一種大規(guī)模制備cnt/cf多尺度增強體的方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及制備CNT/CF多尺度增強體的方法。
【背景技術】
[0002] 碳纖維增強樹脂基復合材料（CFRP)具有一系列優(yōu)點，如高比強度、比模量、抗疲 勞、耐腐蝕、便于一次成型、結構與功能的可設計性以及結構/功能一體化等，被廣泛地應 用在航空航天、風電設備、車輛交通、土木工程、醫(yī)療器械、體育用品等領域。其中的碳纖維 增強環(huán)氧樹脂基復合材料（CF/EP)具有優(yōu)異的力學性能和良好的加工性，是CFRP中重要成 員之一。然而，由于碳纖維表面惰性，導致其與環(huán)氧樹脂的結合作用較弱，嚴重限制了 CF/EP 復合材料優(yōu)異力學性能的發(fā)揮，因此工業(yè)上需要對其界面進行改進。
[0003] 上漿處理能夠改善碳纖維在生產(chǎn)和制造過程中受摩擦的作用造成起毛和斷絲而 引起的強度下降，并能在復合材料的制造與使用中保護碳纖維，防止再次出現(xiàn)起毛和斷絲 等破壞，從而改善復合材料的機械性能。碳納米管由于具有優(yōu)異的機械強度而被廣泛地用 做纖維/樹脂界面的增強材料，當受到外力作用時，復合材料界面的碳納米管能改變裂紋 的擴展路徑和分擔應力，故也能提高復合材料的韌性。
[0004] 碳纖維上漿劑可分為兩種：一種是溶液型上漿劑，將樹脂溶解在丙酮等有機溶劑 中配制而成，這種上漿劑有很大缺點，需要大量易燃的有機溶劑，會帶來經(jīng)濟、安全、衛(wèi)生、 環(huán)境等各方面的問題；另一種是乳液型上漿劑，一般是以樹脂為主體，配以一定助劑制成的 乳液，不容易在導輥上留下樹脂，又無溶劑污染環(huán)境，目前得到廣泛應用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決現(xiàn)有碳纖維環(huán)氧樹脂復合材料界面結合強度不夠且界面韌性差的 問題，而提供一種大規(guī)模制備CNT/CF多尺度增強體的方法。
[0006] 一種大規(guī)模制備CNT/CF多尺度增強體的方法，具體是按照以下步驟進行的：
[0007] -、含碳納米管水分散液的合成：將表面活性劑加入到去離子水中，攪拌溶解，得 到表面活性劑水溶液，然后向表面活性劑水溶液中加入酸化碳納米管，超聲lh~5h后，得 到含碳納米管的水分散液；
[0008] 所述的表面活性劑為非離子類表面活性劑或離子類表面活性劑；
[0009] 所述的酸化碳納米管與表面活性劑的質(zhì)量比為1: (0. 01~4);所述的酸化碳納米 管與去離子水的質(zhì)量比1: (1000~10000);
[0010] 二、碳纖維的浸漬和上漿：將含碳納米管的水分散液灌注于儲液槽中，將水性環(huán)氧 乳液灌注于另一儲液槽中，首先使碳纖維通過含碳納米管的水分散液灌注的儲液槽中進行 浸漬，浸漬時間為10s~60s，得到浸漬后的碳纖維，烘干，然后使浸漬后的碳纖維通過水性 環(huán)氧乳液灌注的儲液槽中進行上漿，上漿時間為10s~60s，得到上漿后的碳纖維，將上漿 后的碳纖維在溫度為120°C~180°C下烘干lmin~5min，收卷，即完成大規(guī)模制備CNT/CF 多尺度增強體的方法；
[0011] 所述的水性環(huán)氧乳液由樹脂、助劑及水組成；所述的樹脂與助劑的質(zhì)量比 1: (0? 005~0? 1);所述的樹脂與水的質(zhì)量比為1: (50~100);
[0012] 所述的樹脂為縮水甘油醚類樹脂、縮水甘油酯類樹脂、縮水甘油胺類樹脂、線性脂 肪族類樹脂和脂環(huán)族樹脂中的一種或其中幾種按任意比組成的混合物；
[0013] 所述的助劑為聚氧乙烯醚類非離子表面活性劑、多元醇類非離子表面活性劑、烷 基磺酸鹽類陰離子表面活性劑、烷基苯磺酸鹽類陰離子表面活性劑、烷基三甲基銨鹽類陽 離子表面活性劑和甜菜堿類兩性表面活性劑中的一種或其中幾種按任意比組成的混合物。
[0014] 本發(fā)明的有益效果是：1、本發(fā)明通過利用強氧化性溶液處理碳納米管，使其表面 帶有羧基官能團，能改善其在溶劑中的分散性，且與環(huán)氧樹脂形成很好的相容性。
[0015] 2、本發(fā)明將酸化碳納米管通過超聲作用分散在水中，能大幅度提高碳納米管在溶 劑中的分散性，TEM測試圖片顯示碳納米管在上漿劑中均勻分散，用環(huán)氧乳液上漿后的混雜 纖維的SEM測試結果顯示碳納米管基本以單根形式密集且均勻地吸附在纖維表面。
[0016] 3、本發(fā)明用制備的碳纖維做成單絲復合材料，其界面剪切強度可達55. 31MPa，比 未處理的碳纖維的界面剪切強度提高了 22. 29%。
[0017] 4、本發(fā)明使用環(huán)氧乳液作為上漿劑，其粘度低，上漿時不易在導輥上留下樹脂，其 不含有揮發(fā)性有機溶劑污染環(huán)境。
[0018] 本發(fā)明用于一種大規(guī)模制備CNT/CF多尺度增強體的方法。
