CN107556702A - 酸化改性CNTs/CFDSF/AG‑80环氧树脂复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种硅烷偶联剂改性CNTs/CFDSF/AG‑80环氧树脂复合材料的制备方法，该方法主要包括对碳纳米管(CNTs)采用浓硝酸和浓硫酸的混酸溶液进行酸化的第一步骤，将酸化处理后的得到的O‑CNTs通过硅烷偶联剂改性的第二步骤，对碳纤维双层间隔织物(CFDSF)进行表面清洗及表面改性处理的第三步骤以及将配制改性CNTs/AG‑80环氧树脂体系溶液对CFDSF进行浇筑及热固化的第四步骤，通过本发明上述制备步骤及其具体的工艺参数制备得到了兼具有良好导电性能、热力学性能且对导电材料用量少的硅烷偶联剂改性CNTs/CFDSF/AG‑80环氧树脂复合材料，其改性碳纳米管在基体中均匀分布，该复合材料具有良好的导电稳定性，能够广泛适用于电子、静电防护、电磁屏蔽、微波吸收等领域。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料领域，具体涉及一种酸化改性CNTs/CFDSF(碳纤维双层间隔织物)/AG-80环氧树脂复合材料及其制备方法。
背景技术
随着电子科技产业的日新月异,对具有良好导电性能的功能性复合材料的需求也越来越大。由于导电复合材料具有质量轻、无锈蚀、尺寸稳定性好、电导率在较大范围内可调的特点，同时还易于加工成各种复杂的形状且易于大批量工业化生产，因而其在静电防护、电磁屏蔽、微波吸收等领域应用广泛。目前常见的导电复合材料通常以高分子为其基体,同时加入碳系材料、金属填料等导电物质,经过物理或化学的方法进行复合，得到既具有一定导电性能又具有良好力学性能的多相复合材料。
碳系材料主要包括有炭黑(carbonblack简称CB)、石墨、碳纤维(carbon fiber简称CF)、碳纳米管(carbon nanotubes简称CNTs)等，它们是导电复合材料中导电填料的重要组成部分。由于碳系材料填充的聚合物复合材料易成型、不受成型尺寸限制且耐腐蚀，可以在某些特定环境下使用，因而在越来越多领域受到重视。
碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，被称为“终极”纤维，具有许多异常的力学、电学和化学性能，CNTs按每个层面的结构进行划分可分为非螺旋型和螺旋型两类，按照石墨片相互组成的不同层数差异，CNTs又被划分为单壁碳纳米管与多壁碳纳米管两类。CNTs的力学性能优异，其强度约为钢的百倍，而其密度仅相当于钢的六分之一，CNTs各层之间剪切强度约为500MPa，远远高于大多数CF增强复合材料；关于导电性能，CNTs不仅可以拥有金属材料优异的导电性能，还可以充分表现出半导体的电学特征，并且在较低温度下展现出超导的性能,并且CNTs的临界超导电流比较大；关于热学性能，CNTs的热学性能不仅与组成它的石墨片有关，还与其独特的结构与尺寸有关，CNTs和石墨等组成成分相同，都是极优的热传导体，当CNTs作导热材料时，其传热速度可达到1000m/s。
虽然CNTs具有特异的力学、电学和化学性能，有着极大的应用价值，但要真正实现CNTs的最大价值，还有很多关键的技术需要克服，首当其冲的是CNTs的分散特性，这是实现CNTs价值的关键，为此需要对CNTs进行改性，目前对CNTs的改性方法主要有物理修饰法和化学修饰法。物理修饰法主要是通过吸附、涂敷和包覆等物理作用来改变CNTs的表面活性基团，从而提高其与基质的结合性，其中比较典型的是聚合物包裹法以及表面活性剂改性的方法，CNTs的C原子因SP2杂化从而形成了高度离域化的π电子，它们可以与同样含有π电子的不同聚合物通过π-π非共价键进行结合，从而获得具有一些特定功能的CNTs；化学修饰法主要利用接枝、氧化等手段直接在CNTs的侧壁上引入小分子化合物或活性官能基团(如-COOH、OH和-NH2)等，提高其活性，从而增加其在溶液和聚合物中的分散性和相容性。
