CN115610035A - 一种复合碳纤维布及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本申请属于碳纤维技术领域，尤其涉及一种复合碳纤维布及其制备方法和应用。本申请提供的复合碳纤维布的制备方法能够使得粘结剂中磁化导热填料沿着碳纤维布平面方向取向排列，与粘结剂上下平面的碳纤维布构成相互平行的导热网络，有利于热量沿着导热网络快速传递，并能发挥自润滑作用，有利于摩擦系数的降低，从而解决了现有技术中导热填料对碳纤维布复合材料导热、耐摩擦磨损性能提升有限的技术问题。

Description

一种复合碳纤维布及其制备方法和应用
技术领域
本申请属于碳纤维技术领域，尤其涉及一种复合碳纤维布及其制备方法和应用。
背景技术
碳纤维布作为一种高强度、高导热的新型材料，能够承受机械传动时的强大应力并传递热量，在机械传动领域存在极大的潜在需求空间，如作为传送带应用，单层碳纤维布的厚度在0.1～0.3毫米之间，通常是两层、多层碳纤维布应用。
然而碳纤维布之间的粘结剂阻碍了导热声子地传递，使得碳纤维布的高导热性能无法得到充分地发挥，如碳纤维布/树脂复合材料在高载荷磨损的环境下由于热量的累积导致样品表面发生粘着磨损，耐摩擦磨损性能表现不优，目前一般通过在树脂等粘结剂中加入导热填料来改善碳纤维布复合材料的导热、耐摩擦磨损性能，但是由于导热填料的沉淀、分散不均等情形，不利于热量快速传递，导致了导热填料对碳纤维布复合材料的导热、耐摩擦磨损性能提升有限。
发明内容
有鉴于此，本申请提供了一种复合碳纤维布及其制备方法和应用，用于解决现有技术中导热填料对碳纤维布复合材料导热、耐摩擦磨损性能提升有限的技术问题。
本申请第一方面提供了一种复合碳纤维布的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将粘结剂涂覆在碳纤维布表面，得到第一碳纤维布；
步骤2、将第二碳纤维布与第一碳纤维布中覆盖粘结剂的一面叠加，得到待诱导碳纤维布；
步骤3、在磁场中将所述待诱导碳纤维布固化，得到复合碳纤维布；
所述粘结剂含磁化导热填料；
所述磁场的磁场方向与所述碳纤维布的平面平行。
优选的，所述步骤2之后，步骤3之前，还包括步骤2.1、重复步骤1和步骤2。
优选的，重复的步骤1和步骤2的次数为1～8次。
优选的，所述步骤3具体包括：将所述待诱导碳纤维布平行放置在两块磁铁板之间，在磁场中将所述待诱导碳纤维布固化，得到复合碳纤维布。
优选的，所述磁化导热填料的制备方法包括步骤：
步骤1.1、将铁离子与所述导热填料混合，得到含磁化离子的导热填料溶液；
步骤1.2、加入碱试剂调节含磁化离子的导热填料溶液的PH至碱性，得到含磁化离子的导热填料碱性溶液；
步骤1.3、将所述含磁化离子的导热填料碱性溶液进行晶化反应，得到磁化导热填料。
优选的，步骤1.1中，所述混合的方式为超声混合。
优选的，步骤1.2中，所述PH值为12～14。
优选的，步骤1.3中，所述晶化反应的时间为1～3小时，温度为40～60摄氏度。
优选的，步骤1.1中，所述铁离子为正二价铁离子和/或正三价铁离子，所述导热填料为石墨烯、碳纤维、氮化硼、石墨中的任意一种或一种以上。
优选的，步骤1.2中，所述碱试剂为氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化镁中的任意一种或一种以上。
优选的，步骤1.3中，所述晶化反应的加热方式为水浴加热。
优选的，步骤1中，所述粘结剂的组成包括热固性树脂、固化剂、增塑剂和偶联剂。
优选的，以质量份计算，所述粘结剂包括44～53质量份热固性树脂，28质量份固化剂，3质量份偶联剂、10质量份增塑剂以及6～15质量份的磁化导热填料。
