[发明专利]一种碳纳米管接枝玻璃纤维多尺度增强体增强聚酰亚胺复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米技术领域，具体涉及一种碳纳米管接枝玻璃纤维多尺度增强体增强聚酰亚胺复合材料的制备方法。

背景技术

聚酰亚胺是综合性能最佳的有机高分子材料之一，耐高温达 400℃以上 ，长期使用温度范围－200～300℃，无明显熔点，高绝缘性能。聚酰亚胺作为一种特种工程材料，已广泛应用在航空、航天、微电子、纳米、液晶、分离膜、激光等领域。近来，各国都在将聚酰亚胺的研究、开发及利用列入 21世纪最有希望的工程塑料之一。玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，是非常好的金属材料替代材料，由于在多个领域得到广泛应用，因此日益受到人们的重视。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。玻璃纤维与树脂之间的相容性、亲和性较差，两者之间很难形成有效的界面黏结。为了改善玻璃纤维增强树脂复合材料的界面黏结，可以通过对玻璃纤维表面进行改性，提高玻璃纤维与聚合物基体间的界面粘结强度。碳纳米管(Carbon nanotubes,CNTs)是1991年由日本Iijima发现的，它奇特的结构赋予其优异的机械性能、电学性能和热力学性能，CNTs抗拉强度达到50～200GPa，是钢的100倍，密度却只有钢的1/6，至少比常规石墨纤维高一个数量级；它的弹性模量可达1TPa，与金刚石的弹性模量相当，约为钢的5倍。因此被越来越广泛地作为聚合物的增强材料，制备轻质高强的复合材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种界面粘结牢固的碳纳米管接枝玻璃纤维多尺度增强体增强聚酰亚胺复合材料的制备方法。

本发明提出的一种碳纳米管接枝玻璃纤维多尺度增强体增强聚酰亚胺复合材料的制备方法，是将碳纳米管经过纯化，羧基化后，得到表面接有羧基的碳纳米管，再将羧基化的碳纳米管均匀分散在有机溶剂中与玻璃纤维反应，得到玻璃纤维表面接枝有碳纳米管，再将表面接枝有碳纳米管的玻璃纤维浸入偶联剂溶液中处理，得到碳纳米管接枝改性功能化玻璃纤维的多尺度增强体；然后利用此多尺度增强体与聚酰亚胺进行加成反应，生成多尺度增强体增强的聚酰亚胺树脂复合材料。具体步骤如下：

(1)称取0.1～1×10g干燥的碳纳米管和10～1×10⁴mL无机酸混合，在1~120kHz超声波或10 r/min~10⁶ r/min的离心速度搅拌下处理0.1～24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，反复洗涤至滤液呈中性，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；

(3)将步骤(2)所得酸化的碳纳米管0.1～1×10g和1～1×10³mL有机溶剂混合，以1~120kHz超声波或搅拌处理1分钟～24小时，使酸化的碳纳米管均匀分散在有机溶剂中，在5～120℃温度下，加入0.1～1×10³g干燥的玻璃纤维，反应1分钟～96小时后，抽滤并反复洗涤，在25~200℃温度下真空干燥0.1～48小时，得到表面接枝有碳纳米管的玻璃纤维多尺度增强体；

(4)将步骤(3)所得表面接枝有碳纳米管的玻璃纤维多尺度增强体0.1～1×10³g浸入1～1×10³mL偶联剂溶液中，在5～120℃温度下，反应1分钟～96小时后，抽滤并在25~200℃温度下干燥0.1～48小时，得到表面接枝有碳纳米管的功能化玻璃纤维多尺度增强体；

(5)将步骤(4)所得的表面接枝有碳纳米管的功能化玻璃纤维多尺度增强体0.1～1×10³g和聚酰亚胺1～1×10³g，经真空除泡复合成型，得到碳纳米管接枝玻璃纤维多尺度增强体增强聚酰亚胺复合材料。

本发明中，步骤(1)中所述碳纳米管为电弧放电、化学气相沉淀、模板法、太阳能法或激光蒸发法中的任一种制备的单壁或多壁碳纳米管或以其任意比例混合的混合物。

本发明中，步骤(1)中所述无机酸为1～20％重量酸浓度的硝酸、1～60％重量酸浓度的硫酸或1～37％重量酸浓度的盐酸中任一种或其混合液。