目前，碳纳米管/环氧树脂复合材料的国内外研究现状如下：
Florian等在“Influence of different carbon nanotubes on the mechanicalproperties of epoxy matrix composites-A comparative study.Composites Scienceand Technology”中探究了CNTs的含量对环氧基复合材料导电性能以及传热性的影响。实验分析表明，当体系都达到渗滤阀值时，CNTs所需含量远远少于CB，且复合材料的电导率会随着CNTs含量的增加而增加。
Via Michael D.等人在“Electrical conductivity modeling of carbonblack/polycarbonate,carbon nanotube/polycarbonate,and exfoliated Graphitenanoplatelet/polycarbonate composites.Journal ofApplied Polymer Science”中研究了聚碳酸酯基体中分别加入了CNTs、CB和GNP三类不同的导电填料，并对相应复合材料的导电性能进行了深入探究。研究发现CNTs的阈值为1.2vol％且研究结果表明在PC中加入CNTs其复合材料的导电性能最好。
魏小昕在“表面改性碳纳米管/环氧树脂复合材料力学性能的研究”论文中研究了改性CNTs的含量对环氧基复合材料力学性能的影响。结果表明，经过改性后的CNTs其分散性要好于未改性的CNTs，同时，随着CNTs含量的逐渐增加，CNTs/环氧树脂复合材料的力学性能先增后减，且最大拉伸强度为67.3MPa，充分说明改性后的CNTs对基体材料的性能有较好的提升。
曾勤在“碳纳米管/环氧树脂复合材料的制备和性能研究”论文中探究了CNTs的含量对环氧树脂热学性能的影响。研究结果表明，随着CNTs含量的增加可以有效促进复合材料的固化反应，且还可以有效提高其热学性能，表明CNTs有良好的耐热性能。
张秋菊在“纤维增强改性环氧体系的电学与力学性能研究”论文中研究了纤维增强改性环氧体系的电学与力学性能，其中涉及了一种碳纤维/环氧树脂复合材料的制备，其是将碳纤维织成间隔织物处理后作为增强体加入到AG-80环氧树脂基体中形成复合材料，虽然该复合材料提高了其热力学性能，但导电性及其稳定性仍得不到满足。
中国专利申请(201010221872.2)公开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，该复合材料的制备方法包括将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MWNTs分散液均匀喷涂在碳纤维织物上，经干燥处理后再与环氧树脂热压成型，该申请在CF/EP复合材料中进入MWNTs，改善了碳纤维织物的表面性能，提高了复合材料的力学性能，但该材料的导电性能不足。
由以上研究可知CNTs的含量以及改性方式的不同，对复合材料体系性能的影响也会有很大区别。CNTs的加入虽然会有效提高复合材料体系的导电性能，但随着CNTs含量增加到某一区间后，其力学性能会反而呈现下降的趋势，且整体力学性能并不优异，因此需要对导电填料进行改性处理或者需要探究多组分导电填料对复合材料的协同作用，已解决复合导电材料目前发展中的上述瓶颈问题。
发明内容
本发明正是为了克服上述技术问题，通过对导电填料的改性处理以及对多组分填料的混合来提高复合材料体系电学性能、力学性能、热学性能等的方法进行研究进而提供一种具有良好导电性能、热力学性能且对导电材料用量少的酸化改性CNTs/CFDSF/AG-80环氧树脂复合材料及其制备方法。为此本发明所提供如下技术方案：
