[发明专利]一种碳纤维/石墨烯/碳纳米管/环氧树脂预浸料及碳纤维复合材料的制备

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纤维/石墨烯/碳纳米管/环氧树脂浸料及碳纤维复合材料的制备方法，具体涉及一种以橡胶-环氧树脂组合物为基体制备复合材料的方法。

背景技术

现代科技发展迅速，复合材料在航空航天方面的应用也越来越广，同时人们对复合材料的性能的要求也越来越严苛。复合材料增强体与基体界面以及增强体的分散成为复合材料性能提升的瓶颈，基于跨尺度设计思想改变复合材料增强体的物理与化学微结构，同时解决界面问题与分散问题来提高复合材料的力学性能成为一个重要的研究方向。

碳材料如石墨烯、碳纳米管等具有优异的力学性能，经常被用来作为增强体，然而石墨烯材料的疏水性限制了其使用，通过化学改性，在石墨烯片层上引入极性基团可以有效增加石墨烯材料的亲水性，同时抑制其团聚。碳材料分为零维的富勒烯，一维的碳纳米管和二维的石墨烯材料，通过两者或者三种不同维度的碳材料的协同作用可以在树脂基体中形成网状结构，更加有效地传递载荷，提升力学性能。

碳纤维环氧树脂基复合材料是一类研究非常广泛的复合材料，在树脂基体中引入热塑性橡胶材料可以有效地改善环氧树脂的脆性增加韧性，同时加入改性石墨烯/碳纳米管作为增强体，在环氧树脂-橡胶组合物中均匀分散。不同尺度地增强体协同作用，在不同的维度发挥传递载荷的作用可以有效提升碳纤维环氧树脂基复合材料的力学性能。

发明内容

为了获得性能更加优异的碳纤维增强树脂基复合材料，本发明提供了一种制备碳纤维/石墨烯/碳纳米管/环氧树脂预浸料及碳纤维复合材料的制备方法

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种碳纤维/石墨烯/碳纳米管/环氧树脂预浸料的制备方法，依次包括以下步骤：

步骤一：制备石墨烯

优选采用以下方法：

称量NaNO₃固体溶于98％浓硫酸中，置于冰水浴中并加入转子不断搅拌，加入鳞片石墨，持续搅拌30min，缓慢加入KMnO₄，保持0℃，继续搅拌30min。然后升温至35℃，搅拌1h；加入去离子水(如在10min内缓慢加入)然后升温至98℃，在该温度保持15min；加入预先预热到50℃的去离子水，加入双氧水，终止反应，并搅拌10min直至不再产生气泡；配置约5％的盐酸溶液，加入到反应溶液中，离心得到沉淀；用去离子水反复洗涤沉淀至离心液pH＝7，将所得沉淀冻干得到氧化石墨烯，取所得氧化石墨烯，快速放入到预热至1050℃的马弗炉中保持数秒膨胀石墨烯；取一定量膨胀石墨烯加入无水乙醇中，超声剥离15h左右，得到石墨烯；

步骤二：将石墨烯溶解于二甲基甲酰胺中形成0.1-1mg/mL(优选0.33mg/mL)的均匀分散液，滴加异氰酸酯的二甲基甲酰胺溶液到上述石墨烯分散液中并持续搅拌，混合溶液在氮气气氛下，75-85℃反应0.5-1.5h(优选80℃反应1h)，然后用二甲基甲酰胺洗涤沉淀几次，向沉淀中加入丙二醛的二甲基甲酰胺溶液并持续搅拌保持温度55℃反应一夜，最后通过离心，二甲基甲酰胺洗涤，真空干燥得到改性石墨烯；

步骤三：配制环氧树脂(如E-51)、固化剂MeTHPA与液态羧基丁腈橡胶的质量比为100:60-80:8-12(优选100:70:11)的树脂-橡胶体系和环氧树脂(如E-51)、固化剂二氨基二苯甲烷(DDM)与液态羧基丁腈橡胶的质量比为100:30-40:8-12(优选100:35:11)的树脂-橡胶体系，然后加入多壁碳纳米管与改性石墨烯，多壁碳纳米管与改性石墨烯的加入质量相等，质量百分含量均为0.05wt％-1.0wt％；然后，机械搅拌并超声反应5-7h后，加入促进剂2,4,6-三(二甲胺基甲基)苯酚(DMP-30)，并继续超声反应一段时间(如一小时左右)；随后，将反应液置于预热至50℃的真空烘箱中脱气泡至少0.5h，得到改性石墨烯/碳纳米管/环氧树脂浆料；

步骤四：将改性石墨烯/碳纳米管/环氧树脂浆料倒入浸胶槽中，并在浸胶槽中放置超声波发生器，将碳纤维浸入改性石墨烯/碳纳米管/环氧树脂浆料中，控制工作功率在120-170W；控制浸胶时间为8-15s，丝束张力为160-200克，浸胶完成后通过一个刮胶辊去除多余的树脂胶液；

步骤五：浸胶后的丝束通过排丝机采用缠绕的方式排丝，进行反复缠绕，优选共计反复缠绕3-5层，形成单向预浸布；

步骤六：将预浸布取下，在50-70℃真空条件下烘干7-12h；接着在100-120℃下烘4-6h，得到碳纤维/石墨烯/碳纳米管/环氧树脂预浸料；