一種穩(wěn)定型定向碳納米管增強(qiáng)復(fù)合材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于碳納米管復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種穩(wěn)定型定向碳納米管增強(qiáng)復(fù)合材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]碳納米管是采用電弧、激光等技術(shù)將石墨片按照一定螺旋角加工卷曲而成、直徑為納米級的管狀物質(zhì)。它有著非常大的長徑比，優(yōu)異的物理特性，其抗拉強(qiáng)度是鋼的100倍。沿著長度方向的熱交換性能很高，而相對的其垂直方向的熱交換性能較低，通過合適的取向，碳納米管可以合成高各向異性的熱傳導(dǎo)材料。具有極大的比表面積和優(yōu)異的導(dǎo)熱性，化學(xué)穩(wěn)定性好，導(dǎo)電能力強(qiáng)，力學(xué)性能優(yōu)異，并且與高分子材料有較好的相容性，被認(rèn)為是當(dāng)前最理想的高分子聚合物多功能填料。由于碳納米管本身有著較強(qiáng)的線性特征，其在基體中定向的好壞程度直接影響了所制備復(fù)合材料的性能。目前，在復(fù)合材料中的碳納米管定向技術(shù)大多是先將碳納米管與基體材料混合以后再采用一定技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)碳納米管的扭轉(zhuǎn)和定向。而基體材料又存在較大的粘度系數(shù)，碳納米管難以在其中順利扭轉(zhuǎn)以至難以達(dá)到產(chǎn)品所要求的定向程度。
[0003]現(xiàn)如今我國大部分高性能復(fù)合材料仍然依靠進(jìn)口，利用性能優(yōu)良的碳納米管作為增強(qiáng)相對不飽和樹脂進(jìn)行改性研宄具有很高的現(xiàn)實(shí)意義。目前多以通過物理混合的方式將碳納米管加入到不飽和樹脂基體中，此方法雖然過程簡單，但是碳納米管在基體中難以分散，并且與基體僅為物理結(jié)合，界面粘結(jié)性能差。因此，如何采用穩(wěn)定的制備工藝，制備出有碳納米管彌散分布的復(fù)合材料同時最大程度削弱對碳納米管結(jié)構(gòu)的破壞，盡可能提高碳納米管與基體之間的界面結(jié)合，是制備高性能碳納米管增強(qiáng)復(fù)合材料的關(guān)鍵問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種穩(wěn)定型定向碳納米管增強(qiáng)復(fù)合材料的制備方法，本發(fā)明先對碳納米管進(jìn)行預(yù)處理，制得的酸化碳納米管上含有羥基和羧基，大大增加了碳納米管的反應(yīng)活性，磁性處理后使碳納米管的定向程度良好，便于后期可擠壓得到任意厚度的摻雜定向碳納米管的復(fù)合材料，鋁粉包覆粉的制作中采用超聲分散技術(shù)，減少了團(tuán)聚現(xiàn)象發(fā)生，提高鋁粉包覆粉的分散性和穩(wěn)定性，和碳納米管的熱擠壓得到的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為43MPa，壓縮強(qiáng)度為125MPa。
[0005]本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:
一種穩(wěn)定型定向碳納米管增強(qiáng)復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，具體包括以下步驟:
Cl)碳納米管預(yù)處理:按照重量比1:5取出碳納米管和濃硫酸混合，控制溫度為85-95°C，在頻率為70KHz的條件下超聲處理50_55min，然后用直徑為0.2-0.4 u m的微孔濾膜抽濾，去離子水反復(fù)洗滌直至中性，最后在90°C下烘7-8h，研磨至粉末狀；
(2)磁性處理:將上述碳納米管在碳納米管風(fēng)道中通過高壓陰極金屬網(wǎng)并進(jìn)入勻強(qiáng)電場，碳納米管在靜電力作用下發(fā)生扭轉(zhuǎn)從而在勻強(qiáng)電場中完成定向，收集；
(3)制鋁粉包覆粉:按質(zhì)量比10:3:1取層片狀鋁粉、馬來酸酐和聚乙二醇混合，加入2-4%的高氯酸，進(jìn)行超聲40-50min，過濾后用去離子水洗滌，在80-90°C烘干；
(4)制增強(qiáng)碳納米管:將步驟(2)中所得碳納米管、丙二醇和鄰苯二甲酸酐按照1:15:100的重量比加入到密閉反應(yīng)容器中，控制溫度為180-200°C，攪拌3_4h，溫度下降到92-95°C時加入16-18%苯乙烯，攪拌均勻，冷卻到室溫；
(5)制復(fù)合材料:保持室溫狀態(tài)，將上述制得的鋁粉包覆粉、增強(qiáng)碳納米管在壓力650-750MPa壓制成塊體，然后以升溫速率10 °C /min升溫至650 °C下燒結(jié)25_35min，在650 °C熱擠壓。
