CN115286356B - 一种碳纤维/玻璃纤维复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种碳纤维/玻璃纤维复合材料及其制备方法，涉及玻璃纤维改性技术领域。其中，碳纤维/玻璃纤维复合材料的制备方法，包括：步骤一、将碳纤维浸入铈盐溶液中，振荡，去铈盐溶液，用酸溶液洗涤，再用去离子洗涤至中性，干燥；步骤二、将处理后的碳纤维破碎，碳纤维粉和锌粉混合，备用；步骤三、将玻璃纤维浸入氢氧化钠水溶液中，取出洗去玻璃纤维表面的碱，烘干；步骤四、将玻璃纤维与碳纤维‑锌粉分散体混合均匀，送入气流分散机，在气流作用下完全悬浮接触，对气流分散机施加电场，使得碳纤维嵌入玻璃纤维表面裂纹；步骤五、用激光束扫描，使锌粉熔化，碳纤维均匀镶嵌并焊接在玻璃纤维表面，得到碳纤维/玻璃纤维复合材料。
Description
技术领域
本发明涉及玻璃纤维改性技术领域，特别涉及一种碳纤维/玻璃纤维复合材料及其制备方法。
背景技术
玻璃纤维，是一种性能优异的无机非金属材料，种类繁多，优点是绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好、机械强度高，但缺点是性脆，耐磨性较差。它是以叶腊石、石英砂、石灰石、白云石、硼钙石、硼镁石六种矿石为原料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺制造成的，其单丝的直径为几个微米到二十几个微米，相当于一根头发丝的1/20-1/5，每束纤维原丝都由数百根甚至上千根单丝组成。玻璃纤维通常用作复合材料中的增强材料，电绝缘材料和绝热保温材料，电路基板等国民经济各个领域。
随着复合材料制品尺寸的不断增加，人们对玻璃纤维的各项性能提出越来越高的要求。
碳纤维是由碳元素组成的一种特种纤维，其具有耐高温、抗摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特性，碳纤维的外形呈纤维状、柔软、可加工成各种织物，由于其石墨微晶结构沿纤维轴择优取向，因此沿纤维轴方向有很高的强度和模量。碳纤维的密度小，因此比强度和比模量高。碳纤维的主要用途是作为增强材料与树脂、金属、陶瓷及炭等复合，制造先进复合材料。其中碳纤维增强环氧树脂复合材料的比强度及比模量在现有工程材料中是最高的。
玻璃纤维和碳纤维均有各自的优缺点，若是将两者结合制备新的材料，将同时具备两者的优势，满足市场的需求。然而，目前关于碳纤维与玻璃纤维复合材料的研究相对较少。因此，如何制得新的碳纤维和玻璃纤维复合材料是本行业所要解决的问题。
发明内容
为解决背景技术提到的问题，本发明提供一种碳纤维/玻璃纤维复合材料，其制备方法，包括如下步骤：
步骤一、将碳纤维浸入铈盐溶液中，振荡活化，沥去铈盐溶液，用酸溶液洗涤碳纤维，再用去离子洗涤至中性，干燥得到表面活化的碳纤维；
步骤二、将处理后的碳纤维破碎成碳纤维粉，将碳纤维粉和锌粉混合，获得碳纤维-锌粉分散体，备用；
步骤三、将玻璃纤维浸入氢氧化钠水溶液中，取出后浸入水中洗去玻璃纤维表面的碱，烘干，得到表面改性玻璃纤维；
步骤四、将玻璃纤维与碳纤维-锌粉分散体混合均匀，送入气流分散机，在气流作用下玻璃纤维与碳纤维-锌粉分散体完全悬浮接触，同时对气流分散机施加电场，使得碳纤维嵌入玻璃纤维表面裂纹；
步骤五、用激光束扫描，锌粉熔化使得碳纤维与玻璃纤维焊接，碳纤维均匀镶嵌并焊接在玻璃纤维表面，得到碳纤维/玻璃纤维复合材料。
在实施上述实施例时，优选地，所述碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维。
在实施上述实施例时，优选地，步骤一中，铈盐溶液浓度为5.0-10g/L，碳纤维的浓度为0.1-0.2g/L。
在实施上述实施例时，优选地，步骤一中，碳纤维用去离子洗涤后，采用真空干燥。
