CN109281157A - 石墨烯纳米片-多壁碳纳米管上浆剂改性碳纤维的方法 - Google Patents

石墨烯纳米片-多壁碳纳米管上浆剂改性碳纤维的方法 Download PDF

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Abstract

本发明石墨烯纳米片‑多壁碳纳米管上浆剂改性碳纤维的方法包括以下步骤:采用丙酮对碳纤维原料进行退浆处理,得到去浆碳纤维;将环氧树脂、固化剂三乙基四胺、N,N‑二甲基甲酰胺以及碳纳米材料混合、超声处理得到含碳纳米材料的上浆剂;将去浆碳纤维置于上浆剂中浸泡处理,再经真空干燥,得到改性碳纤维。本发明通过上浆剂改性碳纤维,在纳米尺度上设计、调节和控制碳纤维与树脂间的界面结构,提高碳纤维与树脂基体界面粘结强度,最大程度地利用碳纤维优异的力学性能和优化复合材料的综合性能,有利于这种高性能功能化的碳纤维复合材料的工业化生产和更广泛的应用。

Description

石墨烯纳米片-多壁碳纳米管上浆剂改性碳纤维的方法
技术领域
本发明涉及石墨烯纳米片-多壁碳纳米管上浆剂改性碳纤维的方法,具体属于碳纤维复合材料技术领域。
背景技术
碳纤维(CF)作为一种高性能纤维,具有高比强度、高比模量、耐疲劳、抗蠕变、热膨胀系数小及摩擦系数低等一系列优异性能,使其成为近年来最重要的增强材料之一,并在许多领域得到广泛应用。但未经处理的碳纤维表面缺乏活性官能团,表面惰性大,与基体树脂间的界面结合性差,不仅限制了其在民用更是在对材料性能要求高的航空、导弹领域的使用。为了改善CF与树脂基体的相容性,提高CF与树脂基体的界面粘接力及其复合材料的力学性能,碳纤维使用前需对其进行处理,如酸氧化处理、化学接枝改性、等离子体处理、电泳沉积法(electrophoretic deposition,EPD)、化学气相沉积法(chemical vapordeposition,CVD)、上浆法等,除上浆法外的其它改性方法或者对CF有损伤,或者操作过程复杂,对改性仪器设备的要求较高,不利于大规模的工业化生产。
桑明珠在2018年第32卷第6期《中国塑料》第124-130页发表《碳纳米管/石墨烯协同改性碳纤维复合材料的制备及性能》一文,利用两步将氧化石墨烯和碳纳米管接枝在碳纤维表面上,先利用化学接枝的方法用氧化石墨烯对碳纤维改性得到表面接枝氧化石墨烯的碳纤维(PG),然后在利用化学接枝法将MWCNTs对PG进行改性得到氧化石墨烯/碳纳米管接枝改性碳纤维,且改性后其碳纤维复合材料的拉伸强度提高23.3%。张东东、赵东林在2015年北京化工大学博士论文《石墨烯(碳纳米管—连续碳纤维)增强环氧树脂复合材料力学及吸波性能研究》一文,同时将石墨烯/碳纳米管添加到树脂基体中,然后将改性的树脂基体与碳纤维制备复合材料,此方法易导致基体树脂黏度增大,增加复合材料制备的工艺技术,限制了其大规模工业生产的需要,且改性后的复合材料层间剪切强度提高10.1%,弯曲强度提高12.5%。
发明内容
本发明的目的是提供一种石墨烯纳米片-多壁碳纳米管上浆剂改性碳纤维的方法,旨在解决CF与树脂基体界面粘结性能差,且易于工业化石墨烯纳米片-多壁碳纳米管改性碳纤维的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
本发明石墨烯纳米片-多壁碳纳米管上浆剂改性碳纤维的方法:
步骤1:采用丙酮对未处理的碳纤维原料进行浸泡退浆处理2h后,经去离子水冲洗、真空干燥,得到去浆碳纤维;
步骤2:将环氧树脂、固化剂三乙基四胺、N,N-二甲基甲酰胺以及碳纳米材料混合均匀,形成的多相共混物经超声处理0-120min后,得到含碳纳米材料的上浆剂;共混物中:碳纳米材料的含量为0wt%-0.8wt%、环氧树脂的含量为0wt%-2wt%、三乙基四胺的含量为0.025wt%;
所述的碳纳米材料由质量比为1∶4的石墨烯纳米片和多壁碳纳米管组成;
步骤3:将去浆碳纤维置于上浆剂中浸泡20s后取出,再经60℃真空干燥1h,得到改性碳纤维。
所述的碳纤维的型号为T300B。
所述的环氧树脂的型号为E51型。
本发明的有益效果:本发明在上浆剂中加入了石墨烯纳米片(GnP)和多壁碳纳米管(MWCNTs)两种都具有优良的力学性能和大比表面积的纳米材料,通过对碳纤维(CF)上浆涂覆,使GnP和MWCNTs附着在碳纤维表面,增大碳纤维表面的粗糙度和比表面积,使纤维与树脂基体间的接触面积增大,提高了树脂对碳纤维的浸润性以及碳纤维与树脂基体间的机械啮合,使碳纤维的力学性能得到明显提高。当上浆剂中GnP-MWCNTs的浓度为0.5wt%时,改性后的CF复丝拉伸强度与去浆CF相比提高了89.7%,GnP-MWCNTs改性碳纤维/树脂基体复合材料的拉伸强度提高了125.5%。
附图说明
图1:石墨烯纳米片-多壁碳纳米管上浆剂改性碳纤维的工艺流程图;
图2:0.5wt%GnP-MWCNTs上浆剂改性CF的SEM图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步详细的阐明,但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
