一種碳納米管微球/玻璃纖維協(xié)同增強環(huán)氧復(fù)合材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于纖維增強復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種碳納米管微球/玻璃纖維協(xié)同增強環(huán)氧復(fù)合材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]玻璃纖維增強復(fù)合材料以其自身高強度、高模量、良好的易成型性、抗腐蝕和疲勞損傷等優(yōu)良特性，廣泛應(yīng)用于航空、石化、新能源等諸多領(lǐng)域。復(fù)合材料的性能不僅取決于增強纖維與基體的性能，而且很大程度上取決于界面結(jié)合的強弱。玻璃纖維增強復(fù)合材料具有比強度、比模量高的特點，但是具有較大的脆性，抗沖擊性能較差。碳納米管(CNTs)具有較大長徑比、優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性、密度輕等優(yōu)點，并具有高強高彈的特性，碳納米管可以通過對纖維/樹脂界面的增強增韌實現(xiàn)纖維增強復(fù)合材料性能的提升。因此碳納米管常被用于玻璃纖維增強樹脂基復(fù)合材料中，成為研究熱點。
[0003]當(dāng)前，CNTs引入纖維增強復(fù)合材料體系的主要方式是將CNTs直接混合分散于樹脂中，然后通過樹脂傳遞成型工藝制備玻璃纖維增強復(fù)合材料，如王柏臣等[王柏臣，尹君山，王莉.RTM成型碳納米管/玻纖混雜多尺度復(fù)合材料的電性能[J].沈陽航空航天大學(xué)學(xué)報，2013，30(1):61-65]采用樹脂傳遞模塑(RTM)工藝制備CNTs/玻璃纖維/環(huán)氧混雜多尺度復(fù)合材料，研究其結(jié)構(gòu)與電性能的相關(guān)性。趙艷文等[趙艷文，葉宏軍，翟軼卓，等.碳納米管/玻纖/環(huán)氧層板超聲真空灌注工藝及性能研究[J].航空材料學(xué)報，2013，33(4):57-63]采用超聲波輔助真空灌注工藝制備復(fù)合材料層板，添加0.05wt %的CNTs后復(fù)合材料的力學(xué)性能得到提高。發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)，CNTs在真空輔助樹脂灌注工藝(VAR頂)過程中，很容易在注膠口造成局部堆積，不僅嚴(yán)重影響樹脂的灌注過程，而且造成CNTs在復(fù)合材料中的分布不均，嚴(yán)重影響復(fù)合材料性能的穩(wěn)定性。Elisabete等[Elisabete F.，Reia da Costa.RTM processing and electrical performance of carbon nanotubemodified epoxy/fibre composites[J].Composites (Part A)，2012，43 (4):593-602]也發(fā)現(xiàn)采用真空輔助樹脂傳遞成型工藝(VARTM)制備復(fù)合材料過程中，出現(xiàn)注膠口和出膠口碳納米管分布不均的現(xiàn)象。同時，F(xiàn)an Z.H.等[Fan Z.H.，Santarea Μ.H.，Advani S.G..Interlaminar shear strength of glass fiber reinforced epoxy composites enhancedwith mult1-walled carbon nanotubes[J].Composites Part A:Applied Science andManufacturing，2008，39 (3):540-554]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)CNTs在環(huán)氧樹脂中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.5%時，可以使用真空灌注成型VARIM制備CNTs-玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料；若CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.5%時，由于纖維表面的過濾作用且沿厚度方向滲透率降低，CNTs容易聚集在纖維織物表面，大大降低其對復(fù)合材料的層間增強效果，甚至出現(xiàn)由于CNTs團聚導(dǎo)致復(fù)合材料力學(xué)性能降低的情況。為此，F(xiàn)an等[Fan Z.H.，Santarea Μ.H.