CN101927587A - 一种MWNTs杂化CF/EP层合板复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多壁碳纳米管(MWNTs)杂化CF/EP层合板复合材料的制备方法，其特征步骤包括：选用匹配于MWNTs的分散剂，将加入MWNTs的分散剂超声处理获得均匀分散的MWNTs分散液，再利用喷雾器将所述MWNTs分散液均匀喷涂在碳纤维织物上，经干燥处理后与环氧树脂热压成型，最终制得MWNTs杂化的CF/EP层合板复合材料。本发明采用在CF/EP复合材料加工过程中引入MWNTs，以改善碳纤维织物的表面性能，从而改善其与树脂基体之间的界面结合性能，进一步提高了复合材料的力学性能。同时为制备力学性能更加优异的新型超轻、超强纳米复合材料奠定了基础。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳纤维复合材料的工业制备，尤其涉及一种采用MWNTs杂化CF/EP层合板复合材料，明显改善CF/EP层合板复合材料力学性能的制备方法。
背景技术
碳纤维具有低密度、高比强度、高比模量、耐化学腐蚀等特性，利用碳纤维作为增强体的复合材料已广泛用于航空航天、国防军工和建筑等众多领域。尤其是碳纤维增强的树脂基复合材料，综合性能好、适应性广和应用面大。
碳纤维复合材料的性能主要取决于纤维和基体本身的力学性能、纤维的表面性能以及纤维与基体之间的界面。未处理的碳纤维表面性能低，呈现憎液性，与树脂基体很难浸润完全(如图1a和图1b所示)，而且碳纤维活性表面积小，边缘活性碳原子数目少，不易与基体形成良好界面，致碳纤维与基体树脂的界面粘结状况难以达到预期的要求，从而限制了碳纤维复合材料的应用。一直以来人们通过各种化学方法，包括表面接枝、涂层、氧化和活化等方法来改善碳纤维表面的惰性及其复合材料的界面性能。
碳纳米管被称为“终极”纤维，具有优良的力、电和热等性质。最近美国科学家将碳纳米管与碳纤维层垂直排列，然后对碳纤维层之间的聚合物进行加热，液化后的聚合物会将碳纳米管吸收进去，起到“装订”碳纤维层的作用，使材料变得更坚固。
发明内容
鉴于上述现有技术碳纤维与基体树脂的界面粘合性能无法达到预期的要求，极大地限制了碳纤维复合材料的应用，本发明的目的旨在于提供一种MWNTs杂化CF/EP层合板复合材料的制备方法，解决碳纤维表面性能差，不易与基体形成良好界面的问题。
本发明的上述目的，其实现的技术方案是：
一种MWNTs杂化CF/EP层合板复合材料的制备方法，其特征在于：选用匹配于MWNTs的分散剂，将加入MWNTs的分散剂超声处理获得均匀分散的MWNTs分散液，再利用喷雾器将所述MWNTs分散液均匀喷涂在碳纤维织物上，经干燥处理后与环氧树脂热压成型，最终制得MWNTs杂化的CF/EP层合板复合材料。
进一步地，前述一种MWNTs杂化CF/EP层合板复合材料的制备方法，其中该匹配于MWNTs的分散剂选为质量浓度0.1％～5％的胆酸盐水溶液，制备得到质量浓度范围为0.01％～0.2％的MWNTs分散液。而且，当以胆酸盐水溶液作为MWNTs分散剂，分散液在碳纤维织物上均匀喷涂后，干燥处理温度为110℃，干燥时间3～5小时。
进一步地，前述一种MWNTs杂化CF/EP层合板复合材料的制备方法，其中该匹配于MWNTs的分散剂选为N，N-二甲基甲酰胺(以下简称DMF)，制备得到浓度范围为0.1mg/ml～20mg/ml的MWNTs分散液。而且，当以DMF作为MWNTs分散剂，分散液在碳纤维织物上均匀喷涂后，干燥处理温度为170℃，干燥时间5～8小时。
进一步地，前述一种MWNTs杂化CF/EP层合板复合材料的制备方法，其中该匹配于MWNTs的分散剂选为N-甲基吡咯烷酮(NMP)，制备得到浓度范围为0.1mg/ml～20mg/ml的MWNTs分散液。而且，当以NMP作为MWNTs分散剂，分散液在碳纤维织物上均匀喷涂后，干燥处理温度为220℃，干燥时间5～8小时。
