一种功能化碳纳米纤维多尺度增强复合材料及其制备方法
【专利摘要】本发明为一种功能化碳纳米纤维多尺度增强复合材料及其制备方法，是将碳纳米管经过纯化，得到表面接有羧基的碳纳米管，再将碳纳米管均匀分散在有机溶剂中与玻璃纤维反应，得到玻璃纤维表面接枝有碳纳米管，再将表面接枝有碳纳米管的玻璃纤维浸入偶联剂溶液中处理，得到碳纳米管接枝改性功能化玻璃纤维的多尺度增强体；然后利用此多尺度增强体与聚酰亚胺、环氧树脂、石墨进行加成反应，生成多尺度增强体增强的复合材料。本发明提供的制备方法简单易行，所得的功能化碳纤维增强复合材料，显著提高基体树脂与碳纤维之间的界面强度，使复合材料具有一很好的层间剪切强度和优良的耐磨性。
【专利说明】一种功能化碳纳米纤维多尺度增强复合材料及其制备方法
[0001]
【技术领域】
[0002] 本发明属于纳米【技术领域】，具体涉及一种功能化碳纳米纤维多尺度增强复合材料 及其制备方法。
【背景技术】
[0003] 聚酰亚胺是综合性能最佳的有机高分子材料之一，耐高温达400°C以上，长期使 用温度范围-200?300°C，无明显熔点，高绝缘性能。聚酰亚胺作为一种特种工程材料，已 广泛应用在航空、航天、微电子、纳米、液晶、分离膜、激光等领域。近来，各国都在将聚酰亚 胺的研究、开发及利用列入21世纪最有希望的工程塑料之一。
[0004] 环氧树脂优良的物理机械和电绝缘性能、与各种材料的粘接性能、以及其使用工 艺的灵活性是其他热固性塑料所不具备的。因此它能制成涂料、复合材料、浇铸料、胶粘剂、 模压材料和注射成型材料，在国民经济的各个领域中得到广泛的应用。
[0005] 石墨作为一种常用的固体润滑剂，常用于降低聚合物的摩擦系数和磨损率，耐酸 性、抗腐蚀和物理特性即耐高温3000°C，耐低温_204°C，而且抗氧化，在450°C空气中失重 1%。因此石墨制品被广泛应用在冶金、化工、石油化工、高能物理、航天、电子等方面。特别 是近年来，纳米材料的发展，已引起研究者的广泛关注。
[0006] 玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，是非常好的金属材料替代材料，由 于在多个领域得到广泛应用，因此日益受到人们的重视。玻璃纤维通常用作复合材料中的 增强材料，电绝缘材料和绝热保温材料，电路基板等国民经济各个领域。玻璃纤维与树脂之 间的相容性、亲和性较差，两者之间很难形成有效的界面黏结。为了改善玻璃纤维增强树脂 复合材料的界面黏结，可以通过对玻璃纤维表面进行改性，提高玻璃纤维与聚合物基体间 的界面粘结强度。碳纳米管奇特的结构赋予其优异的机械性能、电学性能和热力学性能，因 此被越来越广泛地作为聚合物的增强材料，制备轻质高强的复合材料。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种功能化碳纳米纤维多尺度增强复合材料及其制备方 法。
[0008] 本发明提出的一种功能化碳纳米纤维多尺度增强复合材料及其制备方法，是将碳 纳米管经过纯化，得到表面接有羧基的碳纳米管，再将碳纳米管均匀分散在有机溶剂中与 玻璃纤维反应，得到玻璃纤维表面接枝有碳纳米管，再将表面接枝有碳纳米管的玻璃纤维 浸入偶联剂溶液中处理，得到碳纳米管接枝改性功能化玻璃纤维的多尺度增强体；然后利 用此多尺度增强体与聚酰亚胺、环氧树脂、石墨进行加成反应，生成多尺度增强体增强的复 合材料。具体步骤如下： (1)称取〇. 1?IX IOg干燥的碳纳米管和10?IX 104mL无机酸混合，在1?120kHz超 声波或lOr/min?106r/min的离心速度搅拌下处理1?24小时，然后加热至20?150°C， 反应1?48小时，经去离子水稀释洗涤，微孔滤膜抽滤，反复洗涤至滤液呈中性，在温度为 15?150°C下真空干燥1?48小时，得到纯化的碳纳米管； (2) 将步骤⑴中得到的纯化碳纳米管0. 1?I X IOg和强氧化性酸1?I X IO3HiL混 合，在1?120kHz超声波下处理1?80小时，然后加热到20?120°C，搅拌并回流反应1? 