一種二氧化鈦改性碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于濕式摩擦材料領(lǐng)域，具體涉及一種二氧化鈦改性碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料因其高比強(qiáng)度和比模量、抗疲勞、耐腐蝕、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)異性能而被廣泛應(yīng)用于工程材料中。然而碳纖維表面惰性大，不具備豐富的網(wǎng)狀分支結(jié)構(gòu)，在垂直于纖維方向上性能較差，與樹脂的界面結(jié)合不夠理想，在一定程度上限制了樹脂基復(fù)合材料在嚴(yán)苛環(huán)境及特殊領(lǐng)域中的應(yīng)用。因此，對(duì)碳纖維進(jìn)行適度的物理或化學(xué)改性處理，以增進(jìn)其與樹脂基體的結(jié)合強(qiáng)度，進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域。
[0003]申請(qǐng)?zhí)枮镃N201310552131.6的中國(guó)專利“一種碳纖維表面處理方法”提出了在一個(gè)大氣壓的環(huán)境下，使用氮?dú)庾鳛樘祭w維表面處理介質(zhì)，產(chǎn)生低溫等離子體，對(duì)運(yùn)動(dòng)中的碳纖維絲束表面進(jìn)行離子轟擊，進(jìn)而對(duì)纖維進(jìn)行改性的方法。本方法使碳纖維表面的活性極性官能團(tuán)含量增加，碳纖維表面的溝槽加深，比表面積增加，提高了其復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度。但是該專利提出的方法對(duì)實(shí)驗(yàn)條件要求較高，不適應(yīng)工業(yè)化生產(chǎn)。
[0004]申請(qǐng)?zhí)枮镃N201310083719.1的中國(guó)專利“一種顆粒增強(qiáng)增韌樹脂基纖維復(fù)合材料的制備方法”提出一種采用顆粒增強(qiáng)增韌纖維復(fù)合材料力學(xué)性能的制備方法。其特征在于，在基體樹脂100重量份中加入粒徑為10?50μπι的固體顆粒5?30重量份，混合均勻后，再進(jìn)行真空導(dǎo)入制成顆粒/纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。本發(fā)明能夠利用顆粒使纖維增強(qiáng)復(fù)合材料強(qiáng)度與韌度等力學(xué)性能提高10%?35%。該方法的缺陷是，通過機(jī)械方法將顆粒和纖維混合無法保證兩者的均勻性，兩者的協(xié)同作用沒有充分體現(xiàn)，增強(qiáng)效果不夠明顯。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種二氧化鈦改性碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的制備方法，以克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明以二氧化鈦改性后的碳纖維作為增強(qiáng)體，制備出摩擦系數(shù)高，磨損量低的增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料。
[0006]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0007]—種二氧化鈦改性碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟:
[0008]步驟一:以質(zhì)量份數(shù)計(jì)，取20?30份去離子水，向其中加入濃鹽酸得到酸性溶液，然后將I?3份鈦酸四丁酯加入酸性溶液中得到混合溶液Α，將0.05?0.2份經(jīng)濃硝酸預(yù)處理后的碳纖維加入混合溶液A中得到混合溶液B;
[0009]步驟二:將混合溶液B在于均相水熱儀中發(fā)生均相水熱反應(yīng)，反應(yīng)完成后自然冷卻至室溫，將得到的碳纖維用去離子水或乙醇洗滌后烘干，即得到二氧化鈦改性碳纖維；
[0010]步驟三:將二氧化鈦改性碳纖維、竹纖維及芳綸漿柏按照3:1:1的質(zhì)量比分散于水中，然后利用真空抽濾裝置制得纖維預(yù)制體并自然晾干，將晾干后的纖維預(yù)制體采用改性酚醛樹脂浸漬，再次自然晾干后熱壓成型，制得二氧化鈦改性碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料。[0011 ] 進(jìn)一步地，步驟一中向去離子水中加入濃鹽酸至pH=-0.4?3。