更进一步地，前述一种MWNTs杂化CF/EP层合板复合材料的制备方法中，用于分散MWNTs的超声处理功率低于600W。
实施本发明的技术方案，较之于现有技术其显著的优点在于：
采用在CF/EP复合材料加工过程中引入MWNTs，以改善碳纤维织物的表面性能，从而改善其与树脂基体之间的界面结合性能，进一步提高了复合材料的力学性能。同时为制备力学性能更加优异的新型超轻、超强纳米复合材料奠定了基础。
附图说明
图1a是未处理的碳纤维的SEM照片；
图1b是经氨基化MWNTs分散液喷涂处理的碳纤维的SEM照片；
图2a是由未处理的碳纤维制成的CF/EP层合板复合材料断面的SEM照片；
图2b是由经氨基化的MWNTs分散液喷涂处理的碳纤维制成的CF/EP层合板复合材料断面的SEM照片。
具体实施方式
为使本发明一种MWNTs杂化CF/EP层合板复合材料的制备方法更易于理解其实质性特点及其所具的实用性，下面便结合附图对本发明一具体实施例作进一步的详细说明。但以下关于实施例的描述及说明对本发明保护范围不构成任何限制。
为解决碳纤维表面性能差，不易与基体形成良好界面的问题。本发明提供了一种复合材料的制备方法，采用在CF/EP复合材料加工过程中引入MWNTs的策略：即MWNTs分散液喷涂碳纤维织物来改善碳纤维织物的表面性能，从而改善其与树脂基体之间的界面性能。通过MWNTs的添加，一方面改善树脂基体的性能；另一方面通过MWNTs的协同作用，改善复合材料中碳纤维与树脂基体的界面结合，进一步提高复合材料力学性能。
本发明解决技术问题的技术方案为：先选用匹配于MWNTs的分散剂，并将加入MWNTs的分散剂超声处理获得均匀分散的MWNTs分散液，再利用喷雾器将所述MWNTs分散液均匀喷涂在碳纤维织物上，经干燥处理后与环氧树脂热压成型，最终制得MWNTs杂化的CF/EP层合板复合材料。具体来看：取一定量的MWNTs，加入到一定量的分散剂中，通过0～600W超声处理，超声时间为6～8h，获得一定浓度分散均匀的MWNTs分散液，将该分散液利用喷雾枪均匀喷涂到碳纤维织物上，之后再干燥处理碳纤维织物，通过热压成型制备MWNTs杂化的CF/EP层合板复合材料。
上述技术方案还可进一步优化为：
上述分散介质可以为胆酸盐水溶液、DMF和NMP等分散剂，而所采用的MWNTs可以是未处理的MWNTs、羧基化的MWNTs或氨基化的MWNTs。
若采用胆酸盐水溶液为分散剂时，胆酸盐水溶液的浓度为0.1％～5％，制备所得的MWNTs分散液的浓度范围为：0.01～0.2％。
若选用DMF和NMP作为分散剂，制备所得的MWNTs分散液的浓度范围为：0.1mg/ml～20mg/ml。
具体来看：以下采用胆酸盐水溶液作分散剂为例来研究a-MWNTs分散液浓度对a-MWNTs杂化的CF/EP层合板复合材料界面性能的影响：选用一定量的a-MWNTs加入到胆酸盐水溶液，经过探头超声处理，获得浓度为0.05％～0.20％等系列浓度的a-MWNTs的胆酸盐分散液；接着使用喷雾枪将该分散液均匀喷涂到碳纤维织物上，加热110℃干燥3h除去剩余的水分(其喷涂效果见图1b所示)；将环氧树脂涂附于上述处理好的碳纤维织物，经过真空浸渍，最后通过热压成型制备MWNTs杂化的CF/EP层合板复合材料。根据“GB/T 1450.1-2005纤维增强塑料层间剪切强度试验方法”测试复合材料的ILSS(层间剪切强度)和“GB/T 1449-2005纤维增强塑料弯曲性能试验方法”测试复合材料的弯曲强度，研究结果表明喷涂不同浓度a-MWNTs的胆酸盐分散液，制备的a-MWNTs杂化的CF/EP层合板复合材料的ILSS值较未处理的CF/EP复合材料的ILSS值均有所提高，且0.1％a-MWNTs的胆酸盐分散液喷涂处理后复合材料的ILSS提高幅度最大，提高幅度为18～20％，其弯曲强度较未处理的CF/EP复合材料的弯曲强度提高15％～18％左右。复合材料断面的SEM图片如图2b示，可以看到a-MWNTs喷涂后CF/EP复合材料的界面粘合性能得到明显改善，为形成对比，图2a所示的是未经a-MWNTs喷涂后CF/EP复合材料断面的SEM图片。
