CN103992490B - 芳纶纤维与环氧复合材料的制备方法及MXene改性处理液 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的是一种芳纶纤维与环氧复合材料的制备方法及MXene改性处理液。(1)、将芳纶纤维浸泡在丙酮溶液中1‑2小时；(2)、将芳纶纤维浸泡在硝酸溶液中0.5‑1小时，进行表面预处理；(3)、用去离子水洗涤浸泡后的芳纶纤维，过滤后烘干；(4)、将芳纶纤维浸泡在MXene改性处理液中，过滤后烘干；(5)、将芳纶纤维与环氧树脂制成纤维板，然后采用模压固化方法使复合材料板固化成形。所述MXene改性处理液的重量比组成为MXene化合物0.1‑5份、丙酮15‑25份、去离子水46‑68份、异氰酸酯1‑10份、尿素1‑3份和硝酸1‑2份。本发明以MXene化合物作为连接纽带，从而提高芳纶纤维/环氧复合材料界面的强韧性能，进而增加了复合材料的整体力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种的是复合材料的制备方法，尤其涉及一种芳纶纤维/环氧复合材料的制备方法。本发明还涉及一种能提高芳纶纤维/环氧复合材料界面强韧性的MXene改性处理液。
背景技术
先进树脂基复合材料具有比强度高、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特殊的电磁性能和吸波隐身作用，充分体现了集结构和功能于一身的鲜明特点。因此，广泛应用于航空航天、船舶制造、化工、建筑、汽车制造等领域，同时也对制品的轻量化和功能化起到了至关重要的作用。芳纶纤维是四大高技术纤维之一。它具有高比模量、高比强度、耐疲劳等优异性能，在航天顶级发动机上得到广泛应用。另外，芳纶纤维增强树脂基复合材料还大量应用于体育用品、土木建筑、防弹装置等领域，已成为当今世界用途最广、产量最大、最有发展前途的高科技特种纤维。
在芳纶纤维增强树脂基复合材料体系中，芳纶纤维起到了增强体的作用，树脂基体起到了连接增强体和传递载荷的作用，而介于芳纶纤维与树脂基体之间的界面层则起到了纽带的作用，它是纤维增强体发挥有效作用的桥梁。当复合材料受到外部载荷作用的时候，基体将通过界面把载荷传递给纤维增强体，从而使芳纶纤维与基体形成一个有效发挥综合性能的整体。若纤维与树脂基体的粘结性不好，则树脂不能将所承受的应力传递到纤维增强体上，而且还会导致复合材料内部裂纹萌生，致使材料性能劣化。
研究表明，芳纶纤维的主链上存在大量的苯环，沿轴向具有高的取向结晶，同时苯环的位阻效应也使得酰胺基团与其他原子或基团很难发生化学反应和其它作用。另外，芳纶纤维的表面因为缺少化学活性基团、表面粗糙度低等特点，造成芳纶纤维与树脂基体的浸润性差、界面粘结性低。芳纶纤维表面的惰性，造成了纤维本体与树脂间的界面粘结效果不理想，极大地影响了芳纶纤维/树脂复合材料优异性能的发挥。因此，必须选用适当的方法和具有优异性能的界面增强相对芳纶纤维的表面及其复合材料的界面进行处理，从而增加纤维与树脂基体之间的结合强度，以提高芳纶纤维与环氧基体之间的界面粘结性能，获得具有优良力学性能的芳纶纤维/环氧复合材料。
目前，针对芳纶纤维表面与界面改性的方法主要有偶联剂改性、等离子体改性、涂层改性、酸碱刻蚀改性等。尽管对芳纶纤维的改性处理方法各不相同，但其目的都是通过改善纤维与基体间的结合状态来提高复合材料的界面结合性能，进而提高复合材料的力学性能。但是，与碳纤维相比，对芳纶纤维表面改性的研究还不够成熟、不成体系。尤其，缺少在芳纶纤维界面结构中引入多尺度界面增强相的研究。并且，有些改性处理方法对纤维损伤较大、形成的界面效果不理想，严重影响了芳纶纤维/环氧复合材料整体性能的提高，制约了芳纶纤维复合材料的发展与应用。
MXene(化学式Mn+1Xn，其中n＝1、2、3，M为过渡金属元素钛、钽或铬，X为碳或氮元素)是一种二维过渡纳米薄片的新型晶体化合物。它是一种具有优异的电、磁、力学、润滑性能的新型晶体物质。第一性原理的计算结果表明，MXene具有极高的弹性模量，它的弯曲强度要高于相同厚度石墨烯的强度。此外，MXene化合物具有极强的亲水性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种节能环保、工艺简单、成本低廉的芳纶纤维与环氧复合材料的制备方法。本发明的目的还在于提供一种能提高芳纶纤维与环氧复合材料界面的强韧性能，增加复合材料的整体力学性能的MXene改性处理液。
本发明的目的是这样实现的：
本发明的芳纶纤维与环氧复合材料的制备方法为：
(1)、将芳纶纤维浸泡在丙酮溶液中1-2小时；
(2)、将芳纶纤维浸泡在硝酸溶液中0.5-1小时，进行表面预处理；
(3)、用去离子水洗涤浸泡后的芳纶纤维，过滤后烘干；
(4)、将芳纶纤维浸泡在MXene改性处理液中，过滤后烘干；
(5)、将芳纶纤维与环氧树脂制成纤维板，然后采用模压固化方法使复合材料板固化成形。
所述MXene改性处理液的重量比组成为MXene化合物0.1-5份、丙酮15-25份、去离子水46-68份、异氰酸酯1-10份、尿素1-3份和硝酸1-2份。
所述MXene化合物为Ti3C2、Ti4N3、Ti2C、Ta4C3或Cr2C。
MXene化合物在使用前先进行氢氟酸化学修饰处理。
其中芳纶纤维包括各种类型的连续芳纶纤维和短切芳纶纤维。环氧树脂包括各种牌号的双酚A型环氧树脂。
本发明提出了将MXene界面增强相引入到芳纶纤维/环氧复合材料的界面结构中，以MXene化合物作为连接纽带，从而提高芳纶纤维/环氧复合材料界面的强韧性能，进而增加了复合材料的整体力学性能。本发明的方法具有节能环保、工艺简单、成本低廉的特点，能够很好的提高芳纶纤维与环氧树脂之间的界面结合强度。
