1）按重量份数计，依次取10~20份氧化石墨烯，3~5份壳聚糖，100~150份水，混合后超声分散，得分散液；（2）将所得分散液泵送至喷雾干燥器中，于进风温度为120~140℃，出风温度为75~80℃条件下，喷雾造粒，得预处理氧化石墨烯粉体；（3）将预处理氧化石墨烯粉体与质量分数为55%的水合肼溶液，加热搅拌还原反应后，过滤，洗涤和干燥，得改性氧化石墨烯。本专利技术的有益效果是：（1）本专利技术通过添加改性碳纤维，首先，在制备过程中，碳纤维经过硝酸浸泡处理，一方面，使得碳纤维中的空隙得到进一步的拓宽，另一方面，硝酸处理后的使得纤维中的活性基团增多，从而使得碳纤维的吸附性能得到提升，接着在发酵过程中，由于碳纤维中具有良好的吸附性能，能够将改性添加剂和营养液保留在体系中，同时，使得微生物在体系中繁殖，微生物代谢过程中能够产生大量的二氧化碳，添加剂有效成分中分子结构为具有双亲性能的嵌段共聚物，该嵌段共聚物可自组装形成囊泡结构，从而使体系内部分散有该囊泡结构，二氧化碳的产生可与该嵌段共聚物中的脒基团反应，而使脒基团带上正电荷，由于同种电荷相互排斥使囊泡结构内部体积增大，碳纤维内部的空隙经过膨胀囊泡的挤压力，使得体系中孔隙进一步拓宽，在使用过程中，有利于基体树脂经过孔隙渗透到纤维内部，增强了纤维与基体树脂间的界面结合，从而使得体系的力学性能得到提升，接着将二次处理碳纤维与正硅酸乙酯，正硅酸乙酯与二次处理碳纤维中的水反应，生成二氧化硅，一旦体系中生成二氧化硅，就被带电荷的囊泡结构吸附，使得体系中生成的二氧化硅分布在囊泡表面和碳纤维结合处，在高温处理过程中，随着体系中的温度逐渐升高，体系中的二氧化硅，炭质和氮气反应，生成氮化硅，氮化硅构成坚硬的氮化硅骨架，使得纤维的强度得到提升，从而使得体系的力学性能得到进一步的提升；（2）本专利技术技术方案通过辅以自制改性的氧化石墨烯，氧化石墨烯自身结构呈片状，经过改性处理后，片状结构离散成单片状结构，且由原本光滑的片层结构转变为粗糙褶皱的片状结构，褶皱结构的产生有利于呈纤维状分散的碳纤维与之凸起尖锐部分缠绕挂靠，使两者之间本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种轻质高强碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于具体制备步骤如下：（1）将碳纤维与硝酸按质量比1：10～1：20混合浸泡，过滤，洗涤，得一次处理碳纤维；（2）按重量份数计，将20～30份一次处理碳纤维，10～20份改性添加剂，3～5份沼液，2～3份营养液，20～30份去离子水搅拌混合发酵，过滤，干燥至含水率为5～8%，得二次处理碳纤维；（3）将二次处理碳纤维与正硅酸乙酯按质量比1：10～1：20搅拌混合，过滤，干燥，逐级升温，高温处理，降温，得改性碳纤维；（4）按重量份数计，将40～60份环氧树脂，20～30份稀释剂，20～30份改性碳纤维，3～5份油泥，3～5份硅烷偶联剂，5～8份固化剂，10～20份改性海泡石搅拌混合，注模，热压成型，脱模，即得轻质高强碳纤维复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种轻质高强碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于具体制备步骤如下：（1）将碳纤维与硝酸按质量比1：10～1：20混合浸泡，过滤，洗涤，得一次处理碳纤维；（2）按重量份数计，将20～30份一次处理碳纤维，10～20份改性添加剂，3～5份沼液，2～3份营养液，20～30份去离子水搅拌混合发酵，过滤，干燥至含水率为5～8%，得二次处理碳纤维；（3）将二次处理碳纤维与正硅酸乙酯按质量比1：10～1：20搅拌混合，过滤，干燥，逐级升温，高温处理，降温，得改性碳纤维；（4）按重量份数计，将40～60份环氧树脂，20～30份稀释剂，20～30份改性碳纤维，3～5份油泥，3～5份硅烷偶联剂，5～8份固化剂，10～20份改性海泡石搅拌混合，注模，热压成型，脱模，即得轻质高强碳纤维复合材料。2.根据权利要求1所述一种轻质高强碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述改性添加剂的制备过程为：将（N-脒基）十二烷基丙烯酰胺与甲氧基聚乙二醇按质量比1：1～2：1混合，并加入甲氧基聚乙二醇质量0.1～0.2倍的对二氯苯和甲氧基聚乙二醇质量0.07～0.10倍的二茂铁，搅拌混合，即得改性添加剂。3.根据权利要求1所述一种轻质高强碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述营养液是由以下重量份数的原料组成：2～3份葡萄糖，2～3份果糖，1～2份甘油，1～2份聚乙二醇，20～30份水。4.根据权利要求1所述一种轻质高强碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述环氧...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐华，
申请(专利权)人：徐华，
类型：发明
国别省市：广东,44