在实施上述实施例时，优选地，步骤二中，碳纤维粉和锌粉的质量比10:1-20:1。
在实施上述实施例时，优选地，步骤三中，氢氧化钠水溶液浓度为5％，浸泡时间为4-6分钟；烘干温度为70-90℃，烘干时间为8-15分钟。
在实施上述实施例时，优选地，将步骤三的表面改性玻璃纤维分散在洁净水中，通过超声分散使玻璃纤维分散为单束，进一步滤干、烘干、热膨化分散得到解束玻璃纤维。
在实施上述实施例时，优选地，步骤四中，玻璃纤维与碳纤维-锌粉分散体的质量比为4:1-10:1。
在实施上述实施例时，优选地，步骤五中，选用激光功率10-20W，扫描速度3000-4000mm/s。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明选用铈盐氧化碳纤维，处理后的碳纤维表面含氧基团含量增大，表面活性增加，提高了碳纤维对金属的吸附性，提高碳纤维-锌粉分散体的有效率。
2、本发明通过电场引导将碳纤维粉镶嵌玻璃纤维的微裂纹，通过给方法改性的玻璃纤维，其拉伸强度、韧性大幅提高，而且具有高耐磨性、高导电性等特性。
3、本发明通过制备碳纤维-锌粉分散体，并利用激光焊接锌粉，使得碳纤维粉能够有效地黏附在玻璃纤维上，解决了碳纤维与玻璃纤维均存在界面相容性差的问题。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行，所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1
一种碳纤维/玻璃纤维复合材料，其制备方法包括如下步骤：
S1、将碳纤维浸入铈盐溶液中，铈盐溶液浓度为8g/L，碳纤维的浓度为0.12g/L，振荡活化15分钟，沥去铈盐溶液，用酸溶液洗涤碳纤维，再用去离子洗涤至中性，真空干燥得到表面活化的碳纤维；
S2、将处理后的碳纤维破碎成碳纤维粉，将碳纤维粉和锌粉以质量比12:1混合，获得碳纤维-锌粉分散体；
S3、将玻璃纤维浸入浓度为5％的氢氧化钠水溶液中，浸泡5分钟，而后反复3次浸入水中洗去玻璃纤维表面的碱，80℃度烘干10分钟后，得到表面改性玻璃纤维；
S4、表面改性玻璃纤维分散在洁净水中，通过超声分散使玻璃纤维分散为单束，进一步滤干、烘干、热膨化分散得到解束玻璃纤维。
S5、将解束玻璃纤维与碳纤维-锌粉分散体以质量比4：1混合均匀，送入气流分散机，在气流作用下解束玻璃纤维与石墨烯-金属粉分散体完全悬浮接触，同时对气流分散机施加电场，使得石墨烯以较薄的径向方向嵌入解束玻璃纤维表面裂纹；
S6、对S5制得的玻璃纤维用激光束扫描，激光功率15W，扫描速度3500mm/s，将锌粉极速熔化使得碳纤维粉与解束玻璃纤维焊接，碳纤维粉均匀镶嵌并牢固焊接在解束玻璃纤维表面，得到碳纤维/玻璃纤维复合材料。
实施例2
一种碳纤维/玻璃纤维复合材料，其制备方法包括如下步骤：
S1、将碳纤维浸入铈盐溶液中，铈盐溶液浓度为8g/L，碳纤维的浓度为0.14g/L，振荡活化15分钟，沥去铈盐溶液，用酸溶液洗涤碳纤维，再用去离子洗涤至中性，真空干燥得到表面活化的碳纤维；
S2、将处理后的碳纤维破碎成碳纤维粉，将碳纤维粉和锌粉以质量比14:1混合，获得碳纤维-锌粉分散体；
S3、将玻璃纤维浸入浓度为5％的氢氧化钠水溶液中，浸泡5分钟，而后反复3次浸入水中洗去玻璃纤维表面的碱，80℃度烘干10分钟后，得到表面改性玻璃纤维；
S4、表面改性玻璃纤维分散在洁净水中，通过超声分散使玻璃纤维分散为单束，进一步滤干、烘干、热膨化分散得到解束玻璃纤维。
S5、将解束玻璃纤维与碳纤维-锌粉分散体以质量比6：1混合均匀，送入气流分散机，在气流作用下解束玻璃纤维与石墨烯-金属粉分散体完全悬浮接触，同时对气流分散机施加电场，使得石墨烯以较薄的径向方向嵌入解束玻璃纤维表面裂纹；
S6、对S5制得的玻璃纤维用激光束扫描，激光功率15W，扫描速度3500mm/s，将锌粉极速熔化使得碳纤维粉与解束玻璃纤维焊接，碳纤维粉均匀镶嵌并牢固焊接在解束玻璃纤维表面，得到碳纤维/玻璃纤维复合材料。
