[发明专利]一种纳米复合的混杂多尺度复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于聚合物基复合材料生产领域，具体涉及一种纳米复合的混杂多尺度复合材料的制备方法。

背景技术

复合材料性能在很大程度上取决于树脂基体的结构和性能及其与增强材料的界面结合。纳米粒子具有独特的量子尺寸效应、表面效应和宏观隧道效应以及优异的力学性能，尤其制得的复合材料表现出独特的物理、化学性能，大大优于相同组分的常规聚合物基复合材料，因此已经引起了人们越来越多的关注，成为材料科学领域的研究热点。其中，碳纳米管/聚合物复合材料是一类新型的结构和功能材料。碳纳米管具有优良的导电性能和极好的力学性能，引入聚合物中可以形成导电网络，制得宽频吸波材料，实现组元材料的优势互补和加强，从而有效地利用碳纳米管的独特性能，制得结构功能一体化复合材料。

目前纳米材料的应用较为广泛，但大多数是将纳米材料加入树脂后直接制成纳米复合材料使用。中国专利ZL 200410038079.3报导了高体积分数碳纳米管阵列-树脂基复合材料及制备方法。该专利所述复合材料制备直接使用连续态、定向排列的碳纳米管阵列毡体和高分子树脂液态浸渗成型复合方法，没有使用连续碳纤维织物作为增强体，因此在材料内部不能形成多尺度混杂增强，从而影响复合材料结构整体性和功能性。

发明内容

本发明是为了解决现有树脂体系的力学性能、耐热性能较低以及结构功能单一等问题，而提供一种纳米复合的混杂多尺度复合材料的制备方法。具体技术方案是：将纳米材料在超声场中均匀分散于树脂体系中，制得纳米复合树脂基体；然后采用液体模塑工艺将该纳米复合树脂基体充入预先放置纤维织物增强体的模具中，固化、脱模后即获得纳米复合的混杂多尺度复合材料，具体步骤为：

(1)制备纳米复合树脂基体，将纳米材料与树脂混合，在超声场中分散，纳米材料的用量为纯树脂用量的0.1％～1.5％。

(2)将纳米复合树脂基体在真空和外压的作用下充入已填充纤维织物增强体的模具中，充模过程在超声场中进行。

(3)将完成充模过程的模具放入烘箱内，经固化、脱模后即得到混杂多尺度复合材料。

所述纳米材料为单壁、双壁和多壁碳纳米管、纳米二氧化硅或碳黑，其中单壁或多壁碳纳米管为表面修饰和未修饰的碳纳米管。

所述的树脂为不饱和聚酯、聚酯、乙烯基树脂、环氧树脂、酚醛树脂、双马来酰亚胺树脂、氰酸酯树脂或聚酰亚胺树脂。

所述液体模塑工艺指树脂传递模塑(RTM)和树脂膜熔渗(RFI)。

本发明具有的有益效果是：纳米材料的引入大幅度提高了树脂基复合材料内部由基体树脂决定的层间剪切强度和韧性，使复合材料的玻璃化转变温度(Tg)提高了12℃～18℃；纳米材料具有极高的比表面积和长径比，使其在复合材料内部的逾渗阈值相对较低，一方面尚不足以影响复合材料成型工艺过程，另一方面在大幅度提高复合材料内部由基体主导性能的同时，对由增强纤维主导的拉伸性能影响较小。

由本发明制得纳米复合树脂基体可直接使用液体模塑工艺制备结构功能一体化的混杂多尺度复合材料，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明所用装置的示意图。

在图1中，符号1代表超声波发生器；符号2代表模具的陶瓷壁板；符号3代表超声波换能器；符号4代表模具入口；符号5代表纤维织物增强体；符号6代表模具出口。

具体实施方式

参照附图1，本发明所用的装置，包括超声波发生器，超声波换能器及模具。所述模具的两端分设入口4和出口6，模具内装有纤维织物增强体5。所述超声波发生器1与超声波换能器3相连，其中超声波换能器3与模具一侧壁板2直接接触。上述壁板2的材质为陶瓷或玻璃钢。在制备过程中之所以采用陶瓷或玻璃钢制作壁板2，主要是为了减少超声波在进入模具后的衰减以最大限度地发挥超声波的均质消泡效果。

本发明的具体制备方法：

首先制备纳米复合树脂基体，是将纳米材料与树脂混合，在超声场中分散0.5～4h，超声波功率为40W～200W，频率为20kHz～45kHz，纳米材料的用量为树脂用量的0.1％～1.5％。其中：纳米材料采用单壁、双壁和多壁碳纳米管、纳米二氧化硅或碳黑中的一种；碳纳米管采用未修饰的碳纳米管、氨基、羧基、羟基或十二烷基苯磺酸钠表面活性剂修饰碳纳米管中的一种；树脂指不饱和聚酯、聚酯、乙烯基树脂、环氧树脂、酚醛树脂、双马来酰亚胺树脂、氰酸酯树脂或聚酰亚胺树脂。