，Advani S.G..Interlaminar shear strength of glass fiber reinforced epoxy composites enhancedwith mult1-walled carbon nanotubes[J].Composites Part A:Applied Science andManufacturing，2008，39 (3):540-554.]又采用雙真空灌注工藝(DVARIM)實現(xiàn)無正壓條件下樹脂滲透，提高了織物的滲透性，使得較高含量的CNT均勻分布，進一步提高了層間剪切性會泛。但是 Chandrasekaran 等[Chandrasekaran V.C.S.，Advani S.G.，Santare M.H..Role of processing on interlaminar shear strength enhancement of epoxy/glassfiber/mult1-walled carbon nanotube hybrid composites[J].Carbon，2010，48(13):3692-3699.]同樣使用DVAR頂制備了 CNT/玻纖/復(fù)合材料層板，層板的性能并未發(fā)生明顯的提尚。因此，尚性能碳納米管/樹脂復(fù)合材料制備的關(guān)鍵之一是要保證CNTs良好的分散和取向，這樣才能最大限度實現(xiàn)樹脂及界面的增強。如何通過制備工藝提高CNTs的增強效果還需要開展深入的研究工作。
[0004]至今尚未見采用碳納米管微球用于樹脂傳遞成型法制備玻璃纖維增強環(huán)氧復(fù)合材料的公開報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種碳納米管微球/玻璃纖維協(xié)同增強環(huán)氧復(fù)合材料的制備方法，可有效解決樹脂傳遞成型工藝過程中碳納米管被纖維織物阻擋或過濾而造成的集聚問題，提高纖維織物增強復(fù)合材料的界面強度，極大減弱分層破壞現(xiàn)象，實現(xiàn)復(fù)合材料穩(wěn)定性能。
[0006]技術(shù)方案:為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明提出一種碳納米管微球/玻璃纖維協(xié)同增強環(huán)氧復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟:
[0007](I)樹脂混合溶液的配制:將固體環(huán)氧樹脂溶解于水溶性有機溶劑中，攪拌使其充分溶解；然后加入碳納米管、表面活性劑和潛伏性固化劑，經(jīng)攪拌、超聲分散得到均質(zhì)樹脂混合溶液；其中，碳納米管的加入量為固體環(huán)氧樹脂質(zhì)量的0.01wt%? lwt%，表面活性劑的加入量為固體環(huán)氧樹脂質(zhì)量的0.01wt%? 10wt%，潛伏性固化劑的加入量為固體環(huán)氧樹脂質(zhì)量的10wt%? 50wt%，優(yōu)選地，經(jīng)攪拌I?2min、超聲分散30?60min得到均質(zhì)樹脂混合溶液；
[0008](2)碳納米管微球的制備:將分散劑溶解于去離子水中得到0.002g/ml?0.05g/ml的微球成型液，倒入微球收集容器中攪拌，其中，分散劑的用量為固體環(huán)氧樹脂質(zhì)量的2wt%? 1wt將步驟(I)中的樹脂混合溶液緩慢滴入微球收集容器中，至樹脂混合溶液全部滴完后，再將收集容器中的微球濾出，用去離子水反復(fù)清洗3?5次，室溫干燥24?48h，即得到碳納米管/環(huán)氧微球，備用；
[0009](3)玻璃纖維增強復(fù)合材料的制備:將步驟(2)得到的碳納米管/環(huán)氧微球均勻鋪設(shè)于玻璃纖維織物之間，先50°C?100°C預(yù)熱使得微球熔融，冷卻至室溫后再采用樹脂傳遞成型工藝灌注低粘度環(huán)氧樹脂與固化劑，固化后得到碳納米管微球/玻璃纖維協(xié)同增強環(huán)氧復(fù)合材料。
[0010]優(yōu)選地，步驟(I)中所述的固體環(huán)氧樹脂是室溫下呈固態(tài)的環(huán)氧樹脂；步驟(3)中所述的低粘度環(huán)氧樹脂是室溫下粘度在1000?3000mPa.s的環(huán)氧樹脂。
[0011]優(yōu)選地，所述的固體環(huán)氧樹脂為縮水甘油醚類、縮水甘油酯類、縮水甘油胺類、月旨環(huán)族、環(huán)氧化烯烴類、酰亞胺環(huán)氧樹脂或海因環(huán)氧樹脂中的任意一種或幾種的混合物；所述的低粘度環(huán)氧樹脂為縮水甘油醚類、縮水甘油酯類、縮水甘油胺類、脂環(huán)族、環(huán)氧化烯烴類、酰亞胺環(huán)氧樹脂和海因環(huán)氧樹脂中的任意一種。
[0012]步驟⑴中所述的水溶性有機溶劑是丙酮、甲乙酮、無水乙醇、乙二醇中的任意一種或幾種的混合物。
[0013]優(yōu)選地，步驟(I