[0012]進(jìn)一步地，步驟一中濃硝酸預(yù)處理碳纖維的方法為:將碳纖維在80°C油浴條件下采用濃硝酸冷凝回流預(yù)處理6h。
[0013]進(jìn)一步地，步驟二中均相水熱反應(yīng)的溫度為100°C?200°C，時(shí)間為5?24h。
[0014]進(jìn)一步地，步驟三中采用的改性酚醛樹脂為丁腈改性酚醛樹脂。
[0015]進(jìn)一步地，步驟三中熱壓的溫度為170°C，壓力為5MPa。
[0016]—種二氧化鈦改性碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟:
[0017]步驟一:以質(zhì)量份數(shù)計(jì)，取25份去離子水，向其中加入濃鹽酸至pH=2得到酸性溶液，然后將2份鈦酸四丁酯加入酸性溶液中得到混合溶液A，將0.1份經(jīng)濃硝酸預(yù)處理后的碳纖維加入混合溶液A中得到混合溶液B，其中，濃硝酸預(yù)處理碳纖維的方法為:將碳纖維在80°C油浴條件下采用濃硝酸冷凝回流預(yù)處理6h;
[0018]步驟二:將混合溶液B轉(zhuǎn)移入水熱釜內(nèi)襯并安裝水熱釜于均相水熱儀中，在150°C溫度下均相水熱反應(yīng)6h，反應(yīng)完成后自然冷卻至室溫，將得到的碳纖維用去離子水或乙醇洗滌后烘干，即得到二氧化鈦改性碳纖維；
[0019]步驟三:將二氧化鈦改性碳纖維、竹纖維及芳綸漿柏按照3:1:1的質(zhì)量比分散于水中，然后利用真空抽濾裝置制得纖維預(yù)制體并自然晾干，將晾干后的纖維預(yù)制體采用丁腈改性酚醛樹脂浸漬，再次自然晾干后采用硫化機(jī)于170°C溫度下，5MPa壓力下熱壓成型，制得二氧化鈦改性碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果:
[0021]本發(fā)明采用鈦酸四丁酯作為鈦源在碳纖維表面接枝二氧化鈦，在水熱環(huán)境下對(duì)經(jīng)濃硝酸預(yù)處理后的碳纖維進(jìn)行再處理，利用再處理得到的二氧化鈦改性碳纖維作為增強(qiáng)體，與竹纖維及芳綸漿柏制備樹脂基復(fù)合材料，本發(fā)明的二氧化碳改性碳纖維，保持了碳纖維優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度，增加了其表面粗糙度及比表面積，使之與樹脂基體結(jié)合更加充分，加強(qiáng)兩者的機(jī)械結(jié)合性能，有效地改善復(fù)合材料的結(jié)合程度，從而大大提升了二氧化鈦改性碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的機(jī)械及摩擦學(xué)性能。本發(fā)明制備的二氧化鈦改性碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，其拉伸強(qiáng)度提高了 134.8 %?153.1 %，孔隙率從45.7 %?40.5 %減小到19.3%?15.6%，且孔徑分布較為均勻，同時(shí)其摩擦系數(shù)保持在0.12?0.14，磨損量降低37.1 %?50.3 %，體現(xiàn)了優(yōu)異的摩擦性能。
【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明制備的二氧化鈦改性碳纖維SEM照片，其中a，b，c，d，e，f分別為實(shí)施例2，5，6，7，8，9制備的二氧化碳改性碳纖維；
[0023]圖2是本發(fā)明制備二氧化鈦改性碳纖維XRD分析，其中a，b，c分別為實(shí)施例2，5，6制備的二氧化碳改性碳纖維；
[0024]圖3是本發(fā)明制備二氧化鈦改性碳纖維XRD分析，其中d，e，f分別為實(shí)施例7，8，9制備的二氧化碳改性碳纖維；
[0025]圖4是本發(fā)明制備二氧化鈦改性碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的連續(xù)制動(dòng)對(duì)比圖，其中a，b，c，d，e分別為原始碳纖維，預(yù)處理碳纖維以及實(shí)施例2，5，6所制備的二氧化鈦改性碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料；
[0026]圖5是本發(fā)明制備二氧化鈦改性碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料平均摩擦系數(shù)對(duì)比圖，其中0)，(:1，02<3，04分別為原始碳纖維，預(yù)處理碳纖維以及實(shí)施例2，5，6所制備改性纖維增強(qiáng)摩擦材料；
[0027]圖6是本發(fā)明制備二氧化鈦改性碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料磨損量對(duì)比圖，其中0)，(:1<2<3<4分別為原始碳纖維，預(yù)處理碳纖維以及實(shí)施例2，5，6所制備改性纖維增強(qiáng)摩擦材料。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式做進(jìn)一步詳細(xì)描述:
[0029]—種二氧化鈦改性碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟:
[0030]步驟一:以質(zhì)量份數(shù)計(jì)，取20?30份去離子水，向其中逐滴加入濃鹽酸(濃度為12mol/L)至pH = -0.4?3得到酸性溶液，然后將I?3份鈦酸四丁酯加入酸性溶液中得到混合溶液A，將0.05?0.2份經(jīng)濃硝酸預(yù)處理后的碳纖維加入混合溶液A中得到混合溶液B，其中，濃硝酸預(yù)處理碳纖維的方法為:將碳纖維在80°C油浴(硅油)條件下采用濃硝酸(濃度為16mol/L)冷凝回流預(yù)處理6h;
[0031]步驟二:將混合溶液B轉(zhuǎn)移入水熱釜內(nèi)襯并安裝水熱釜于均相水熱儀中，在100°C?200°C溫度下均相水熱反應(yīng)5?24h，反應(yīng)完成后自然冷卻至室溫，將得到的碳纖維用去離子水或乙醇洗滌后烘干，即得到二氧化鈦改性碳纖維；
[0032]步驟三:將二氧化鈦改性碳纖維、竹纖維及芳綸漿柏按照3:1:1的質(zhì)量比分散于水中，然后利用真空抽濾裝置制得纖維預(yù)制體并自然晾干，將晾干后的纖維預(yù)制體采用丁腈改性酚醛樹脂浸漬，再次自然晾干后采用硫化機(jī)于170°C溫度下，5MPa壓力下熱壓成型，制得二氧化鈦改性碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料。
[0033]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述:
[0034]實(shí)施例1
[0035]步驟一:以質(zhì)量份數(shù)計(jì)，取30份去離子水，向其中加入濃鹽酸至pH=I得到酸性溶液，然后將I份鈦酸四丁酯加入酸性溶液中得到混合溶液A，將0.1份經(jīng)濃硝酸預(yù)處理后的碳纖維加入混合溶液A中得到混合溶液B，其中，濃硝酸預(yù)處理碳纖維的方法為:將碳纖維在80°C油浴(硅油)條件下采用濃硝酸冷凝回流預(yù)處理6h;
[0036]步驟二:將混合溶液B轉(zhuǎn)移入水熱釜內(nèi)襯并安裝水熱釜于均相水熱儀中，在110°C溫度下均相水熱反應(yīng)5h，反應(yīng)完成后自然冷卻至室溫，將得到的碳纖維用去離子水或乙醇洗滌后烘干，即得到二氧化鈦改性碳纖維；
[0037]步驟三:將二氧化鈦改性碳纖維、竹纖維及芳綸漿柏按照3:1:1的質(zhì)量比分散于水中，然后利用真空抽濾裝置制得纖維預(yù)制體并自然晾干，將晾干后的纖維預(yù)制體采用丁腈改性酚醛樹脂浸漬，再次自然晾干后采用硫化機(jī)于170°C溫度下，5MPa壓力下熱壓成型，制得二氧化鈦改性碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料。
[0038]實(shí)施例2
[0039]步驟一:以質(zhì)量份數(shù)計(jì)，取25份去離子水，向其中加入濃鹽酸至pH=2得到酸性溶液，然后將2份鈦酸四丁酯加入酸性溶液中得到混合溶液A，將0.1份經(jīng)濃硝酸預(yù)處理后的碳纖維加入混合溶液A中得到混合溶液B，其中，濃硝酸預(yù)處理碳纖維的方法為:將碳纖維在80°C油浴(硅油)條件下采用濃硝酸冷凝回流預(yù)處理6h;
[0040]步驟二:將混合溶液B轉(zhuǎn)移入水熱釜內(nèi)襯并安裝水熱釜于均相水熱儀中，在150°C溫度下均相水熱反應(yīng)6h，反應(yīng)完成后自然冷卻至室溫，將得到的碳纖維用去離子水或乙醇洗滌后烘干，即得到二氧化鈦改性碳纖維；
[0041]步驟三:將二氧化鈦改性碳纖維、竹纖維及芳綸漿柏按照3:1:1的質(zhì)量比分散于水中，然后利用真空抽濾裝置制得纖維預(yù)制體并自然晾干，將晾干后的纖維預(yù)制體采用丁腈改性酚醛樹脂浸漬，再次自然晾干后采用硫化機(jī)于170°C溫度下，5MPa壓力下熱壓成型，制得二氧化鈦改性碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料。
[0042]實(shí)施例3
[0043]步驟一:以質(zhì)量份數(shù)計(jì)，取20份去離子水，向其中加入濃鹽酸至pH= 3得到酸性溶液，然后將3份鈦酸四丁酯加入酸性溶液中得到混合溶液A，將0.1份經(jīng)濃硝酸預(yù)處理后的碳纖維加入混合溶液A中得到混合溶液B，其中，濃硝酸預(yù)處理碳纖維的方法為:將碳纖維在80°C油浴(硅油)條件下采用濃硝酸冷凝回流預(yù)處理6h;
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