[0006]進(jìn)一步的，所述步驟(3)中的聚乙二醇的聚合度為1200-1800。
[0007]進(jìn)一步的，所述步驟(5)中按照擠壓比20:1進(jìn)行熱擠壓。
[0008]本發(fā)明的有益效果為:
本發(fā)明先對碳納米管進(jìn)行預(yù)處理，制得的酸化碳納米管上含有羥基和羧基，大大增加了碳納米管的反應(yīng)活性，磁性處理后使碳納米管的定向程度良好，便于后期可擠壓得到任意厚度的摻雜定向碳納米管的復(fù)合材料，鋁粉包覆粉的制作中采用超聲分散技術(shù)，減少了團(tuán)聚現(xiàn)象發(fā)生，提高鋁粉包覆粉的分散性和穩(wěn)定性，和碳納米管的熱擠壓得到的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為43MPa，壓縮強(qiáng)度為125MPa (未經(jīng)過碳納米管接枝的不飽和樹脂的拉伸強(qiáng)度為 25-30MPa，壓縮強(qiáng)度為 55_65MPa)。
【具體實(shí)施方式】
[0009]實(shí)施例1
一種穩(wěn)定型定向碳納米管增強(qiáng)復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，具體包括以下步驟:
Cl)碳納米管預(yù)處理:按照重量比1:5取出碳納米管和濃硫酸混合，控制溫度為85-95°C，在頻率為70KHz的條件下超聲處理50min，然后用直徑為0.2 u m的微孔濾膜抽濾，去離子水反復(fù)洗滌直至中性，最后在90°C下烘7h，研磨至粉末狀；
(2)磁性處理:將上述碳納米管在碳納米管風(fēng)道中通過高壓陰極金屬網(wǎng)并進(jìn)入勻強(qiáng)電場，碳納米管在靜電力作用下發(fā)生扭轉(zhuǎn)從而在勻強(qiáng)電場中完成定向，收集；
(3)制鋁粉包覆粉:按質(zhì)量比10:3:1取層片狀鋁粉、馬來酸酐和聚合度為1200-1800的聚乙二醇混合，加入2%的高氯酸，進(jìn)行超聲40min，過濾后用去離子水洗滌，在80°C烘干；
(4)制增強(qiáng)碳納米管:將步驟(2)中所得碳納米管、丙二醇和鄰苯二甲酸酐按照1:15:100的重量比加入到密閉反應(yīng)容器中，控制溫度為180°C，攪拌4h，溫度下降到92°C時加入16%苯乙稀，攪拌均勾，冷卻到室溫；
(5)制復(fù)合材料:保持室溫狀態(tài)，將上述制得的鋁粉包覆粉、增強(qiáng)碳納米管在壓力650MPa壓制成塊體，然后以升溫速率10°C /min升溫至650°C下燒結(jié)25min，在650°C按照擠壓比20:1進(jìn)行熱擠壓。
[0010]實(shí)施例2
一種穩(wěn)定型定向碳納米管增強(qiáng)復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，具體包括以下步驟:
(1)碳納米管預(yù)處理:按照重量比1:5取出碳納米管和濃硫酸混合，控制溫度為85-95°C，在頻率為70KHz的條件下超聲處理53min，然后用直徑為0.3 u m的微孔濾膜抽濾，去離子水反復(fù)洗滌直至中性，最后在90°C下烘7h，研磨至粉末狀；
(2)磁性處理:將上述碳納米管在碳納米管風(fēng)道中通過高壓陰極金屬網(wǎng)并進(jìn)入勻強(qiáng)電場，碳納米管在靜電力作用下發(fā)生扭轉(zhuǎn)從而在勻強(qiáng)電場中完成定向，收集；
(3)制鋁粉包覆粉:按質(zhì)量比10:3:1取層片狀鋁粉、馬來酸酐和聚合度為1200-1800的聚乙二醇混合，加入3%的高氯酸，進(jìn)行超聲45min，過濾后用去離子水洗滌，在85°C烘干；
(4)制增強(qiáng)碳納米管:將步驟(2)中所得碳納米管、丙二醇和鄰苯二甲酸酐按照1:15:100的重量比加入到密閉反應(yīng)容器中，控制溫度為190°C，攪拌3h，溫度下降到93°C時加入17%苯乙稀，攪拌均勾，冷卻到室溫；
(5)制復(fù)合材料:保持室溫狀態(tài)，將上述制得的鋁粉包覆粉、增強(qiáng)碳納米管在壓力700MPa壓制成塊體，然后以升溫速率10°C /min升溫至650°C下燒結(jié)30min，在650°C按照擠壓比20:1進(jìn)行熱擠壓。
[0011] 實(shí)施例3
一種穩(wěn)定型定向碳納米管增強(qiáng)復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，具體包括以下步驟:
(1)碳納米管預(yù)處理:按照重量比1:5取出碳納米管和濃硫酸混合，控制溫度為95°C，在頻率為70KHz的條件下超聲處理50min，然后用直徑為0.4 u m的微孔濾膜抽濾，去離子水反復(fù)洗滌直至中性，最后在90°C下烘8h，研磨至粉末狀；