本发明的采用MXene改性处理液将MXene组元引入到芳纶纤维/环氧复合材料的界面结构中，借助MXene化合物较高的亲水性能、良好的化学修饰性能和优异的力学性能提高复合材料界面的强韧性。
本发明具有显著的界面强韧化效果。在芳纶纤维/环氧复合材料的界面结构中引入MXene组元，可以改善复合材料的界面结合强度，从而增加了复合材料的整体力学性能。采用本发明方法制备的芳纶纤维/环氧复合材料的拉伸性能提高了近35％。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：一、将1414芳纶纤维放在丙酮溶液中浸泡1-2小时，去除表面杂质；二、将去杂质后的纤维浸泡在硝酸溶液中0.5-1小时，进行表面预处理；三、采用去离子水洗涤浸泡后的纤维，过滤后烘干；四、将Ti3C2化合物浸泡在55份的氢氟酸溶液中0.5小时后，采用去离子水清洗、过滤烘干；五、采用3份T3C2、25份丙酮、68份去离子水、10份异氰酸酯、3份尿素和2份硝酸配置成MXene改性处理液。五、将芳纶纤维浸泡在MXene溶剂中，超声波处理1.5小时后，过滤烘干；六、采用E-51环氧树脂配置成环氧胶液，将处理后的芳纶纤维和环氧树脂复合，制成芳纶纤维预浸料，控制厚度2mm，在不锈钢模具中加压固化成形。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是MXene改性溶剂由0.1份Ti3C2、15份丙酮、46份去离子水、1份异氰酸酯、1份尿素、1份硝酸配置MXene改性处理液。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是MXene改性溶剂由5份Ti3C2、20份丙酮、60份去离子水、5份异氰酸酯、2份尿素、1.5份硝酸配置MXene改性溶剂。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是采用化学修饰的氢氟酸为质量比浓度为65％。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是采用化学修饰的氢氟酸为质量比浓度为45％。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是MXene化合物由3份Ti4N3化合物组成。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同的是MXene化合物由3份Ti2C化合物组成。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一不同的是MXene化合物由3份Ta4C3化合物组成
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一不同的是MXene化合物由3份Cr2C化合物组成。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一不同的是环氧胶液由环氧618组成。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一不同的是采用K-29芳纶纤维丝。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一不同的是采用K-49芳纶纤维丝。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式二不同的是采用K-29芳纶纤维丝。
具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式二不同的是采用K-49芳纶纤维丝。
具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式二不同的是环氧胶液由环氧618组成。
具体实施方式十七：本实施方式与具体实施方式三不同的是采用K-29芳纶纤维丝。
具体实施方式十八：本实施方式与具体实施方式三不同的是采用K-49芳纶纤维丝。
具体实施方式十九：本实施方式与具体实施方式三不同的是环氧胶液由环氧618组成。
Claims (6)
1.一种芳纶纤维与环氧复合材料的制备方法，其特征是：
(1)、将芳纶纤维浸泡在丙酮溶液中1-2小时；
(2)、将芳纶纤维浸泡在硝酸溶液中0.5-1小时，进行表面预处理；
(3)、用去离子水洗涤浸泡后的芳纶纤维，过滤后烘干；
(4)、将芳纶纤维浸泡在MXene改性处理液中，过滤后烘干；所述MXene改性处理液的重量比组成为MXene化合物0.1-5份、丙酮15-25份、去离子水46-68份、异氰酸酯1-10份、尿素1-3份和硝酸1-2份；
(5)、将芳纶纤维与环氧树脂制成纤维板，然后采用模压固化方法使复合材料板固化成形。
2.根据权利要求1所述的芳纶纤维与环氧复合材料的制备方法，其特征是：所述MXene化合物为Ti3C2、Ti4N3、Ti2C、Ta4C3或Cr2C。
3.根据权利要求1或2所述的芳纶纤维与环氧复合材料的制备方法，其特征是：MXene化合物在使用前先进行氢氟酸化学修饰处理。
4.一种芳纶纤维与环氧复合材料的制备方法用MXene改性处理液，其特征是：重量比组成为MXene化合物0.1-5份、丙酮15-25份、去离子水46-68份、异氰酸酯1-10份、尿素1-3份和硝酸1-2份。
5.根据权利要求4所述的芳纶纤维与环氧复合材料的制备方法用MXene改性处理液，其特征是：所述MXene化合物为Ti3C2、Ti4N3、Ti2C、Ta4C3或Cr2C。
6.根据权利要求4或5所述的芳纶纤维与环氧复合材料的制备方法用MXene改性处理液，其特征是：MXene化合物在使用前先进行氢氟酸化学修饰处理。
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