一种具有多组分仿生层级结构的碳纤维、制备方法及复合材料技术

本发明专利技术提供了一种具有多组分仿生层级结构的碳纤维、制备方法及复合材料，属于碳纤维表面处理与复合材料制备方法技术领域。本发明专利技术是通过层层自组装的方法将改性处理的无机纳米粒子氧化石墨烯和碳纳米管与有机基质聚醚胺结合组装在碳纤维表面，在碳纤维表面设计了一种具有多组分多层次的仿生层级结构。本发明专利技术通过将层级结构碳纤维与环氧树脂结合，制备了一种具有高导热、高强度、高耗能和延迟性灾难破坏的多组分仿生层级结构的碳纤维环氧树脂复合材料。本发明专利技术所制备的多组分仿生层级结构碳纤维具有鱼鳞层级结构。与未处理的碳纤维环氧树脂复合材料相比，本发明专利技术所制备的多组分仿生层级结构碳纤维环氧树脂复合材料具有更高的导热性能和机械强度。的导热性能和机械强度。的导热性能和机械强度。

【技术实现步骤摘要】
一种具有多组分仿生层级结构的碳纤维、制备方法及复合材料


[0001]本专利技术属于碳纤维表面处理与复合材料制备方法
，涉及一种具有多组分仿生层级结构的碳纤维、制备方法及复合材料。

技术介绍

[0002]众所周知，碳纤维作为一种由碳元素组成的特种纤维，具有耐高温、抗摩擦、耐腐蚀、导电和导热等优异性能，同时是一种高强度，低密度，高模量比的纤维增强材料，已经成为高端领域的重要增强材料。随着航空航天、交通运输、医疗器械等领域的迅猛发展，各行各业对高性能复合材料的要求也在不断提高，碳纤维复合材料的发展脚步需要与时俱进。对于碳纤维环氧树脂复合材料而言，良好的界面结合性是材料发挥其优异特性的必要前提，碳纤维复合材料的机械性能不仅取决于碳纤维和树脂基体的本身性能，同时也取决于碳纤维与基体之间的界面粘结性。尽管碳纤维本身具有优异的力学性能，但是由于碳纤维在生产中需要经过预氧化以及碳化的过程，经加工后的碳纤维表面化学惰性、光滑且活性基团较少，在与树脂基体复合的过程中，很难实现良好的浸润性和界面结合，以至于难以充分发挥出碳纤维的增强作用，而作为纤维与树脂基体之间的连接“纽带”，界面的粘结性以及微观结构在复合材料的整体性能中十分重要。研究表明，与传统的碳纤维表面改性方法上浆、涂层、化学接枝、氧化处理、等离子体处理、高能辐射和电化学沉积等方法相比，在碳纤维表面构造多组分仿生层级微结构，其微结构可显著增强材料的机械性能，包括强度、刚度、柔韧性、断裂韧性、耐磨性和能量吸收。受生物机体天然无机矿物和有机基质优异结合的启发，通过在碳纤维表面构造氧化石墨烯、聚醚胺和碳纳米管多组分仿生层级结构，同时运用碳纤维增强要素构成各种各样的有序结构，以实现其材料性能的增强和有序调控，制备具有高强度、高导电、高耗能与延迟性灾难破坏的多组分仿生层级碳纤维环氧树脂复合材料。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供了一种具有多组分仿生层级结构的碳纤维、制备方法及复合材料，该方法通过层层自组装在碳纤维表面设计一种多组分仿生层级结构，将制备得到的多组分仿生层级结构的碳纤维与环氧树脂结合，制备一种具有高强度、高导电、高耗能与延迟性灾难破坏的多组分仿生层级碳纤维环氧树脂复合材料。
[0004]本专利技术首先提供一种具有多组分仿生层级结构的碳纤维的制备方法，该方法包括以下步骤：
[0005]步骤一：将氧化石墨烯和羧基化的碳纳米管分别进行改性，得到改性氧化石墨烯和碳纳米管；
[0006]步骤二：将步骤一得到的改性氧化石墨烯和碳纳米管分别加入到去离子水中并进行超声处理，得到分散均匀的氧化石墨烯和碳纳米管分散液；
[0007]步骤三：将碳纤维脱浆，得到去浆碳纤维；
[0008]步骤四：将步骤三得到的去浆碳纤维浸入聚乙烯亚胺水溶液中浸泡处理后真空干燥，得到胺基活化的碳纤维；
[0009]步骤五：将步骤四得到的胺基活化的碳纤维加入到步骤二得到的分散均匀的氧化石墨烯中浸泡处理后真空干燥，得到氧化石墨烯处理的碳纤维；
[0010]步骤六：将步骤五得到的氧化石墨烯处理的碳纤维加入到聚醚胺水溶液中浸泡处理后真空干燥，得到聚醚胺处理的碳纤维；
[0011]步骤七：将步骤六得到的聚醚胺处理的碳纤维加入到步骤二得到的分散均匀的碳纳米管分散液中浸泡处理后真空干燥，得到组装一次的多组分仿生层级结构的碳纤维；
[0012]步骤八：将步骤七组装一次的多组分仿生层级结构的碳纤维再次加入聚醚胺水溶液中浸泡处理后真空干燥，得到聚醚胺处理的碳纤维；
[0013]步骤九：循环步骤五至步骤七多次，得到多组分仿生层级结构的碳纤维。
[0014]优选的是，所述步骤一的改性为通过硅烷偶联剂对氧化石墨烯和羧基化的碳纳米管进行改性。
[0015]优选的是，所述的硅烷偶联剂为γ
‑
(2，3
‑
环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(KH560)。
[0016]优选的是，所述的步骤一中硅烷偶联剂与氧化石墨烯的摩尔比为1:10，硅烷偶联剂与羧基化的碳纳米管的摩尔比为1:10。
