碳纤维增强的树脂薄膜及其制备方法与流程

文档序号：12453727阅读：348来源：国知局

本发明涉及一种碳纤维增强的树脂薄膜及其制备方法，属于复合材料技术领域。

背景技术：

有机高分子树脂薄膜具有弹性高、可塑性强、硬度大、耐磨、耐热、电绝缘性强等优点，但是机械强度极为有限，主要归因于聚合物分子链之间存在较弱的范德华力，导致高分子薄膜的机械强度不高，限制了其实际应用。碳纤维，是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，在国防军工和民用方面都是重要材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。高分子薄膜经碳纤维掺杂能够有效的改善其机械强度，引起了人们广泛的关注。然而，由于碳纤维的比表面积有限，在高分子薄膜中与聚合物分子链的作用力不大，因此碳纤维在高分子薄膜中易滑动，得不到有效的固定，使其对高分子薄膜机械强度的增强效果不够理想。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明利用电泳沉积技术在碳纤维表面修饰碳纳米管，用于制备碳纤维掺杂的有机高分子薄膜，不仅可以提高碳纤维与聚合物分子链的接触面积，还可使带负电(羧基)的碳纳米管发挥桥连作用，与带正电(氨基)的碳纤维和含羟基聚合物分子链分别具有静电作用和氢键作用，能够有效的将碳纤维固定在有机高分子薄膜内，充分提高其机械强度，在实际应用中具有广阔的前景。

由此，本发明的目的在于提供一种用表面修饰碳纳米管的碳纤维增强的树脂薄膜的制备方法，该方法利用电泳沉积技术，在碳纤维表面修饰碳纳米管，将表面修饰碳纳米管的碳纤维掺杂树脂薄膜，进而提高树脂薄膜的机械强度。该方法简单，得到的三元复合薄膜(碳纳米管-碳纤维/树脂)具有良好的力学性能。

本发明是通过以下技术方案实现的：

第一方面，本发明提供了一种碳纤维增强的树脂薄膜，其包括树脂基体和掺杂于所述树脂基体内的碳纤维分散相，所述碳纤维分散相中的碳纤维表面修饰有碳纳米管。

作为优选方案，所述碳纳米管的表面由羧基修饰。

作为优选方案，所述碳纳米管表面的修饰方法包括如下步骤：

将碳纳米管加入浓硫酸和浓硝酸的混合溶液中，室温下进行搅拌后，用水稀释，抽滤，水洗，室温晾干后，备用。硝酸具有氧化性，可以产生氮氧自由基，进攻碳纳米管的缺陷处，产生含氧基团，主要为羧基，而同时由于浓硫酸具有氧化性，可使硝酸在浓硫酸的辅助下，氧化性大幅提高，所以使用浓硫酸和浓硝酸的混合溶液来处理碳纳米管进行羧基修饰。

作为优选方案，所述碳纳米管为单壁碳纳米管或多壁碳纳米管。

第二方面，本发明提供了一种如前述的碳纤维增强的树脂薄膜的制备方法，其包括如下步骤：

S1：将碳纤维的表面进行氨基修饰后，进行羧基修饰碳纳米管的电泳沉积，得到表面修饰碳纳米管的碳纤维；

S2：将步骤S1中得到的表面修饰碳纳米管的碳纤维进行裁剪成段，将每段碳纤维部分浸入聚合物溶液中，取出，将两段碳纤维进行粘合后，烘干，得到所述碳纤维增强的树脂薄膜。

作为优选方案，步骤S1具体包括如下操作：

将碳纤维在300～350℃下进行加热后，浸入含有乙醇、水和氨基官能团硅烷的混合溶液中，静置后水洗、烘干，得到氨基修饰的碳纤维；

将所述氨基修饰的碳纤维作为电源正极浸入羧基修饰的碳纳米管分散液中，以碳棒作为电源负极，在5～20V的电压下进行电泳沉积后，得到表面修饰碳纳米管的碳纤维。

作为优选方案，所述碳纤维的加量为7～10mg/mL，且碳纤维与氨基官能团硅烷的质量比为(0.5～0.7):1。

作为优选方案，所述羧基修饰的碳纳米管分散液的浓度为0.5～1mg/mL。

作为优选方案，所述聚合物溶液的质量分数为5～10％。

作为优选方案，所述聚合物溶液为聚氨酯溶液和/或聚乙烯醇溶液。

碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊结构的一维材料，由于碳原子采取sp²杂化，相比sp³杂化s成分较多，使得碳纳米管具有高模量和高强度。碳纳米管可以通过电泳沉积技术(EPD，Electrophoretic Deposition)修饰在导电基底上，得到碳纳米管复合涂层，广泛的用于场发射器件、燃料电池和超级电容器。电泳沉积过程分两步：首先，带电粒子分散在电解质溶液中，在外加电场的作用下，向两极移动；其次，带电粒子在电极上聚集并沉积，形成均匀致密的涂层。与其他处理过程相比，电泳沉积只发生在导电界面上，使用的电解质溶液具有较低的粘度，还具有低成本、易操作、涂层结构均一、沉积厚度易控等优点，还可在复杂形状的基底上沉积。利用电泳沉积技术得到的碳纳米管涂层，用于改善碳纤维掺杂的有机高分子薄膜的机械强度，成为一种可行的切实有效的方法。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明得到的一种用表面修饰碳纳米管的碳纤维增强树脂薄膜强度的方法，利用电泳沉积技术，在碳纤维表面修饰碳纳米管，通过控制外加电压和沉积时间，可以有效的调节碳纤维表面碳纳米管的含量，进而实现了对碳纤维掺杂的树脂薄膜机械强度的调控，达到提高碳纤维对树脂薄膜的增强效果，在实际应用中具有广阔的前景。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明的表面修饰碳纳米管的碳纤维的实施例5的扫描电镜照片；

图2是本发明的用表面修饰碳纳米管的碳纤维增强的树脂薄膜的实施例5的力学性能图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1本实施例涉及的一种碳纤维增强的树脂薄膜的制备方法包括如下步骤：