50小时，去离子水稀释洗涤，超微孔滤膜抽滤，反复洗涤至滤液呈中性，在25?200°C温度 下真空干燥1?48小时，得到酸化的碳纳米管； (3) 将步骤⑵所得酸化的碳纳米管0. 1?I X IOg和1?I X IO3HiL有机溶剂混合， 以1?120kHz超声波或搅拌处理1?24小时，使酸化碳纳米管均匀分散在有机溶剂中，在 5?120°C温度下，加入0. 1?IXlO3g干燥的玻璃纤维，反应1?96小时，抽滤并反复洗 涤，在20?200°C温度下真空干燥1?48小时，得到表面接枝有碳纳米管的玻璃纤维多尺 度增强体； (4) 将步骤（3)所得表面接枝有碳纳米管的玻璃纤维多尺度增强体0. 1?IX IO3g浸 入1?I X IO3HiL偶联剂溶液中，在5?120°C温度下，反应1?96小时后，抽滤并在20? 200°C温度下干燥1?48小时，得到表面接枝有碳纳米管的功能化玻璃纤维多尺度增强 体； (5) 将步骤（4)所得的表面接枝有碳纳米管的功能化玻璃纤维多尺度增强体0. 1? I X 103g、聚酰亚胺1?I X 103g，环氧树脂1?I X 103g和干燥的石墨0. 1?I X IOg,经真 空除泡复合成型，得到碳纳米管接枝玻璃纤维多尺度增强体增强复合材料。
[0009] 本发明提供的制备方法简单易行，所得的功能化碳纤维增强复合材料，显著提高 基体树脂与碳纤维之间的界面强度，使复合材料具有很好的层间剪切强度和优良的耐磨 性。
【具体实施方式】
[0010] 实施例1 本发明提出的一种功能化碳纳米纤维多尺度增强复合材料及其制备方法，具体步骤如 下： (1) 称取0. 1?I X IOg干燥的碳纳米管和10?I X 104mL无机酸混合，在60kHz超声波 或10r/min?106r/min的离心速度搅拌下处理10小时，然后加热至50°C，反应20小时，经 去离子水稀释洗涤，微孔滤膜抽滤，反复洗涤至滤液呈中性，在温度为50°C下真空干燥24 小时，得到纯化的碳纳米管； (2) 将步骤⑴中得到的纯化碳纳米管0. 1?I X IOg和强氧化性酸1?I X IO3HiL混 合，在1?120kHz超声波下处理40小时，然后加热到20?120°C，搅拌并回流反应20小 时，去离子水稀释洗涤，超微孔滤膜抽滤，反复洗涤至滤液呈中性，在25?200°C温度下真 空干燥20小时，得到酸化的碳纳米管； (3) 将步骤⑵所得酸化的碳纳米管0. 1?I X IOg和1?I X IO3HiL有机溶剂混合， 以1?120kHz超声波或搅拌处理12小时，使酸化碳纳米管均匀分散在有机溶剂中，在5? 120°C温度下，加入0. 1?IX IO3g干燥的玻璃纤维，反应24小时，抽滤并反复洗涤，在20? 200°C温度下真空干燥12小时，得到表面接枝有碳纳米管的玻璃纤维多尺度增强体； (4) 将步骤（3)所得表面接枝有碳纳米管的玻璃纤维多尺度增强体0. 1?IX IO3g浸 入1?I X IO3HiL偶联剂溶液中，在5?120°C温度下，反应24小时后，抽滤并在20?200°C 温度下干燥12小时，得到表面接枝有碳纳米管的功能化玻璃纤维多尺度增强体； (5) 将步骤（4)所得的表面接枝有碳纳米管的功能化玻璃纤维多尺度增强体0. 1? I X 103g、聚酰亚胺1?I X 103g，环氧树脂1?I X 103g和干燥的石墨0. 1?I X IOg,经真 空除泡复合成型，得到碳纳米管接枝玻璃纤维多尺度增强体增强复合材料。