一种酸化改性CNTs/CFDSF/AG-80环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于，该制备方法具体包括以下步骤：
(1)对CNTs采用浓硝酸和浓硫酸的混酸溶液进行酸化，将2～5g CNTs置于250～500ml的浓硝酸和浓硫酸的混酸溶液中，其中浓硝酸与浓硫酸的体积比为3:1～4:1，室温超声处理3～4h后在混合溶液中加入蒸馏水进行稀释，用滤膜抽滤，过滤后继续加入适量蒸馏水稀释，静置，取上层清液倒掉，抽滤，重复以上操作数次，直至上层清液PH值为7左右，将滤膜过滤出CNTs，放置烘箱干燥后研磨0.5～1h，得到酸化的碳纳米管O-CNTs；
(2)对碳纤维双层间隔织物(CFDSF)进行处理，将预先织造、裁剪好的碳纤维双层间隔织物进行表面清洗及表面改性处理，具体工艺为：在室温下，将裁剪好的碳纤维双层间隔织物置于超声波清洗液中进行浸泡1～2h后洗涤30～50min，然后取出在95～110℃条件下干燥，干燥后在双层间隔织物上涂覆一定量溶于水的含有无水乙醇的质量百分数为1.5～3wt％的硅烷偶联剂KH550溶液，室温下放置24h～36h，以便乙醇挥发完全，封存待用；
(3)配制改性CNTs/AG-80环氧树脂体系溶液对CFDSF进行浇筑及热固化，将AG-80环氧树脂、六氢邻苯二甲酸酐固化剂、2,4,6-二氨基甲基苯酚促进剂、丙酮和无水乙醇稀释剂，分别置于38～45℃的烘箱中预热1～2小时，称取0.3～2.7g占环氧树脂0.5～4.5wt％并研磨充分的经所述步骤(1)处理后的改性碳纳米管O-CNTs，将其放在适量丙酮溶液中超声波处理0.5～1h后，按配比倒入环氧树脂中，在35～45℃搅拌4～6h后，超声处理2～3h后在80～90℃抽真空2～3h，接着依次倒入所述固化剂、促进剂、稀释剂后，将混合溶液在40～50℃充分搅拌0.5～1h，65～75℃抽真空0.5～1h，得到改性CNTs/AG-80环氧树脂体系溶液；随后在模具中放置所述步骤(3)处理后的碳纤维双层间隔织物，涂覆适量甲基硅油，浇筑上述改性CNTs/AG-80环氧树脂体系溶液后将整个模具抽真空1～2h，静置36～48h，然后在一定温度时间条件下进行热固化，经冷却得到酸化改性CNTs/CFDSF/AG-80环氧树脂复合材料。
优选地，所述步骤(2)中所述超声波清洗液为10～30wt％无水乙醇溶液和20～40wt％丙酮溶液按体积1:1～1:1.5的混合液。
所述步骤(3)中，所述AG-80环氧树脂、固化剂、稀释剂的比例为45～50wt％：40～45wt％:5～15wt％,所述稀释剂中无水乙醇和丙酮的体积比为1:1～1:1.5。
优选地，所述步骤(3)中的热固化是按照纯CNTs/CFDSF/AG-80复合材料的固化工艺80℃/0.5h→110℃/0.5h→120℃/4h→150℃/4h进行热固化。
优选地，所述步骤(2)中是所述碳纤维双层间隔织物为上下面层均为平纹组织织物；
优选地，所述步骤(3)中的所述改性碳纳米管占环氧树脂2.5～4.5wt％。
本发明所获得的有益技术效果：
1.本发明采用浓硝酸和浓硫酸的混酸溶液对碳纳米管进行酸化氧化改性，通过其具体的改性工艺及参数设计并选择采用碳纤维双层间隔织物作为基体，使改性碳纳米管先与AG-80环氧树脂在一定的工艺及参数条件下混合形成改性CNTs/AG-80环氧树脂体系溶液，最后将该改性CNTs/AG-80环氧树脂体系溶液浇筑至预先放置好碳纤维双层间隔织物的模具中通过热固化工艺制备得到了兼具有良好导电性能、热力学性能且对导电材料用量少的酸化改性CNTs/CFDSF/AG-80环氧树脂复合材料，采用本发明的改性CNTs工艺且以碳纤维双层间隔织物作为基体，其碳纳米管能在基体中均匀分布，从而保证了其导电性的稳定性；
