一种石墨烯聚合物复合纤维膜增强增韧复合材料的制备方法
【专利说明】
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高性能复合材料及其制备方法，具体讲涉及一种石墨烯聚合物复合纤维膜增强增韧复合材料的制备方法。
【【背景技术】】
[0002]复合材料的高性能化，是复合材料的主要研究方向，尤其是能有效提高复合材料抗冲击损伤能力的高韧化。而现有的增韧技术主要包括以下几种方法:1)橡胶增韧，2)热塑性聚合物共混增韧，3)刚性粒子增韧。后续又提出了层间增韧的概念，即在热塑性聚合物共混增韧的基础上，通过在复合材料层间铺放热塑性聚合物粉末或热塑性聚合物薄膜来提高抗冲击韧性。虽然层间铺放的聚合物薄膜能有效提高复合材料的抗冲击损伤能力，但是由于铺放于层间的热塑性薄膜严重阻碍了基体树脂在层间的流动及夹杂或其挥发性成分在层间的排出，从而导致复合材料的质量下降。
[0003]石墨烯因其具有良好的弹性、高机械强度和断裂强度等特性，因而将石墨烯作为一种增强增韧材料，添加到复合材料中，可以进一步改善复合材料的强度和韧性。且石墨烯具有极大的比表面积(比表面积为2630m2g ，极高的杨氏模量(约ITPa)和断裂强度(130GPa)，更适合于开发轻质高性能的复合材料。如专利号为201310042163.1、发明名称为《石墨烯增强增韧尼龙树脂及其制备方法》的发明专利文件公开了一种石墨烯增强增韧尼龙树脂及其制备方法，石墨烯增强增韧尼龙树脂由重量百分比为68-76%的尼龙66或尼龙6、20-25 %磷氮结构协效尼龙阻燃剂、1-5 %改性石墨烯、1-2 %的其它助剂组成。其制备方法为先对石墨烯进行表面预处理，石墨烯表面处理后在于各种助剂混合，按配比将各种原料在高速搅拌斗中混合均匀，从混料口中加入到温度设定为220?280°C、长径比(L/D)为32: 1-40: I的双螺杆挤出机中，抽真空造粒即可。但该专利直接将石墨添加于尼龙树脂材料中，且需对石墨烯进行预处理，仅仅利用了石墨烯自身固有性质，并不能满足其轻质高性能的要求，因此亟需提供一种轻质高性能的复合材料。
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【发明内容】
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[0004]为了实现复合材料增强增韧，满足轻质高性能的要求，本发明提供了一种石墨烯聚合物复合纤维膜增强增韧复合材料的制备方法，利用石墨烯聚合物复合纤维膜增强增韧树脂基复合材料。通过静电纺丝技术将石墨烯与高分子聚合物复合成纤维膜，该膜具有多孔结构，引入到复合材料中，使得复合材料和石墨烯有机的结合起来，进一步提高了材料的力学性能。实验证实，将本发明提供的制备方法制得的石墨烯聚合物复合纤维膜加入到树脂基复合材料制得的复合材料，其力学性能显著改善，其冲击后压缩强度提高了 30%以上，同时耐热性能有所改善。在保证石墨烯能够均匀地分散在复合材料中的同时，还能增强复合材料中预浸料的层间作用力，有利于预浸料中的树脂在加热时的流动，从而提高整个复合材料内部结构的均匀性。
[0005]为实现上述目的，本发明采用以卞技术方案:
[0006]本发明提供了一种石墨烯聚合物复合纤维膜增强增韧复合材料的制备方法，包括下述步骤:
[0007]I)将质量比为1:1?50的石墨烯和热塑性聚合物溶解于有机溶剂中形成纺丝溶液；