对比例1
取12段T300B碳纤维(每段15cm),先用丙酮浸泡2h,然后用去离子水冲洗干净再真空干燥后取出备用。
实施例1
取12段T300B碳纤维(每段15cm),先用丙酮浸泡2h,然后用去离子水冲洗干净再真空干燥后取出备用。将E51加入烧杯中,然后加入DMF配合磁力搅拌器搅拌至E51完全溶解,然后加入称量好的TETA,配制出了0wt%的GnP-MWCNTs上浆剂。其中E51含量为0.5wt%,TETA含量为0.025wt%。将配制好的上浆剂倒入到一个铝盒中,然后将处理好的CF置于上浆剂中完全浸没,20s后取出刮去纤维上残余液滴,最后将CF固定在铝盒两端置于真空干燥箱60℃烘干1h取出。
实施例2
取12段T300B碳纤维(每段15cm),先用丙酮浸泡2h,然后用去离子水冲洗干净再真空干燥后取出备用。将E51加入烧杯中,然后加入DMF配合磁力搅拌器搅拌至E51完全溶解,然后加入称量好的GnP、CNTs和TETA,最后将烧杯置于超声波细胞粉碎机中超声1h,配制出了0.2wt%的GnP-MWCNTs上浆剂。上浆剂中GnP与MWCNTs含量比例为1:4,E51含量为0.5wt%,TETA含量为0.025wt%。将配制好的上浆剂倒入到一个铝盒中,然后将处理好的CF置于上浆剂中完全浸没,20s后取出刮去纤维上残余液滴,最后将CF固定在铝盒两端置于真空干燥箱60℃烘干1h取出。
实施例3
取12段T300B碳纤维(每段15cm),先用丙酮浸泡2h,然后用去离子水冲洗干净再真空干燥后取出备用。将E51加入烧杯中,然后加入DMF配合磁力搅拌器搅拌至E51完全溶解,然后加入称量好的GnP、CNTs和TETA,最后将烧杯置于超声波细胞粉碎机中超声1h,配制出了0.4wt%的GnP-MWCNTs上浆剂。上浆剂中GnP与MWCNTs含量比例为1:4,E51含量为0.5wt%,TETA含量为0.025wt%。将配制好的上浆剂倒入到一个铝盒中,然后将处理好的CF置于上浆剂中完全浸没,20s后取出刮去纤维上残余液滴,最后将CF固定在铝盒两端置于真空干燥箱60℃烘干1h取出。
实施例4
取12段T300B碳纤维(每段15cm),先用丙酮浸泡2h,然后用去离子水冲洗干净再真空干燥后取出备用。将E51加入烧杯中,然后加入DMF配合磁力搅拌器搅拌至E51完全溶解,然后加入称量好的GnP、CNTs和TETA,最后将烧杯置于超声波细胞粉碎机中超声1h,配制出了0.5wt%的GnP-MWCNTs上浆剂。上浆剂中GnP与MWCNTs含量比例为1:4,E51含量为0.5wt%,TETA含量为0.025wt%。将配制好的上浆剂倒入到一个铝盒中,然后将处理好的CF置于上浆剂中完全浸没,20s后取出刮去纤维上残余液滴,最后将CF固定在铝盒两端置于真空干燥箱60℃烘干1h取出。
实施例5
取12段T300B碳纤维(每段15cm),先用丙酮浸泡2h,然后用去离子水冲洗干净再真空干燥后取出备用。将E51加入烧杯中,然后加入DMF配合磁力搅拌器搅拌至E51完全溶解,然后加入称量好的GnP、CNTs和TETA,最后将烧杯置于超声波细胞粉碎机中超声1h,配制出了0.6wt%的GnP-MWCNTs上浆剂。上浆剂中GnP与MWCNTs含量比例为1:4,E51含量为0.8wt%,TETA含量为0.025wt%。将配制好的上浆剂倒入到一个铝盒中,然后将处理好的CF置于上浆剂中完全浸没,20s后取出刮去纤维上残余液滴,最后将CF固定在铝盒两端置于真空干燥箱60℃烘干1h取出。
实施例6
取12段T300B碳纤维(每段15cm),先用丙酮浸泡2h,然后用去离子水冲洗干净再真空干燥后取出备用。将E-51环氧树脂和三乙烯四胺按照10:1的比例称量好之后,搅拌均匀,涂覆在贴有脱模纸的模具上,将碳纤维缠在模具上,再涂上一层树脂,然后在35℃温度下固化1h,制成预浸料。将预浸料按照成型模板的模腔剪裁,在上下模板上和模腔中涂上脱模剂,然后将剪好的预浸料铺叠5层在模腔中,在120℃和10MPa的条件下固化20min,制得去浆碳纤维复合材料板。
实施例7
将E-51环氧树脂和三乙烯四胺按照10:1的比例称量好之后,搅拌均匀,涂覆在贴有脱模纸的模具上,将实施例1碳纤维缠在模具上,再涂上一层树脂,然后在35℃温度下固化1h,制成预浸料。将预浸料按照成型模板的模腔剪裁,在上下模板上和模腔中涂上脱模剂,然后将剪好的预浸料铺叠5层在模腔中,在120℃和10MPa的条件下固化20min,制得纯树脂改性碳纤维复合材料板。
实施例8
将E-51环氧树脂和三乙烯四胺按照10:1的比例称量好之后,搅拌均匀,涂覆在贴有脱模纸的模具上,将实施例4碳纤维缠在模具上,再涂上一层树脂,然后在35℃温度下固化1h,制成预浸料。将预浸料按照成型模板的模腔剪裁,在上下模板上和模腔中涂上脱模剂,然后将剪好的预浸料铺叠5层在模腔中,在120℃和10MPa的条件下固化20min,制得0.5wt%石墨烯纳米片-碳纳米管改性碳纤维复合材料板。
实施例1~实施例5的性能测试
含GnP-MWCNTs上浆剂改性CF复丝的拉伸性能测试数据见表1。
表1
实施例6~实施例8的性能测试
含GnP-MWCNTs上浆剂改性CF复合材料拉伸性能测试数据见表2。