2.本发明在对碳纤维双层间隔织物进行清洗时采用超声波清洗工艺且将清洗液采用10～30wt％无水乙醇溶液和20～40wt％丙酮溶液按体积1:1～1:1.5的混合液，可以快速的除去碳纤维表面在织造或者触摸过程中粘着的油污、杂质等，以更有利于其表面改性处理；
3.本发明在确定热固化的工艺过程中通过对纯CNTs/CFDSF/AG-80体系的起始温度、峰顶温度和峰谷温度作线性回归分析，根据不同温度的线性回归分析得到：最终确定该体系的固化工艺为：80℃/0.5h→110℃/0.5h→120℃/4h→150℃/4h进行热固化，在提高热固化效率的同时而不会影响复合材料的特性。
附图说明
图1为本发明O-CNTs/CFDSF/AG-80复合材料制备示意图；
图2a为本发明O-CNTs/CFDSF/AG-80复合材料冲击断面韧窝区的扫描电镜图；
图2b为本发明O-CNTs/CFDSF/AG-80复合材料冲击断面河流区的扫描电镜图；
图3a为本发明O-CNTs/CFDSF/AG-80复合材料储能模量E′的动态分析图；
图3b为本发明O-CNTs/CFDSF/AG-80复合材料损耗模量E"的动态分析图；
图4a为本发明O-CNTs/CFDSF/AG-80复合材料的热失重TG曲线图；
图4b为本发明O-CNTs/CFDSF/AG-80复合材料的DTG曲线图；
图5示出本发明改性CNTs含量对改性CNTs/CFDSF/AG-80复合材料电学性能的影响。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明的技术方案进行详细描述，其仅为本发明的具体地实施方式或较佳的实施方式，并非因此限制本发明的保护范围。
实施例1
对碳纳米管(CNTs)的改性处理，本申请的发明人研究了采用硅烷偶联剂进行改性处理和仅采用酸化进行改性处理，本发明保护仅采用酸化进行改性CNTs/CFDSF/AG-80环氧树脂复合材料的制备方法；
一种制备酸化改性CNTs/CFDSF/AG-80环氧树脂复合材料的制备方法，主要包括以下步骤：
1.对碳纳米管(CNTs)采用浓硝酸和浓硫酸的混酸溶液进行酸化改性
对CNTs采用浓硝酸和浓硫酸的混酸溶液进行酸化，将2g CNTs置于250ml的浓硝酸和浓硫酸的混酸溶液中，其中浓硝酸与浓硫酸的体积比为3:1，室温超声处理3h后在混合溶液中加入蒸馏水进行稀释，用滤膜抽滤，过滤后继续加入适量蒸馏水稀释，静置，取上层清液倒掉，抽滤，重复以上操作数次，直至上层清液PH值为7左右，将滤膜过滤出CNTs，放置烘箱干燥后研磨0.5h，得到酸化的碳纳米管O-CNTs。
2.对碳纤维双层间隔织物(CFDSF)进行处理
机织间隔织物最大的特点是可以在两个平行的平面织物间形成一定间距，本发明采用机织双层间隔织物，如图1所示织物上面层1和下面层2之间通过接结纱3连接，将改性CNTs/AG-80环氧树脂体系溶液浇筑固化至该间隔织物中得到本发明的复合材料；在本发明中由于采用模具1的规格为14cm×14.5cm，所以要求所有CFDSF织物裁剪的规格为14cm×14.5cm；
将预先织造、裁剪好的碳纤维双层间隔织物进行表面清洗及表面改性处理，即在室温下，将裁剪好的碳纤维双层间隔织物置于超声波清洗液中进行浸泡1h后洗涤30min，然后取出在95℃条件下干燥，干燥后在双层间隔织物上涂覆一定量溶于水的含有无水乙醇的质量百分数为1.5wt％的硅烷偶联剂KH550溶液，室温下放置24h，以便乙醇挥发完全，封存待用；
3.配制改性CNTs/AG-80环氧树脂体系溶液对CFDSF进行浇筑及热固化