[0008]2)将石墨烯热塑性聚合物纺丝溶液置入静电纺丝机注射器中，在8?30kV电压下，于接收电极上得到石墨烯聚合物复合纤维膜；
[0009]3)在50?100°C的真空条件下去除有机溶剂，得石墨烯聚合物复合纤维膜；
[0010]4)将石墨烯聚合物复合纤维膜铺覆于复合材料的预浸料层间，室温下抽真空，经160?180°C热压得到本发明的石墨烯聚合物复合纤维膜增强增韧复合材料。
[0011]本发明提供的制备方法步骤I)中的石墨烯为3?5层。
[0012]本发明提供的制备方法步骤I)中的热塑性聚合物为聚醚酮、聚醚醚酮、聚醚酰亚胺、聚砜、聚醚砜、酚酞改性聚醚砜、聚苯硫醚、聚苯醚或聚酰胺。
[0013]本发明提供的制备方法步骤I)中的有机溶剂为四氢呋喃、二氯乙烷、四氯乙烷、二氯甲烷、三氯甲烷、N，N- 二甲基甲酰胺、N，N- 二甲基乙酰胺或N，N- 二甲基吡咯烷酮。
[0014]本发明提供的制备方法步骤2)中的接收电极与发射电极间的距离为8?23cm。
[0015]本发明提供的制备方法步骤2)中静电纺丝机制得的石墨烯聚合物复合纤维的直径为10?50nm。
[0016]本发明提供的制备方法步骤3)中制得的石墨烯聚合物复合纤维膜的厚度为5?50 μ m，宽度为5?40cm。
[0017]本发明提供的制备方法步骤4)中的复合材料为树脂基复合材料。
[0018]与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果:
[0019]I)本发明提供的石墨烯聚合物复合纤维膜因其具有多孔结构，利于基体树脂加热时在层间的流动，提高材料内部结构的均匀性；
[0020]2)因石墨烯聚合物复合纤维膜因其具有多孔结构易于层间挥发性成分的排出，保证了复合材料的质量优异；
[0021]3)本发明提供的制备方法制得的复合材料，因石墨烯纤维膜的加入其力学性能显著提高:冲击后压缩强度提高了 30%以上，同时耐热性能有所改善；
[0022]4)本发明提供的技术方案得到的力学性能的提高的复合材料可广泛应用于需要减重的航空航天飞行器的轻量化领域。
【【具体实施方式】】
[0023]下面以各实施例对本发明做进一步详细说明。
[0024]实施例1
[0025]将Ig石墨烯和1g聚醚砜树脂溶于89gN，N- 二甲基甲酰氨中，搅拌均匀，配成石墨烯聚醚砜混合溶液。将混合溶液通过静电纺丝机纺丝成膜，纺丝电压为15kV，工作距离为20cm，进液速度为lml/h ;无纺布沉积在纤维沉积系统，并在80°C的热空气中挥发除去有机溶剂，形成无纺布增韧材料。采用热压成型工艺，石墨稀无纺布增韧5228A/T300-40B环氧树脂基碳纤维复合材料。
[0026]与未添加石墨烯聚合物复合纤维膜的5228A/T300-40B环氧树脂基复合材料相比，实施例1制备的复合材料的冲击后压缩强度从234MPa提高到了 321MPa。
[0027]实施例2
[0028]将Ig石墨烯和1g聚砜树脂溶于89g 二氯乙烷中，搅拌均匀，配成石墨烯聚砜混合溶液。将混合溶液通过静电纺丝机纺丝成膜。纺丝电压为12kV，工作距离为15cm，进液速度为1.5ml/h ;无纺布沉积在纤维沉积系统，并在60°C的热空气中挥发除去有机溶剂，形成无纺布增韧材料。采用热压成型工艺，石墨烯无纺布增韧5228A/T300-40B环氧树脂基碳纤维复合材料。
[0029]与未添加石墨烯聚合物复合纤维膜的5228A/T300-40B环氧树脂基复合材料相比，实施例2制备的复合材料的冲击后压缩强度从234MPa提高到了 298M