CN108642867A - 一种多壁碳纳米管改性芳纶纤维的方法 - Google Patents

一种多壁碳纳米管改性芳纶纤维的方法 Download PDF

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Abstract

本发明针对芳纶纤维与环氧树脂界面粘结性差的问题，提供了一种多壁碳纳米管改性芳纶纤维的方法，其特点在于用多壁碳纳米管接枝改性芳纶纤维。所述H2SO3CL/CH2CL2溶液浓度为0.2wt％，多壁碳纳米管氯仿溶液浓度为0.1wt％。将多壁碳纳米管加入到改性溶液中搅拌，超声分散，洗净、干燥；用乙醇去除芳纶纤维表面杂质后烘干，用H2SO3CL/CH2CL2溶液中处理，在去离子水中搅拌、干燥；将处理后的芳纶纤维在多壁碳纳米管氯仿溶液中进行接枝改性。利用本发明方法制备的改性芳纶纤维强力增强了17.7％，在环氧树脂复合材料抽拔实验中，纤维粘结力提高了15.0％。该改性方法处理后的纤维极大的改善了其制备的复合材料的力学性能，在军事、建筑产业等各个领域，具有广泛的应用前景。

Description

一种多壁碳纳米管改性芳纶纤维的方法
技术领域
本发明涉及改性芳纶纤维提高其与环氧树脂界面粘结性的方法，为后续芳纶复合材料力学性能研究提供理论基础，属于芳纶纤维复合材料科学技术领域。
背景技术
芳纶，是一种新型高科技合成纤维，具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻、绝缘、抗老化、生命周期长等优良性能，广泛应用于复合材料、防弹制品、建材、特种防护服装、电子设备等领域。芳纶纤维在复合材料领域应用是主要作为复合材料的增强体。但由于芳纶纤维表面比较光滑，纤维表面活性基团少，故与基体复合时其界面的粘结性比较差。复合材料受到拉伸等外界作用力时，纤维易从复合材料中抽拔出来，故对纤维表面进行改性处理，提高其与基体的结合能力显得尤为重要。
多壁碳纳米管，是一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多优异的力学、电学和化学性能。但多壁碳纳米管的六边形环状结构致使其在水和常见的有机溶剂中几乎不分散，且其长径比和表面能大，极易团聚、限制了它的应用。因此需要对多壁碳纳米管先进行酸化处理，经混酸处理的多壁碳纳米管能够引入羟基。这不仅提高了多壁碳纳米管的分散性而且还能与用H2SO3CL/CH2CL2处理的芳纶纤维发生酯化反应增强多壁碳纳米管的接枝。
目前，纤维改性方法按原理可以分为3种：化学改性、物理改性、表面涂层改性。
多壁碳纳米管改性芳纶纤维属于化学改性中的接枝改性。接枝改性是通过化学反应在特定大分子链上通过化学键结合适当的支链、官能团或者其他分子链。这里的多壁碳纳米管的接枝改性是将多壁碳纳米管通过化学反应接枝到芳纶纤维上。
本发明采用了多壁碳纳米管接枝改性的方法，使芳纶纤维表面粗糙，表面能增加，进而使芳纶纤维与环氧树脂的表面粘结性提高。在纤维拉伸、接触角测试和纤维的抽拔试验之后，证实该方法在芳纶纤维强力下降不大的情况下，对于芳纶和环氧树脂的粘结力有了很大的提高，该方法可以较为简单的实现对复合材料的增强，亦可为复合材料的力学性能的基础进行后续的分析研究。
发明内容
本发明针对芳纶纤维与环氧树脂粘结性差的问题，提供了一种多壁碳纳米管改性芳纶纤维提高其与环氧树脂界面粘结性的方法。为了实现本发明的目的，发明人通过大量的实验研究与不断探索，最终获得如下技术方案：
一种多壁碳纳米管改性芳纶纤维方法有以下步骤：
(1)用乙醇去除芳纶纤维表面杂质后烘干，然后将芳纶纤维在0.2wt％H2SO3CL/CH2CL2溶液中室温下处理2min，最后在去离子水中搅拌2min，在70℃下干燥1h；
(2)配置浓硫酸∶浓硝酸＝3∶1的改性溶液，将多壁碳纳米管加入改性溶液中，在60℃下机械搅拌15分钟，然后用42KHz超声分散2小时，用去离子水洗净，100℃下干燥24小时。
(3)配置0wt％、0.05wt％、0.1wt％、0.5wt％、1wt％的多壁碳纳米管氯仿溶液，并在室温下用60KHz超声分散1小时；然后将处理的芳纶纤维放入多壁碳纳米管氯仿溶液，在室温下用60KHz超声振荡1小时；最后在对流烘箱中100℃干燥2h。
(4)测试纤维接枝前后的强力、纤维表面的接触角以及接枝前后纤维在树脂中的抽拔力。
优选的多壁碳纳米管氯仿溶液浓度为0.1wt％。
H2SO3CL/CH2CL2溶液浓度为0.2wt％，多壁碳纳米管接枝过程中超声振荡频率为60KHz。
对流烘箱干燥温度为100℃，时间为2小时。
所述的树脂是环氧树脂GCC-135，固化剂为GCC-137固化剂。
本发明的芳纶纤维改接枝后与仅作酸处理的芳纶纤维相比，纤维的强力增强了17.7％，与树脂的粘结力提高15.0％，极大的改善了芳纶纤维与环氧树脂界面间的作用力，使后续复合材料性能更优。
附图说明
