一种高柔韧性碳纳米管纸/玻璃纤维阻燃复合材料的物理制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种碳纳米管纸/玻璃纤维复合材料的制备方法。 技术背景
[0002] 树脂基复合材料具有低密度高强度的特点，使得其在民用和军用领域的应用比例 有着巨大的提高。例如，运输客机和汽车的承载结构的内外妆饰部件、民用建筑、公共场所 的基础设施，甚至军用战斗机以及航天领域中的运载火箭和卫星的结构部件的防热涂层都 大量的采用树脂基复合材料。树脂基复合材料带来如此多优点的同时也具有一些潜在的应 用危险，比如更高的可燃性和有毒性。因为绝大多数的树脂都是有机成分，所以具有极高的 可燃性和有毒气体的释放能力。所以，当采用树脂复合材料的主体发生火灾时将对人们的 生命安全带来极大的危害，所以阻燃材料的加入对于减少火灾危害具有很重要的意义。
[0003] 目前已报道的阻燃材料主要可以分为两种方式，其中一种是将阻燃性的纳米颗粒 添加到树脂中，通过机械式的搅拌，超声等方式进行混合。填入无机纳米颗粒为不易燃物 质，从而使得复合材料的阻燃性能得以提高，这类填料已报道的主要有不同构型的纳米倍 半硅氧烷（POSS)、纳米粘土、三氧化二锑、金属氢氧化物、硅系阻燃剂、卤系阻燃剂和磷系阻 燃剂等。这些阻燃剂虽然能够一定程度上的提高复合材料的阻燃性能，但是也存在诸多的 缺点，例如，无机颗粒在树脂中的分散问题很难得以解决，这种分散性的不均匀使得材料物 相之间发生严重的界面分离，尤其是当材料作为力学承载结构时，对材料的力学性能产生 很大的影响，此外这种物理性添加阻燃颗粒只能在一定程度上产生阻燃特性，由于纳米颗 粒之间是非连续相，而树脂作为连续相存在于复合材料体系中，非连续相并不能完全阻止 树脂与火源的接触，从而对于大幅度提高材料的阻燃性能存在很大难度。物质间的难以相 容的物性以及阻燃的局限性使得这种阻燃材料的应用具有一定的限制。
[0004] 碳纳米管纸一般是指通过真空吸虑的办法在一定孔径的滤膜上沉积稀释的碳纳 米管溶液后形成的均一的具有一定力学强度的二维碳纳米管材料。这种材料的优点是用微 观的纳米管材料制备出宏观的薄膜材料，所以材料的特性既保持了微观纳米管的特性，又 具有宏观薄膜材料的特性。而之所以将碳纳米管制备成宏观二维薄膜，是因为薄膜的致密 性要远高于分散的纳米管的致密性，所以能够完全隔离燃烧源与内部的材料表面。而且纳 米纸型的碳材料能够更好的实施材料的成型，可以通过各种复合材料的成型手段直接与基 体部分一体化成型。降低了复合材料的制备复杂性和可行性，要远优越于分散的纳米管涂 料等粉末状碳材料。但是碳纳米管纸的力学性能是一直是影响其应用的一个主要因素，大 多数的改性后均对纳米管纸的表面特性产生了一定的破坏，从而大大提高了碳纳米管纸的 制备难度，力学性能较差。
【发明内容】
[0005] 本发明是要解决碳纳米管纸/树脂基复合材料无法兼具有较高的力学性能，阻燃 性能和耐热性能的技术问题，而提供一种高柔韧性碳纳米管纸/玻璃纤维阻燃复合材料的 物理制备方法。
[0006] 本发明的一种高柔韧性碳纳米管纸/玻璃纤维阻燃复合材料的物理制备方法是 按以下步骤进行的：
[0007] -、制备PDMS的氯仿溶液：将PDMS和固化剂均匀混合，然后溶解在氯仿中，得到 PDMS的氯仿溶液；所述的PDMS和固化剂的质量比为10:1 ;所述的PDMS的氯仿溶液中PDMS 的质量浓度为〇. lwt%?2wt% ;所述的固化剂为乙稀基三氯娃烧；
[0008] 二、制备碳纳米管纸：将单壁或多壁碳纳米管和曲拉通X-100均匀混合，用三辊研 磨机进行分散20min?30min，得到糊状混合物，将糊状混合物与去离子水均匀混合，超声 分散2h，得到分散的碳纳米管悬浊液，对分散的碳纳米管悬浊液进行真空吸滤，得到未改性 的碳纳米管纸，再用步骤一制备的PDMS的氯仿溶液对未改性的碳纳米管纸进行真空吸滤， 吸滤结束后将滤膜在室温下干燥12h，将碳纳米管纸从干燥的滤膜上脱离，得到改性的碳 纳米管纸；所述的单壁或多壁碳纳米管和曲拉通X-100的质量比为1: (5?30);所述的三 辊研磨机的三个滚轮的剪切速度之比为1:3:9,三个滚轮间的间隙分别为20 μπι?30 μπι， ΙΟμπι?20μηι和5μηι?5μηι ;戶斤述的分散的碳纳米管悬池液的浓度为50mg/L?500mg/ L ;所述的滤膜的表面孔洞的尺寸为20 μ m ;所述的超声分散时超声功率为750W，放大倍率 为40% ;三、高温固化复合：将步骤二得到的改性的碳纳米管纸剪切成尺寸为长X宽为 100mm X 100mm，然后置于玻璃纤维预浸料的一侧，得到复合材料，采用真空袋压法将复合 材料在热压罐中压力为IMpa?4Mpa的条件下进行高温固化，得到高柔韧性碳纳米管纸/ 玻璃纤维阻燃复合材料；所述的高温固化为在温度为80°C的条件下固化3h，然后在温度为 l〇〇°C的条件下固化3h，最后在温度为150°C的条件下固化5h ;所述的玻璃纤维预浸料尺寸 为长 X 宽为 100mm x IOOmm0
