一种碳纤维增强高分子基复合材料的制备方法及应用
【专利说明】
【技术领域】
[0001]本发明属于复合材料的制备技术领域，涉及一种碳纤维增强高分子基复合材料的制备方法及应用。
【【背景技术】】
[0002]碳纤维因其优异的综合性能(高的比模量和强重比、低热膨胀、高电导率、高导热、耐磨以及耐高温等)而常被用作高分子基复合材料的增强材料[周曦亚编.复合材料.北京:化学工业出版社，2005.01.]。然而因碳纤维表面能小，与树脂基体的浸润性差、界面结合性能差等缺点，由其制备的复合材料的力学性能往往与理论值相差较大[Choi I1LeeDG.Surface modificat1n of carbon fiber/epoxy composites with randomlyoriented aramid fiber felt for adhes1n strength enhancement.Composites PartA:Applied Science and Manufacturing.2013;48:1-8.]0
[0003]因此，适当对碳纤维表面进行处理，能够在很大程度上提高碳纤维与高分子基体的界面结合。国内外学者针对碳纤维表面的结构特点，提出了多种方法对碳纤维表面进行处理，主要可分为氧化法、等离子体处理法、涂层法以及纳米颗粒改性法等[刘保英，王孝军，杨杰，等.碳纤维表面改性研究进展[J].化学研究，2015，26 (2): 111-120.]。氧化法主要包括液相氧化法、气相氧化法和电化学氧化法等，主要机理为在氧化剂的作用下，碳纤维的暴露面产生许多具有亲水性能的含氧极性官能团，其与高分子能够发生很好地结合，但是碳纤维的强度会出现下降。等离子体处理的机理是利用等离子体发生器产生的等离子体轰击碳纤维表面，从而增加纤维暴露面的粗糙程度和表面积，并在纤维表面产生含氧极性官能团，从而提高纤维和高分子基体相互之间的浸润性[Ma K,Wang B,Chen P,et al.Plasmatreatment of carbon fibers:Non_equilibrium dynamic adsorpt1n and its effecton the mechanical properties of RTM fabricated composites[J].Applied SurfaceScience，2011，257(9): 3824-3830.]。由于碳纤维表面受到了损伤，因而其强度在一定程度上也会出现下降。涂层法是在碳纤维表面制备一种能够与碳纤维和高分子发生物理化学反应的，具有一定厚度、结构和剪切强度的中间层，进而增强复合材料的界面强度，常见的处理方法有偶联剂涂层法、溶胶凝胶法、上浆剂涂层法和气相沉积法等，然而这些方法相对比较复杂。
[0004]由于纳米颗粒的引入能够大大地改善复合材料的各项性能(包括摩擦学性能和机械性能等)，纳米颗粒获得了复合材料领域研究者的广泛关注。在复合材料领域，纳米颗粒的引入主要可分为:机械共混法、纤维表面接枝和沉积法等。采用机械共混法和沉积法只能将已合成的纳米颗粒通过物理手段引入到复合材料材料中，这易于导致纳米颗粒发生团聚。此外，由于界面结合的提高主要是依靠纳米尺寸效应来实现，因而这种结合是弱的。。
[0005]因此，寻找一种工艺简单易控、在不损害碳纤维本身结构的前提下还能获得优异界面结合的，并且能实现一步法在碳纤维表面生长纳米颗粒的制备方法显得非常有意义。【
【发明内容】
】
[0006]本发明的目的在于提供一种碳纤维增强高分子基复合材料的制备方法及应用，这种方法工艺简单易控，能够一步实现纳米材料在碳纤维上的合成和生长，并能够有效改善复合材料中各组分之间的界面结合。
[0007]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
[0008]一种碳纤维增强高分子基复合材料的制备方法，包括以下步骤:
