CN102912626A - 基于碳纳米管/氧化石墨烯/poss单体的纤维表面上浆剂的制备方法 - Google Patents

基于碳纳米管/氧化石墨烯/poss单体的纤维表面上浆剂的制备方法 Download PDF

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基于碳纳米管/氧化石墨烯/POSS单体的纤维表面上浆剂的制备方法，主要解决现有利用纳米材料改善复合材料界面性能技术会带来复合材料成型困难、整体力学性能差及成本高的问题。本发明将碳纳米管、氧化石墨烯、POSS单体偶联剂引入上浆剂配方，利用该上浆剂将碳纳米管、氧化石墨烯、POSS单体涂敷于纤维表面，充分利用上述纳米材料的表面特性改善纤维增强复合材料中纤维与基体的界面性能，同时也解决了直接在树脂中加入纳米材料，影响成型工艺及纳米材料加入量有限的问题。本发明可作为纳米分子偶联剂使用，与纤维表面具有较强的结合能力。该上浆剂使用过程中可不必去除原商用上浆剂，采用水浸法即可实现纤维的上浆。具有复合材料成型相对容易、整体力学性能好及成本低的特点。

Description

基于碳纳米管/氧化石墨烯/POSS单体的纤维表面上浆剂的制备方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料上浆剂领域，尤其涉及一种基于碳纳米管/氧化石墨烯/POSS单体的纤维表面上浆剂的制备方法。
背景技术
纤维增强复合材料性能受纤维与基体的界面性能影响显著，好的界面粘接可确保载荷从基体向增强材料的有效传递，降低应力集中及改善力学性能。利用碳纳米管、石墨烯等纳米材料来改善纤维增强复合材料的纤维/基体界面成为国内外研究的热点。
但碳纳米管分子间作用力大，当在聚合物基体内分散量较大时，更趋向于团聚，同时碳纳米管巨大的比表面积也会导致聚合物基体黏度增大，造成复合材料成型困难，从而影响复合材料的整体力学性能，同时也会造成成本的提高。目前采用的化学气相沉积法在纤维表面生产碳纳米管的方法生产环境苛刻，同时会损坏纤维外层，引入表面缺陷，影响纤维拉伸性能。
发明内容
本发明是以解决上述问题为目的，主要解决现有技术复合材料成型困难、整体力学性能差及成本高的问题。本发明将碳纳米管、氧化石墨烯、POSS单体偶联剂引入上浆剂配方，利用该上浆剂将碳纳米管、氧化石墨烯、POSS单体涂敷于纤维表面，充分利用上述纳米材料的表面特性改善纤维增强复合材料中纤维与基体的界面性能，同时也解决了直接在树脂中加入纳米材料，影响成型工艺及纳米材料加入量有限的问题。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：基于碳纳米管/氧化石墨烯/POSS单体的纤维表面上浆剂的制备方法，是通过以下步骤实现的：
a、由Hummers法制备氧化石墨，取氧化石墨加入等离子水，超声分散20-180min，形成颜色均匀的咖啡色氧化石墨烯溶液，高速离心后取上层清液；
b、氧化石墨烯-碳纳米管水溶液配制：向氧化石墨烯水溶液中加入碳纳米管，磁力搅拌30-180min，超声分散10-60min，离心后取上层清液。其中碳纳米管为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管或功能化碳纳米管，氧化石墨烯：碳纳米管重量比为1：1-10：1，碳纳米管的浓度为0.01-0.3wt%，氧化石墨烯浓度为0.01-3wt%；
c、POSS单体水溶液配制：将可溶于水的纳米POSS单体溶于去等离子水溶液内，超声处理得到分布均匀的POSS水溶液，POSS单体的浓度为0.01-1%，纳米POSS单体的尺寸为1-30nm；
d、将上述步骤b与c溶液的混合液经超声分散得到碳纳米管/氧化石墨烯/POSS单体的上浆剂溶液，上浆剂中固含量为0.1-1wt%，碳纳米管：氧化石墨烯：POSS单体质量比=0.1：1：1-1：1：1。
