一种轻质高强度石墨烯碳纤维增强复合材料的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种轻质高强度石墨烯碳纤维增强复合材料的制备方法，包括：通过高压流体剪切机械剥离石墨制得石墨烯粉体；通过聚二烯丙基二甲基氯化铵对石墨烯进行改性处理制得P‑石墨烯；在碳纤维表面引入含氧基团，制得O‑碳纤维；将P‑石墨烯和O‑碳纤维混合制得石墨烯/碳纤维填料；将石墨烯/碳纤维填料与树脂基材依次经过共混、熔融、注塑或热压的方式成型，制得轻质高强度石墨烯增强碳纤维。本发明专利技术以石墨烯浆料对碳纤维进行改性，使碳纳米材料均匀涂覆在纤维表面上制备得到石墨烯纳米材料/碳纤维多尺度增强体，然后树脂基体通过热压成形制备石墨烯增强碳纤维复合材料。

Preparation of a light and high strength graphene carbon fiber reinforced composite

【技术实现步骤摘要】
一种轻质高强度石墨烯碳纤维增强复合材料的制备方法
本专利技术属于复合材料制备领域，更具体涉及一种轻质高强度石墨烯碳纤维增强复合材料及制备方法。
技术介绍
减重是飞机一生的事业，在飞机制造行业中有一句名言是：“为减轻每一克重量而奋斗”。飞机轻量化能带来更低的油耗、更高的运力以及一系列绿色经济效益。因此在不降低飞机材料强度的情况下，减轻重量对飞行器来说至关重要。目前碳纤维复合材料因轻质高强、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性强等一些列特性，在航空航天、汽车、船舶、能源、建筑等领域的应用与日俱增。然而，由于碳纤维表面光滑、惰性大、具有化学活性的官能团少，导致碳纤维与基体树脂之间的界面粘结强度低，界面存在较多缺陷，往往成为复合材料的薄弱环节，因此有必要对碳纤维材料进行改进，使其减少界面缺陷更好的与材料复合。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种适用于无人机壳体材料的轻质高强度石墨烯碳纤维增强复合材料的制备方法。根据本专利技术的一个方面，提供了一种轻质高强度石墨烯增强碳纤维的制备方法，包括：通过高压流体剪切机械剥离石墨制得石墨烯粉体；通过聚二烯丙基二甲基氯化铵对石墨烯进行改性处理制得P-石墨烯；在碳纤维表面引入含氧基团，制得O-碳纤维；将P-石墨烯和O-碳纤维混合制得石墨烯/碳纤维填料；将石墨烯/碳纤维填料与树脂基材依次经过共混、熔融、注塑或热压的方式成型，制得轻质高强度石墨烯增强碳纤维。在一些实施方式中，所制得的石墨烯粉体的层数≤5层、粒径≤1-10μm、碳含量(wt％)≥99.9％、氧含量(wt％)≤0.01％、灰分≤0.1％。在一些实施方式中，将聚二烯丙基二甲基氯化铵、石墨烯和去离子水配制混合液；超声处理混合液；在混合液中加入氯化钠反应后依次过滤、洗涤和干燥，制得P-石墨烯。在一些实施方式中，将石墨烯分散在去离子水中，加入聚二烯丙基二甲基氯化铵配成质量分数为0.5％的混合液；超声处理混合液30min；缓慢地加入氯化钠NaCl至其质量分数达到0.5％，反应2-5h接着过滤，用去离子水洗涤4-6次除去未反应的PDDA，置于真空干燥箱中在60-80℃下干燥24h，制得P-石墨烯。在一些实施方式中，将碳纤维在碳纤维回流溶液中回流以除去其表面的杂质；将碳纤维放在臭氧氧化箱中以在其表面引入含氧基团，制得O-碳纤维。在一些实施方式中，将碳纤维在碳纤维回流溶液中回流32-64小时，除去碳纤维表面的杂质；将碳纤维在50-80℃下，放在臭氧氧化箱中3-6小时，在碳纤维表面引入含氧基团，所制得的碳纤维命名为O-碳纤维。在一些实施方式中，所述碳纤维回流溶液为丙酮、乙醇、异丙醇、正丁醇中的一种或两种的混合液。在一些实施方式中，将P-石墨烯溶于去离子水中形成稳定悬浮液；在稳定悬浮液中加入O-碳纤维混合，所述P-石墨烯和O-碳纤维的质量百分比为3-5:1搅拌均匀、过滤干燥，制得石墨烯/碳纤维填料。在一些实施方式中，所述石墨烯/碳纤维填料与树脂基材的质量百分比例为3-10︰100。在一些实施方式中，所述树脂基材包括酚醛树脂、脲醛树脂、三聚氰胺树脂、不饱和聚酯树脂、环氧树脂、有机硅树脂、聚氨酯或聚酰胺酯。