除上述实施例，若采用DMF和NMP作为分散剂为例来研究a-MWNTs分散液浓度对a-MWNTs杂化的CF/EP层合板复合材料界面性能的影响。其过程与上述实施例基本相同，所不同的是：超声处理分散所得的MWNTs分散液浓度范围均取0.1mg/ml～20mg/ml时对复合材料的改善效果较佳，而且用于干燥处理的温度对应于分散剂的种类分别需170℃与220℃，干燥时间则要5～8小时。
研究表明选用a-MWNTs的均匀分散液，使用喷雾枪将a-MWNTs的分散液喷涂在碳纤维织物表面，然后加热处理去除溶剂，将处理后的碳纤维织物与环氧树脂热压成型制备a-MWNTs杂化CF/EP层合板复合材料，其处理后的碳纤维与环氧树脂基体的界面结合强度得以改善，最大限度地发挥碳纤维增强复合材料的综合性能。
除上述技术有益效果外，本发明引入MWNTs为碳基复合材料的多功能化提供了更多的途径，为制备力学性能更加优异的新型超轻、超强纳米复合材料奠定基础，对发展航天工业和振兴民族工业具有重大意义。
以上仅是本发明众多具体应用范例中的颇具代表性的几个实施例详细描述，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或是等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。
Claims (8)
1.一种MWNTs杂化CF/EP层合板复合材料的制备方法，其特征在于：选用匹配于MWNTs的分散剂，将加入MWNTs的分散剂超声处理获得均匀分散的MWNTs分散液，再利用喷雾器将所述MWNTs分散液均匀喷涂在碳纤维织物上，经干燥处理后与环氧树脂热压成型，最终制得MWNTs杂化的CF/EP层合板复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种MWNTs杂化CF/EP层合板复合材料的制备方法，其特征在于：所述匹配于MWNTs的分散剂选为质量浓度0.1％～5％的胆酸盐水溶液，制备得到质量浓度范围为0.01％～0.2％的MWNTs分散液。
3.根据权利要求2所述的一种MWNTs杂化CF/EP层合板复合材料的制备方法，其特征在于：当以胆酸盐水溶液作为MWNTs分散剂，分散液在碳纤维织物上均匀喷涂后，干燥处理温度为110℃，干燥时间3～5小时。
4.根据权利要求1所述的一种MWNTs杂化CF/EP层合板复合材料的制备方法，其特征在于：所述匹配于MWNTs的分散剂选为N，N-二甲基甲酰胺(DMF)，制备得到浓度范围为0.1mg/ml～20mg/ml的MWNTs分散液。
5.根据权利要求4所述的一种MWNTs杂化CF/EP层合板复合材料的制备方法，其特征在于：当以DMF作为MWNTs分散剂，分散液在碳纤维织物上均匀喷涂后，干燥处理温度为170℃，干燥时间5～8小时。
6.根据权利要求1所述的一种MWNTs杂化CF/EP层合板复合材料的制备方法，其特征在于：所述匹配于MWNTs的分散剂选为N-甲基吡咯烷酮(NMP)，制备得到浓度范围为0.1mg/ml～20mg/ml的MWNTs分散液。
7.根据权利要求6所述的一种MWNTs杂化CF/EP层合板复合材料的制备方法，其特征在于：当以NMP作为MWNTs分散剂，分散液在碳纤维织物上均匀喷涂后，干燥处理温度为220℃，干燥时间5～8小时。
8.根据权利要求1所述的一种MWNTs杂化CF/EP层合板复合材料的制备方法，其特征在于：所述用于分散MWNTs的超声处理功率低于600W。
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