一种基于氧化石墨烯交联增强的电热碳纤维复合材料的制备方法及应用

1.本发明属于功能性复合材料技术领域，特别涉及一种基于氧化石墨烯交联增强的电热碳纤维复合材料的制备方法及应用。


背景技术：

2.纤维增强复合材料是当前稳定快速发展的一类非常能够吸引人们注意力的一种新型材料，这是一种已经可以同时起到兼顾多种碳纤维以及其材料基体的特殊性能，并已成为一种新的材料综合应用性能远远高于其材料本体的新型工程材料结构复合材料，可以同时起到一加一大于二的效果，新的复合材料本体综合应用性能更为优异，具有材料本体不具备的特殊综合性能。纯碳纤维复合材料的其电加热性能不高且模量低对其应用性能有很大限制。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明提供了一种基于氧化石墨烯交联增强的电热碳纤维复合材料的制备方法和应用，以解决现有碳纤维复合材料电热性能较差的问题。
4.本发明的第一目的可通过下列技术方案来实现：一种基于氧化石墨烯交联增强的电热碳纤维复合材料的制备方法，包括：选用碳纤维、碳纤维纱线或碳纤维织物之一作为基材，将氧化石墨烯水溶液涂敷在基材的表面,再通过vartm工艺固化成型制成碳纤维复合材料。通过该方法制得的碳纤维复合材料具有电热效应，即在外加电流增加时，最高温度增加。
5.优选的，在进行vartm工艺固化成型之前，还需要将涂覆有氧化石墨烯水溶液的基材放入烘箱中，在30-80℃的温度下干燥0.5-2小时。
6.优选的，所述氧化石墨烯利用改进的hummers法制成，将氧化石墨烯配成3mg-10mg/ml的氧化石墨烯水溶液，并通过超声机超声30分钟。
7.优选的，所述vartm工艺固化成型的步骤具体包括：通将树脂在-0.01到-0.1mpa真空度下密封和真空处理0.5-2小时；然后真空辅助注入含有30％-50％改性酸酐的环氧树脂，并分3个阶段固化制成复合材料板材。
8.优选的，所述3个阶段分别为：在温度≤90℃条件下固化2h；在温度≤110℃条件下固化4h，在温度≤130℃条件下固化1h。
9.优选的，所述碳纤维织物为由碳纤维材料和高性能纤维混编而成，所述高性能纤维包括但不限于芳纶、玻璃纤维、全芳香族聚酯或高强聚乙烯纤维一种或多种。
10.优选的，所述碳纤维织物的组织结构包括但不限于编织。
11.优选的，所述碳纤维织物为碳纤维编织布；其厚度区间为1-6层。控制不同的碳纤维织物的厚度，可以实现不同电热效应的碳纤维复合材料。
12.根据本发明的另一个方面，提供一种基于氧化石墨烯交联增强的电热碳纤维复合
材料的应用，其特征在于，将上述方法制备的基于氧化石墨烯交联增强的电热碳纤维复合材料在机械设备、飞机机翼、电热地板中的应用。通过改变电流使其温度发生变化，能够实现除霜、除冰、除湿、电加热保暖等功能。
13.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
14.(1)电热碳纤维复合材料的电热效应得到增强，在通入相同电流下，比纯碳纤维复合材料的升温更高。
15.(2)电热碳纤维复合材料以vartm工艺实现，生产成本低，功能多样稳定，强度高，有利于应用在在机械设备除霜除冰、飞机机翼、电热地板等高强复合材料，应用广泛。
16.(3)可通过对外加电流的大小的调节和控制，实现对电热碳纤维复合材料温度的控制。
17.(4)力学性能比纯碳纤维复合材料提高了27％。
附图说明
18.图1为本发明实施例1的基于氧化石墨烯交联增强的电热碳纤物复合材料的制备方法的工艺流程示意图。
19.图2为测试本实验电热碳纤物复合材料和纯碳纤维复合材料温度效应对比图。
20.图3为实施例中所述方法制备的碳纤物复合材料在机翼上的应用和除冰过程。
具体实施方式
21.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过各参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
22.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
23.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
24.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
25.实施例1：
26.如图1所示，本基于氧化石墨烯交联增强的电热碳纤维复合材料的制备方法包括以下步骤：
27.步骤1、选择碳纤维交织布作为基材；
28.步骤2、采用改进的hummers法制得氧化石墨烯(图中用go代替)，然后将氧化石墨烯配置成3mg/ml氧化石墨烯水溶液，将氧化石墨烯水溶液超声30分钟；将碳纤维编织布放在容器底部，将超声好的氧化石墨烯水溶液均匀的倒入，使之浸润碳纤维交织布；接着用50kg的压力压出碳纤维交织布上多余的氧化石墨烯水溶液，而后再在放入烘箱中50℃干燥2小时将氧化石墨烯水溶液干燥；