【附圖說明】
[0019] 圖1為步驟二中制備的含碳納米管的水分散液的TCM圖；
[0020] 圖2為未處理的碳纖維；
[0021] 圖3為實施例一制備的碳纖維復合材料；
[0022] 圖4為未處理的碳纖維的界面剪切強度測試結果；
[0023] 圖5為實施例一制備的碳纖維復合材料的界面剪切強度測試結果；
[0024] 圖6為未處理的碳纖維的界面剪切強度測試結果擬合圖；
[0025] 圖7為實施例一制備的碳纖維復合材料的界面剪切強度測試結果擬合圖；
[0026] 圖8為實施例一制備的碳纖維復合材料微脫粘測試后的SEM圖；
[0027] 圖9為圖8的局部放大圖。
【具體實施方式】
[0028] 本發(fā)明技術方案不局限于以下所列舉的【具體實施方式】，還包括各【具體實施方式】之 間的任意組合。
【具體實施方式】 [0029] 一：本實施方式所述的一種大規(guī)模制備CNT/CF多尺度增強體的方 法，具體是按照以下步驟進行的：
[0030] 一、含碳納米管水分散液的合成：將表面活性劑加入到去離子水中，攪拌溶解，得 到表面活性劑水溶液，然后向表面活性劑水溶液中加入酸化碳納米管，超聲lh~5h后，得 到含碳納米管的水分散液；
[0031] 所述的表面活性劑為非離子類表面活性劑或離子類表面活性劑；
[0032] 所述的酸化碳納米管與表面活性劑的質(zhì)量比為1: (0. 01~4);所述的酸化碳納米 管與去離子水的質(zhì)量比1: (1000~10000);
[0033] 二、碳纖維的浸漬和上漿：將含碳納米管的水分散液灌注于儲液槽中，將水性環(huán)氧 乳液灌注于另一儲液槽中，首先使碳纖維通過含碳納米管的水分散液灌注的儲液槽中進行 浸漬，浸漬時間為10S~60s，得到浸漬后的碳纖維，烘干，然后使浸漬后的碳纖維通過水性 環(huán)氧乳液灌注的儲液槽中進行上漿，上漿時間為10s~60s，得到上漿后的碳纖維，將上漿 后的碳纖維在溫度為120°C~180°C下烘干lmin~5min，收卷，即完成大規(guī)模制備CNT/CF 多尺度增強體的方法；
[0034] 所述的水性環(huán)氧乳液由樹脂、助劑及水組成；所述的樹脂與助劑的質(zhì)量比 1: (0? 005~0? 1);所述的樹脂與水的質(zhì)量比為1: (50~100);
[0035] 所述的樹脂為縮水甘油醚類樹脂、縮水甘油酯類樹脂、縮水甘油胺類樹脂、線性脂 肪族類樹脂和脂環(huán)族樹脂中的一種或其中幾種按任意比組成的混合物；
[0036] 所述的助劑為聚氧乙烯醚類非離子表面活性劑、多元醇類非離子表面活性劑、烷 基磺酸鹽類陰離子表面活性劑、烷基苯磺酸鹽類陰離子表面活性劑、烷基三甲基銨鹽類陽 離子表面活性劑和甜菜堿類兩性表面活性劑中的一種或其中幾種按任意比組成的混合物。
[0037] 本實施方式的有益效果是：1、本實施方式通過利用強氧化性溶液處理碳納米管， 使其表面帶有羧基官能團，能改善其在溶劑中的分散性，且與環(huán)氧樹脂形成很好的相容性。
[0038] 2、本實施方式將酸化碳納米管通過超聲作用分散在水中，能大幅度提高碳納米管 在溶劑中的分散性，TEM測試圖片顯示碳納米管在上漿劑中均勻分散，用環(huán)氧乳液上漿后的 混雜纖維的SEM測試結果顯示碳納米管基本以單根形式密集且均勻地吸附在纖維表面。
[0039] 3、本實施方式用制備的碳纖維做成單絲復合材料，其界面剪切強度可達 55. 31MPa，比未處理的碳纖維的界面剪切強度提高了 22. 29%。
[0040] 4、本實施方式明使用環(huán)氧乳液作為上漿劑，其粘度低，上漿時不易在導輥上留下 樹脂，其不含有揮發(fā)性有機溶劑污染環(huán)境。
【具體實施方式】 [0041] 二：本實施方式與一不同的是：步驟一中所述的酸化 碳納米管是按以下步驟進行：將質(zhì)量百分數(shù)為68 %的1^03與質(zhì)量百分數(shù)為98 %的H 2S(V混 合，得到混合酸，然后向混合酸中加入碳納米管，并超聲20min~60min，得到超聲后的反應 溶液，然后將超聲后的反應溶液置于溫度為80°C~100°C的水浴中，回流反應2h~12h，自 然冷卻至室溫，得到混合液，然后將混合液逐滴加入到去離子水中稀釋，得到稀釋后的混合 液，利用G5砂芯漏斗對稀釋后的混合液進行抽濾，并用去離子水洗滌至濾液呈中性，得濾 渣，將濾渣在溫度為60°C~140°C下真空干燥2h~8h，得到酸化碳納米管；
[0042] 所述的質(zhì)量百分數(shù)為68 %的1^03與質(zhì)量百分數(shù)為98 %的H 2S04的體積比為 1: (0. 3~3);所述的碳納米管的質(zhì)量與質(zhì)量百分數(shù)為98%的H2S04的體積比為lg: (200~ 800)mL。其它與【具體實施方式】一相同。
【具體實施方式】 [0043] 三：本實施方式與一或二之一不同的是：步驟一中所 述的酸化碳納米管與表面活性劑的體積比為1:4。其它與一或二相同。
【具體實施方式】 [0044] 四：本實施方式與一至三之一不同