将AG-80环氧树脂、六氢邻苯二甲酸酐固化剂、2,4,6-二氨基甲基苯酚促进剂、丙酮和无水乙醇稀释剂，分别置于38℃的烘箱中预热1小时，称取0.3g占环氧树脂0.5wt％并研磨充分的经所述步骤1处理后的改性碳纳米管O-CNTs，将其放在适量丙酮溶液中超声波处理0.5h后，按配比倒入环氧树脂中，在35℃搅拌6h后，超声处理2h后在80℃抽真空2h，接着依次倒入所述固化剂、促进剂、稀释剂后，将混合溶液在40℃充分搅拌0.5h，65℃抽真空0.5h，得到改性CNTs/AG-80环氧树脂体系溶液；随后在模具中放置所述步骤2处理后的碳纤维双层间隔织物，涂覆适量甲基硅油，浇筑上述改性CNTs/AG-80环氧树脂体系溶液后将整个模具抽真空1h，静置36h，然后在一定温度时间条件下进行热固化，经冷却得到酸化改性CNTs/CFDSF/AG-80环氧树脂复合材料。
实施例2
对碳纳米管(CNTs)的改性处理，本申请的发明人研究了采用硅烷偶联剂进行改性处理和仅采用酸化进行改性处理，本发明保护采用酸化改性CNTs/CFDSF/AG-80环氧树脂复合材料的制备方法；
一种制备酸化改性CNTs/CFDSF/AG-80环氧树脂复合材料的制备方法，主要包括以下步骤：
1.对碳纳米管(CNTs)采用浓硝酸和浓硫酸的混酸溶液进行酸化改性
对CNTs采用浓硝酸和浓硫酸的混酸溶液进行酸化，将3.5g CNTs置于375ml的浓硝酸和浓硫酸的混酸溶液中，其中浓硝酸与浓硫酸的体积比为3:1，室温超声处理3.5h后在混合溶液中加入蒸馏水进行稀释，用滤膜抽滤，过滤后继续加入适量蒸馏水稀释，静置，取上层清液倒掉，抽滤，重复以上操作数次，直至上层清液PH值为7左右，将滤膜过滤出CNTs，放置烘箱干燥后研磨1h，得到酸化的碳纳米管O-CNTs。
2.对碳纤维双层间隔织物(CFDSF)进行处理；
机织间隔织物最大的特点是可以在两个平行的平面织物间形成一定间距，本发明采用机织双层间隔织物，如图1所示织物上面层1和下面层2之间通过接结纱3连接，将改性CNTs/AG-80环氧树脂体系溶液浇筑固化至该间隔织物中得到本发明的复合材料；在本发明中由于采用模具1的规格为14cm×14.5cm，所以要求所有CFDSF织物裁剪的规格为14cm×14.5cm；
将预先织造、裁剪好的碳纤维双层间隔织物进行表面清洗及表面改性处理，即在室温下，将裁剪好的碳纤维双层间隔织物置于超声波清洗液中进行浸泡1.5h后洗涤40min，其中超声波清洗液为10wt％无水乙醇溶液和20wt％丙酮溶液按体积1:1的混合液，然后取出在105℃条件下干燥，干燥后在双层间隔织物上涂覆一定量溶于水的含有无水乙醇的质量百分数为2wt％的硅烷偶联剂KH550溶液，室温下放置30h，以便乙醇挥发完全，封存待用；
3.配制改性CNTs/AG-80环氧树脂体系溶液对CFDSF进行浇筑及热固化
将AG-80环氧树脂、六氢邻苯二甲酸酐固化剂、2,4,6-二氨基甲基苯酚促进剂、丙酮和无水乙醇稀释剂，分别置于42℃的烘箱中预热1.5小时，称取1.5g占环氧树脂2.5wt％并研磨充分的经所述步骤1处理后的改性碳纳米管O-CNTs，将其放在适量丙酮溶液中超声波处理1h后，按配比倒入环氧树脂中，在40℃搅拌5h后，超声处理2.5h后在85℃抽真空2.5h，接着依次倒入所述固化剂、促进剂、稀释剂，所述AG-80环氧树脂、固化剂、稀释剂的比例为45wt％：40wt％:15wt％,所述稀释剂中无水乙醇和丙酮的体积比为1:1，然后将混合溶液在45℃充分搅拌1h，70℃抽真空1h，得到改性CNTs/AG-80环氧树脂体系溶液；随后在模具中放置所述步骤2处理后的碳纤维双层间隔织物，涂覆适量甲基硅油，浇筑上述改性CNTs/AG-80环氧树脂体系溶液后将整个模具抽真空1.5h，静置42h，然后按照纯CNTs/CFDSF/AG-80复合材料的固化工艺80℃/0.5h→110℃/0.5h→120℃/4h→150℃/4h进行热固化，经冷却得到酸化改性CNTs/CFDSF/AG-80环氧树脂复合材料。
实施例3
