一種碳纖維增強(qiáng)體的快速制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種碳纖維增強(qiáng)體的快速制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，碳納米管因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)及優(yōu)良的熱/力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)性能在許多領(lǐng)域 具有廣泛的應(yīng)用前景。將碳納米管負(fù)載在傳統(tǒng)的碳纖維材料表面，利用納米材料的高化學(xué) 反應(yīng)活性、錨定效應(yīng)和優(yōu)異的力學(xué)等性能可以顯著改善纖維與基體間的界面粘結(jié)，應(yīng)力分 布和載荷傳遞，同時(shí)實(shí)現(xiàn)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料性能的可控和可設(shè)計(jì)性。
[0003] 目前，多尺度碳納米管/碳纖維增強(qiáng)體的制備方法主要有化學(xué)氣相沉積法、化學(xué) 接枝法和電泳沉積法。專利CN200710144499. 3中公開了一種利用化學(xué)接枝法制備的多尺 度碳納米管/碳纖維增強(qiáng)體，需同時(shí)對(duì)碳納米管和碳纖維表面進(jìn)行處理，可顯著提高復(fù)合 材料的界面性能和韌性。但是，該方法步驟較為繁瑣，反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，化學(xué)處理較多，難以工業(yè) 化批量生產(chǎn)。
[0004] 由于現(xiàn)有的制備多尺度碳納米管/碳纖維增強(qiáng)體的方法存在工藝條件、技術(shù)設(shè)備 要求苛刻、工藝時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)纖維本身有損傷、難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用等問題，因此亟 需一種制備工藝簡(jiǎn)便、可以工業(yè)化的方法來制備多尺度碳纖維增強(qiáng)體。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種簡(jiǎn)便易行、可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化且對(duì)纖維本身無損傷的多尺度 碳纖維增強(qiáng)體的制備方法。
[0006] 本發(fā)明利用乳液上漿工藝將碳納米管均勻負(fù)載在碳纖維表面，工序少，工藝簡(jiǎn)單， 環(huán)保無污染。同時(shí)，碳纖維和碳納米管表面都涂覆有上漿層，易于相互結(jié)合并發(fā)生部分化學(xué) 反應(yīng)，而且上漿劑主體樹脂與基體樹脂體系相同，制備復(fù)合材料過程中基體樹脂容易在多 尺度增強(qiáng)體表面鋪展，這在未來多尺度增強(qiáng)體的工業(yè)制備中意義重大。
[0007] 本發(fā)明多尺度碳纖維增強(qiáng)體的制備方法為將表面修飾后的碳納米管利用一定途 徑分散到碳纖維上漿劑中，然后利用上漿即可將碳納米管引入碳纖維表面；且碳納米管與 碳纖維之間為物理包覆和化學(xué)鍵合共同作用。
[0008] 本發(fā)明的制備方法是通過以下步驟實(shí)現(xiàn)的：
[0009] (1)在商用環(huán)氧樹脂乳液上漿劑中加入碳納米管和分散劑，將混合液超聲l_3h， 攪拌9-12h，攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速為500-1000rpm，即得到含有碳納米管的乳液型碳纖維改性上漿 劑，其中碳納米管的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為〇. 6-0. 8wt%，分散劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 5-1.Owt% ;
[0010] (2)將聚丙烯腈基碳纖維、石墨纖維或粘膠基碳纖維通過丙酮抽提4-6h去漿，將 步驟（1)改性上漿劑用去離子水稀釋到濃度為0.5-1. 5wt%后為去漿后的聚丙烯腈基碳纖 維、石墨纖維或粘膠基碳纖維上漿，浸膠時(shí)間為30-60S，干燥除去水分，即得到碳納米管負(fù) 載的多尺度碳纖維增強(qiáng)體。
[0011] 本發(fā)明步驟（1)中碳納米管為多壁碳納米管或單壁碳納米管，多壁碳納米管的長(zhǎng) 度為0. 2-2 y m ;單壁碳納米管的長(zhǎng)度為0. 2-1. 5 y m。碳納米管長(zhǎng)度較短時(shí)，增強(qiáng)效果不明 顯；碳納米管長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，易發(fā)生纏結(jié)，影響其改性效果。
