CN103525013A - 一种导电碳纤维复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种导电碳纤维复合材料及其制备方法，该复合材料包括碳纤维、环氧树脂基体材料和均匀分散于该环氧树脂基体材料中的无机纳米填料；复合纳米无机填料由石墨烯和铜纳米线组成。本发明利用石墨烯和铜纳米线有效提高了碳纤维复合材料的导电性能，使复合材料的电导率由210S/cm提高到6500S/cm。

Description

一种导电碳纤维复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于聚合物基复合材料领域，具体地说是涉及一种导电碳纤维复合材料及其制备方法。

背景技术

碳纤维增强环氧基复合材料具有比强度和比刚度高，可设计性强，抗疲劳断裂性能好，耐腐蚀，结构尺寸稳定性好以及便于大面积整体成形的独特优点，现已成为国民经济、国防建设和科技发展中无法代替的重要材料，如防弹头盔、防弹服、直升飞机机翼、预警机雷达罩、各种高压压力容器、民用飞机直板、体育用品、各类耐高温制品及性能优异的轮胎帘子线等。但是由于环氧树脂是绝缘的，因而普通的碳纤维增强环氧基复合材料的导电性比较差。随着碳纤维复合材料天然气罐的推广，要求碳纤维复合材料具有良好的导电性，从而可以有效地导走静电。所以有必要进一步提高碳纤维复合材料的导电性能。

一维铜纳米线具有优异的导电性能，因而已有大量关于铜纳米线提高聚合物导电性能的研究报道。二维石墨烯也具有优异的导电性能，也有不少关于石墨烯提高聚合物导电性能的研究报道。由于铜纳米线为一维金属材料，而石墨烯为二维碳材料，两者同时使用可望形成网络结构，并可能产生协同效果。并且，目前还没有石墨烯/铜纳米线协同提高碳纤维增强环氧基复合材料导电性能的研究报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种导电碳纤维复合材料及其制备方法。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的导电碳纤维复合材料是用石墨烯和铜纳米线为无机纳米填料，以环氧树脂为聚合物基体，然后通过溶液共混法先把无机纳米填料和环氧树脂混合，再把混合好的树脂基体通过涂覆法与碳纤维复合到一起，最后通过模压成型固化得到复合材料制品。

本发明提供的导电碳纤维复合材料的制备方法，其步骤如下：

1)将石墨烯分散在乙醇中，配制浓度为0.01-20g/L的石墨烯乙醇溶液，然后，再用功率为300-1000W的超声设备对所述石墨烯乙醇溶液进行超声处理0.5-5小时，得石墨烯乙醇溶液；

2)在步骤1)所得的石墨烯乙醇溶液中加入铜纳米线和环氧树脂使其浓度分别为0.01-60g/L和200g/L，得到混合液，并且用磁力搅拌器搅拌混合液5-30分钟，然后再用功率为300-1000W的超声设备对所述混合液进行超声处理0.5-5小时；

3)将步骤2)经超声处理的混合液放入温度为50-80摄氏度的烘箱中，烘10-48小时，再用真空泵抽出所述混合液中的乙醇溶剂，至混合液无气泡止；

4)向步骤3)的混合液中加入化学当量的固化剂，在室温下磁力搅拌10-20分钟，得到混合物，然后边磁力搅拌边用真空泵抽取混合物中的气泡，至混合物中无气泡止；

5)把步骤4)所得的混合物涂覆在碳纤维表面，然后把涂过环氧树脂混合物的碳纤维层叠在一起，通过模压的方法，成型固化得到复合材料制品。

本发明的优点和特点是：

采用二维的碳纳米材料(石墨烯)与一维的金属纳米材料(铜纳米线)协同改性碳纤维增强环氧基复合材料，充分发挥二者各自优异的导电性能的同时产生一定的协同效应，使制备的复合材料具有优异的导电性能，其电导率由210S/cm提高到6500S/cm。

具体实施方式

实施例1

1)将石墨烯分散在乙醇中，配制浓度为0.01g/L的石墨烯乙醇溶液，然后，再用功率为1000W的超声设备对所述石墨烯乙醇溶液进行超声处理0.5小时，得石墨烯乙醇溶液；

2)在步骤1)所得的石墨烯乙醇溶液中加入铜纳米线和环氧树脂使其浓度分别为20g/L和200g/L，得到混合液，并且用磁力搅拌器搅拌混合液30分钟，然后再用功率为1000W的超声设备对所述混合液进行超声处理0.5小时；