(2)磁性處理:將上述碳納米管在碳納米管風(fēng)道中通過高壓陰極金屬網(wǎng)并進(jìn)入勻強(qiáng)電場，碳納米管在靜電力作用下發(fā)生扭轉(zhuǎn)從而在勻強(qiáng)電場中完成定向，收集；
(3)制鋁粉包覆粉:按質(zhì)量比10:3:1取層片狀鋁粉、馬來酸酐和聚合度為1200-1800的聚乙二醇混合，加入4%的高氯酸，進(jìn)行超聲50min，過濾后用去離子水洗滌，在90°C烘干；
(4)制增強(qiáng)碳納米管:將步驟(2)中所得碳納米管、丙二醇和鄰苯二甲酸酐按照1:15:100的重量比加入到密閉反應(yīng)容器中，控制溫度為200°C，攪拌3h，溫度下降到95°C時加入18%苯乙稀，攪拌均勾，冷卻到室溫；
(5)制復(fù)合材料:保持室溫狀態(tài)，將上述制得的鋁粉包覆粉、增強(qiáng)碳納米管在壓力750MPa壓制成塊體，然后以升溫速率10°C /min升溫至650°C下燒結(jié)35min，在650°C按照擠壓比20:1進(jìn)行熱擠壓。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種穩(wěn)定型定向碳納米管增強(qiáng)復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，具體包括以下步驟: (1)碳納米管預(yù)處理:按照重量比1:5取出碳納米管和濃硫酸混合，控制溫度為85-95°C，在頻率為70KHz的條件下超聲處理50_55min，然后用直徑為0.2-0.4 u m的微孔濾膜抽濾，去離子水反復(fù)洗滌直至中性，最后在90°C下烘7-8h，研磨至粉末狀； (2)磁性處理:將上述碳納米管在碳納米管風(fēng)道中通過高壓陰極金屬網(wǎng)并進(jìn)入勻強(qiáng)電場，碳納米管在靜電力作用下發(fā)生扭轉(zhuǎn)從而在勻強(qiáng)電場中完成定向，收集； (3)制鋁粉包覆粉:按質(zhì)量比10:3:1取層片狀鋁粉、馬來酸酐和聚乙二醇混合，加入2-4%的高氯酸，進(jìn)行超聲40-50min，過濾后用去離子水洗滌，在80-90°C烘干； (4)制增強(qiáng)碳納米管:將步驟(2)中所得碳納米管、丙二醇和鄰苯二甲酸酐按照1:15:100的重量比加入到密閉反應(yīng)容器中，控制溫度為180-200°C，攪拌3_4h，溫度下降到92-95°C時加入16-18%苯乙烯，攪拌均勻，冷卻到室溫； (5)制復(fù)合材料:保持室溫狀態(tài)，將上述制得的鋁粉包覆粉、增強(qiáng)碳納米管在壓力650-750MPa壓制成塊體，然后以升溫速率10°C /min升溫至650°C下燒結(jié)25_35min，在650 °C熱擠壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種穩(wěn)定型定向碳納米管增強(qiáng)復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)中的聚乙二醇的聚合度為1200-1800。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種穩(wěn)定型定向碳納米管增強(qiáng)復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述步驟(5)中按照擠壓比20:1進(jìn)行熱擠壓。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種穩(wěn)定型定向碳納米管增強(qiáng)復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，具體包括以下步驟：（1）碳納米管預(yù)處理；（2）磁性處理；（3）制鋁粉包覆粉；（4）制增強(qiáng)碳納米管；（5）制復(fù)合材料。本發(fā)明先對碳納米管進(jìn)行預(yù)處理，制得的酸化碳納米管上含有羥基和羧基，大大增加了碳納米管的反應(yīng)活性，磁性處理后使碳納米管的定向程度良好，便于后期可擠壓得到任意厚度的摻雜定向碳納米管的復(fù)合材料，鋁粉包覆粉的制作中采用超聲分散技術(shù)，減少了團(tuán)聚現(xiàn)象發(fā)生，提高鋁粉包覆粉的分散性和穩(wěn)定性，和碳納米管的熱擠壓得到的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為43MPa，壓縮強(qiáng)度為125MPa。
【IPC分類】C08K9-00, C08K7-24, C08K3-08, C08K13-06, C08L67-02, C08K9-10, C08G63-181, C08K9-02
【公開號】CN104672823
【申請?zhí)枴緾N201410801053
【發(fā)明人】劉澤華
【申請人】青島中天信達(dá)生物技術(shù)研發(fā)有限公司
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2014年12月22日