一种柔性碳纤维复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种柔性碳纤维复合材料及其制备方法，具有绿色环保、低成本和易制备的特点。本发明专利技术创造性地基于水凝胶技术制备碳纤维复合材料：选用短切碳纤维作为功能体，利用分散剂将其处理后分散在水溶性聚乙烯醇基体中，加入交联剂进行反应后通过循环冷冻

【技术实现步骤摘要】
一种柔性碳纤维复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及柔性电子材料的制备
，具体涉及一种柔性碳纤维复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]柔性电子器件与技术在人工智能、生命医学、柔性显示、可穿戴设备等领域具有重要应用价值。柔性复合材料是一类将柔性结构与电性能相结合的复合材料，被视为柔性电子器件的基础性材料。伴随柔性电子产业的迅猛发展，兼具柔性、导电、轻质、高强等性能特点的新型柔性复合材料成为亟待解决的技术难题。当前，以金属或半导体为代表的导电功能材料由于密度大、刚性高、易氧化的特点，限制了其在柔性电子器件、可穿戴设备等领域的应用。因此，以碳纤维为代表的新型碳材料，以其高比强度、高比模量、高导电、轻质、耐腐蚀等突出特点受到了柔性电子领域的青睐。将碳纤维与柔性高分子复合化设计，在保证柔性、轻质、导电性能的同时，通过对其化学组成与微观结构设计有望获得高性能柔性复合材料。
[0003]当前，柔性复合材料主要是将电功能体分布于具有柔性结构的聚氨酯、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷等高分子基体中制得。值得注意的是，这类柔性高分子材料主要是通过溶于有机溶剂的前驱体与固化剂的原位聚合反应生成。由于大多数有机溶剂都存在一定的危害性，不利于人体健康和环境保护，这与绿色制造的发展理念不符。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种柔性碳纤维复合材料及其制备方法，以解决上述现有技术的问题。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术提供了一种柔性碳纤维复合材料的制备方法，其包含以下步骤：
[0006]步骤1：通过加热的方式将聚乙烯醇溶于水中，制成聚乙烯醇溶液；
[0007]步骤2：将短切碳纤维加入聚乙烯醇溶液中，加入分散剂进行分散处理，并结合超声处理；
[0008]步骤3：加热，将碳纤维完全分散于聚乙烯醇溶液中；
[0009]步骤4：冷却至室温，加入交联剂搅拌均匀，并进行化学交联反应；
[0010]步骤5：密封后进行冷冻、解冻处理；
[0011]步骤6：通过反复冷冻
‑
解冻处理进一步交联，获得不同碳纤维含量的柔性碳纤维复合材料。
[0012]较佳地，在步骤1中，所述的聚乙烯醇溶液浓度为5
‑
15wt％，加热温度为90
‑
100℃。聚乙烯醇的醇解度为50％
‑
99％。
[0013]较佳地，在步骤2中，所述的分散剂为甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、十二烷基硫酸钠中的一种或多种，添加量为0.1
‑
0.5wt％。
[0014]较佳地，在步骤3中，所述的加热温度为80
‑
95℃。加热时间为1
‑
3小时。
[0015]较佳地，在步骤4中，步骤4中所述的交联剂为浓盐酸、戊二醛中的一种或多种，浓盐酸添加量为10
‑
12vol％，戊二醛添加量为1
‑
1.5vol％。
[0016]较佳地，在步骤4中，所述的化学交联反应时间为3
‑
5小时。
[0017]较佳地，在步骤5中，所述的冷冻温度为－18℃～－10℃，冷冻时间为10
‑
15小时。
[0018]较佳地，在步骤6中，所述的反复冷冻
‑
解冻次数为4
‑
8次。
[0019]本专利技术进一步包括上述制备方法制备得到的柔性碳纤维复合材料。
[0020]较佳地，所述柔性碳纤维复合材料中碳纤维的质量分数为1
‑
20wt％。
[0021]本专利技术提出了一种性碳纤维复合材料及其制备方法，具有绿色环保、低成本和易制备的特点：选用短切碳纤维作为功能体，分散在水溶性聚乙烯醇基体中，通过循环冷冻
‑