[0011] 实施例2 本发明提出的一种功能化碳纳米纤维多尺度增强复合材料及其制备方法，具体步骤如 下： (1) 称取〇. 1?I X IOg干燥的碳纳米管和10?I X 104mL无机酸混合，在1?120kHz 超声波或l〇r/min?106r/min的离心速度搅拌下处理12小时，然后加热至20?150°C， 反应24小时，经去离子水稀释洗涤，微孔滤膜抽滤，反复洗涤至滤液呈中性，在温度为15? 150°C下真空干燥1?48小时，得到纯化的碳纳米管； (2) 将步骤⑴中得到的纯化碳纳米管0. 1?I X IOg和强氧化性酸1?I X IO3HiL混 合，在1?120kHz超声波下处理48小时，然后加热到20?120°C，搅拌并回流反应36小 时，去离子水稀释洗涤，超微孔滤膜抽滤，反复洗涤至滤液呈中性，在25?200°C温度下真 空干燥36小时，得到酸化的碳纳米管； (3) 将步骤⑵所得酸化的碳纳米管0. 1?I X IOg和1?I X IO3HiL有机溶剂混合， 以1?120kHz超声波或搅拌处理12小时，使酸化碳纳米管均匀分散在有机溶剂中，在5? 120°C温度下，加入0. 1?I X IO3g干燥的玻璃纤维，反应36小时，抽滤并反复洗涤，在20? 200°C温度下真空干燥36小时，得到表面接枝有碳纳米管的玻璃纤维多尺度增强体； (4) 将步骤（3)所得表面接枝有碳纳米管的玻璃纤维多尺度增强体0. 1?IX IO3g浸 入1?I X IO3HiL偶联剂溶液中，在5?120°C温度下，反应36小时后，抽滤并在20?200°C 温度下干燥12小时，得到表面接枝有碳纳米管的功能化玻璃纤维多尺度增强体； (5) 将步骤（4)所得的表面接枝有碳纳米管的功能化玻璃纤维多尺度增强体0. 1? I X 103g、聚酰亚胺1?I X 103g，环氧树脂1?I X 103g和干燥的石墨0. 1?I X IOg,经真 空除泡复合成型，得到碳纳米管接枝玻璃纤维多尺度增强体增强复合材料。
[0012] 实施例3 本发明提出的一种功能化碳纳米纤维多尺度增强复合材料及其制备方法，具体步骤如 下： (1) 称取〇. 1?I X IOg干燥的碳纳米管和10?I X 104mL无机酸混合，在1?120kHz 超声波或l〇r/min?106r/min的离心速度搅拌下处理24小时，然后加热至20?150°C， 反应48小时，经去离子水稀释洗涤，微孔滤膜抽滤，反复洗涤至滤液呈中性，在温度为15? 150°C下真空干燥48小时，得到纯化的碳纳米管； (2) 将步骤⑴中得到的纯化碳纳米管0. 1?I X IOg和强氧化性酸1?I X IO3HiL混 合，在1?120kHz超声波下处理80小时，然后加热到20?120°C，搅拌并回流反应50小 时，去离子水稀释洗涤，超微孔滤膜抽滤，反复洗涤至滤液呈中性，在25?200°C温度下真 空干燥48小时，得到酸化的碳纳米管； (3) 将步骤⑵所得酸化的碳纳米管0. 1?I X IOg和1?I X IO3HiL有机溶剂混合， 以1?120kHz超声波或搅拌处理24小时，使酸化碳纳米管均匀分散在有机溶剂中，在5? 120°C温度下，加入0. 1?IX IO3g干燥的玻璃纤维，反应96小时，抽滤并反复洗涤，在20? 200°C温度下真空干燥48小时，得到表面接枝有碳纳米管的玻璃纤维多尺度增强体； (4) 将步骤（3)所得表面接枝有碳纳米管的玻璃纤维多尺度增强体0. 1?IX IO3g浸 入1?I X IO3HiL偶联剂溶液中，在5?120°C温度下，反应96小时后，抽滤并在20?200°C 温度下干燥48小时，得到表面接枝有碳纳米管的功能化玻璃纤维多尺度增强体； (5) 将步骤（4)所得的表面接枝有碳纳米管的功能化玻璃纤维多尺度增强体0. 1? I X 103g、聚酰亚胺1?I X 103g，环氧树脂1?I X 103g和干燥的石墨0. 1?I X IOg,经真 空除泡复合成型，得到碳纳米管接枝玻璃纤维多尺度增强体增强复合材料。
【权利要求】
1. 一种功能化碳纳米纤维多尺度增强复合材料及其制备方法，其特征在于利用此多尺 度增强体与聚酰亚胺、环氧树脂、石墨进行加成反应，生成多尺度增强体增强的复合材料。
【文档编号】C08K7/14GK104212169SQ201410451187
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年9月6日 优先权日:2014年9月6日
【发明者】徐祝方 申请人:丹阳丹金汽车部件有限公司