一种磺化石墨烯增强碳基复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种磺化石墨烯增强碳基复合材料及其制备方法和应用，涉及复合材料技术领域，包括用混酸和硅烷偶联剂KH550处理碳纤维，得到改性碳纤维；将改性碳纤维加入磺化石墨烯悬浮液，经磁力搅拌实现静电结合，得到增强碳纤维；将增强碳纤维与沥青焦、鳞片石墨和改质煤沥青进行混捏、筛粉和冲压，再高温焙烧，得到磺化石墨烯增强碳基复合材料，应用于火箭发动机喷管、飞机刹车盘和电气化列车受电弓滑板。本发明专利技术通过在硅烷偶联剂处理的氧化碳纤维上包覆磺化石墨烯，减少了碳纤维周围的裂纹扩展，改善了碳纤维与基体之间的界面性能，构建了硅烷偶联剂处理的氧化碳纤维与磺化石墨烯静电结合增强相的新结构，提升了复合材料的综合性能。合性能。合性能。

【技术实现步骤摘要】
一种磺化石墨烯增强碳基复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及复合材料
，具体而言，涉及一种磺化石墨烯增强碳基复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]碳基复合材料由于具有重量轻、强度高、耐磨损和热稳定性好等优点，已广泛应用于火箭发动机组件、飞机制动器和核工业等领域。但工业碳纤维表面光滑，化学活性不高，与基体的结合效果差，容易出现先天微裂纹并发展为孔洞，限制了复合材料机械性能与导电性能的提升。
[0003]现有碳纤维表面改性方法主要是利用化学能、辐射能等高能量破坏致密石墨层，但是这些能量大多会破坏纤维结构，使得纤维机械性能下降。而在碳纤维表面包覆纳米颗粒改善界面结构也存在严重的团聚问题。因此，开发同时提升碳纤维拉伸强度和改善复合材料界面性能的技术具有重要意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种磺化石墨烯增强碳基复合材料及其制备方法和应用，以解决上述问题。为了实现上述目的，本专利技术采取的技术方案如下：一方面，本申请提供了一种磺化石墨烯增强碳基复合材料的制备方法，包括：用混酸和硅烷偶联剂KH550处理碳纤维，得到改性碳纤维；将改性碳纤维加入磺化石墨烯悬浮液，经磁力搅拌实现静电结合，得到增强碳纤维；将增强碳纤维与沥青焦、鳞片石墨和改质煤沥青进行混捏、筛粉和冲压，形成生坯，高温焙烧生坯，得到磺化石墨烯增强碳基复合材料。
[0005]第二方面，本申请还提供了一种通过上述制备方法制得的磺化石墨烯增强碳基复合材料。
[0006]第三方面，本申请还提供了上述磺化石墨烯增强碳基复合材料在火箭发动机喷管、飞机刹车盘和电气化列车受电弓滑板的应用。
[0007]本专利技术的有益效果为：本专利技术通过在硅烷偶联剂处理的氧化碳纤维上包覆磺化石墨烯，减少了碳纤维周围的裂纹扩展，改善了碳纤维与基体之间的界面性能，构建了硅烷偶联剂处理的氧化碳纤维与磺化石墨烯静电结合增强相的新结构，提升了复合材料的综合性能。
[0008]本专利技术的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术实施例了解。本专利技术的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
[0009]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附
图作简单的介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0010]图1为本专利技术磺化石墨烯增强碳基复合材料制备方法的流程示意图；图2为氧化石墨烯包覆改性碳纤维示意图；图3为磺化石墨烯包覆改性碳纤维示意图。
具体实施方式
[0011]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本专利技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本专利技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本专利技术的范围，而是仅仅表示本专利技术的选定实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0012]应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本专利技术的描述中，术语“第一”“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0013]实施例1:本实施例提供了一种磺化石墨烯增强碳基复合材料的制备方法。如图1所示，包括：
[0014]S100、采用混酸和硅烷偶联剂KH550处理碳纤维，得到改性碳纤维，硅烷偶联剂能在碳纤维表面形成薄膜，减少沟槽及缺陷，增加拉伸强度。
[0015]S200、将改性碳纤维加入磺化石墨烯悬浮液，经磁力搅拌实现静电结合，得到增强碳纤维。磺化石墨烯具有优异的分散性能与导电性能，同时磺酸基团可以促进碳纤维周围石墨微晶生长，减少裂纹扩展，改善纤维与基体之间的界面性能。
[0016]S300、将增强碳纤维与沥青焦、鳞片石墨和改质煤沥青混捏、筛粉和冲压，形成生坯，高温焙烧生坯，得到磺化石墨烯增强碳基复合材料。