本发明的有益效果及特点：
（1）POSS单体是具有纳米尺寸的水合物，可作为纳米分子偶联剂使用，与纤维表面具有较强的结合能力，同时POSS单体具有较高的热稳定性，可提高上浆剂的热分解温度。
（2）将氧化石墨烯的溶液与碳纳米管混合后，碳纳米管的侧壁与氧化石墨烯的片层间会产生强烈的π-π相互作用，由于石墨烯片层具有大量的亲水性的功能基团，会增大氧化石墨烯-碳纳米管复合物在水中的分散效果。
（3）该上浆剂使用过程中可不必去除原商用上浆剂，采用水浸法即可实现纤维的上浆，同时上浆后的纤维增强材料须经在真空环境下200度2-8小时，将氧化石墨烯还原为石墨烯。
（4）由于碳纳米管、氧化石墨烯会在纤维表面形成完好的三维网络结构，可大大提高其导电能力，在与基体树脂中加入碳纳米管相比，其导电率可从10-4S/m上升到10-1S/m，可用于复合材料的结构健康监测。
具体实施方式
实施例1
a、由Hummers法制备氧化石墨，取氧化石墨加入等离子水，超声分散20min，形成颜色均匀的咖啡色氧化石墨烯溶液，高速离心后取上层清液；
b、氧化石墨烯-碳纳米管水溶液配制：向氧化石墨烯水溶液中加入碳纳米管，磁力搅拌30min，超声分散10min，离心后取上层清液。其中碳纳米管为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管或功能化碳纳米管，氧化石墨烯：碳纳米管重量比为1：1，碳纳米管的浓度为0.01wt%，氧化石墨烯浓度为0.01wt%；
c、POSS单体水溶液配制：将可溶于水的纳米POSS单体溶于去等离子水溶液内，超声处理得到分布均匀的POSS水溶液，POSS单体的浓度为0.01%，纳米POSS单体的尺寸为1-30nm；
d、将上述步骤b与c溶液的混合液经超声分散得到碳纳米管/氧化石墨烯/POSS单体的上浆剂溶液，上浆剂中固含量为0.1-0.3wt%，碳纳米管：氧化石墨烯：POSS单体质量比=1：1：1。
实施例2
a、由Hummers法制备氧化石墨，取氧化石墨加入等离子水，超声分散180min，形成颜色均匀的咖啡色氧化石墨烯溶液，高速离心后取上层清液；
b、氧化石墨烯-碳纳米管水溶液配制：向氧化石墨烯水溶液中加入碳纳米管，磁力搅拌180min，超声分散60min，离心后取上层清液。其中碳纳米管为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管或功能化碳纳米管，氧化石墨烯：碳纳米管重量比为10：1，碳纳米管的浓度为0.1wt%，氧化石墨烯浓度为1wt%；
c、POSS单体水溶液配制：将可溶于水的纳米POSS单体溶于去等离子水溶液内，超声处理得到分布均匀的POSS水溶液，POSS单体的浓度为1wt%，纳米POSS单体的尺寸为1-30nm；
d、将上述步骤b与c溶液的混合液经超声分散得到碳纳米管/氧化石墨烯/POSS单体的上浆剂溶液，上浆剂中固含量为0.5-1wt%，碳纳米管：氧化石墨烯：POSS单体质量比=0.1：1：1。
实施例3
a、由Hummers法制备氧化石墨，取氧化石墨加入等离子水，超声分散120min，形成颜色均匀的咖啡色氧化石墨烯溶液，8000rpm高速离心后取上层清液；
b、氧化石墨烯-碳纳米管水溶液配制：向氧化石墨烯水溶液中加入碳纳米管，磁力搅拌60min，超声分散40min，离心后取上层清液。其中碳纳米管为功能化碳纳米管，氧化石墨烯：碳纳米管重量比为5：1，碳纳米管的浓度为0.1wt%，氧化石墨烯浓度为0.5wt%；
c、POSS单体水溶液配制：将可溶于水的POSS单体溶于去等离子水溶液内，超声处理得到分布均匀的POSS水溶液，POSS单体的浓度为0.5%。
d、将上述步骤b与c溶液的混合经超声分散得到碳纳米管/氧化石墨烯/POSS单体的纤维上浆剂，上浆剂的固含量为0.1-0.5wt%，碳纳米管：氧化石墨烯：POSS单体质量比=0.1：1：1。

Claims (4)

