[发明专利]冷冻干燥辅助制备碳纤维/碳纳米管/环氧树脂复合材料无效

专利信息
申请号: 201210424541.8 申请日: 2012-10-30
公开(公告)号: CN102924736A 公开(公告)日: 2013-02-13
发明(设计)人: 侯峰;董留兵;周叶;万志鹏 申请(专利权)人: 天津大学
主分类号: C08J5/06 分类号: C08J5/06;C08J5/24;C08L63/00;C08L63/02;C08L63/08;C08L33/20;C08K7/00;C08K3/04
代理公司: 天津市北洋有限责任专利代理事务所 12201 代理人: 张宏祥
地址: 300072*** 国省代码: 天津;12
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摘要:
搜索关键词: 冷冻 干燥 辅助 制备 碳纤维 纳米 环氧树脂 复合材料
【说明书】:

技术领域

发明是关于环氧树脂基复合材料制备的,特别涉及一种利用冷冻干燥技术辅助制备碳纤维/碳纳米管/环氧树脂复合材料的方法。

背景技术

环氧树脂具有力学性能较好,对金属、陶瓷、混凝土等基材具有较强的附着力,固化收缩率小、易于控制成型,电绝缘性好,以及对酸、碱腐蚀不敏感,并且满足一般地温度使用要求(环氧树脂的耐热性一般为80℃~100℃,个别种类的耐热性可达到200℃以上)等优点。通过碳纤维以及碳纳米管改善的环氧树脂复合材料,其性能、尤其是力学性能得到很大的提高;此外,基于碳纤维、碳纳米管自身所具有的特殊的电、热、声、光等方面的性质,碳纤维/碳纳米管/环氧树脂复合材料也具备了一些新的不同于环氧树脂本身的特点,并有望被广泛用于航天航空、交通以及运动器械等领域。

冷冻干燥又称升化干燥。是指在高真空状态下,将物料中的水分由固态的冰直接升华为气态的水蒸气,以达到干燥物料的目的。具体的工艺流程包括冷冻和干燥两部分,即先将含水物料在低于0℃的温度下冷冻以使其中的液态水完全凝固成冰,再将物料于冷冻干燥器上进行干燥。其最为显著的优点是:冷冻干燥过程可以使物料中的粒子被原位固定下来,保持了物料原有的微观形态(如多孔结构)。

发明内容

本发明的目的,是针对现有技术制备碳纤维/碳纳米管/环氧树脂复合材料工艺较为复杂,而且很难能够使得碳纳米管既能较好的分散在环氧树脂/碳纤维之间的界面上(起到增强界面结合强度的作用)、同时又能较好的分布在树脂基体中(在基体中阻碍位错移动和裂纹扩展)的不足,提供一种既工艺简单、又能显著优化碳纳米管在复合材料中的分布状态以使其更好地发挥自身优点的碳纤维/碳纳米管/环氧树脂复合材料。

本发明利用冷冻干燥技术辅助制备碳纤维/碳纳米管/环氧树脂复合材料的方法,具有如下步骤:

(1)称量碳纳米管水系悬浮液,向其中添加去离子水予以稀释,搅拌均匀得到碳纳米管水溶液;其中,添加的去离子水的质量与碳纳米管水系悬浮液的质量之比为0:1~10:1;

(2)将碳纤维样条浸渍到步骤(1)中得到的碳纳米管水溶液中,并抽真空;

(3)将步骤(2)得到的浸渍碳纳米管水溶液后的碳纤维样条于0℃以下冷冻成固态块体,随后在冷冻干燥器上进行冷冻干燥,得到碳纤维/碳纳米管预制体;

(4)将步骤(3)得到的碳纤维/碳纳米管预制体于Ar气、500℃下热处理30min~60min;然后通过VARTM方法向碳纤维/碳纳米管预制体中引入环氧树脂,并固化,即可得到碳纤维/碳纳米管/环氧树脂复合材料。

所述步骤(1)的碳纳米管水系悬浮液为碳纳米管水系浆料或碳纳米管水系分散液。

所述步骤(2)的碳纤维样条为单向聚丙烯腈碳纤维束排列而成的碳纤维布、二维的聚丙烯腈碳纤维布、三维的聚丙烯腈碳纤维编织体中的任意一种。

所述步骤(4)的树脂为双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、多酚型缩水甘油醚环氧树脂、脂肪族缩水甘油醚环氧树脂、缩水甘油酯型环氧树脂、缩水甘油胺型环氧树脂、环氧化烯烃化合物中的任意一种。

本发明的有益效果是,相对于目前常用的制备纤维/碳纳米管/环氧树脂复合材料的方法,本发明工艺流程简单、能耗较低,更重要的是使碳纳米管在界面处和树脂基体中均有较好的分布,达到了优化碳纳米管在复合材料中分布状态的效果,有利于获得性能更加优异的材料。

附图说明

图1是本发明实施例1中冷冻干燥得到的碳纤维/碳纳米管预制体的SEM图像;

图2是本发明实施例1中将冷冻干燥得到的碳纤维/碳纳米管预制体进行热处理后的SEM图像;

图3是本发明实施例1中制得的碳纤维/碳纳米管/环氧树脂复合材料照片。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步具体的说明。

以下实施例中所使用的碳纳米管水系悬浮液为深圳市纳米港有限公司生产的碳纳米管水系浆料(碳纳米管的质量分数为5%,使用的分散剂为PVP)。

实施例1

本实施例所用树脂为双酚A型环氧树脂(型号为美国陶氏化学公司生产的D.E.R.*332),并且固化剂为该公司生产的D.E.H.*39,二者质量比为4:1。

(1)称量10g碳纳米管水系悬浮液,并向其中加入50g去离子水中,搅拌均匀得到碳纳米管水溶液;

(2)将剪切好的具有规则形状的三维编织碳纤维样条浸入上述水溶液中,并抽真空5min;

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