[0009](I)配制无机化合物所需要的盐溶液C，并调节其Ph为酸性；
[0010](2)将步骤(I)的溶液C置于反应釜内，并在反应釜内加入纳米碳纤维片D，将反应釜密封后置于水热感应加热设备中，在感应交变磁场的作用下，盐溶液C变为无机化合物，并负载在纳米碳纤维片D表面，然后将反应釜冷却至室温，将负载有无机化合物的纳米碳纤维片取出，清洗、干燥；
[0011](3)将步骤(2)得到的纳米碳纤维片D均匀分散在水中，然后烘干，得到完全分散的碳纳米纤维；
[0012](4)将步骤(3)得到的完全分散的碳纳米纤维与粘结剂添加剂粉体均匀混合后，倒入热压模具中，在100?200°C、热压压力为2?1MPa的条件下热压I?4h，即得到具有优异界面结合的碳纤维增强高分子基复合材料。
[0013]所述步骤(4)的粘结剂添加剂为具有热固性或热塑性且耐热耐化学腐蚀的高分子材料。
[0014]所述粘结剂添加剂可以是热固性树脂，包括不饱和聚酯、环氧树脂、酚醛树脂、呋喃树脂、聚酰亚胺树脂以及有机硅树脂等;也可以为热塑性树脂，包括聚烯烃、聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、聚苯醚、聚苯硫醚、聚醚醚酮。
[0015]所述的粘结剂添加剂通过喷涂或者抽滤的方式实现。
[0016]所述的纳米碳纤维片D是根据以下方法得到的:将纳米碳纤维置于模压机中，在2Mpa?15Mpa的压力下，静置10min?60min，即可获得厚度为0.5mm?1mm的纳米碳纤维片D，然后将其用乙醇和去离子水清各洗3?6次，并于60?100°C下烘干。
[0017]所述水热感应加热的感应频率为10?500KHz，感应电流为O?1200A的范围内。
[0018]所述无机化合物包括氧化物、硫化物或其他，所述氧化物包括金属氧化物和非金属氧化物，所述金属氧化物包括氧化铜、氧化锌、氧化锰、氧化钛、氧化铝、氧化钼、氧化钨或其他金属氧化物，所述非金属氧化物包括氧化硅、氧化钙或其他无机非金属氧化物;所述硫化物包括硫化钼、硫化钨、硫化钒、硫化铜、硫化铁或其他硫化物，所述其他包括羟基磷灰石、磷酸镐、硅酸钙或硅酸钇。
[0019]所述反应釜的填充比为40?80%。
[0020]所述步骤(4)在热压过程中，每隔1min放气一次，以充分排掉高分子在热压过程中产生的气体。
[0021]—种根据上述方法制备的一种碳纤维增强高分子基复合材料，其应用于汽车自动刹车片上。
[0022]与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果:本发明将水热感应加热技术中应用于碳纤维表面接枝纳米材料，给纳米材料改性碳纤维增强高分子基复合材料提供了一种全新的制备方法。该方法制备周期短、工艺简单易控，无需后续处理且对环境友好，因而更易于实现工业化生产。
【【附图说明】】
[0023]图1为本发明制备的MnO2和碳纤维复合结构的扫描电镜(SEM)照片。
[0024]图2是本发明实施例1的SEM照片。
[0025]图3是本发明实施例4的SEM照片。
[0026]图4是本发明实施例3的SEM照片。
[0027]图5是本发明实施例2的SEM照片。
【【具体实施方式】】
[0028]实施例1
[0029]—种碳纤维增强高分子基复合材料的制备方法，包括以下步骤:
[0030]步骤一:称取0.5?5gA(A可以是高锰酸钾、钼酸铵、钨酸钠、氯化锌、氯化铜、氯化钛、氯化铝等合成金属氧化物所需的盐)，溶于40?SOmlB溶剂中(可以是水、乙醇、丙醇以及乙二醇等)，配置成摩尔浓度为0.01?5mol/L的C溶液，调节其pH值为酸性；
[0031]步骤二:将碳布置于丙酮溶液中超声清洗2?1h后取出，用去离子水清洗后烘干。然后将烘干后的碳布置于0.1?2mol/L的高锰酸钾溶液中浸泡12?36h(浸泡高锰酸钾溶液的目的是除去碳纤维表面的有机物，当然，也可以采用