对碳纳米管(CNTs)的改性处理，本申请的发明人研究了采用硅烷偶联剂进行改性处理和仅采用酸化进行改性处理，本发明保护采用酸化改性CNTs/CFDSF/AG-80环氧树脂复合材料的制备方法；
一种制备酸化改性CNTs/CFDSF/AG-80环氧树脂复合材料的制备方法，主要包括以下步骤：
1.对碳纳米管(CNTs)采用浓硝酸和浓硫酸的混酸溶液进行酸化改性
对CNTs采用浓硝酸和浓硫酸的混酸溶液进行酸化，将5g CNTs置于500ml的浓硝酸和浓硫酸的混酸溶液中，其中浓硝酸与浓硫酸的体积比为4:1，室温超声处理4h后在混合溶液中加入蒸馏水进行稀释，用滤膜抽滤，过滤后继续加入适量蒸馏水稀释，静置，取上层清液倒掉，抽滤，重复以上操作数次，直至上层清液PH值为7左右，将滤膜过滤出CNTs，放置烘箱干燥后研磨1h，得到酸化的碳纳米管O-CNTs。
2.对碳纤维双层间隔织物(CFDSF)进行处理；
机织间隔织物最大的特点是可以在两个平行的平面织物间形成一定间距，本发明采用机织双层间隔织物，如图1所示织物上面层1和下面层2之间通过接结纱3连接，将改性CNTs/AG-80环氧树脂体系溶液浇筑固化至该间隔织物中得到本发明的复合材料；在本发明中由于采用模具1的规格为14cm×14.5cm，所以要求所有CFDSF织物裁剪的规格为14cm×14.5cm；
将预先织造、裁剪好的碳纤维双层间隔织物进行表面清洗及表面改性处理，即在室温下，将裁剪好的碳纤维双层间隔织物置于超声波清洗液中进行浸泡1.5h后洗涤40min，其中超声波清洗液为10wt％无水乙醇溶液和20wt％丙酮溶液按体积1:1的混合液，然后取出在105℃条件下干燥，干燥后在双层间隔织物上涂覆一定量溶于水的含有无水乙醇的质量百分数为2wt％的硅烷偶联剂KH550溶液，室温下放置30h，以便乙醇挥发完全，封存待用；
3.配制改性CNTs/AG-80环氧树脂体系溶液对CFDSF进行浇筑及热固化
将AG-80环氧树脂、六氢邻苯二甲酸酐固化剂、2,4,6-二氨基甲基苯酚促进剂、丙酮和无水乙醇稀释剂，分别置于45℃的烘箱中预热2小时，称取2.7g占环氧树脂4.5wt％并研磨充分的经所述步骤1处理后的改性碳纳米管O-CNTs，将其放在适量丙酮溶液中超声波处理1h后，按配比倒入环氧树脂中，在45℃搅拌4h后，超声处理3h后在90℃抽真空3h，接着依次倒入所述固化剂、促进剂、稀释剂，所述AG-80环氧树脂、固化剂、稀释剂的比例为50wt％：45wt％:5wt％,所述稀释剂中无水乙醇和丙酮的体积比为1:1.5，然后将混合溶液在50℃充分搅拌1h，75℃抽真空1h，得到改性CNTs/AG-80环氧树脂体系溶液；随后在模具中放置所述步骤2处理后的碳纤维双层间隔织物，涂覆适量甲基硅油，浇筑上述改性CNTs/AG-80环氧树脂体系溶液后将整个模具抽真空2h，静置48h，然后按照纯CNTs/CFDSF/AG-80复合材料的固化工艺80℃/0.5h→110℃/0.5h→120℃/4h→150℃/4h进行热固化，经冷却得到酸化改性CNTs/CFDSF/AG-80环氧树脂复合材料。
以上实施例1-3中步骤2中所采用的碳纤维双层间隔织物为上下面层均为平纹组织织物，当然对于该碳纤维双层间隔织物的织物组织也可以采用斜纹、缎纹或其他织物组织结构的双层织物。
下面对本发明制备的酸化改性CNTs/CFDSF/AG-80环氧树脂复合材料热力学性能及导电性能进行测试研究。
1 酸化改性CNTs/CFDSF/AG-80复合材料冲击断面的研究
如图2a、2b分别是O-CNTs含量为2.5％时O-CNTs/CFDSF/AG-80复合材料冲击断面韧窝区与冲击断面河流区的扫描电镜图，O-CNTs/CFDSF/AG-80体系的断面韧窝区鱼鳞片凹凸状相对较少，同时其河流区长径比小于硅烷偶联剂改性体系，说明仅采用酸化进行改性处理，制备的酸化改性CNTs/CFDSF/AG-80环氧树脂复合材料的增韧效果稍低于硅烷偶联剂的改性制备，但通过酸化改性得到的O-CNTs对复合材料体系具有增韧作用。
