专利名称：一种碳纳米管/环氧树脂高性能复合材料的制备方法
技术领域：
本发明属于材料领域，涉及用碳纳米管改善环氧树脂性能的方法。
背景技术：
碳纳米管有着非常优异的力学性能，碳纳米管的强度比普通碳纤维或玻璃
纤维等聚合物常用增强材料高2个 3个数量级，且韧性很高，因此，碳纳米管 完全是复合材料理想的准一维轻质增强型功能材料。如果碳纳米管可以均匀地 添加到某些基体(环氧树脂、塑料及金属材料)中构成复合材料，可以极大地改 善其性能，是复合材料理想的轻质增强纤维。
环氧树脂材料是现今应用较多的三大热固性树脂材料之一，但固化后的环 氧树脂通常有脆性高，耐疲劳性、耐热性、耐冲击性比较差等缺点，使其应用 受到了一定的限制，因此对环氧树脂进行各种改性已成为该领域的重要研究课 题。
用碳纳米管增强环氧树脂，制备碳纳米管环氧树脂复合材料是改性环氧树 脂材料的方法之一。碳纳米管环氧树脂复合材料，不仅可以提高复合材料的强 度韧性等力学性能和电学性能，同时由于碳纳米管的尺寸很小及用量较少，还 可以保证基体材料具有良好的表面光洁度和高效、均匀的着色性能。
目前，国外已有不少关于用碳纳米管改善环氧树脂性能的报道。如Allaoui J、 Schadler、 Breton等用共混法制得了碳纳米管/环氧树脂复合材料，发现添 加碳纳米管可以提高基体的力学性能，但是由于碳纳米管的分散性问题未能得 到较好解决，导致复合材料的力学性能的提高幅度不大，甚至有所降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种高性能碳纳米管/环氧树脂复合材料的制备方法。 为达到上述目的，本发明的解决方案是 1.首先用多元胺在縮合剂存在下制备氨基化碳纳米管。其配方为
原料名称 用量(质量份)
碳纳米管 l一20份
缩合剂 10 — 30份
多元胺 50—90份
制备方法为
将管径为1 50nm、长度为O. 1 50um的碳纳米管与縮合剂、多元胺按比
例混合，用5(TC 15(TC油浴加热回流，并搅拌，反应时间为12 96h。所得产 物用无水乙醇并在超声波振荡条件下洗去多余的胺、縮合剂及其他副产物，用 微孔滤膜过滤。重复清洗3 5次。滤出的碳纳米管溶于二氯甲烷，过滤除去不 溶性残渣，收集滤液。在4(TC 10(TC温度条件下蒸干，得到黑色的氨基化多壁 碳纳米管。
2.高性能氨基化碳纳米管/环氧树脂复合材料的制备方法，其配方为 原料名称 用量(质量份)
氨基化碳纳米管 0.01 0.4 固化剂 10 30 环氧树脂 60 90
将上述氨基化碳纳米管与环氧树脂混合，在30°C 80°C，超声波分散l 12h，磁力搅拌分散l 12h。然后按比例加入固化剂，搅拌均匀后，真空条件下 除去气泡，在25"C 20(rC温度下固化成型，得环氧树脂复合材料。
以上所采用的碳纳米管包括催化裂解、电弧放电、模板法以及激光蒸发方 法制备的单壁和多壁碳纳米管，管径为1 50nm，长度为0.1 50um，并经过 酸化处理和纯化处理。
所采用的二元胺包括乙二胺、己二胺、间苯二胺、二氨基二苯基甲烷、孟 烷二胺、二乙烯基丙胺、异佛尔酮二胺、双4_氨基一3甲基环己基甲烷、双4 一氨基环己基甲烷、间苯二甲胺、二氨基二苯基甲烷、二氨基二苯基砜；多元 胺包括二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺、五乙烯六胺、六乙烯七胺、N-氨乙基哌嗪、双氰胺、己二酸二酰肼、3， 9一双3—氨丙基一2， 4， 8, IO —四 氧杂螺十一烷、2， 4一二氨基一6—[2—甲基咪唑基(1)]乙基顺式三嗪、2， 4 一二氨基一6—[2 —乙基一4甲基咪唑基(1)]乙基顺式三嗪、2， 4 —二氨基一 6[2 —十一垸基咪唑基(1)]乙基顺式三嗪的胺类化合物。