29.步骤3、将环氧树脂、改性酸酐和5-羟色胺其质量比为100：85：2混制成含有30％-50％改性酸酐的环氧树脂组合溶液并在60℃下预热0.5小时，然后在将环氧树脂组合物置于60℃下真空烘箱0.5小时，期间由真空泵控制-0.09mpa真空度，以消除环氧树脂组合溶液中的气泡。
30.步骤4、之后在真空环境下将环氧树脂组合溶液注入步骤2中得到的涂覆有氧化石墨烯的碳纤维编织布上，之后分三个阶段进行固化：在温度≤90℃条件下固化2h；在温度≤110℃条件下固化4h，在温度≤130℃条件下固化1h。固化完成后即可制得电热碳纤维复合材料。
31.实施例2：
32.参照图1，本基于氧化石墨烯交联增强的电热碳纤维复合材料的制备方法包括以下步骤：
33.步骤1、选择碳纤维交织布作为基材；
34.步骤2、采用改进的hummers法制得氧化石墨烯(图中用go代替)，然后将氧化石墨烯配置成4mg/ml氧化石墨烯水溶液，将氧化石墨烯水溶液超声30分钟；将碳纤维编织布放在容器底部，将超声好的氧化石墨烯水溶液均匀的倒入，使之浸润碳纤维交织布；接着用50kg的压力压出碳纤维交织布上多余的氧化石墨烯水溶液，而后再在放入烘箱中40℃干燥1.5小时将氧化石墨烯水溶液干燥；
35.步骤3、将环氧树脂、改性酸酐和5-羟色胺其质量比为100：85：2混制成含有30％-50％改性酸酐的环氧树脂组合溶液并在60℃下预热半小时，然后在将环氧树脂组合物置于60℃下真空烘箱1小时，期间由真空泵控制-0.05mpa真空度，以消除环氧树脂组合溶液中的气泡。
36.步骤4、之后在真空环境下将环氧树脂组合溶液注入步骤2中得到的涂覆有氧化石墨烯的碳纤维编织布上，之后分三个阶段进行固化：在温度≤90℃条件下固化2h；在温度≤110℃条件下固化4h，在温度≤130℃条件下固化1h。固化完成后即可制得电热碳纤维复合材料。
37.实施例3：
38.参照图1，本基于氧化石墨烯交联增强的电热碳纤维复合材料的制备方法包括以下步骤：
39.步骤1、选择碳纤维交织布作为基材；
40.步骤2、采用改进的hummers法制得氧化石墨烯(图中用go代替)，然后将氧化石墨烯配置成6mg/ml氧化石墨烯水溶液，将氧化石墨烯水溶液超声30分钟；将碳纤维编织布放在容器底部，将超声好的氧化石墨烯水溶液均匀的倒入，使之浸润碳纤维交织布；接着用50kg的压力压出碳纤维交织布上多余的氧化石墨烯水溶液，而后再在放入烘箱中70℃干燥
2小时将氧化石墨烯水溶液干燥；
41.步骤3、将环氧树脂、改性酸酐和5-羟色胺其质量比为100：85：2混制成含有30％-50％改性酸酐的环氧树脂组合溶液并在60℃下预热半小时，然后在将环氧树脂组合物置于60℃下真空烘箱1小时，期间由真空泵控制-0.06mpa真空度，以消除环氧树脂组合溶液中的气泡。
42.步骤4、之后在真空环境下将环氧树脂组合溶液注入步骤2中得到的涂覆有氧化石墨烯的碳纤维编织布上，之后分三个阶段进行固化：在温度≤90℃条件下固化2h；在温度≤110℃条件下固化4h，在温度≤130℃条件下固化1h。固化完成后即可制得电热碳纤维复合材料。
43.实施例4：
44.参照图1，本基于氧化石墨烯交联增强的电热碳纤维复合材料的制备方法包括以下步骤：
45.步骤1、选择碳纤维交织布作为基材；
46.步骤2、采用改进的hummers法制得氧化石墨烯(图中用go代替)，然后将氧化石墨烯配置成10mg/ml氧化石墨烯水溶液，将氧化石墨烯水溶液超声30分钟；将碳纤维编织布放在容器底部，将超声好的氧化石墨烯水溶液均匀的倒入，使之浸润碳纤维交织布；接着用50kg的压力压出碳纤维交织布上多余的氧化石墨烯水溶液，而后再在放入烘箱中80℃干燥0.5小时将氧化石墨烯水溶液干燥；
47.步骤3、将环氧树脂、改性酸酐和5-羟色胺其质量比为100：85：2混制成含有30％-50％改性酸酐的环氧树脂组合溶液并在60℃下预热半小时，然后在将环氧树脂组合物置于60℃下真空烘箱2小时，期间由真空泵控制-0.09mpa真空度，以消除环氧树脂组合溶液中的气泡。
48.步骤4、之后在真空环境下将环氧树脂组合溶液注入步骤2中得到的涂覆有氧化石墨烯的碳纤维编织布上，之后分三个阶段进行固化：在温度≤90℃条件下固化2h；在温度≤110℃条件下固化4h，在温度≤130℃条件下固化1h。固化完成后即可制得电热碳纤维复合材料。
49.上述各实施例的制备方法制得的基于氧化石墨烯交联增强的电热碳纤维复合材料相对于传统的纯碳纤维复合材料具有更好的电热效应。如图2所示，在0.20a的电流时，最高温度可达到107℃，比纯碳纤维复合材料高了27℃。
50.如图3所示，通过将本发明的方法值得的基于氧化石墨烯交联增强的电热碳纤维复合材料用于飞机机翼上，利用其电热效应进行除冰，效果良好。
51.此外，本发明的方法所制得的产品还可以应用于机械设备上进行除霜、除冰；应用于电热地板，用于供暖保温等等。
52.本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。