Claims (3)

1.石墨烯纳米片-多壁碳纳米管上浆剂改性碳纤维的方法,其特征在于:所述的方法为:
步骤1:采用丙酮对未处理的碳纤维原料进行浸泡退浆处理2 h后,经去离子水冲洗、真空干燥,得到去浆碳纤维;
步骤2:将环氧树脂、固化剂三乙基四胺、N,N-二甲基甲酰胺以及碳纳米材料混合均匀,形成的多相共混物经超声处理0-120min后,得到含碳纳米材料的上浆剂;共混物中:碳纳米材料的含量为0wt%-0.8wt%、环氧树脂的含量为0wt%-2wt%、三乙基四胺的含量为0.025wt%;
所述的碳纳米材料由质量比为1∶4的石墨烯纳米片和多壁碳纳米管组成;
步骤3:将去浆碳纤维置于上浆剂中浸泡20 s后取出,再经60℃真空干燥1h,得到改性碳纤维。
2.根据权利要求1所述的石墨烯纳米片-多壁碳纳米管上浆剂改性碳纤维的方法,其特征在于:所述的碳纤维的型号为T300B。
3.根据权利要求1所述的石墨烯纳米片-多壁碳纳米管上浆剂改性碳纤维的方法,其特征在于:所述的环氧树脂的型号为E51型。
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