[0017]在一些具体的实施例中，步骤S100中包括步骤S120、步骤S120、步骤S130。
[0018]S110、对碳纤维进行除浆；S120、将除浆后的碳纤维加入浓硫酸和浓硝酸，并油浴混合3
‑
5h，冷却至室温后用去离子水冲洗3
‑
6次，对冲洗后的产物进行超声振荡和真空干燥，得到氧化碳纤维；所述浓硫酸和浓硝酸体积比为3∶1，油浴温度为70
‑
85℃，超声振荡时间为15
‑
35min，真空干燥温度为70
‑
80℃，真空干燥时间为8
‑
12h；碳纤维经过浓硫酸和浓硝酸处理后表面带有羟基、羧基等含氧官能团，而硅烷偶联剂分子一端的乙氧基容易水解生成不稳定的硅醇，极易与氧化碳纤维表面的羟基发生脱水缩合接枝在碳纤维上，且另一端带有氨基，为静电结合提供条件，随后偶联剂分子间的硅羟基进一步互相缩聚形成偶联剂膜，通过化学键牢固覆盖在碳纤维表面，减少沟槽及缺陷，增加拉伸强度。
[0019]S130、将氧化碳纤维加入硅烷偶联剂KH550和无水乙醇溶液的混合溶液中进行混
合，并在40
‑
50℃条件下超声振荡9
‑
13h，得到改性碳纤维，所述硅烷偶联剂KH550和无水乙醇溶液的混合溶液浓度为1
‑
5wt%。
[0020]在一些具体的实施例中，步骤S110中包括步骤S111、步骤S112和步骤S113。
[0021]S111、常温下将碳纤维浸泡于丙酮溶液中洗涤，洗涤时长30
‑
36h；S112、将洗涤后的碳纤维用无水乙醇冲洗3
‑
5次；S113、将冲洗后的碳纤维置于70
‑
80℃的环境下真空干燥。
[0022]碳纤维在生产时为了减少后续包装、运输等过程的损失，通常会进行上浆处理，步骤S111、步骤S112和步骤S113可以有效改善碳纤维的润湿性并去除纤维中的杂质。
[0023]在一些具体的实施例中，步骤S200中包括步骤S210、步骤S220、步骤S230、步骤S240和步骤S250。
[0024]S210、天然石墨片氧化：将天然石墨片与去离子水均匀混合后缓慢加入浓硫酸和高锰酸钾，采用冰浴法控制混合物温度低于20℃，随后将其移入25
‑
35℃的温水浴中机械搅拌12
‑
15h得到粘稠的糊状物；S220、用与浓硫酸本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磺化石墨烯增强碳基复合材料的制备方法，其特征在于，包括：用混酸和硅烷偶联剂KH550处理碳纤维，得到改性碳纤维；将改性碳纤维加入磺化石墨烯悬浮液，经磁力搅拌实现静电结合，得到增强碳纤维；将增强碳纤维与沥青焦、鳞片石墨和改质煤沥青进行混捏、筛粉和冲压，形成生坯，高温焙烧生坯，得到磺化石墨烯增强碳基复合材料。2.根据权利要求1所述的磺化石墨烯增强碳基复合材料的制备方法，其特征在于，采用混酸和硅烷偶联剂KH550处理碳纤维包括：对碳纤维进行除浆；将除浆后的碳纤维加入浓硫酸和浓硝酸，并油浴混合3
‑
5h，冷却至室温后用去离子水冲洗3
‑
6次，对冲洗后的产物进行超声振荡和真空干燥，得到氧化碳纤维；所述浓硫酸和浓硝酸体积比为3∶1，油浴温度为70
‑
85℃，超声振荡时间为15
‑
35min，真空干燥温度为70
‑
80℃，真空干燥时间为8
‑
12h；将氧化碳纤维加入硅烷偶联剂KH550和无水乙醇溶液的混合溶液中进行混合，并在40
‑
50℃条件下超声振荡9
‑
13h，得到改性碳纤维，所述硅烷偶联剂KH550和无水乙醇溶液的混合溶液浓度为1
‑
5wt%。3.根据权利要求2所述的磺化石墨烯增强碳基复合材料的制备方法，其特征在于，对碳纤维进行除浆包括：常温下将碳纤维浸泡于丙酮溶液中洗涤，洗涤时长30
‑
36h；将洗涤后的碳纤维用无水乙醇冲洗3
‑
5次；将冲洗后的碳纤维置于70
‑
80℃的环境下真空干燥。4.根据权利要求1所述的磺化石墨烯增强碳基复合材料的制备方法，其特征在于，磺化石墨烯悬浮液制备过程为：天然石墨片氧化：将天然石墨片与去离子水均匀混合后缓慢加入浓硫酸和高锰酸钾，采用冰浴法控制混合物温度低于20℃，随后将其移入25
‑
35℃的温水浴中机械搅拌12
‑
15h得到粘稠的糊状物；用与浓硫酸等体积的去离子水稀释糊状物并加入过氧化氢溶液，机械搅拌2
‑
4h后静置3
‑
5h，取上清液，通过浓盐酸和去离子水将上清液洗涤至pH值为6；所述过氧化氢溶液浓度为2
‑
4wt％，体积与浓硫酸相等；所述机械搅拌速度为600
‑
700rpm；将洗涤后的上清液超声振荡0.5
‑
1.5h后，以7500
‑
8000rpm的速度离心10
‑
20min，将离心得到的产物放入70
‑
80℃的真空烘箱干燥8
‑
12h，得到氧化石墨烯；氧化石墨烯磺化：在NaOH溶液中加入对氨基苯磺酸晶体，置于45
‑
60℃的热水浴中溶解并冷却至室温，随后加入亚硝酸钠搅拌，将混合物溶液滴入装有浓盐酸的烧杯中，冰浴使温度保持在5℃以下，直到出现白色沉淀后搅拌10
‑
20min，得到对氨基苯磺酸重氮盐；将氧化石墨烯置于真空烘箱中，在170
‑
200℃下保持3
‑
5h，后加入去离子水超声...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴广宁，张雨晗，伍瑶，魏文赋，杨泽锋，李杰，陈仕杰，黄桂灶，高国强，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：