[0017]优选的是，所述的步骤二中氧化石墨烯和碳纳米管分散液的浓度分别为0.5
‑
1.5g/L，超声处理时间为1
‑
4h。
[0018]优选的是，所述的步骤四中聚乙烯亚胺水溶液的浓度为1
‑
3g/L，处理温度为40
‑
60℃，处理时间为3
‑
5h。
[0019]优选的是，所述的步骤六中聚醚胺水溶液的浓度为0.5
‑
1.5g/L，处理温度为40
‑
60℃，处理时间为10
‑
20min。
[0020]优选的是，所述的步骤八中聚醚胺水溶液的浓度为0.5
‑
1.5g/L，处理温度为40
‑
60℃，处理时间为10
‑
20min。
[0021]本专利技术还提供上述制备方法得到的多组分仿生层级结构的碳纤维，所述的仿生层级结构为仿生鱼鳞层级结构。
[0022]本专利技术还提供一种多组分仿生层级结构的碳纤维环氧树脂复合材料，包括上述多组分仿生层级结构碳纤维。
[0023]本专利技术的有益效果
[0024]本专利技术提供了一种具有多组分仿生层级结构的碳纤维、制备方法及复合材料，本专利技术是通过层层自组装的方法将改性处理的无机纳米粒子氧化石墨烯和碳纳米管与有机基质聚醚胺结合组装在碳纤维表面，在碳纤维表面设计了一种具有多组分多层次的仿生层级结构。本方法制备得到的多组分仿生层级结构碳纤维通过利用改性氧化石墨烯和碳纳米管无机纳米粒子以及有机基质聚醚胺有序组装，实现了无机纳米粒子与有机基质结合，可促进材料强度和韧性的协同提高。所有的制备过程以水为溶剂，清洁且无毒无害，环境友好，通过层层组装的方法，操作简便，可对组成和结构进行纳米级控制。
[0025]本专利技术通过将层级结构碳纤维与环氧树脂结合，制备了一种具有高导热、高强度、高耗能和延迟性灾难破坏的多组分仿生层级结构的碳纤维环氧树脂复合材料。本专利技术所制
备的多组分仿生层级结构碳纤维具有鱼鳞层级结构。该复合材料中的氧化石墨烯/碳纳米管具有优异的导热性能，通过处理氧化石墨烯和碳纳米管处理的层级碳纤维形成连续的导热路径，致使复合材料具有优异的导热性能。通过层层自组装后的碳纤维能够与环氧树脂有效结合，使得复合材料具有良好的界面结合性能，从而有效提高了复合材料的机械性能。与未处理的碳纤维环氧树脂复合材料相比，本专利技术所制备的多组分仿生层级结构碳纤维环氧树脂复合材料具有更高的导热性能和机械强度。
附图说明
[0026]图1为本专利技术一种多组分仿生层级结构的碳纤维的制备过程示意图。
[0027]图2为本专利技术一种具有多组分仿生层级结构的碳纤维环氧树脂复合材料热导率图。
[0028]图3为本专利技术一种具有多组分仿生层级结构的碳纤维环氧树脂复合材料弯曲强度和层间剪切强度图。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有多组分仿生层级结构的碳纤维的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一：将氧化石墨烯和羧基化的碳纳米管分别进行改性，得到改性氧化石墨烯和碳纳米管；步骤二：将步骤一得到的改性氧化石墨烯和碳纳米管分别加入到去离子水中并进行超声处理，得到分散均匀的氧化石墨烯和碳纳米管分散液；步骤三：将碳纤维脱浆，得到去浆碳纤维；步骤四：将步骤三得到的去浆碳纤维浸入聚乙烯亚胺水溶液中浸泡处理后真空干燥，得到胺基活化的碳纤维；步骤五：将步骤四得到的胺基活化的碳纤维加入到步骤二得到的分散均匀的氧化石墨烯中浸泡处理后真空干燥，得到氧化石墨烯处理的碳纤维；步骤六：将步骤五得到的氧化石墨烯处理的碳纤维加入到聚醚胺水溶液中浸泡处理后真空干燥，得到聚醚胺处理的碳纤维；步骤七：将步骤六得到的聚醚胺处理的碳纤维加入到步骤二得到的分散均匀的碳纳米管分散液中浸泡处理后真空干燥，得到组装一次的多组分仿生层级结构的碳纤维；步骤八：将步骤七组装一次的多组分仿生层级结构的碳纤维再次加入聚醚胺水溶液中浸泡处理后真空干燥，得到聚醚胺处理的碳纤维；步骤九：循环步骤五至步骤七多次，得到多组分仿生层级结构的碳纤维。2.根据权利要求1所述的一种具有多组分仿生层级结构的碳纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤一的改性为通过硅烷偶联剂对氧化石墨烯和羧基化的碳纳米管进行改性。3.根据权利要求2所述的一种具有多组分仿生层级结构的碳纤维的制备方法，其特征在于，所述的硅烷偶联剂为γ
‑
(2，3
‑
环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷。4.根据权利要求2所述的一种具有多组分仿生层级结构的碳纤维的制备方法，其特征在于，所述的步骤一...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖凌寒，权贵鹏，敖玉辉，
申请(专利权)人：长春工业大学，
类型：发明
国别省市：