一種納米增韌的碳纖維復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001 ]本發(fā)明涉及碳纖維復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種石墨烯/埃洛石納米管膜和 碳納米管/埃洛石納米管膜協(xié)同增韌的碳纖維復(fù)合材料。
【背景技術(shù)】：
[0002] 石墨烯是有碳原子按正六邊形緊密排列成蜂窩狀晶格的單層二維平面結(jié)構(gòu)，具有 較強(qiáng)的導(dǎo)電性，較高的強(qiáng)度。石墨烯原始片層因為其低的表面活化能，往往不能很好與的聚 合物浸潤而達(dá)到很好的分散，最終致使其增強(qiáng)的復(fù)合材料性能不升反降。
[0003] 自1991年日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)碳納米管以來，其制備方法、性能和應(yīng)用都得到了廣泛 的研究。碳納米管的管徑在2_20nm，長度可達(dá)到微米級別，較大的長徑比和比表面積使其容 易發(fā)生團(tuán)聚，很難在基體中分散開。同時，表面惰性使其與基體之間的界面結(jié)合力較弱，在 受載時應(yīng)力不能有效的在基體和碳納米管之間轉(zhuǎn)移。
[0004] 界面結(jié)合不好和納米粒子在樹脂基體中的分散性差，始終是納米增強(qiáng)纖維樹脂基 復(fù)合材料中的關(guān)鍵問題。一般簡單的機(jī)械混合很難使得納米粒子在樹脂基體中有效分散。
[0005] 碳纖維復(fù)合材料作為一種高性能復(fù)合材料，存在脆性高、韌性低等問題，傳統(tǒng)的解 決方法有熱塑性樹脂改性、橡膠粒子改性等。然而，通過熱塑性樹脂和橡膠粒子等傳統(tǒng)方法 改性，雖然可以提高復(fù)合材料的韌性，但是會導(dǎo)致復(fù)合材料的耐熱性下降、模量下降等一系 列問題。本發(fā)明采用了納米粒子層間增韌碳纖維預(yù)浸料制備碳纖維復(fù)合材料，可以大幅度 提高材料的韌性，同時也能提高復(fù)合材料的模量，得到高性能復(fù)合材料。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0006] 本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)上的碳纖維復(fù)合材料韌性不足的特點(diǎn)，提供一種石 墨烯/碳納米管/埃洛石納米管協(xié)同增韌的碳纖維復(fù)合材料，所述碳纖維復(fù)合材料由16~20 層預(yù)浸料薄膜，1層活性石墨烯/埃洛石納米管復(fù)合薄膜和1層活性碳納米管/埃洛石納米管 復(fù)合薄膜模壓固化成型而成;其中，所述活性石墨烯/埃洛石納米管復(fù)合薄膜由10~15%氨 基化石墨烯，70~80%的芐基縮水甘油醚和10~15%改性后的接枝長鏈聚合物的埃洛石納 米管制成;所述活性碳納米管/埃洛石納米管復(fù)合薄膜由10~15 %的碳納米管和70~80% 的芐基縮水甘油醚和I 〇~15 %改性后的接枝長鏈聚合物的埃洛石納米管制成。
[0007] 進(jìn)一步，所述碳纖維復(fù)合材料的厚度為：2~3mm，所述預(yù)浸料厚度為0.09~ 0.17mm、活性石墨烯/埃洛石納米管復(fù)合薄膜厚度為50~80μπι、活性碳納米管/埃洛石納米 管復(fù)合薄膜的厚度為50~80μπι。
[0008] 進(jìn)一步，所述碳纖維復(fù)合材料的鋪層順序自上而下分別為:8~10層預(yù)浸料，1層活 性石墨烯/埃洛石納米管復(fù)合薄膜和1層活性碳納米管/埃洛石納米管復(fù)合薄膜和8~10層 預(yù)浸料。
[0009] 同時，本發(fā)明還提供一種碳纖維復(fù)合材料的制備方法，所述碳纖維復(fù)合材料采用 模壓法制備，具體是將0.09~0.17_的碳纖維預(yù)浸料、活性石墨烯/埃洛石納米管復(fù)合薄膜 和活性碳納米管/埃洛石納米管復(fù)合薄膜置于平板硫化儀中，按照碳纖維預(yù)浸料的固化工 藝進(jìn)行固化成型，最終壓制成厚度為2~3_的單向復(fù)合材料層合板。
[0010] 其中，活性石墨烯/埃洛石納米管復(fù)合薄膜的制備方法包括如下步驟：
[0011] a)將埃洛石納米管添加到鹽酸溶液中，取下層渾濁液，加蒸餾水離心處理，取沉淀 物烘干，研磨，得到粉末I;
[0012] b)在粉末I中加入氯化鈉溶液，攪拌，蒸餾水離心處理，105°C條件下烘干，研磨，得 到粉末Π ;
