CN110079074A - 一种碳纤维增强聚氨酯基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种碳纤维增强聚氨酯基复合材料及其制备方法，复合材料包括碳纳米管、热塑性聚氨酯高分子母粒、卡波姆、纳米增强材料、纳米导电材料、有机抗菌材料和溶剂，制备方法包括制备碳纳米管分散液、制备热塑性聚氨酯高分子母粒混合分散体系，混合两个分散体系并添加纳米抗菌材料、纳米增强材料和纳米导电材料制得，本发明所制备的碳纤维增强聚氨酯基复合材料具有良好的导电性能，可以应用于可穿戴电子服装领域。

Description

一种碳纤维增强聚氨酯基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料技术领域，尤其涉及一种碳纤维增强聚氨酯基复合材料及其制备方法。
背景技术
形状记忆材料的出现是材料科学史上的重大飞跃，其为新产品的开发提供了崭新的途径。
特别是80年代以来，形状记忆高分子材料以其优异的性能成为一种引人注目的热门材料，相比金属材料而言，高分子材料具有重量轻，耐腐蚀，易加工等优点，因所具备的多种优秀的特质，其在各个领域中均得到了广泛的应用，经济效益显著。
然而现有技术中，碳纤维材料由于抗剪切性能差，产品耐持久使用性能不高，碳纤维复合材料长期使用后出现应力松弛，而使用形状记忆高分子树脂可在外部刺激下回复应力，减少松弛，提高耐持久使用性能。碳纤维具备通电发热功能是开发主动发热材料的关键，而发热容易使得发热碳纤维复合材料发生霉变，复合材料发霉会破坏复合材料的性能。
因此亟需一种同时具有耐持久使用性能、形状记忆功能且不容易发生材料变质的碳纤维增强聚氨酯基复合材料。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种具有抗菌发热性的碳纤维增强聚氨酯基复合材料及其制备方法。
本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种碳纤维增强聚氨酯基复合材料，以重量百分比为100％计算，包括：
在以上技术方案的基础上，优选的，以重量百分比为100％计算，包括：
在以上技术方案的基础上，优选的，所述卡波姆为卡波姆940。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述纳米增强材料为羟甲基纳米纤维素晶须或羟乙基纳米纤维素晶须中的一种或两种的混合物。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述纳米导电材料为碳纤维的长丝束。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述碳纤维长丝束的单丝数量在3K-12K。
更进一步优选的，所述有机抗菌材料为氯霉素、芦荟胶、山梨酸钾、聚六亚甲基双胍盐酸盐、聚乙烯吡咯酮碘、葡萄糖酸氯己定，苯扎氯安中的一种或两种的混合物。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述溶剂为N，N-二甲基甲酰胺、四氢呋喃、三氯甲烷、四氯甲烷和丙酮中的一种或两种的混合物。
本发明还公开了一种碳纤维增强聚氨酯基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、将碳纳米管加入到溶剂中，超声分散20-40min，得到碳纳米管分散液；
步骤二、将热塑性聚氨酯高分子母粒、卡波姆和纳米增强材料加入到溶剂中，在50-100℃下，以200-400r/min的速率搅拌1-2h，使热塑性聚氨酯高分子母粒和卡波姆完全溶解、纳米增强材料分散均匀，得到混合分散体系；
步骤三、将步骤一制得的碳纳米管分散液缓慢加入到步骤二中的混合分散体系中，在50-100℃下，以200-400r/min的速率搅拌2-3h，得到导电形状记忆聚氨酯分散体系；
步骤四、向步骤三中导电形状记忆聚氨酯分散体系中加入一定量的有机抗菌材料，在50-100℃下，以200-400r/min的速率搅拌0.5-1.5h，得到抗菌的导电形状记忆聚氨酯分散液；
步骤五、将步骤四中抗菌的导电形状记忆聚氨酯分散液导入模具中，加入碳纤维丝束，在50-100℃下，固化30-50h，将产物从模具中取出，即制得碳纤维增强聚氨酯基复合材料。
在以上技术方案的基础上，优选的，步骤一中，超声分散的时间为30min。
在以上技术方案的基础上，优选的，步骤一中，碳纳米管：溶剂的质量比为(1-15)：(50-81)。