3)将步骤2)经超声处理的混合液放入温度为80摄氏度的烘箱中，烘10小时，再用真空泵抽出所述混合液中的乙醇溶剂，至混合液无气泡止；

4)向步骤3)的混合液中加入化学当量的固化剂，在室温下磁力搅拌20分钟，得到混合物，然后边磁力搅拌边用真空泵抽取混合物中的气泡，至混合物中无气泡止；

5)把步骤4)所得的混合物涂覆在碳纤维表面，然后把涂过环氧树脂混合物的碳纤维层叠在一起，通过模压的方法，成型固化得到复合材料制品。经测试，所得复合材料的电导率为1500S/cm。

实施例2

1)将石墨烯分散在乙醇中，配制浓度为1g/L的石墨烯乙醇溶液，然后，再用功率为300W的超声设备对所述石墨烯乙醇溶液进行超声处理5小时，得石墨烯乙醇溶液；

2)在步骤1)所得的石墨烯乙醇溶液中加入铜纳米线和环氧树脂使其浓度分别为59g/L和200g/L，得到混合液，并且用磁力搅拌器搅拌混合液5分钟，然后再用功率为300W的超声设备对所述混合液进行超声处理0.5小时；

3)将步骤2)经超声处理的混合液放入温度为50摄氏度的烘箱中，烘48小时，再用真空泵抽出所述混合液中的乙醇溶剂，至混合液无气泡止；

4)向步骤3)的混合液中加入化学当量的固化剂，在室温下磁力搅拌10分钟，得到混合物，然后边磁力搅拌边用真空泵抽取混合物中的气泡，至混合物中无气泡止；

5)把步骤4)所得的混合物涂覆在碳纤维表面，然后把涂过环氧树脂混合物的碳纤维层叠在一起，通过模压的方法，成型固化得到复合材料制品。经测试，所得复合材料的电导率为6500S/cm。

实施例3

1)将石墨烯分散在乙醇中，配制浓度为0.2g/L的石墨烯乙醇溶液，然后，再用功率为600W的超声设备对所述石墨烯乙醇溶液进行超声处理2小时，得石墨烯乙醇溶液；

2)在步骤1)所得的石墨烯乙醇溶液中加入铜纳米线和环氧树脂使其浓度分别为40.0g/L和200g/L，得到混合液，并且用磁力搅拌器搅拌混合液20分钟，然后再用功率为800W的超声设备对所述混合液进行超声处理3小时；

3)将步骤2)经超声处理的混合液放入温度为80摄氏度的烘箱中，烘30小时，再用真空泵抽出所述混合液中的乙醇溶剂，至混合液无气泡止；

4)向步骤3)的混合液中加入化学当量的固化剂，在室温下磁力搅拌20分钟，得到混合物，然后边磁力搅拌边用真空泵抽取混合物中的气泡，至混合物中无气泡止；

5)把步骤4)所得的混合物涂覆在碳纤维表面，然后把涂过环氧树脂混合物的碳纤维层叠在一起，通过模压的方法，成型固化得到复合材料制品。经测试，所得复合材料的电导率为2500S/cm。

实施例4

1)将石墨烯分散在乙醇中，配制浓度为1.0g/L的石墨烯乙醇溶液，然后，再用功率为800W的超声设备对所述石墨烯乙醇溶液进行超声处理4小时，得石墨烯乙醇溶液；

2)在步骤1)所得的石墨烯乙醇溶液中加入铜纳米线和环氧树脂使其浓度分别为50.0g/L和200g/L，得到混合液，并且用磁力搅拌器搅拌混合液30分钟，然后再用功率为1000W的超声设备对所述混合液进行超声处理3小时；

3)将步骤2)经超声处理的混合液放入温度为80摄氏度的烘箱中，烘24小时，再用真空泵抽出所述混合液中的乙醇溶剂，至混合液无气泡止；

4)向步骤3)的混合液中加入化学当量的固化剂，在室温下磁力搅拌15分钟，得到混合物，然后边磁力搅拌边用真空泵抽取混合物中的气泡，至混合物中无气泡止；

5)把步骤4)所得的混合物涂覆在碳纤维表面，然后把涂过环氧树脂混合物的碳纤维层叠在一起，通过模压的方法，成型固化得到复合材料制品。经测试，所得复合材料的电导率为4500S/cm。

实施例5

1)将石墨烯分散在乙醇中，配制浓度为1.5g/L的石墨烯乙醇溶液，然后，再用功率为1000W的超声设备对所述石墨烯乙醇溶液进行超声处理0.5-5小时，得石墨烯乙醇溶液；