优选的，步骤1中，所述碳纤维布包括平纹布、斜纹布、缎纹布或单向布。
优选的，步骤2中，所述覆盖粘结剂的方式为机械涂抹或手动涂抹。
优选的，所述热固性树脂包括环氧树脂、聚酯树脂，乙烯基酯，双马来酰胺、热固性聚酰亚胺中的任意一种或一种以上。
优选的，所述固化剂包括脂肪族胺类固化剂、芳族胺类固化剂、酰胺基胺类固化剂中的任意一种或一种以上。
优选的，所述增塑剂包括邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二乙酯、邻苯二甲酸二辛酯中的任意一种或一种以上。
优选的，所述偶联剂包括硅烷类偶联剂、钛酸酯偶联剂、有机铬络合物、铝酸化合物中的任意一种或一种以上。
优选的，所述复合碳纤维布包括十层碳纤维布。
本申请第二方面提供了复合碳纤维布，由上述复合碳纤维布的制备方法制备得到。
本申请第三方面提供了复合碳纤维布在传动领域中的应用。
需要说明的是，本申请提供的复合碳纤维布不仅具备碳纤维本身的高强度，还具有高导热、低磨损的性质，从而是一种性能优异的传动材料，可广泛应用在传动领域。
优选的，所述应用包括复合碳纤维布在传动领域中作为传送带的应用。
综上所述，本申请提供了一种复合碳纤维布及其制备方法和应用，其中，复合碳纤维布的制备方法包括先将含磁化导热填料的粘结剂涂覆在碳纤维布表面，再将第二碳纤维布与第一碳纤维布中覆盖粘结剂的一面叠加，然后施加平行磁场，在磁场中将所述待诱导碳纤维布固化，在平行磁场的作用下使得粘结剂中磁化导热填料沿着碳纤维布平面方向取向排列，与粘结剂上下平面的碳纤维布构成相互平行的导热网络，有利于热量沿着导热网络快速传递，从而提高了导热填料的导热效率，减少了碳纤维布之间的热量累积，减轻了碳纤维表面发生粘着磨损，提高了耐摩擦磨损性能，并且粘结剂中磁化导热填料沿着碳纤维布平面方向取向排列，与碳纤维布平面平行，有利于在对磨过程中起到了自润滑的效果，减少了复合碳纤维布的摩擦系数，提高了耐摩擦磨损性能，本申请提供的复合碳纤维布的制备方法有利于大大提高了碳纤维布的导热、耐摩擦磨损性能，从而解决了现有技术中导热填料对碳纤维布复合材料导热、耐摩擦磨损性能提升有限的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例1提供的复合碳纤维布制备流程示意图；
图2为本申请实施例1-4和对比例1-4提供的复合碳纤维布摩擦系数结果示意图；
图3为本申请实施例1-4提供的复合碳纤维布在对磨30分钟后微观表面扫描电镜示意图；
其中，图2a为实施例1-4提供的复合碳纤维布摩擦系数结果，图2b为对比例1-4提供的复合碳纤维布摩擦系数结果；
图3a为实施例1提供的复合碳纤维布扫描电镜示意图，图3b为实施例2提供的复合碳纤维布扫描电镜示意图，图3c为实施例3提供的复合碳纤维布扫描电镜示意图，图3d为实施例4提供的复合碳纤维布扫描电镜示意图，图3e为实施例1提供的复合碳纤维布对磨面和未磨面扫描电镜示意图的对比。
具体实施方式
本申请提供了一种复合碳纤维布及其制备方法和应用，用于解决现有技术中导热填料对碳纤维布复合材料导热、耐摩擦磨损性能提升有限的技术问题。
下面将结合附图对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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例，都属于本申请保护的范围。
实施例1
本申请实施例1提供了一种复合碳纤维布的制备方法，制备方法包括制备磁化导热填料的步骤、制备粘结剂的步骤以及制备复合碳纤维布的步骤。