1.一种基于碳纳米管/氧化石墨烯/POSS单体的纤维表面上浆剂的制备方法，该方法是通过以下步骤实现的：
a、由Hummers法制备氧化石墨，取氧化石墨加入等离子水，超声分散20-180min，形成颜色均匀的咖啡色氧化石墨烯溶液，高速离心后取上层清液；
b、氧化石墨烯-碳纳米管水溶液配制：向氧化石墨烯水溶液中加入碳纳米管，磁力搅拌30-180min，超声分散10-60min，离心后取上层清液。其中碳纳米管为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管或功能化碳纳米管，氧化石墨烯：碳纳米管重量比为1：1-10：1，碳纳米管的浓度为0.01-0.3wt%，氧化石墨烯浓度为0.01-3wt%；
c、POSS单体水溶液配制：将可溶于水的纳米POSS单体溶于去等离子水溶液内，超声处理得到分布均匀的POSS水溶液，POSS单体的浓度为0.01-1%，纳米POSS单体的尺寸为1-30nm；
d、将上述步骤b与c溶液的混合液经超声分散得到碳纳米管/氧化石墨烯/POSS单体的上浆剂溶液，上浆剂中固含量为0.1-1wt%，碳纳米管：氧化石墨烯：POSS单体质量比=0.1：1：1-1：1：1。
2.如权利要求1所述的基于碳纳米管/氧化石墨烯/POSS单体的纤维表面上浆剂的制备方法，该方法是通过下述具体步骤实现的：
a、由Hummers法制备氧化石墨，取氧化石墨加入等离子水，超声分散120min，形成颜色均匀的咖啡色氧化石墨烯溶液，8000rpm高速离心后取上层清液；
b、氧化石墨烯-碳纳米管水溶液配制：向氧化石墨烯水溶液中加入碳纳米管，磁力搅拌60min，超声分散40min，离心后取上层清液。其中碳纳米管为功能化碳纳米管，氧化石墨烯：碳纳米管重量比为5：1，碳纳米管的浓度为0.1wt%，氧化石墨烯浓度为0.5wt%；
c、POSS单体水溶液配制：将可溶于水的POSS单体溶于去等离子水溶液内，超声处理得到分布均匀的POSS水溶液，POSS单体的浓度为0.5%。
d、将上述步骤b与c溶液的混合经超声分散得到碳纳米管/氧化石墨烯/POSS单体的纤维上浆剂，上浆剂的固含量为0.5wt%，碳纳米管：氧化石墨烯：POSS单体质量比=0.1：1：1。
3.如权利要求1所述的基于碳纳米管/氧化石墨烯/POSS单体的纤维表面上浆剂的制备方法，该方法是通过下述具体步骤实现的：
a、由Hummers法制备氧化石墨，取氧化石墨加入等离子水，超声分散180min，形成颜色均匀的咖啡色氧化石墨烯溶液，高速离心后取上层清液；
b、氧化石墨烯-碳纳米管水溶液配制：向氧化石墨烯水溶液中加入碳纳米管，磁力搅拌180min，超声分散60min，离心后取上层清液。其中碳纳米管为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管或功能化碳纳米管，氧化石墨烯：碳纳米管重量比为10：1，碳纳米管的浓度为0.1wt%，氧化石墨烯浓度为1wt%；
c、POSS单体水溶液配制：将可溶于水的纳米POSS单体溶于去等离子水溶液内，超声处理得到分布均匀的POSS水溶液，POSS单体的浓度为1wt%，纳米POSS单体的尺寸为1-30nm；
d、将上述步骤b与c溶液的混合液经超声分散得到碳纳米管/氧化石墨烯/POSS单体的上浆剂溶液，上浆剂中固含量为0.5-1wt%，碳纳米管：氧化石墨烯：POSS单体质量比=0.1：1：1。
4.如权利要求1所述的基于碳纳米管/氧化石墨烯/POSS单体的纤维表面上浆剂的制备方法，该方法是通过下述具体步骤实现的：
a、由Hummers法制备氧化石墨，取氧化石墨加入等离子水，超声分散120min，形成颜色均匀的咖啡色氧化石墨烯溶液，8000rpm高速离心后取上层清液；
b、氧化石墨烯-碳纳米管水溶液配制：向氧化石墨烯水溶液中加入碳纳米管，磁力搅拌60min，超声分散40min，离心后取上层清液。其中碳纳米管为功能化碳纳米管，氧化石墨烯：碳纳米管重量比为5：1，碳纳米管的浓度为0.1wt%，氧化石墨烯浓度为0.5wt%；
c、POSS单体水溶液配制：将可溶于水的POSS单体溶于去等离子水溶液内，超声处理得到分布均匀的POSS水溶液，POSS单体的浓度为0.5%；
d、将上述步骤b与c溶液的混合经超声分散得到碳纳米管/氧化石墨烯/POSS单体的纤维上浆剂，上浆剂的固含量为0.1-0.5wt%，碳纳米管：氧化石墨烯：POSS单体质量比=0.1：1：1。
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