[0012] 本發(fā)明步驟（1)中碳納米管在上漿劑中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6-0. 8wt% ;碳納米管的 質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于〇. 6wt%時(shí)，界面性能改善不明顯；碳納米管的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于0. 8wt%時(shí)，碳 納米管易發(fā)生團(tuán)聚，影響其在纖維表面分布的均勻性，改性效果不佳。
[0013] 本發(fā)明步驟（1)中分散劑是聚乙二醇4000、聚乙二醇10000或y-氨丙基三乙氧 基硅烷。在上漿劑中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5-1. Owt% ;分散劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.5wt%時(shí)，分散 效果不佳；分散劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于1. 時(shí)，沒有必要且浪費(fèi)原料。
[0014] 本發(fā)明的有益效果：
[0015] (1)本發(fā)明通過乳液上漿法制備得到表面粗糙度大、浸潤性優(yōu)異、化學(xué)官能團(tuán)多、 力學(xué)性能提高的碳納米管負(fù)載的多尺度碳纖維增強(qiáng)體。且碳納米管與碳纖維之間既有物理 包覆，又有化學(xué)鍵合。
[0016] (2)本發(fā)明以碳納米管作為添加劑制備多尺度碳纖維增強(qiáng)體，并控制碳納米管的 長(zhǎng)度和添加量，可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的上漿法即可制備界面性能和力學(xué)性能優(yōu)異的碳纖維增強(qiáng)體。 解決了化學(xué)氣相沉積等常用方法在制備增強(qiáng)體時(shí)損傷纖維本身的問題，從而有利于碳纖 維復(fù)合材料整體性能的發(fā)揮。本發(fā)明碳納米管-碳纖維多尺度增強(qiáng)體的拉伸強(qiáng)度可提高 11% -22%〇
[0017] (3)本發(fā)明采用乳液上漿法制備碳納米管-碳纖維多尺度增強(qiáng)體，降低了生產(chǎn)成 本，減少了有機(jī)溶劑對(duì)人體和環(huán)境的傷害，有利于環(huán)境友好性及可持續(xù)發(fā)展。
[0018] (4)本發(fā)明采用上漿法，不需額外增加工序，且工藝簡(jiǎn)便，對(duì)設(shè)備和反應(yīng)條件要求 不苛刻，最重要的是可實(shí)現(xiàn)連續(xù)化工業(yè)生產(chǎn)，具有重要的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值，對(duì)實(shí)現(xiàn)制備低成本 高性能碳纖維及其復(fù)合材料的目標(biāo)起到良好的推動(dòng)作用。
【附圖說明】
[0019] 圖1是實(shí)施例1制備出的碳納米管-碳纖維多尺度增強(qiáng)體的電鏡照片；
[0020] 圖2是實(shí)施例2制備出的碳納米管-碳纖維多尺度增強(qiáng)體的電鏡照片。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)注意，此處的實(shí)施例僅用于說明本發(fā) 明而不限制本發(fā)明的范圍。還應(yīng)注意，在閱讀本發(fā)明的內(nèi)容后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明所 做的各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書所限定的范圍。
[0022] 以下實(shí)施例中碳纖維的抗拉強(qiáng)度測(cè)試方法如下：
[0023] 用單絲拉力儀（LLY-06E，萊州市電子儀器有限公司）測(cè)定單根纖維的拉伸強(qiáng)度； 紙框間距為20mm，拉伸速率0. 5mm/min。每個(gè)樣品測(cè)量25次。
[0024] 實(shí)施例1
[0025] 向商用環(huán)氧樹脂乳液上漿劑中加入長(zhǎng)度為1. 5 ym、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6wt%的羧基化 多壁碳納米管和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 5wt %的聚乙二醇10000。混合均勻后超聲3h，再在轉(zhuǎn)速為 500rpm條件下攪拌llh，即得到含有碳納米管的乳液型碳纖維改性上漿劑。將