其有益效果为：本专利技术将石墨烯引入碳纤维材料，首先合成复合填料，再将复合填料和基体树脂进行复合，制备的石墨烯增强碳纤维无人机壳体材料解决了碳纤维和基体树脂之间粘结缺陷，同时，由于石墨烯质量较轻且石墨烯的加入会减少碳纤维包括环氧树脂的使用，在强度增强的基础上进一步减轻了复合材料的重量，此外，本专利技术的碳纤维材料具有较高的比表面积疏水性和导电性能，具有一定抗结冰抗雷击的效果，适用于无人机壳体材料。本专利技术以石墨烯浆料对碳纤维进行改性，使碳纳米材料均匀涂覆在纤维表面上制备得到石墨烯纳米材料/碳纤维多尺度增强体，然后树脂基体通过热压成形制备石墨烯增强碳纤维复合材料。本专利技术制备的石墨烯增强碳纤维复合材料具有空间网状结构，减弱石墨烯层间的相互作用力，减弱其层间叠加现象，加强石墨烯和碳纤维以及基体树脂材料的相互结合能力，使石墨烯从点到面到立体进行性能的叠加、均匀分布在整个材料中，且不会破坏石墨烯本身架构，保持了石墨烯材料本身的优良性能。本专利技术所制备的石墨烯增强碳纤维材料不仅具有很高的导热性能、热辐射好的性能，同时在高强度情况下，具有比碳纤维材料更明显的减重效果。附图说明图1为本专利技术一实施方式的一种轻质高强度石墨烯碳纤维增强复合材料的制备方法的流程图；图2为本专利技术实施例1的一种轻质高强度石墨烯碳纤维增强复合材料的制备方法所制备的石墨烯的SEM图；图3为本专利技术实施例2的一种轻质高强度石墨烯碳纤维增强复合材料的制备方法所制备的石墨烯的SEM图。具体实施方式图1示意性地显示本专利技术的一种实施方式的应用于无人机外壳的轻质高强度石墨烯碳纤维增强复合材料的制备方法，如图1所示，该制备方法包括如下步骤：石墨烯的制备：此制备方法采用高压流体剪切方法将石墨剥离为石墨烯粉体。通过机械剥离石墨制备石墨烯，具体地，通过高压流体剪切剥离石墨制备得到石墨烯粉体，所制得的石墨烯粉体的层数≤5层、粒径≤1-10μm、碳含量(wt％)≥99.9％，氧含量(wt％)≤0.01％，灰分≤0.1％。所制得石墨烯粉体的SEM图如图2和图3所示。石墨烯的改性：将石墨烯分散在去离子水中，加入PDDA(聚二烯丙基二甲基氯化铵)配成质量分数为0.5％的混合液，超声处理30min，然后缓慢地加入氯化钠(NaCl)至其质量分数达到0.5％，反应2-5h接着过滤，用去离子水洗涤4-6次，在该实施例中，用去离子水洗涤5次，除去未反应的PDDA，置于真空干燥箱中，在60-80℃下干燥24h。经PDDA改性的石墨烯为P-石墨烯。碳纤维的处理：首先将碳纤维在碳纤维回流溶液中回流32-64小时，除去碳纤维表面的杂质，然后将碳纤维在50-80℃下，放在臭氧氧化箱中3-6小时，在碳纤维表面引入含氧基团，所制得的碳纤维命名为O-碳纤维。其中，碳纤维回流溶液为丙酮、乙醇、异丙醇、正丁醇中的一种或两种的混合液。在该实施例中，碳纤维回流溶液为丙酮溶液。改性石墨烯和碳纤维的复合：首先取一定量的P-石墨烯溶于去离子水中，超声处理形成稳定悬浮液，然后将P-石墨烯和O-碳纤维以质量比为3-5:1混合，搅拌分散均匀，过滤干燥，即可得到石墨烯/碳纤维填料。石墨烯增强的碳纤维复合材料的制备：将制备好的石墨烯/碳纤维填料与树脂基材按照质量比为3-10︰100的比例通过搅拌的方式共混，经过熔融，通过注塑或热压的方式成型，制得石墨烯纤维复合材料。其中，树脂基材包括酚醛树脂、脲醛树脂、三聚氰胺树脂、不饱和聚酯树脂、环氧树脂、有机硅树脂、聚氨酯或聚酰胺酯等。实施例1石墨烯的制备：通过机械剥离制备石墨烯，具体地，通过高压流体剪切剥离石墨制备得到石墨烯粉体，所制得的石墨烯粉体的层数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种轻质高强度石墨烯增强碳纤维的制备方法，其特征在于，包括：/n通过高压流体剪切机械剥离石墨制得石墨烯粉体；/n通过聚二烯丙基二甲基氯化铵对石墨烯进行改性处理制得P-石墨烯；/n在碳纤维表面引入含氧基团，制得O-碳纤维；/n将P-石墨烯和O-碳纤维混合制得石墨烯/碳纤维填料；/n将石墨烯/碳纤维填料与树脂基材依次经过共混、熔融、注塑或热压的方式成型，制得轻质高强度石墨烯增强碳纤维。/n