解冻工艺制得碳纤维/聚乙烯醇柔性复合材料。将无毒的水溶性聚乙烯醇制成凝胶并进一步获得柔性碳纤维复合材料，有效避免了毒性有机溶剂的引入，极大地降低了制备过程中的污染和毒性。本专利技术制备的碳纤维复合材料在柔性电子器件、可穿戴设备等领域具有广阔应用前景。
[0022]本专利技术的碳纤维复合材料具有以下优势：
[0023](1)制备工艺绿色环保、简便。本专利技术选用的聚乙烯醇是一种无毒的水溶性高分子材料，在制备过程有效避免了引入有毒、易燃的有机溶剂，体现了绿色制造的发展理念，并且制备工艺简便、成本低。
[0024](2)具有柔性、轻质、导电的特点。将短切碳纤维分散其中，经化学交联反应后通过反复冷冻
‑
解冻工艺可以获得具有良好柔性的碳纤维复合材料，同时具有良好的导电性能和轻质特点，在柔性电子器件和可穿戴设备等领域具有广阔应用前景。
附图说明
[0025]图1为本专利技术所述碳纤维复合材料制备方法的例示图。
具体实施方式
[0026]下面结合实施例对本专利技术的技术方案做进一步说明，但熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本专利技术包括但不限于这里的实施例。本领域技术人员根据本专利技术的实施例，对本专利技术做出的改进和修改都应该在本专利技术的保护范围之内。
[0027]实施例1
[0028](1)称取20g聚乙烯醇颗粒置于烧杯中，并倒入180mL去离子水浸泡12小时使其充分溶胀，在90℃下进行磁力搅拌2小时，转速为600转/分钟，配成浓度为10wt％的聚乙烯醇溶液。
[0029](2)称取0.5g短切碳纤维加入到95mL配置好的聚乙烯醇溶液中，加入1mg甲基纤维素进行分散处理，并利用超声清洗机进行超声处理30分钟。
[0030](3)将混合液温度加热到90℃，利用磁力搅拌技术使碳纤维进一步充分分散在聚乙烯醇溶液中，转速为600转/分钟，搅拌时间为2小时。
[0031](4)停止加热并冷却至室温后，缓慢加入200μL浓盐酸和24μL戊二醛搅拌均匀，并
进行化学交联反应5小时。
[0032](5)将反应后的混合液倒入培养皿中，并利用封口膜进行密封处理。随后将样品放入冰箱在零下15℃下冷冻12小时，待完全冷冻后解冻5小时。
[0033](6)通过反复冷冻
‑
解冻5次进一步交联，最终获得碳纤维含量为5wt％的碳纤维凝胶复合材料。含有5wt％碳纤维的复合材料的直流电导率约为6.5
×
10
‑3S/m。
[0034]实施例2
[0035](1)称取20g聚乙烯醇颗粒置于烧杯中，并倒入180mL去离子水浸泡12小时使其充分溶胀，在90℃下进行磁力搅拌2小时，转速为600转/分钟，配成浓度为10wt％的聚乙烯醇溶液。
[0036](2)称取1g短切碳纤维加入到90mL配置好的聚乙烯醇溶液中，加入2mg甲基纤维素进行分散处理，并利用超声清洗机进行超声处理30分钟。
[0037](3)将混合液温度加热到90℃，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，主要包括以下步骤：步骤1：通过加热的方式将聚乙烯醇溶于水中，制成聚乙烯醇溶液；步骤2：将短切碳纤维加入聚乙烯醇溶液中，加入分散剂进行分散处理，并结合超声处理；步骤3：加热，将碳纤维完全分散于聚乙烯醇溶液中；步骤4：冷却至室温，加入交联剂搅拌均匀，并进行化学交联反应；步骤5：密封后进行冷冻、解冻处理；步骤6：通过反复冷冻
‑
解冻处理进一步交联，获得不同碳纤维含量的柔性碳纤维复合材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中所述聚乙烯醇溶液的浓度为5
‑
15wt％，聚乙烯醇的醇解度为50％
‑
99％。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2中所述分散剂为甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、十二烷基硫酸钠中的一种或多种，添加量为0.1
‑
0.5wt％。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3中所述加热温度为80

【专利技术属性】
技术研发人员：王瑛，相利学，唐波，朱丹，王永成，周刚，代旭明，王二轲，
申请(专利权)人：湖州幄肯中欣新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：