用于架空输电导线的阻燃高韧性碳纤维复合材料制造技术

本发明专利技术涉及用于架空输电导线的阻燃高韧性碳纤维复合材料，属于碳纤维复合材料技术领域。用于架空输电导线的阻燃高韧性碳纤维复合材料，由如下重量份的成分制成：聚丙烯腈50‑60份、单层石墨烯粉末20‑30份、细菌纤维素8‑15份、甲基丙烯酸甲酯5‑10份、1,6‑二溴己烷5‑10份、热固性树脂30‑40份、纳米氢氧化镁1‑5份、纳米气凝胶3‑6份。本发明专利技术碳纤维复合材料具有高韧性以及良好的阻燃性能。

【技术实现步骤摘要】
用于架空输电导线的阻燃高韧性碳纤维复合材料
本专利技术属于碳纤维复合材料
，具体涉及用于架空输电导线的阻燃高韧性碳纤维复合材料。
技术介绍
碳纤维是一种以聚丙烯腈(PAN)、沥青、粘胶纤维等为原料经预氧化、碳化、石墨化工艺而制得的含碳量大于90%的特种纤维，是航空航天、国防军事工业不可缺少的工程材料，同时在体育用品、交通运输、医疗器械和土木建筑等民用领域也有着广泛应用。PAN基碳纤维生产工艺简单、产品综合性能好，因而发展很快，产量占到90%以上，成为最主要的品种。公开号CN102560746A公开了一种聚丙烯腈/石墨烯复合物基碳纤维的制备方法，首先通过原位聚合的方法制备均匀分散有石墨烯的聚丙烯腈混合溶液，然后以该混合溶液作为纺丝原液，经湿法纺丝或干喷湿纺工艺得到聚丙烯腈/石墨烯复合物原丝，最后对该原丝进行预氧化和碳化处理得到聚丙烯腈/石墨烯复合物基碳纤维。公开号CN102586952A公开了一种石墨烯增强聚丙烯腈碳纤维的制备方法，包括：(1)制备石墨烯或氧化石墨烯；(2)制备石墨烯/聚丙烯腈纺丝液；(3)制备石墨烯/聚丙烯腈基复合纤维；(4)制备石墨烯/聚丙烯腈基碳。该专利技术有效地提高了氧化石墨烯在聚合物基体中的分散和界面结合力，进一步提高了碳纤维的综合性能，所制备碳纤维的力学性能得到明显提高，可以用于材料增强、导电、抗静电、导热等多个领域，且本专利技术制备工艺简单，易控制，成本低。上述PAN基碳纤维复合材料均在一定程度上提高了碳纤维的某些性能，但是对于碳纤维复合材料的韧性提高有限，还有待进一步改进。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种用于架空输电导线的阻燃高韧性碳纤维复合材料。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：用于架空输电导线的阻燃高韧性碳纤维复合材料，由如下重量份的成分制成：聚丙烯腈50-60份、单层石墨烯粉末20-30份、细菌纤维素8-15份、甲基丙烯酸甲酯5-10份、1,6-二溴己烷5-10份、热固性树脂30-40份、纳米氢氧化镁1-5份、纳米气凝胶3-6份。优选地，所述用于架空输电导线的阻燃高韧性碳纤维复合材料，由如下重量份的成分制成：聚丙烯腈55份、单层石墨烯粉末23份、细菌纤维素10份、甲基丙烯酸甲酯6份、1,6-二溴己烷8份、热固性树脂35份、纳米氢氧化镁3份、纳米气凝胶5份。优选地，所述热固性树脂为酚醛树脂或环氧树脂。优选地，所述固化剂为聚醚胺D230或六次甲基四胺。优选地，所述用于架空输电导线的阻燃高韧性碳纤维复合材料，通过如下制备方法获得：1）制备碳纤维，包括如下步骤：1.1）将细菌纤维素超微粉碎，加蒸馏水，充分搅拌，然后与单层石墨烯粉末溶液混合，持续搅拌10-12小时，超声处理30-60分钟，在铜网上进行点样，低于40℃下干燥，利用真空镀膜系统进行镀膜，得到细菌纤维素-石墨烯复合材料；1.2）将细菌纤维素-石墨烯复合材料分散于甲基丙烯酸甲酯中，与聚丙烯腈粉末和1,6-二溴己烷混合，20-25℃下，隔绝空气放置溶胀，然后在搅拌状态下加热溶解，得到纺丝液；1.3)将纺丝液经过滤、计量挤出喷丝板，在含有乙醇的溶液中初成纤维，然后进行牵伸、水洗、上油、干燥和卷绕，得到原丝；1.4)将原丝进行预氧化和碳化处理，得到碳纤维；2）将热固性树脂、纳米氢氧化镁和纳米气凝胶在高速搅拌作用下混合，时间40-80分钟，加入碳纤维，得预成型料，经绞合、包覆、绞制和热处理，得到碳纤维复合材料。优选地，所述超声处理的功率为250-300W，频率为40-50kHz。优选地，所述真空镀膜系统的镀膜参数为，真空度为1×10-4Pa，放置时间为72-84h。关于细菌纤维素碳化制备得到的碳纤维的应用研究已比较广泛，但主要集中于利用其力学性能作为聚合物增强材料，利用其高比表面积应用于燃料电池、异相催化等催化剂载体及生物医药、传感器和吸波材料等方面，但是用于架空输电导线的阻燃高韧性碳纤维复合材料则鲜少涉及。公知的碳纤维复合材料是碳纤维与树脂、金属、陶瓷灯材料基体复合而成的，强度、弹性模量等比起普通的碳纤维来说都有所提高，但是却有非常大的缺点，韧性差。为此，科学家们也做了很多这方面的研究，取得了一定的成果。解决这一问题通常有两个方法，一是使用碳纤维束，但是实际应用很困难；二是减少界面间的键合力，在纤维表面上涂一层油，虽然使截面剪切应力大大降低，可是剪切强度大为减少，不实用。细菌纤维素为纳米纤维，不仅可以保持树脂基体的高透明性，还可以提高树脂基体的力学性能赋予其出色的柔性和韧性，因此，本专利技术尝试利用细菌纤维素的这一特性，以提高碳纤维复合材料的韧性。与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：本专利技术将细菌纤维素与单层石墨烯粉末制成复合材料，然后与聚丙烯腈复合制成碳纤维，最后与热固性树脂复合制成复合材料，所得复合材料较之聚丙烯腈与热固性树脂的复合材料，或聚丙烯腈、石墨烯与热固性树脂的复合材料而言，力学性能突出，表现在抗拉强度可以达到6.0GPa以上，弯曲强度达到8.0GPa以上，同时复合材料的冲击后压缩强度具有显著地提高。研究显示（参阅：张宝艳,陈祥宝,李敏,etal.碳纤维增强双马来酰亚胺树脂基复合材料体系冲击后压缩强度研究[J].航空材料学报,2002,22(001):36-40.），目前国际上愈来愈倾向于采用冲击后压缩强度作为表征树脂基复合材料韧性的决定性指标，与本专利技术所得性能指标相结合可以得知，本专利技术复合材料的韧性表现突出，对冲击作用不敏感，受到外物冲击后不容易发生损伤。此外，本专利技术在复合材料中添加适量的纳米氢氧化镁和纳米气凝胶，与热固性树脂混合稳定性好，本专利技术经过研究发现，在本专利技术复合材料中加入上述材料具有优异的阻燃效果，而且还有助于材料韧性的提高。具体实施方式下面结合具体实施例，对本专利技术做进一步说明。聚丙烯腈，上海迈瑞尔化学技术有限公司；单层石墨烯粉末，纯度：99.8%；厚度：0.8-1.2nm；直径：0.5-5μm；单层率：~80%；细菌纤维素，海南亿德食品有限公司。复合材料性能检测方法：拉伸强度参照GB/T33501-2017标准在万能力学试验机上进行测试，拉伸速度设置为5mm/min；试件为标准哑铃形试件，长度165mm，两端宽度19mm，中间测试部分宽度为13mm，标距为50mm，弧半径为76mm，每组8个试件。弯曲强度参照GB/T1449-2005标准在万能力学试验机上进行测试，试件长度80mm，宽度15mm，厚度4mm，支点跨距为64mm，加压速度设置为10mm/min，每组8个试件。冲击后压缩强度（CAI）参照GB/T21239-2007标准在组合冲击试验机上进行测试，试件长度80mm，宽度10mm，厚度5mm，跨距为60mm，冲击速度为2.9m/s，锤摆能量为2J，每组测试10个试样。阻燃性能：参照GB/T2408-2008标准，采用垂直燃烧法进行测试；试样尺寸：长本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于架空输电导线的阻燃高韧性碳纤维复合材料，其特征在于：由如下重量份的成分制成：聚丙烯腈50-60份、单层石墨烯粉末20-30份、细菌纤维素8-15份、甲基丙烯酸甲酯5-10份、1,6-二溴己烷5-10份、热固性树脂30-40份、纳米氢氧化镁1-5份、纳米气凝胶3-6份。/n