2.酸化改性CNTs/CFDSF/AG-80改性CNTs/CFDSF/AG-80复合材料的动态力学性能研究
动态力学分析是一种测试高分子聚合物机械性能的测试手段。通过动态力学分析可得出复合材料的动态储能模量E′和损耗模量E"。E′和E"分别可以用来表征材料的刚度以及材料的粘性成分，材料的力学内耗一般用tanδ来表示，即为E"与E′的比值。
如图3a、3b分别是O-CNTs/CFDSF/AG-80复合材料体系的储能模量E′和损耗模量E"的动态分析图。从图中可知，随着温度的逐渐增加，O-CNTs/CFDSF/AG-80体系的储能模量E′会逐渐减少，在室温到100℃间减少的并不明显，而其损耗模量E"会先升后降。当O-CNTs的含量为3.5％时O-CNTs/CFDSF/AG-80体系的储能模量E′较小，而且其损耗模量E"最大，说明该体系刚性小、韧性好的特点。而当O-CNTs的含量为2.5％时其损耗模量E"较大，说明此时体系的韧性好，这些也充分说明了O-CNTs的增韧作用。
3.酸化改性CNTs/CFDSF/AG-80复合材料的热力学测试分析
复合材料的热学性能主要指使用过程中，对环境温度做出相应响应，从而表现出不同的热学性能，是复合材料重要的性能之一，通过分析体系的最初和最大热分解温度从而得到复合材料热学性能的稳定性。如图4a、4b所示，其分别是O-CNTs/CFDSF/AG-80体系的热失重TG曲线和DTG曲线，从图中曲线可以看出，O-CNTs/CFDSF/AG-80体系的最初和最大热分解温度随着O-CNTs含量的增加会有小幅波动，且整体的耐热性能良好。由于无机物都比较耐热，所以加入O-CNTs后，其耐热程度会有所提高。
4.酸化改性CNTs/CFDSF/AG-80复合材料的电学性能测试分析
如图5所示是酸化改性CNTs复合材料的体积电阻率，从图中曲线可以看出，当改性CNTs含量不断增加时，充满CNTs的环氧树脂基体系的体积电阻率会不断降低，当CNTs含量还比较小的时候其体积电阻率较高，此时由于CNTs分散的比较开，CNTs之间不能形成联系，电子很难在相邻粒子间移动，对CF导电网络的协同效应较弱。随着改性CNTs含量的进一步增加，复合材料的电阻率-CNTs含量曲线会出现一个突变，此时体积电阻率会较大幅度下降，表明CNTs含量已经达到渗滤阈值。此时绝大多数CNTs之间的间距已经足够小或者已经相互有接触，从而形成CNTs导电网络，对CF导电网络的协同效应加强，从而使得复合材料的体积电阻率发生突变。随着改性CNTs含量的进一步增加，超过渗滤阈值后，复合材料的电阻率的变化又都趋于平缓，说明导电通路已经形成，改性CNTs之间已经接触或者电子可以自由移动形成导电网络。此时电阻率难以出现较大变化。
以上为本发明技术方案的实施例及试验所测试结果，对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行变化、修改、替换、整合和工艺参数变更均落入本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种酸化改性CNTs/CFDSF/AG-80环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于，该制备方法具体包括以下步骤：
(1)对CNTs采用浓硝酸和浓硫酸的混酸溶液进行酸化，将2～5g CNTs置于250～500ml的浓硝酸和浓硫酸的混酸溶液中，其中浓硝酸与浓硫酸的体积比为3:1～4:1，室温超声处理3～4h后在混合溶液中加入蒸馏水进行稀释，用滤膜抽滤，过滤后继续加入适量蒸馏水稀释，静置，取上层清液倒掉，抽滤，重复以上操作数次，直至上层清液PH值为7左右，将滤膜过滤出CNTs，放置烘箱干燥后研磨0.5～1h，得到酸化的碳纳米管O-CNTs；