其中，制备磁化导热填料的步骤包括将高导热填料通过超声分散在一定量的无水乙醇和去离子水中，加入Fe2+、Fe3+混合溶液(摩尔比为5:1)，搅拌分散均匀后，加入0.4mol/LNaOH溶液直至溶液PH为13，在50℃恒温水浴晶化1小时，用去离子水洗涤多次直至溶液PH显示为中性，真空烘干8小时，得到磁化导热填料。
制备粘结剂的步骤包括将热固性树脂与磁化导热填料、固化剂、增塑剂、偶联剂、按一定比例混合调配得到手糊胶，然后将混合好的手糊胶在真空烘干箱内60℃烘干，直至气泡完全脱出其中，得到粘结剂，其中，以质量份计算，手糊胶包括53质量份热固性树脂，28质量份固化剂，3质量份偶联剂、10质量份增塑剂以及6质量份的磁化导热填料。
制备复合碳纤维布的步骤包括准备好10张边长15cm*15cm的碳纤维布，将一层碳纤维布放置在平板上，将步骤2制备的粘结剂1分别涂覆在表面，并在上方放置一张新的碳纤维布，重复上次步骤十次，放置在平行磁场下固化24小时，得到复合碳纤维布。
实施例2
本申请实施例2提供了一种复合碳纤维布的制备方法，制备方法与实施例1的区别在于制备粘结剂的步骤中加入9质量份的磁化导热填料。
实施例3
本申请实施例3提供了一种复合碳纤维布的制备方法，制备方法与实施例1的区别在于制备粘结剂的步骤中加入12质量份的磁化导热填料。
实施例4
本申请实施例4提供了一种复合碳纤维布的制备方法，制备方法与实施例1的区别在于制备粘结剂的步骤中加入15质量份的磁化导热填料。
对比例1
本申请对比例1提供了一种复合碳纤维布的制备方法，制备方法包括制备粘结剂的步骤以及制备复合碳纤维布的步骤。
其中，制备粘结剂的步骤包括将热固性树脂与导热填料、固化剂、增塑剂、偶联剂、按一定比例混合调配得到手糊胶，然后将混合好的手糊胶在真空烘干箱内60℃烘干，直至气泡完全脱出其中，其中，以质量份计算，手糊胶包括53质量份热固性树脂，28质量份固化剂，3质量份偶联剂、10质量份增塑剂以及6质量份的导热填料。
制备复合碳纤维布的步骤包括准备好10张边长15cm*15cm的碳纤维布，将一层碳纤维布放置在平板上，将步骤2制备的粘结剂涂覆在表面，并在上方放置一张新的碳纤维布，重复上次步骤十次，放置在室温下固化24小时，得到复合碳纤维布。
对比例2
本申请对比例2提供了一种复合碳纤维布的制备方法，制备方法与对比例1的区别在于制备粘结剂的步骤中加入9质量份的导热填料。
对比例3
本申请对比例3提供了一种复合碳纤维布的制备方法，制备方法与对比例1的区别在于制备粘结剂的步骤中加入12质量份的导热填料。
对比例4
本申请对比例4提供了一种复合碳纤维布的制备方法，制备方法与对比例1的区别在于制备粘结剂的步骤中加入15质量份的导热填料。
测试例1
本申请测试例测试了实施例1-4和对比例1-4制备得到的复合碳纤维布的热导率和摩擦系数。
其中，由于热导率和热扩散率正相关，以美标ASTM-E1461测试热扩散率作为复合碳纤维布热导率的评判标准，以HT-1000型高温摩擦磨损试验机，在载荷1500N、底盘转速500r/min下用SiC球对磨3cm*3cm试样30min测试复合碳纤维布的摩擦系数。
热扩散率的测试结果显示，对比例1-4得到的复合碳纤维布的热扩散率分别为0.67、0.70、0.74、0.83(单位为m2/s)，而实施例1-4得到的复合碳纤维布的热扩散率分别为0.58、0.95、1.22、1.23(单位为m2/s)，上述侧扩散率测试结果说明磁化导热填料沿着碳纤维布平面方向取向排列，与粘结剂上下平面的碳纤维布构成相互平行的导热网络，有利于热量沿着导热网络快速传递，从而提高了导热填料的导热效率，减少了碳纤维布之间的热量累积，减轻了碳纤维表面发生粘着磨损，提高了耐摩擦磨损性能。