所用的縮合剂采用碳二亚胺型縮合剂，如N，N' -二环己基碳二亚胺，N，N'-二异丙基碳二亚胺，1-乙基-3-二甲胺丙基碳二亚胺中的一种或两种和两种以上 复合物。
所用的环氧树脂是指包括縮水甘油醚类、縮水甘油酯类、縮水甘油胺类、 脂环族、环氧化烯烃类、酰亚胺环氧树脂和海因环氧树脂在内的所有环氧树脂。
本发明的优点为是由于碳纳米管经化学修饰表面带有氨基，可与环氧树 脂通过氨基与环氧基团之间的化学反应连接，并经过了超声波分散和强力搅拌 分散，因此减少了碳纳米管的团聚现象，提高了碳纳米管的分散性，进而使制 备的环氧树脂复合材料的力学性能有较大幅度的提高。
具体实施例方式
实施例1:
第一步氨基化碳纳米管的制备
将纯化后的平均管径为1 50nm，长度为O. 1 50ixm的碳纳米管0.2g、乙 二胺30g和N， N' -二环己基碳二亚胺5g混合均匀，在12(TC油浴加热回流36h。 反应完成后，用无水乙醇在超声波振荡条件下洗去多余的胺、N，N， -二环己基 碳二亚胺及其它副产物，用微孔滤膜(直径为0.45um)过滤，重复清洗3次。 滤出的碳管溶于二氯甲垸，滤出不溶残渣，收集滤液蒸干，得到经乙二胺修饰 的氨基化多壁碳纳米管。
第二步氨基化碳纳米管/环氧树脂复合材料制备
取30g环氧树脂60。C预热；按照总量的1%称取经乙二胺修饰的氨基化多壁 碳纳米管0.3g，研成细粉末，加入预热的环氧树脂中，强力搅拌8h，超声波分 散4h，混合均匀；加入8.75g固化剂二氨基二苯甲烷机械搅拌均匀；置于真空 烘箱真空除气泡后浇注固化固化条件为8(TC下2h， 15(TC下4h，脱模，得环氧 树脂复合材料。
实施例2:
第一步氨基化碳纳米管的制备
将纯化后的平均管径为1 50mn，长度为O. 1 50um的碳纳米管0.2g、己 二胺30g和N， N， -二环己基碳二亚胺5g混合均匀，在120。C油浴加热回流36h。 反应完成后，用无水乙醇超声洗去多余的胺、N,N' -二环己基碳二亚胺及其它 副产物，用微孔滤膜(直径为0.45um)过滤，重复清洗3次。滤出的碳管溶于 二氯甲烷，滤出不溶残渣，收集滤液蒸干，得到经己二胺修饰的氨基化多壁碳 纳米管。
第二步氨基化碳纳米管/环氧树脂复合材料制备
取30g环氧树脂6(TC预热；按照总量的1%称取经己二胺修饰的氨基化多壁 碳纳米管0.3g，研成细粉末，加入预热的环氧树脂中，强力搅拌8h，超声波分 散4h,混合均匀；加入8.75g固化剂二氨基二苯甲垸机械搅拌均匀；置于真空 烘箱真空除气泡后浇注固化固化条件为8(TC下2h， 15(TC下4h，脱模，得环氧 树脂复合材料。
实施例3:
第一步氨基化碳纳米管的制备
将纯化后的平均管经为1 50nm，长度O. 1 50um的碳纳米管0.2g、三乙 烯四胺30g和N，N' -二环己基碳二亚胺5g混合均匀，在12(TC油浴加热回流36h。 反应完成后，用无水乙醇超声洗去多余的胺、N，N' -二环己基碳二亚胺及其它
的副产物，用微孔滤膜(直径为0.22txm)过滤，重复清洗几次。滤出的碳管溶 于二氯甲烷，滤出不溶残渣，收集滤液蒸干，得到经三乙烯四胺修饰的氨基化 多壁碳纳米管。
第二步氨基化碳纳米管/环氧树脂复合材料制备