2)在步骤1)所得的石墨烯乙醇溶液中加入铜纳米线和环氧树脂使其浓度分别为35g/L和200g/L，得到混合液，并且用磁力搅拌器搅拌混合液20分钟，然后再用功率为600W的超声设备对所述混合液进行超声处理5小时；

3)将步骤2)经超声处理的混合液放入温度为80摄氏度的烘箱中，烘48小时，再用真空泵抽出所述混合液中的乙醇溶剂，至混合液无气泡止；

4)向步骤3)的混合液中加入化学当量的固化剂，在室温下磁力搅拌20分钟，得到混合物，然后边磁力搅拌边用真空泵抽取混合物中的气泡，至混合物中无气泡止；

5)把步骤4)所得的混合物涂覆在碳纤维表面，然后把涂过环氧树脂混合物的碳纤维层叠在一起，通过模压的方法，成型固化得到复合材料制品。经测试，所得复合材料的电导率为3000S/cm。

实施例6

1)将石墨烯分散在乙醇中，配制浓度为0.5g/L的石墨烯乙醇溶液，然后，再用功率为1000W的超声设备对所述石墨烯乙醇溶液进行超声处理5小时，得石墨烯乙醇溶液；

2)在步骤1)所得的石墨烯乙醇溶液中加入铜纳米线和环氧树脂使其浓度分别为1.0g/L和200g/L，得到混合液，并且用磁力搅拌器搅拌混合液30分钟，然后再用功率为1000W的超声设备对所述混合液进行超声处理5小时；

3)将步骤2)经超声处理的混合液放入温度为80摄氏度的烘箱中，烘48小时，再用真空泵抽出所述混合液中的乙醇溶剂，至混合液无气泡止；

4)向步骤3)的混合液中加入化学当量的固化剂，在室温下磁力搅拌20分钟，得到混合物，然后边磁力搅拌边用真空泵抽取混合物中的气泡，至混合物中无气泡止；

5)把步骤4)所得的混合物涂覆在碳纤维表面，然后把涂过环氧树脂混合物的碳纤维层叠在一起，通过模压的方法，成型固化得到复合材料制品。经测试，所得复合材料的电导率为800S/cm。

对比例1

1)在环氧树脂中加入化学当量的固化剂，在室温下磁力搅拌20分钟，得到混合物，然后边磁力搅拌边用真空泵抽取混合物中的气泡，至混合物中无气泡止；

2)把步骤1)所得的混合物涂覆在碳纤维布表面，然后把涂过环氧树脂混合物的碳纤维布层叠在一起，通过模压的方法，成型固化得到复合材料制品。经测试，所得复合材料的电导率为210 S/cm。

Claims (5)

1.一种导电碳纤维复合材料，其特征在于，复合材料包括碳纤维、环氧树脂基体材料和均匀分散于该环氧树脂基体材料中的无机纳米填料。

2.按权利要求1所述的导电碳纤维复合材料，其特征在于，所述复合材料的基体材料为环氧树脂。

3.按权利要求1所述的导电碳纤维复合材料，其特征在于，所述纳米无机填料为石墨烯和铜纳米线。

4.一种导电碳纤维复合材料的制备方法，其步骤如下：

1)将石墨烯分散在乙醇中，配制浓度为O.O1-20g/L的石墨烯乙醇溶液，然后，再用功率为300-1000W的超声设备对所述石墨烯乙醇溶液进行超声处理0.5-5小时，得石墨烯乙醇溶液；

2)在步骤1)所得的石墨烯乙醇溶液中加入铜纳米线和环氧树脂使其浓度分别为O.O1-60g/L和200g/L，得到混合液，并且用磁力搅拌器搅拌混合液5-30分钟，然后再用功率为300-1000W的超声设备对所述混合液进行超声处理0.5-5小时；

3)将步骤2)经超声处理的混合液放入温度为50-80摄氏度的烘箱中，烘10-48小时，再用真空泵抽出所述混合液中的乙醇溶剂，至混合液无气泡止；

4)向步骤3)的混合液中加入化学当量的固化剂，在室温下磁力搅拌10-20分钟，得到混合物，然后边磁力搅拌边用真空泵抽取混合物中的气泡，至混合物中无气泡止；

5)把步骤4)所得的混合物涂覆在碳纤维表面，然后把涂过环氧树脂混合物的碳纤维层叠在一起，通过模压的方法，成型固化得到复合材料制品。

5.按权利要求4所述的导电碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，先把石墨烯、铜纳米线和环氧树脂混合到一起得到基体树脂，再把基体树脂与碳纤维复合得到复合材料。