[发明专利]一种碳纳米管/环氧树脂复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及利用高度功能化碳纳米管来制 备热学性能和力学性能优越的碳纳米管/环氧树脂复合材料。

背景技术

环氧树脂是一种常用的热固性工程塑料，以其良好的介电性能、化学稳定 性和优异的粘接性在电子、电器和航空航天等领域发挥越来越重要的作用。固 化后的环氧树脂质脆、耐热性和耐冲击性低，使其应用受到了一定的限制。因 此，添加填料对其进行改性已成为当今科研工作者的研究热点。

碳纳米管拥有超强的力学性能、超高的热学性能和特有的电学、磁学性能 和光学性能，将碳纳米管与环氧树脂进行复合，可以将碳纳米管优良的性能与 环氧树脂的可加工性结合起来，从而大大改善复合材料的性能。目前，应用于 改性环氧树脂的碳纳米管有两类：未功能化碳纳米管和功能化的碳纳米管，前 者在环氧复合体系中由于自缠绕和团聚严重阻碍了其均匀分散，且未功能化的 碳纳米管与环氧树脂间的界面联结较弱，故其对环氧树脂性能的改善并不显著； 后者通过对碳纳米管进行功能化，利用接枝在碳纳米管上的原子、基团等一方 面可以降低管间的范德华力提高其分散性，另一方面利用这些基团与树脂间发 生作用，增强碳纳米管与环氧树脂间的界面联结，研究结果表明，后者对环氧 树脂的改性比前者好。然而，现阶段功能化碳纳米管对环氧树脂的改性与人们 对其期望还存在很大差距，主要是因为现有方法功能化程度低、与环氧树脂的 相容性不理想。因此，用功能化程度高、带有活性功能基的碳纳米管来改性环 氧树脂具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是用等离子体活化改性的碳纳米管(自制)与 环氧树脂复合，制备出高度功能化碳纳米管/环氧树脂复合材料。

本发明的技术原理

从原理上讲本发明是利用功能化碳纳米管管间的弱作用及其带有的活性基 团来实现碳纳米管在环氧树脂基体中的均匀分散和碳纳米管与基体间的强结 合。

本发明所用的碳纳米管是采用等离子体活化接枝改性得到的。该碳纳米管 表面高度接枝了具有一定链长的高分子链，且链端带有活性基团。该功能化碳 纳米管与环氧树脂复合时，一方面聚马来酸酐链可以阻止碳纳米管的自缠绕和 团聚，提高其分散性，另一方面链端带有活性基团氨基与环氧基反应，参与环 氧树脂的固化反应，增强了碳纳米管与树脂基体间的作用。为获得均匀分散、 界面粘结强度高、性能优越的功能化碳纳米管/环氧树脂复合材料可分两步进 行：第一步，将一定量等离子体活接枝改性的碳纳米管加入到环氧树脂中，先 于一定温度下超声分散再于一定温度下机械搅拌分散一段时间，实现碳纳米管 的均匀分散；第二步在一定温度下将上述混合体系真空脱气泡，加入固化剂固 化成型。在该制备体系中，可以通过控制功能化碳纳米管的加入量和固化条件 以得到性能可控的环氧树脂复合材料。

本发明的技术方案

一种碳纳米管/环氧树脂复合材料的制备方法，包括下列步骤：

(1)、称取一定量的环氧树脂于容器中，再加入占环氧树脂重量0.1～0.8％的 等离子体活化改性的碳纳米管后，于70℃的水浴中超声1h，得到碳纳 米管和环氧树脂混合物；

其中所述的等离子体活化改性的碳纳米管的制备方法，即用氩等离 子体处理碳纳米管使其表面产生大量的活性点，暴露于空气中产生过氧 化物或羟基过氧化物，过氧化物和羟基过氧化物在加热条件下进一步引 发马来酸酐聚合，从而在管径约为30nm的碳纳米管外包覆了一层聚马 来酸酐；其具体的制备步骤见专利(公开号：CN101407321)；

本发明其中所用的碳纳米管的管径为30～35nm；长度为10～20μ m；比表面积＞60m²/g；容积密度为0.12g/m³；

(2)、将步骤(1)中所的碳纳米管和环氧树脂混合物升温至100℃，控制搅拌转 速为600～1000rpm，真空度为0.01MPa，进行真空脱气泡30min；

(3)、向步骤(2)中经真空脱气泡后所得混合物中加入占混合物重量的28％的固 化剂4，4-二胺基二苯甲烷，于600～1000r/min下搅拌直至混合均匀；

(4)、将步骤(3)中经加入固化剂后所得的混合物浇注于硅橡胶模具中，控制固 化条件为50℃固化6h，130℃后固化1.5h，后随炉冷却至室温；