取30g环氧树脂6(TC预热；按照总量的1%称取经三乙烯四胺修饰的氨基化 多壁碳纳米管0.3g，研成细粉末，加入预热的环氧树脂中，强力搅拌8h，超声 波分散4h，混合均匀；加入8.75g固化剂二氨基二苯甲垸机械搅拌均匀；置于 真空烘箱真空除气泡后浇注固化固化条件为8(TC下2h， 15(TC下4h，脱模，得 环氧树脂复合材料。
实施例4:
第一步氨基化碳纳米管的制备
将纯化后的平均管径为1 50nm，长度O. 1 50um的碳纳米管0.2g、 二氨 基二苯甲烷40g和N，N' -二环己基碳二亚胺5g混合均匀，在12(TC油浴加热回 流36h。反应完成后，用无水乙醇超声洗去多余的胺、N，N' -二环己基碳二亚胺 及其它副产物，用微孔滤膜(直径为0.22um)过滤，重复清洗3次。滤出的碳 管溶于二氯甲烷，滤出不溶残渣，收集滤液蒸干，得到经二氨基二苯甲垸修饰 的氨基化多壁碳纳米管。
第二步氨基化碳纳米管/环氧树脂复合材料制备
取30g环氧树脂6(TC预热；按照总量的1%称取经二氨基二苯甲垸修饰的氨 基化多壁碳纳米管0.3g，研成细粉末，加入预热的环氧树脂中，强力搅拌8h， 超声波分散4h，混合均匀；加入8.75g固化剂二氨基二苯甲烷机械搅拌均匀； 置于真空烘箱真空除气泡后浇注固化固化条件为8(TC下2h， 15(TC下4h，脱模， 得环氧树脂复合材料。
比较例l-
取30g环氧树脂6(TC预热，加入8.75g固化剂二氨基二苯甲烷，机械搅拌 均匀；置于真空烘箱真空除气泡后浇注固化固化条件为8(TC下2h， 15(TC下4h， 脱模，得环氧树脂材料。
比较例2:
取30g环氧树脂6crc预热。按照总量的ly。称取己纯化的碳纳米管o.3g，研
成细粉末，加入预热的环氧树脂中，强力搅拌8h，超声波分散4h,混合均匀； 加入8.75g固化剂二氨基二苯甲垸，机械搅拌均匀；置于真空烘箱真空除气泡 后浇注固化固化条件为8(TC下2h, 15(TC下4h，脱模，得环氧树脂复合材料。
附表上述各类环氧树脂材料的力学性能比较。
力学性能指标实施例1实施例2实施例3实施例4比较例1比较例2
冲击强度(J/m2)60. 8563. 5275.3661.3518.5045. 80
拉伸强度(MPa)78. 5275.6883. 2372. 5050. 8070. 52
断裂伸长率(%)13. 6212. 6015. 2411. 244. 156.93
弯曲强度(MPa)120. 36116.34132.50115. 4290. 4595. 32
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用 本发明。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， 本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明 做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种碳纳米管/环氧树脂高性能复合材料的制备方法，其特征在于先将碳纳米管进行表面修饰，使其携带氨基，通过氨基与环氧树脂中环氧基团的化学交联，提高碳纳米管和环氧树脂的连接力，进而提高环氧树脂复合材料的各方面性能。
2. 根据权利要求书1所述的高性能碳纳米管/环氧树脂复合材料的制备方 法，其特征在于配方和制备过程为原料名称 氨基化碳纳米管 固化剂 环氧树脂用量/质量份 0. 01 0. 4 10 30 60 90将上述氨基化碳纳米管与环氧树脂混合，在30°C 80°C，超声波分散l 12h，磁力搅拌分散l 12h;然后按比例加入固化剂，搅拌均匀后，真空条件下 除气泡，在25。C 20(TC下固化成型，得环氧树脂复合材料。