实施例3
一种碳纤维/玻璃纤维复合材料，其制备方法包括如下步骤：
S1、将碳纤维浸入铈盐溶液中，铈盐溶液浓度为8g/L，碳纤维的浓度为0.16g/L，振荡活化15分钟，沥去铈盐溶液，用酸溶液洗涤碳纤维，再用去离子洗涤至中性，真空干燥得到表面活化的碳纤维；
S2、将处理后的碳纤维破碎成碳纤维粉，将碳纤维粉和锌粉以质量比16:1混合，获得碳纤维-锌粉分散体；
S3、将玻璃纤维浸入浓度为5％的氢氧化钠水溶液中，浸泡5分钟，而后反复3次浸入水中洗去玻璃纤维表面的碱，80℃度烘干10分钟后，得到表面改性玻璃纤维；
S4、表面改性玻璃纤维分散在洁净水中，通过超声分散使玻璃纤维分散为单束，进一步滤干、烘干、热膨化分散得到解束玻璃纤维。
S5、将解束玻璃纤维与碳纤维-锌粉分散体以质量比8：1混合均匀，送入气流分散机，在气流作用下解束玻璃纤维与石墨烯-金属粉分散体完全悬浮接触，同时对气流分散机施加电场，使得石墨烯以较薄的径向方向嵌入解束玻璃纤维表面裂纹；
S6、对S5制得的玻璃纤维用激光束扫描，激光功率15W，扫描速度3500mm/s，将锌粉极速熔化使得碳纤维粉与解束玻璃纤维焊接，碳纤维粉均匀镶嵌并牢固焊接在解束玻璃纤维表面，得到碳纤维/玻璃纤维复合材料。
实施例4
一种碳纤维/玻璃纤维复合材料，其制备方法包括如下步骤：
S1、将碳纤维浸入铈盐溶液中，铈盐溶液浓度为8g/L，碳纤维的浓度为0.1g/L，振荡活化15分钟，沥去铈盐溶液，用酸溶液洗涤碳纤维，再用去离子洗涤至中性，真空干燥得到表面活化的碳纤维；
S2、将处理后的碳纤维破碎成碳纤维粉，将碳纤维粉和锌粉以质量比10:1混合，获得碳纤维-锌粉分散体；
S3、将玻璃纤维浸入浓度为5％的氢氧化钠水溶液中，浸泡5分钟，而后反复3次浸入水中洗去玻璃纤维表面的碱，80℃度烘干10分钟后，得到表面改性玻璃纤维；
S4、表面改性玻璃纤维分散在洁净水中，通过超声分散使玻璃纤维分散为单束，进一步滤干、烘干、热膨化分散得到解束玻璃纤维。
S5、将解束玻璃纤维与碳纤维-锌粉分散体以质量比10：1混合均匀，送入气流分散机，在气流作用下解束玻璃纤维与石墨烯-金属粉分散体完全悬浮接触，同时对气流分散机施加电场，使得石墨烯以较薄的径向方向嵌入解束玻璃纤维表面裂纹；
S6、对S5制得的玻璃纤维用激光束扫描，激光功率15W，扫描速度3500mm/s，将锌粉极速熔化使得碳纤维粉与解束玻璃纤维焊接，碳纤维粉均匀镶嵌并牢固焊接在解束玻璃纤维表面，得到碳纤维/玻璃纤维复合材料。
实施例5
一种碳纤维/玻璃纤维复合材料，其制备方法包括如下步骤：
S1、将碳纤维浸入铈盐溶液中，铈盐溶液浓度为8g/L，碳纤维的浓度为0.18g/L，振荡活化15分钟，沥去铈盐溶液，用酸溶液洗涤碳纤维，再用去离子洗涤至中性，真空干燥得到表面活化的碳纤维；
S2、将处理后的碳纤维破碎成碳纤维粉，将碳纤维粉和锌粉以质量比18:1混合，获得碳纤维-锌粉分散体；
S3、将玻璃纤维浸入浓度为5％的氢氧化钠水溶液中，浸泡5分钟，而后反复3次浸入水中洗去玻璃纤维表面的碱，80℃度烘干10分钟后，得到表面改性玻璃纤维；
S4、表面改性玻璃纤维分散在洁净水中，通过超声分散使玻璃纤维分散为单束，进一步滤干、烘干、热膨化分散得到解束玻璃纤维。
S5、将解束玻璃纤维与碳纤维-锌粉分散体以质量比8：1混合均匀，送入气流分散机，在气流作用下解束玻璃纤维与石墨烯-金属粉分散体完全悬浮接触，同时对气流分散机施加电场，使得石墨烯以较薄的径向方向嵌入解束玻璃纤维表面裂纹；
S6、对S5制得的玻璃纤维用激光束扫描，激光功率15W，扫描速度3500mm/s，将锌粉极速熔化使得碳纤维粉与解束玻璃纤维焊接，碳纤维粉均匀镶嵌并牢固焊接在解束玻璃纤维表面，得到碳纤维/玻璃纤维复合材料。
对比例1
市售的普通玻璃纤维。
将上述实施例1-5和对比例1的玻璃纤维进行如下测试：