在以上技术方案的基础上，优选的，步骤二中，搅拌温度为80℃，搅拌速率为300r/min。
在以上技术方案的基础上，优选的，步骤二中，热塑性聚氨酯高分子母粒：卡波姆：纳米增强材料的质量比为(7-12)∶(0.7-1.2)∶(0.1-1.2)。
在以上技术方案的基础上，优选的，步骤三中，搅拌的温度为75℃，搅拌速率为200-300r/min。
在以上技术方案的基础上，优选的，步骤四中，搅拌的温度为75℃，搅拌速率为300r/min。
在以上技术方案的基础上，优选的，步骤五中，固化温度为75℃，固化时间为48h。
本发明的碳纤维增强聚氨酯基复合材料及其制备方法相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)本发明以热塑性聚氨酯为基体，纳米纤维素晶须为增强材料，通过添加碳纤维和有机抗菌材料，赋予其导电发热性和抗菌性，制得具有抗菌发热性的三重响应形状记忆复合材料；
(2)本发明所制备的碳纤维增强聚氨酯基复合材料具有良好的导电性能，可以应用于可穿戴电子服装领域。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
实施例1
取1g碳纳米管，加入到81gN，N-二甲基甲酰胺中，超声分散20min，得到碳纳米管分散液；
将5g热塑性聚氨酯高分子母粒、0.5g卡波姆940和0.1g羟甲基纳米纤维素晶须加入到11.8gN，N-二甲基甲酰胺中，在50℃条件下，以200r/min的速率搅拌1h，得到混合分散体系；
将碳纳米管分散液缓慢加入到混合分散体系中，在50℃下，以200r/min的速率搅拌2h，得到导电形状记忆聚氨酯分散体系；
将导电形状记忆聚氨酯分散体系中加入0.1g氯霉素，在50℃下，以200r/min的速率搅拌0.5h，得到抗菌的导电形状记忆聚氨酯分散液；
将抗菌的导电形状记忆聚氨酯分散液导入模具中，加入0.5g碳纤维丝束，在50℃下，固化30h。将产物从模具中取出，即制得碳纤维增强聚氨酯基复合材料。
实施例2
取15g碳纳米管，加入到50g四氢呋喃中，超声分散30min，得到碳纳米管分散液；
将15g热塑性聚氨酯高分子母粒、1.5g卡波姆940和1.5g羟乙基纳米纤维素晶须加入到12g四氢呋喃中，在70℃条件下，以200r/min的速率搅拌2h，得到混合分散体系；
将碳纳米管分散液缓慢加入到混合分散体系中，在70℃下，以200r/min的速率搅拌3h，得到导电形状记忆聚氨酯分散体系；
将导电形状记忆聚氨酯分散体系中加入1.5g芦荟胶，在70℃下，以200r/min的速率搅拌1h，得到抗菌的导电形状记忆聚氨酯分散液；
将抗菌的导电形状记忆聚氨酯分散液导入模具中，加入3.5g碳纤维丝束，在50℃下，固化40h。将产物从模具中取出，即制得碳纤维增强聚氨酯基复合材料。
实施例3
取5g碳纳米管，加入到70g三氯甲烷和二氯甲烷混合溶液中，超声分散40min，得到碳纳米管分散液；
将7g热塑性聚氨酯高分子母粒、0.7g卡波姆940和0.1g羟甲基纳米纤维素晶须和羟乙基纳米纤维素晶须的混合物加入到16.3g三氯甲烷和二氯甲烷混合溶液中，在90℃条件下，以200r/min的速率搅拌1.5h，得到混合分散体系；
将碳纳米管分散液缓慢加入到混合分散体系中，在90℃下，以200r/min的速率搅拌2.5h，得到导电形状记忆聚氨酯分散体系；
将导电形状记忆聚氨酯分散体系中加入0.7g山梨酸钾和聚六亚甲基双胍盐酸盐混合物，在90℃下，以200r/min的速率搅拌1.5h，得到抗菌的导电形状记忆聚氨酯分散液；
将抗菌的导电形状记忆聚氨酯分散液导入模具中，加入1.2g碳纤维丝束，在90℃下，固化50h。将产物从模具中取出，即制得碳纤维增强聚氨酯基复合材料。
实施例4
取10g碳纳米管，加入到60g丙酮中，超声分散30min，得到碳纳米管分散液；
将12g热塑性聚氨酯高分子母粒、1.2g卡波姆940和1.2g羟乙基纳米纤维素晶须加入到11.9g丙酮中，在75℃条件下，以200r/min的速率搅拌2h，得到混合分散体系；
将碳纳米管分散液缓慢加入到混合分散体系中，在75℃下，以200r/min的速率搅拌3h，得到导电形状记忆聚氨酯分散体系；
将导电形状记忆聚氨酯分散体系中加入1.2g聚乙烯吡咯烷酮和葡萄糖氯己定混合物，在75℃下，以200r/min的速率搅拌40min，得到抗菌的导电形状记忆聚氨酯分散液；
将抗菌的导电形状记忆聚氨酯分散液导入模具中，加入2.5g碳纤维丝束，在50℃下，固化48h。将产物从模具中取出，即制得碳纤维增强聚氨酯基复合材料。