图1为不同浓度下处理纤维的SEM图，图2为不同浓度处理纤维的接触角，图3为不同浓度处理纤维的拉伸性能参数，图4为不同浓度处理纤维的抽拔性能参数。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细描述。
实施例1
(1)纤维改性处理
用乙醇去除纤维表面杂质后烘干，在0.2wt％ H2SO3CL/CH2CL2溶液中室温下处理2min，随后在去离子水中室温下搅拌2min。在70℃下干燥1h。配置浓硫酸∶浓硝酸＝3∶1的改性溶液，将多壁碳纳米管加入改性溶液中，在60℃下机械搅拌15分钟，然后用42KHz超声分散2小时，用去离子水洗净，100℃下干燥24小时。将酸化后的多壁碳纳米管放入氯仿溶液中配置浓度为0wt％的多壁碳纳米管氯仿溶液，然后超声分散1小时。将处理过的芳纶纤维放入配置好的多壁碳纳米管氯仿溶液，在60KHz下超声1h，最后在对流烘箱中100℃干燥2h。
(2)纤维在树脂中的拔出实验
按照环氧树脂GCC-135∶固化剂GCC-137＝100∶30的比例配置树脂，将其注入纤维抽拔装置，测试抽拔力。
(3)纤维强力测试
使用万能强力机测试纤维的强力，5组取平均值。数据见表3。
实施例2
(1)纤维改性处理
用乙醇去除纤维表面杂质后烘干，在0.2wt％ H2SO3CL/CH2CL2溶液中室温下处理2min，随后在去离子水中室温下搅拌2min。在70℃下干燥1h。配置浓硫酸∶浓硝酸＝3∶1的改性溶液，将多壁碳纳米管加入改性溶液中，在60℃下机械搅拌15分钟，然后用42KHz超声分散2小时，用去离子水洗净，100℃下干燥24小时。将酸化后的多壁碳纳米管放入氯仿溶液中配置浓度为0.05wt％的多壁碳纳米管氯仿溶液，然后超声分散1小时。将处理过的芳纶纤维放入配置好的多壁碳纳米管氯仿溶液，在60KHz下超声1h，最后在对流烘箱中100℃干燥2h。
(2)纤维在树脂中的拔出实验
按照环氧树脂GCC-135∶固化剂GCC-137＝100∶30的比例配置树脂，将其注入纤维抽拔装置，测试抽拔力。
(3)纤维强力测试
使用万能强力机测试纤维的强力，5组取平均值。数据见表3。
实施例3
(1)纤维改性处理
用乙醇去除纤维表面杂质后烘干，在0.2wt％ H2SO3CL/CH2CL2溶液中室温下处理2min，随后在去离子水中室温下搅拌2min。在70℃下干燥1h。配置浓硫酸∶浓硝酸＝3∶1的改性溶液，将多壁碳纳米管加入改性溶液中，在60℃下机械搅拌15分钟，然后用42KHz超声分散2小时，用去离子水洗净，100℃下干燥24小时。将酸化后的多壁碳纳米管放入氯仿溶液中配置浓度为0.1wt％的多壁碳纳米管氯仿溶液，然后超声分散1小时。将处理过的芳纶纤维放入配置好的多壁碳纳米管氯仿溶液，在60KHz下超声1h，最后在对流烘箱中100℃干燥2h。
(2)纤维在树脂中的拔出实验
按照环氧树脂GCC-135∶固化剂GCC-137＝100∶30的比例配置树脂，将其注入纤维抽拔装置，测试抽拔力。
(3)纤维强力测试
使用万能强力机测试纤维的强力，5组取平均值。数据见表3。
实施例4
(1)纤维改性处理
用乙醇去除纤维表面杂质后烘干，在0.2wt％ H2SO3CL/CH2CL2溶液中室温下处理2min，随后在去离子水中室温下搅拌2min。在70℃下干燥1h。配置浓硫酸∶浓硝酸＝3∶1的改性溶液，将多壁碳纳米管加入改性溶液中，在60℃下机械搅拌15分钟，然后用42KHz超声分散2小时，用去离子水洗净，100℃下干燥24小时。将酸化后的多壁碳纳米管放入氯仿溶液中配置浓度为0.5wt％的多壁碳纳米管氯仿溶液，然后超声分散1小时。将处理过的芳纶纤维放入配置好的多壁碳纳米管氯仿溶液，在60KHz下超声1h，最后在对流烘箱中100℃干燥2h。
(2)纤维在树脂中的拔出实验
按照环氧树脂GCC-135∶固化剂GCC-137＝100∶30的比例配置树脂，将其注入纤维抽拔装置，测试抽拔力。
(3)纤维强力测试
使用万能强力机测试纤维的强力，5组取平均值。数据见表3。
实施例5
(1)纤维改性处理
用乙醇去除纤维表面杂质后烘干，在0.2wt％ H2SO3CL/CH2CL2溶液中室温下处理2min，随后在去离子水中室温下搅拌2min。在70℃下干燥1h。配置浓硫酸∶浓硝酸＝3∶1的改性溶液，将多壁碳纳米管加入改性溶液中，在60℃下机械搅拌15分钟，然后用42KHz超声分散2小时，用去离子水洗净，100℃下干燥24小时。将酸化后的多壁碳纳米管放入氯仿溶液中配置浓度为1wt％的多壁碳纳米管氯仿溶液，然后超声分散1小时。将处理过的芳纶纤维放入配置好的多壁碳纳米管氯仿溶液，在60KHz下超声1h，最后在对流烘箱中100℃干燥2h。
(2)纤维在树脂中的拔出实验
按照环氧树脂GCC-135∶固化剂GCC-137＝100∶30的比例配置树脂，将其注入纤维抽拔装置，测试抽拔力。
(3)纤维强力测试
使用万能强力机测试纤维的强力，5组取平均值。数据见表3。
表3 纤维性能测试