拉伸强度测试：参照标准GB/7689.5；
耐磨性测试：将各组玻璃纤维分别在织布机上织出织物，参照GB3960-83在MM-200型摩擦磨损试验机上评价材料的摩擦磨损性能；
导电率测试:参照QJ3074-1998
其测试结果如表1所示：
表1
通过表1的测试结果可以明显地看出，对比例1采用的是市售的普通玻璃纤维材料，并未进行任何改性，其在拉伸强度为1746MPa，而实施例1-5的采用碳纤维对玻璃纤维进行改性，改性后的玻璃纤维拉伸强度均在2500MPa左右，相较于普通的玻璃纤维，可见实施例1-5拉伸强度得到明显的提升；普通玻璃纤维在磨损率测试中，其磨损率达到9％，而实施例1-5的改性玻璃纤维磨损率在0.6-1.1％，可见实施例1-5耐磨性明显的提升；普通的玻璃纤维的导电率为0，为绝缘材料，实施例1-5的导电率在3.2-4.1S/cm，可见实施例1-5具有导电性能。
本发明提供的碳纤维/玻璃纤维复合材料，其维强度、韧性大幅提高，而且具有高耐磨性、高导电性等特性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (3)
1.一种碳纤维/玻璃纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、将碳纤维浸入铈盐溶液中，振荡活化，沥去铈盐溶液，用酸溶液洗涤碳纤维，再用去离子水洗涤至中性，干燥得到表面活化的碳纤维；
步骤二、将处理后的碳纤维破碎成碳纤维粉，将碳纤维粉和锌粉混合，获得碳纤维-锌粉分散体，备用；
步骤三、将玻璃纤维浸入氢氧化钠水溶液中，取出后浸入水中洗去玻璃纤维表面的碱，烘干，得到表面改性玻璃纤维；
步骤四、将玻璃纤维与碳纤维-锌粉分散体混合均匀，送入气流分散机，同时对气流分散机施加电场，使得碳纤维嵌入玻璃纤维表面裂纹；
步骤五、用激光束扫描，锌粉熔化使得碳纤维与玻璃纤维焊接，得到碳纤维/玻璃纤维复合材料；
所述碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维；
步骤一中，铈盐溶液浓度为5.0-10g/L，碳纤维的浓度为0.1-0.2g/L；
步骤一中，碳纤维用去离子水洗涤后，采用真空干燥；
步骤二中，碳纤维粉和锌粉的质量比10:1-20:1；
步骤三中，氢氧化钠水溶液浓度为5％，浸泡时间为4-6分钟；烘干温度为70-90℃，烘干时间为8-15分钟；
步骤四中，玻璃纤维与碳纤维-锌粉分散体的质量比为4:1-10:1；步骤五中，选用激光功率10-20W，扫描速度3000-4000mm/s。
2.根据权利要求1所述的碳纤维/玻璃纤维复合材料的制备方法，其特征在于，将步骤三的表面改性玻璃纤维分散在洁净水中，通过超声分散使玻璃纤维分散为单束，进一步滤干、烘干、热膨化分散得到解束玻璃纤维。
3.一种如权利要求1～2任一项所述的制备方法制备的碳纤维/玻璃纤维复合材料。
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Denomination of invention: A carbon fiber/glass fiber composite material and its preparation method Effective date of registration: 20231115 Granted publication date: 20230725 Pledgee: Bank of China Limited by Share Ltd. Suqian branch Pledgor: JIANGSU JIACHENG SPECIAL FIBER Co.,Ltd. Registration number: Y2023980065058 |
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