(2)对碳纤维双层间隔织物(CFDSF)进行处理，将预先织造、裁剪好的碳纤维双层间隔织物进行表面清洗及表面改性处理，具体工艺为：在室温下，将裁剪好的碳纤维双层间隔织物置于超声波清洗液中进行浸泡1～2h后洗涤30～50min，然后取出在95～110℃条件下干燥，干燥后在双层间隔织物上涂覆一定量溶于水的含有无水乙醇的质量百分数为1.5～3wt％的硅烷偶联剂KH550溶液，室温下放置24h～36h，以便乙醇挥发完全，封存待用；
(3)配制改性CNTs/AG-80环氧树脂体系溶液对CFDSF进行浇筑及热固化，将AG-80环氧树脂、六氢邻苯二甲酸酐固化剂、2,4,6-二氨基甲基苯酚促进剂、丙酮和无水乙醇稀释剂，分别置于38～45℃的烘箱中预热1～2小时，称取0.3～2.7g占环氧树脂0.5～4.5wt％并研磨充分的经所述步骤(1)处理后的改性碳纳米管O-CNTs，将其放在适量丙酮溶液中超声波处理0.5～1h后，按配比倒入环氧树脂中，在35～45℃搅拌4～6h后，超声处理2～3h后在80～90℃抽真空2～3h，接着依次倒入所述固化剂、促进剂、稀释剂后，将混合溶液在40～50℃充分搅拌0.5～1h，65～75℃抽真空0.5～1h，得到改性CNTs/AG-80环氧树脂体系溶液；随后在模具中放置所述步骤(3)处理后的碳纤维双层间隔织物，涂覆适量甲基硅油，浇筑上述改性CNTs/AG-80环氧树脂体系溶液后将整个模具抽真空1～2h，静置36～48h，然后在一定温度时间条件下进行热固化，经冷却得到酸化改性CNTs/CFDSF/AG-80环氧树脂复合材料。
2.根据权利要求1所述的酸化改性CNTs/CFDSF/AG-80环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中所述超声波清洗液为10～30wt％无水乙醇溶液和20～40wt％丙酮溶液按体积1:1～1:1.5的混合液。
3.根据权利要求1所述的酸化改性CNTs/CFDSF/AG-80环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述AG-80环氧树脂、固化剂、稀释剂的比例为45～50wt％：40～45wt％:5～15wt％,所述稀释剂中无水乙醇和丙酮的体积比为1:1～1:1.5。
4.根据权利要求1-3任一项所述酸化改性CNTs/CFDSF/AG-80环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中的热固化是按照纯CNTs/CFDSF/AG-80复合材料的固化工艺80℃/0.5h→110℃/0.5h→120℃/4h→150℃/4h进行热固化。
5.根据权利要求1-3任一项所述的酸化改性CNTs/CFDSF/AG-80环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中是所述碳纤维双层间隔织物为上下面层均为平纹组织织物。
6.根据权利要求1-3任一项所述的酸化改性CNTs/CFDSF/AG-80环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中的所述改性碳纳米管占环氧树脂2.5～4.5wt％。
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| CN115093678A (zh) * | 2022-08-03 | 2022-09-23 | 安徽工程大学 | 一种全贯通特性的电磁屏蔽复合材料的制备方法及其应用 |
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