【技术特征摘要】
1.用于架空输电导线的阻燃高韧性碳纤维复合材料，其特征在于：由如下重量份的成分制成：聚丙烯腈50-60份、单层石墨烯粉末20-30份、细菌纤维素8-15份、甲基丙烯酸甲酯5-10份、1,6-二溴己烷5-10份、热固性树脂30-40份、纳米氢氧化镁1-5份、纳米气凝胶3-6份。


2.根据权利要求1所述的用于架空输电导线的阻燃高韧性碳纤维复合材料，其特征在于：由如下重量份的成分制成：聚丙烯腈55份、单层石墨烯粉末23份、细菌纤维素10份、甲基丙烯酸甲酯6份、1,6-二溴己烷8份、热固性树脂35份、纳米氢氧化镁3份、纳米气凝胶5份。


3.根据权利要求1或2所述的用于架空输电导线的阻燃高韧性碳纤维复合材料，其特征在于：所述热固性树脂为酚醛树脂或环氧树脂。


4.根据权利要求1或2所述的用于架空输电导线的阻燃高韧性碳纤维复合材料，其特征在于：所述固化剂为聚醚胺D230或六次甲基四胺。


5.根据权利要求1或2所述的用于架空输电导线的阻燃高韧性碳纤维复合材料，其特征在于：通过如下制备方法获得：
1）制备碳纤维，包括如下步骤：
1.1）将细菌纤维素超微粉碎，加蒸...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜鹏博，魏小宁，徐嘉明，贵童，徐华，
申请(专利权)人：国网河南省电力公司周口供电公司，国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：河南;41