3. 根据权利要求书2所述的高性能碳纳米管/环氧树脂复合材料的制备方 法，其特征在于所述氨基化碳纳米管制备的配方和制备过程为-原料名称 用量/质量份 碳纳米管 l一20份 縮合剂 10 — 30份多元胺 50_90份将管径为1 50nm、长度为O. 1 50um的碳纳米管与縮合剂、二元胺或多 元胺按比例混合，用5(TC 150'C油浴加热回流，并搅拌，反应时间为12 96h; 所得产物用无水乙醇并在超声波振荡条件下洗去多余的胺、縮合剂及其他副产 物，用微孔滤膜过滤；重复清洗3 5;。滤出的碳纳米管溶于二氯甲垸，过滤除 去不溶性残渣，收集滤液；在4(TC 10(TC温度条件下蒸干，得到氨基化多壁碳 纳米管。
4. 根据权利要求书3所述的一种高性能的环氧树脂复合材料的制备方法， 其特征在于碳纳米管表面修饰所用的二元胺包括乙二胺、己二胺、间苯二胺、 二氨基二苯基甲烷、孟烷二胺、二乙烯基丙胺、异佛尔酮二胺、双4一氨基—3 甲级环己基甲烷、双4一氨基环己基甲垸、间苯二甲胺、二氨基二苯基甲烷、二 氨基二苯基砜；多元胺包括二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺、五乙烯六 胺、六乙烯七胺、N-氨乙基哌嗪、双氰胺、己二酸二酰肼、3， 9一双3 —氨丙基 一2， 4， 8， IO—四氧杂螺H-—烷、2， 4一二氨基一6—[2—甲基咪唑基(1)] 乙基顺式三嗪、2， 4一二氨基一6—[2 —乙基一4甲基咪唑基(1)]乙基顺式三 嗪、2， 4 —二氨基一6[2 —十一烷基咪唑基(1)]乙基顺式三嗪的胺类化合物。
5. 根据权利要求书3所述的一种高性能的环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于所用的縮合剂采用碳二亚胺型縮合剂，包括N' N-二环己基碳二亚胺，N，N'-二异丙基碳二亚胺，1-乙基-3-二甲胺丙基碳二亚胺中的一种或两种 和两种以上复合物。
6. 根据权利要求书3所述的一种高性能的环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于所用的环氧树脂是指包括縮水甘油醚类、縮水甘油酯类、縮水甘油胺类、脂环族、环氧化烯烃类、酰亚胺环氧树脂和海因环氧树脂在内的所有 环氧树脂。
7. 根据权利要求书1至5中任一所述的高性能碳纳米管/环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于所采用的碳纳米管包括催化裂解、电弧放电、模 板法以及激光蒸发方法制备的单壁和多壁碳纳米管；管径为1 50nm，长度为 0. 1 50um,并经过酸化处理和纯化处理。
全文摘要
本发明涉及一种氨基化碳纳米管/环氧树脂高性能复合材料的制备方法。通过用多元胺类化合物对碳纳米管进行表面化学修饰，制备了带有氨基的碳纳米管。通过适当的超声波振荡分散和强力搅拌分散，并通过氨基化碳纳米管中的氨基与环氧树脂中的环氧基团之间的交联反应，提高了碳纳米管在环氧树脂中的分散性，增强了碳纳米管与环氧树脂之间的连接力，从而制备了高性能环氧树脂复合材料。
文档编号C08K3/00GK101104726SQ20061002898
公开日2008年1月16日 申请日期2006年7月14日 优先权日2006年7月14日
发明者屈泽华, 王国建, 郭建龙 申请人:同济大学