【技术特征摘要】
1.一种轻质高强度石墨烯增强碳纤维的制备方法，其特征在于，包括：
通过高压流体剪切机械剥离石墨制得石墨烯粉体；
通过聚二烯丙基二甲基氯化铵对石墨烯进行改性处理制得P-石墨烯；
在碳纤维表面引入含氧基团，制得O-碳纤维；
将P-石墨烯和O-碳纤维混合制得石墨烯/碳纤维填料；
将石墨烯/碳纤维填料与树脂基材依次经过共混、熔融、注塑或热压的方式成型，制得轻质高强度石墨烯增强碳纤维。


2.根据权利要求1所述的轻质高强度石墨烯增强碳纤维的制备方法，其特征在于，所制得的石墨烯粉体的层数≤5层、粒径≤1-10μm、碳含量(wt％)≥99.9％、氧含量(wt％)≤0.01％、灰分≤0.1％。


3.根据权利要求1所述的轻质高强度石墨烯增强碳纤维的制备方法，其特征在于，
将聚二烯丙基二甲基氯化铵、石墨烯和去离子水配制混合液；
超声处理混合液；
在混合液中加入氯化钠反应后依次过滤、洗涤和干燥，制得P-石墨烯。


4.根据权利要求3所述的轻质高强度石墨烯增强碳纤维的制备方法，其特征在于，
将石墨烯分散在去离子水中，加入聚二烯丙基二甲基氯化铵配成质量分数为0.5％的混合液；
超声处理混合液30min；
缓慢地加入氯化钠NaCl至其质量分数达到0.5％，反应2-5h接着过滤，用去离子水洗涤4-6次除去未反应的PDDA，置于真空干燥箱中在60-80℃下干燥24h，制得P-石墨烯。


5...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘厚刚，曹乐乐，程亮，钟镇星，王庆，萧小月，
申请(专利权)人：青岛德通纳米技术有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37