[发明专利]石墨及功能化碳纤维改性环氧树脂复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种石墨及功能化碳纤维改性环氧树脂复合材料的制备方法。

背景技术

环氧树脂是三大通用的热固性树脂之一，具有优异的介电性能、耐磨性能、力学性能、电绝缘性能、化学稳定性能、耐高低温性能和加工性能等。由于其收缩率低、易加工成型和成本低廉等优点，使其在胶粘剂、涂料、电子、电器和航空航天等领域发挥重要的作用。

碳纤维具有十分优异的力学性能，同时具有良好的耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、低热膨胀系数、导电导性、电磁屏蔽性等，已经广泛应用于航空航天、汽车、电子电气等领域。由于碳纤维表面惰性大、表面能低，有化学活性的官能团少，反应活性低，与基体的粘结性差，复合材料界面中存在较多的缺陷，界面粘接强度低，复合材料界面性能差的缺陷。另外，碳纤维复合材料在垂直纤维方向的力学性能差，使得碳纤维复合材料层间强度低，影响了碳纤维复合材料整体性能的发挥，限制了材料在航空航天领域的应用。碳纳米管以其独特的结构和优异物理化学性能，被誉为“终极增强纤维”，很快引起许多科学家的极大关注，并迅速通过与聚合物复合制备各种复合功能材料。石墨作为一种常用的固体润滑剂，常用于降低聚合物的摩擦系数和磨损率，可用作抗磨剂、润滑剂。石墨制品保持了鳞片石墨原有的化学特性即耐酸性、抗腐蚀和物理特性即耐高温3000℃耐低温-204℃，而且抗氧化，在450℃空气中失重1%。还具有很强的自润滑性能。因此石墨制品已被广泛的应用在冶金、化工、石油化工、高能物理、航天、电子等方面。

本发明制备的石墨及功能化碳纤维改性环氧树脂复合材料，可以显著提高基体树脂与碳纤维之间的界面强度，利用碳纤维和碳纳米管各自优异的力学性能改性环氧树脂，使复合材料具有很好的层间剪切强度，利用石墨优异的耐摩擦性能改性环氧树脂的摩擦性能。可以预见，通过本发明制备的石墨及功能化碳纤维改性双马来酰亚胺树脂复合材料将具有重要的科学技术价值和实际应用价值，其前景将非常广阔。

发明内容

本发明的目的在于提供一种界面粘结牢固的一种石墨及功能化碳纤维改性环氧树脂复合材料的制备方法。

本发明提出的石墨及功能化碳纤维改性环氧树脂复合材料的制备方法，是将碳纳米管经过羧基化功能化后，再在碳纳米管上引入二元胺或多元胺，得到表面胺基化的碳纳米管；将胺基化的碳纳米管与表面经过羧基化的碳纤维反应，得到胺基化的碳纤维表面接枝有碳纳米管，再在碳纤维表面引入二元胺或多元胺，使碳纤维表面未完全与胺基化的碳纳米管反应的羧基充分胺基化，再将碳纤维与环氧预聚合反应，得到功能化的碳纤维表面接枝有环氧树脂的增强体；将胺基化的碳纳米管与环氧树脂均匀混合，获得碳纳米管强韧化的环氧树脂的基体；最后将以上得到的功能化碳纤维表面接枝有环氧树脂的增强体和碳纳米管强韧化的环氧树脂的基体通过一定方式复合，得到石墨及功能化碳纤维改性环氧树脂复合材料。

其具体步骤如下：

(1)称取0.1～1×10g干燥的碳纳米管和10～1×10⁴mL有机酸混合，在1~120kHz超声波或10 r/min~10⁶ r/min的离心速度搅拌下处理1～24小时，然后加热至20～150℃，反应1～48小时，经去离子水稀释洗涤，微孔滤膜抽滤，反复洗涤多次至滤液为中性，在温度为25～150℃下真空干燥1～48小时，得到纯化的碳纳米管；

(2)将1～1×10²g干燥的碳纤维和强氧化性酸1～1×10⁴mL混合，在1~120kHz超声波下处理0.1～12小时，然后加热到25～120℃，搅拌并回流反应0.2～12小时，经去离子水洗涤，滤纸抽滤，反复洗涤多次至滤液呈中性，在25～150℃温度下真空干燥1～48小时，得到酸化的碳纤维；

(3)将步骤(1)中得到的纯化碳纳米管0.1～1×10g和强氧化性酸1～1×10³mL混合，在1~120kHz超声波下处理0.1～80小时，然后加热到25～120℃，搅拌并回流反应1～80小时，经去离子水稀释洗涤，超微孔滤膜抽滤，反复洗涤多次至滤液呈中性，在25～200℃温度下真空干燥1～48小时，得到酸化的碳纳米管；