[0009] 曲拉通X-100中文别名是辛基苯基聚氧乙烯醚，分子结构式为
[0010]
【主权项】
1. 一种高柔韧性碳纳米管纸/玻璃纤维阻燃复合材料的物理制备方法，其特征在于高 柔韧性碳纳米管纸/玻璃纤维阻燃复合材料的物理制备方法是按以下步骤进行的： 一、 制备PDMS的氯仿溶液：将PDMS和固化剂均匀混合，然后溶解在氯仿中，得到PDMS 的氯仿溶液；所述的PDMS和固化剂的质量比为10:1 ;所述的PDMS的氯仿溶液中PDMS的质 量浓度为〇. lwt%?2wt% ;所述的固化剂为乙稀基三氯娃烧； 二、 制备碳纳米管纸：将单壁或多壁碳纳米管和曲拉通X-100均匀混合，用三辊研磨机 进行分散20min?30min，得到糊状混合物，将糊状混合物与去离子水均匀混合，超声分散 2h，得到分散的碳纳米管悬浊液，对分散的碳纳米管悬浊液进行真空吸滤，得到未改性的碳 纳米管纸，再用步骤一制备的PDMS的氯仿溶液对未改性的碳纳米管纸进行真空吸滤，吸滤 结束后将滤膜在室温下干燥12h，将碳纳米管纸从干燥的滤膜上脱离，得到改性的碳纳米管 纸；所述的单壁或多壁碳纳米管和曲拉通X-100的质量比为1: (5?30);所述的三辊研磨 机的三个滚轮的剪切速度之比为1:3:9,三个滚轮间的间隙分别为20 y m?30 y m，10 y m? 20ym和5ym?5ym ;戶斤述的分散的碳纳米管悬池液的浓度为50mg/L?500mg/L ;戶斤述的 滤膜的表面孔洞的尺寸为20 ym ;所述的超声分散时超声功率为750W，放大倍率为40% ; 三、高温固化复合：将步骤二得到的改性的碳纳米管纸剪切成尺寸为长X宽为 lOOmmX 100mm，然后置于玻璃纤维预浸料的一侧，得到复合材料，采用真空袋压法将复合材 料在热压罐中压力为IMpa?4Mpa的条件下进行高温固化，得到高柔韧性碳纳米管纸/玻 璃纤维阻燃复合材料；所述的高温固化为在温度为80°C的条件下固化3h，然后在温度为 l〇〇°C的条件下固化3h，最后在温度为150°C的条件下固化5h ;所述的玻璃纤维预浸料尺寸 为长 X 宽为 100mm X 100mm〇
2. 根据权利要求1所述的一种高柔韧性碳纳米管纸/玻璃纤维阻燃复合材料的物 理制备方法，其特征在于步骤一中所述的PDMS的氯仿溶液中PDMS的质量浓度为lwt %? 1. 5wt %〇
3. 根据权利要求1所述的一种高柔韧性碳纳米管纸/玻璃纤维阻燃复合材料的物理制 备方法，其特征在于步骤二中所述的单壁和多壁碳纳米管纯度大于90%，单壁和多壁碳纳 米管长度均为30 y m?70 y m，多壁碳纳米管的直径为20nm?50nm，单壁碳纳米管的直径 为 2nm ?6nm〇
4. 根据权利要求1所述的一种高柔韧性碳纳米管纸/玻璃纤维阻燃复合材料的物理 制备方法，其特征在于步骤二中所述的单壁或多壁碳纳米管和曲拉通X-100的质量比为 1: (10 ?20)〇
5. 根据权利要求1所述的一种高柔韧性碳纳米管纸/玻璃纤维阻燃复合材料的物理制 备方法，其特征在于步骤二中将单壁或多壁碳纳米管和曲拉通X-100均匀混合，用三辊研 磨机进行分散25min，得到糊状混合物。
6. 根据权利要求1所述的一种高柔韧性碳纳米管纸/玻璃纤维阻燃复合材料的物理制 备方法，其特征在于步骤二中所述的分散的碳纳米管悬池液的浓度为200mg/L?400mg/L。
7. 根据权利要求1所述的一种高柔韧性碳纳米管纸/玻璃纤维阻燃复合材料的物理制 备方法，其特征在于步骤三中采用真空袋压法将复合材料在热压罐中压力为4Mpa的条件 下进行高温固化，得到高柔韧性碳纳米管纸/玻璃纤维阻燃复合材料。
8. 根据权利要求1所述的一种高柔韧性碳纳米管纸/玻璃纤维阻燃复合材料的物理
【专利摘要】一种高柔韧性碳纳米管纸/玻璃纤维阻燃复合材料的物理制备方法，涉及一种碳纳米管纸/玻璃纤维复合材料的制备方法。本发明是要解决碳纳米管纸/树脂基复合材料无法兼具有较高的力学性能，阻燃性能和耐热性能的技术问题。本发明方法：一、制备PDMS的氯仿溶液；二、制备碳纳米管纸；三、高温固化复合。本发明的优点：一、本发明制备的高柔韧性碳纳米管纸/玻璃纤维阻燃复合材料兼具有较高的力学性能，阻燃性能和耐热性能。
【IPC分类】B32B27-04, B32B29-02, B29C70-44, B29B13-06, B29B13-10, B32B29-06
【公开号】CN104527176
【申请号】CN201510036336
【发明人】冷劲松, 楚合涛, 刘艳菊, 张志春
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2015年1月23日