Claims (5)

1.用乙醇去除纤维表面杂质后烘干，在0.2wt％H2SO3CL/CH2CL2溶液中室温下处理2min，随后在去离子水中室温下搅拌2min。在70℃下干燥1h。配置浓硫酸∶浓硝酸＝3∶1的改性溶液，将多壁碳纳米管加入改性溶液中，在60℃下机械搅拌15分钟，然后用42KHz超声分散2小时，用去离子水洗净，100℃下干燥24小时。将酸化后的多壁碳纳米管放入氯仿溶液中配置浓度为0.1wt％的多壁碳纳米管氯仿溶液，然后超声分散1小时。将处理过的芳纶纤维放入配置好的多壁碳纳米管氯仿溶液，在60KHz下超声1h，最后在对流烘箱中100℃干燥2h。
2.根据权利要求1所述一种多壁碳纳米管改性芳纶纤维方法，其特征在于，所述的多壁碳纳米管氯仿溶液浓度为0.1wt％。
3.根据权利要求1所述一种多壁碳纳米管改性芳纶纤维方法，H2SO3CL/CH2CL2溶液浓度为0.2wt％。
4.根据权利要求1所述一种多壁碳纳米管改性芳纶纤维方法，多壁碳纳米管接枝过程中超声振荡频率为60KHz。
5.根据权利要求1所述一种多壁碳纳米管改性芳纶纤维方法，对流烘箱干燥温度为100℃，时间为2小时。
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