实施例5
取7g碳纳米管，加入到55g丙酮中，超声分散20min，得到碳纳米管分散液；
将10g热塑性聚氨酯高分子母粒、1g卡波姆940和0.5g羟甲基纳米纤维素晶须加入到23.5g丙酮中，在100℃条件下，以200r/min的速率搅拌1h，得到混合分散体系；
将碳纳米管分散液缓慢加入到混合分散体系中，在100℃下，以200r/min的速率搅拌2h，得到导电形状记忆聚氨酯分散体系；
将导电形状记忆聚氨酯分散体系中加入1g苯扎氯安，在100℃下，以200r/min的速率搅拌0.5h，得到抗菌的导电形状记忆聚氨酯分散液；
将抗菌的导电形状记忆聚氨酯分散液导入模具中，加入2g碳纤维丝束，在100℃下，固化30h。将产物从模具中取出，即制得碳纤维增强聚氨酯基复合材料。
实施效果：
将以上实施例中所制得的碳纤维增强聚氨酯基复合材料分别进行形状记忆性能测试、导电性能测试和抗菌性测试，具体测试结果如下：
测试过程中，将所制备的复合材料进行热刺激，分别水浴加热至60℃，测试其形状固定率和形状回复率；在标准抗菌测试条件下测试所制备的复合材料对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率。
60℃形状固定率 形状回复率 导电性 抗菌性
实施例1 82％ 92.5％ 6KΩ·cm 92.3％
实施例2 94％ 95.3％ 18MΩ·cm 95.5％
实施例3 86％ 93.8％ 5MΩ·cm 93.8％
实施例4 93％ 94.6％ 14MΩ·cm 94.2％
实施例5 91％ 94.2 12MΩ·cm 94.0％
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种碳纤维增强聚氨酯基复合材料，其特征在于，以重量百分比为100％计，包括如下组分：
2.如权利要求1所述的碳纤维增强聚氨酯基复合材料，其特征在于，以重量百分比为100％计，包括如下组分：
3.如权利要求1所述的碳纤维增强聚氨酯基复合材料，其特征在于，所述卡波姆为卡波姆940。
4.如权利要求1所述的碳纤维增强聚氨酯基复合材料，其特征在于，所述纳米增强材料为羟甲基纳米纤维素晶须或羟乙基纳米纤维素晶须中的一种或两种的混合物。
5.如权利要求1所述的碳纤维增强聚氨酯基复合材料，其特征在于，所述纳米导电材料为碳纤维的长丝束。
6.如权利要求1所述的碳纤维增强聚氨酯基复合材料，其特征在于，所述有机抗菌材料为氯霉素、芦荟胶、山梨酸钾、聚六亚甲基双胍盐酸盐、聚乙烯吡咯酮碘、葡萄糖酸氯己定，苯扎氯安中的一种或两种的混合物。
7.如权利要求1所述的碳纤维增强聚氨酯基复合材料，其特征在于，所述溶剂为N，N-二甲基甲酰胺、四氢呋喃、三氯甲烷、四氯甲烷和丙酮中的一种或两种的混合物。
8.一种碳纤维增强聚氨酯基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、将碳纳米管加入到溶剂中，超声分散20-40min，得到碳纳米管分散液；
步骤二、将热塑性聚氨酯高分子母粒、卡波姆和纳米增强材料加入到溶剂中，在50-100℃下，以200-400r/min的速率搅拌1-2h，使热塑性聚氨酯高分子母粒和卡波姆完全溶解、纳米增强材料分散均匀，得到混合分散体系；
步骤三、将步骤一制得的碳纳米管分散液缓慢加入到步骤二中的混合分散体系中，在50-100℃下，以200-400r/min的速率搅拌2-3h，得到导电形状记忆聚氨酯分散体系；
步骤四、向步骤三中导电形状记忆聚氨酯分散体系中加入一定量的有机抗菌材料，在50-100℃下，以200-400r/min的速率搅拌0.5-1.5h，得到抗菌的导电形状记忆聚氨酯分散液；
步骤五、将步骤四中抗菌的导电形状记忆聚氨酯分散液导入模具中，加入碳纤维丝束，在50-100℃下，固化30-50h，将产物从模具中取出，即制得碳纤维增强聚氨酯基复合材料。
9.如权利要求8所述的碳纤维增强聚氨酯基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤一中，碳纳米管∶溶剂的质量比为(1-15)∶(50-81)。
10.如权利要求8所述的碳纤维增强聚氨酯基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤二中，热塑性聚氨酯高分子母粒∶卡波姆∶纳米增强材料的质量比为(7-12)∶(0.7-1.2)∶(0.1-1.2)。
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