[0013] C)在粉末Π 中加入十六烷基三甲基溴化銨，60°C油浴攪拌，乙醇離心，90°C烘干， 研磨，得到改性后的接枝長鏈聚合物的埃洛石納米管；
[0014] d)將氨基化石墨烯于芐基縮水甘油醚混合，機(jī)械攪拌，得到混合液I;
[0015] e)將混合液I加入球磨機(jī)中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下球磨，得到混合液Π ;
[0016] f)將混合液Π 置于150 ± 5 °C的條件下油浴，然后常溫靜置，得到活性石墨烯混合 液；
[0017] g)在活性石墨烯混合液中加入改性后的接枝長鏈聚合物的埃洛石納米管，得到混 合液m;
[0018] h)完全混合后將混合液m加熱到90±5°C，并在90±5°C的條件下機(jī)械攪拌，得到 混合液IV;
[0019] i)將混合液IV在60W超聲功率下超聲處理，常溫靜置后得到的活性石墨烯埃洛石 納米管混合液；
[0020] j)將活性石墨烯/埃洛石納米管混合液涂膜，然后常溫靜置，得到石墨烯/埃洛石 納米管復(fù)合薄膜。
[0021] 所述活性碳納米管/埃洛石納米管復(fù)合薄膜的制備方法包括如下步驟：
[0022] a)將氨基化碳納米管加入到芐基縮水甘油醚中，攪拌，得到混合液①；
[0023] b)將混合液①加入球磨機(jī)中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下球磨，得到混合液②；
[0024] c)將混合液②在150 ± 5°C的條件下油浴，然后常溫靜置，得到活性碳納米管混合 液；
[0025] d)將改性后的接枝長鏈聚合物的埃洛石納米管成品加入活性碳納米管混合液中， 并加熱到90 ± 5°C，在90 ± 5°C的條件下機(jī)械攪拌，得到混合液③；
[0026] e)將混合液③置于60W超聲功率下超聲處理，然后常溫靜置，得到的活性碳納米 管/埃洛石納米管混合液；
[0027] f)將活性碳納米管/埃洛石納米管混合液在四氟乙烯平板上進(jìn)行涂膜，常溫靜置， 得到碳納米管/埃洛石納米管復(fù)合薄膜。
[0028] 進(jìn)一步，所述球磨的條件為：球磨轉(zhuǎn)速200~500r/min，連續(xù)球磨IOmin后需間歇 5min，球磨時間0.5~4h。
[0029] 本發(fā)明所述涂膜的方法包括:用玻璃棒涂膜，用甩膜機(jī)涂膜，用涂膜機(jī)涂膜。
[0030] 有益效果：
[0031] 其一：
[0032]本發(fā)明的克服了現(xiàn)有技術(shù)上的不足，通過活性石墨烯/埃洛石納米管的混合處理， 活性碳納米管/埃洛石納米管的混合處理，實現(xiàn)對復(fù)合材料多維度，多尺度的增強(qiáng)增韌，通 過實施例1~4的數(shù)據(jù)可以看出，大大提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能。
[0033]首先，本發(fā)明通過對氨基化石墨烯進(jìn)行預(yù)處理，將氨基化石墨烯同芐基縮水甘油 醚反應(yīng)，經(jīng)過濕法球磨處理得到活性石墨烯。其次，通過對氨基化碳納米管進(jìn)行預(yù)處理，將 氨基化碳納米管同芐基縮水甘油醚反應(yīng)，經(jīng)過濕法球磨處理得到活性碳納米管，最后，本發(fā) 明通過對埃洛石納米管進(jìn)行預(yù)處理，將購買的埃洛石納米管和濃度鹽酸反應(yīng)，靜置。倒掉上 清液，蒸餾水離心處理到PH= 6，烘干，研磨。然后加入氯化鈉溶液反應(yīng)，蒸餾水離心處理直 到不含氯離子，烘干，研磨。最后同十六烷基三甲基溴化銨，乙醇離心，烘干，研磨得到改性 后的接枝長鏈聚合物的埃洛石納米管。
[0034]本發(fā)明通過上述三種預(yù)處理過程，將液體活性石墨烯同改性后埃洛石納米管進(jìn)行 混雜處理，得到活性石墨烯/埃洛石納米管混合液。之后用常規(guī)涂膜方法將活性石墨烯/埃 洛石納米管混合液進(jìn)行涂膜。將液體活性碳納米管同改性后埃洛石納米管進(jìn)行混雜處理， 得到活性碳納米管/埃洛石納米管混合液。之后用常規(guī)涂膜方法將碳納米管/埃洛石納米管 混合液進(jìn)行涂膜。最后將兩層納米復(fù)合膜鋪在預(yù)浸料層間模壓成型制備復(fù)合材料層合板， 其中，所述常規(guī)涂膜方法包括用玻璃棒涂膜，用甩膜機(jī)涂膜，用涂膜機(jī)涂膜等現(xiàn)有涂膜方 法。
[0035] 其二：
[0036] 本發(fā)明制備了兩種應(yīng)用于層間增韌的納米復(fù)合膜。在復(fù)合膜的制備過