摩擦系数的测试结果如图2所示，对比例1-4得到的复合碳纤维布的摩擦系数分别为0.47、0.51、0.43、0.28，而实施例1-4得到的复合碳纤维布的摩擦系数分别为0.47、0.36、0.36、0.26，这说明粘结剂中磁化导热填料沿着碳纤维布平面方向取向排列，与碳纤维布平面平行，有利于在对磨过程中起到了自润滑的效果，减少了复合碳纤维布的摩擦系数，提高了耐摩擦磨损性能。
进一步的，对实施例1-4复合碳纤维布得到的碳纤维布进行扫描电镜分析，结果如图3所示，从图3a-d可以看出，实施例1-4提供的复合碳纤维布表面磨损的圆环半径逐渐降低，磨损率逐步下降；并且从电镜图3e中可以明显看出，摩擦磨损的区域明显光滑于未磨损区域，可以推论石墨烯微片在环氧树脂基体中平行于碳纤维布方向排列，从而在对磨过程中起到了自润滑的作用，对材料摩擦性能的提升起到了较大的帮助。
以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，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申请各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种复合碳纤维布的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将粘结剂涂覆在碳纤维布表面，得到第一碳纤维布；
步骤2、将第二碳纤维布与第一碳纤维布中覆盖粘结剂的一面叠加，得到待诱导碳纤维布；
步骤3、在磁场中将所述待诱导碳纤维布固化，得到复合碳纤维布；
所述粘结剂含磁化导热填料；
所述磁场的磁场方向与所述碳纤维布的平面平行。
2.根据权利要求1所述的一种复合碳纤维布的制备方法，其特征在于，所述步骤2之后，步骤3之前，还包括步骤2.1、重复步骤1和步骤2。
3.根据权利要求1所述的一种复合碳纤维布的制备方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：将所述待诱导碳纤维布平行放置在两块磁铁板之间，在磁场中将所述待诱导碳纤维布固化，得到复合碳纤维布。
4.根据权利要求1所述的一种复合碳纤维布的制备方法，其特征在于，所述磁化导热填料的制备方法包括步骤：
步骤1.1、将铁离子与所述导热填料混合，得到含磁化离子的导热填料溶液；
步骤1.2、加入碱试剂调节含磁化离子的导热填料溶液的PH至碱性，得到含磁化离子的导热填料碱性溶液；
步骤1.3、将所述含磁化离子的导热填料碱性溶液进行晶化反应，得到磁化导热填料。
5.根据权利要求4所述的一种复合碳纤维布的制备方法，其特征在于，步骤1.1中，所述铁离子为正二价铁离子和/或正三价铁离子，所述导热填料为石墨烯、碳纤维、氮化硼、石墨中的任意一种或一种以上。
6.根据权利要求4所述的一种复合碳纤维布的制备方法，其特征在于，步骤1.2中，所述PH值为12～14。
7.根据权利要求4所述的一种复合碳纤维布的制备方法，其特征在于，步骤1.3中，所述晶化反应的时间为1～3小时，温度为40～60摄氏度。
8.根据权利要求1所述的一种复合碳纤维布的制备方法，其特征在于，以质量份计算，所述粘结剂包括44～53质量份热固性树脂，28质量份固化剂，3质量份偶联剂、10质量份增塑剂以及6～15质量份的磁化导热填料。
9.一种复合碳纤维布，其特征在于，由权利要求1-8任一项所述制备方法制备得到。
10.权利要求1-8任一项所述制备方法制备得到的复合碳纤维布或权利要求9所述的复合碳纤维布在传动领域中的应用。
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