[发明专利]一种导热型碳纳米管/环氧树脂复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种导热型碳纳米管/环氧树脂复合材料及其制备方法。

背景技术

工程聚合物广泛应用在航空航天、电子电器、工程制造以及粘结等方面，因为它们具有高弹性、优异的可加工性、粘结性，而且价格低廉。在这些工程聚合物当中，环氧树脂由于其优秀的粘结性、耐腐蚀性能、耐久性以及优秀的力学性能和热学性能而引起了广泛的关注。但是，固化后的环氧树脂具有很高的交联密度，导致其呈现高脆性、低断裂韧性以及低热导率，限制了其在结构件、电子元器件以及导热材料方面的应用。为了实现环氧树脂力学性能和导热性能的提高，在环氧树脂基体中引入填料成为了一种有效的方式。

其中，拥有高的长径比、优秀的力学、电学以及热学性能的碳纳米管是一个合适的选择。加入少量的碳纳米管便可以有效地提高复合材料的力学和热学性能。但是，因为碳纳米管具有很高的长径比和表面自由能，同时石墨层与层之间仅仅靠着微弱的范德华力结合，因此碳纳米管的管与管之间常常会发生缠绕，团聚成束，很难分散。这使得碳纳米管的实际应用受到了限制，影响了碳纳米管优异性能的发挥。因此，有必要对碳纳米管进行表面功能化改性处理。表面功能化改性是指在碳纳米管表面引入具有高反应性和活性的官能团，这不仅能够改善碳纳米管在溶剂或者基体中的分散性，而且能够通过提高碳纳米管与基体之间的界面的相互作用从而提高两者之间的可混合性。通过对碳纳米管进行表面改性，然后将其添加到环氧树脂基体中可以制备性能优异的功能化碳纳米管/环氧树脂复合材料。该复合材料融合了二者的优点，可获得兼具二者特性的碳纳米管/环氧树脂复合材料。这种复合是碳纳米管和环氧树脂在纳米范围内的结合，将会合成集无机、有机、纳米粒子等诸多特性于一体的新材料，拓宽了环氧树脂在导热散热结构件的应用和发展。

目前已有许多关于碳纳米管改性环氧树脂的文章和报道，但是改性的效果并不十分理想，仍有一些问题需要关注和解决。首先是碳纳米管的改性问题，目前对碳纳米管的表面处理效果还有待进一步提高。其次是环氧树脂的增韧问题。碳纳米管在复合材料中的分散能力以及与界面之间结合的问题是影响复合材料性能的两个关键因素。公开号为CN 102942810 A的发明专利提供了一种碳纳米管的表面修饰方法。将经酸化的碳纳米管与硅烷偶联剂、去离子水混合均匀，在一定条件下反应多元醇、浓硫酸混合均匀，经干燥后得到二次改性碳纳米管。将二次改性碳纳米管与有机羧酸、酯化反应催化剂、N,N-二甲基甲酰胺在一定条件下反应，干燥后得到经表面修饰的碳纳米管。该发明制备得到的表面带有酯基的改性碳纳米管，其与聚酯树脂混合后，能够实现无界面混合，提高改性聚酯树脂的热稳定性和力学性能。公开号为CN 105820508 A的发明专利明公开了一种改性多壁碳纳米管环氧树脂复合材料及该复合材料的制备方法。该多壁碳纳米管采用硅烷偶联剂进行改性，所制备的改性多壁碳纳米管/环氧树脂复合材料柔韧性好，耐热性能佳，耐冲击性能优异，且多壁碳纳米管的分散性好，该复合材料的制备方法简单，生产过程中无有毒物质的释放，且制备成本低。但是在目前的研究中，碳纳米管的改性过程需要进行多步有机化学反应，反应路线长，不利于工业化生产。同时，鲜有研究将复合材料的增强增韧和导热改性结合分析。综上所述，目前仍然缺乏一种既高效又经济快速的制备导热型碳纳米管/环氧树脂复合材料的方法。

发明内容

针对以上现有技术存在的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种导热型碳纳米管/环氧树脂复合材料的制备方法。

本发明的另一目的在于提供一种通过上述方法制备得到的导热型碳纳米管/环氧树脂复合材料。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种导热型碳纳米管/环氧树脂复合材料的制备方法，包括如下制备步骤：

(1)将碳纳米管加入到浓硫酸和浓硝酸混合溶液中，水浴超声处理后抽滤，固相经干燥得到羧基化碳纳米管；

(2)将硅烷偶联加入到乙醇水溶液中超声分散，之后再将羧基化碳纳米管浸没在该混合溶液，水浴搅拌反应，反应产物干燥后得到硅烷化碳纳米管；

(3)将步骤(2)所得硅烷化碳纳米管加入到溶剂中混合分散均匀，得到硅烷化碳纳米管悬浮液，然后将其与液体环氧树脂混合均匀，得到硅烷化碳纳米管/环氧树脂混合液；

(4)往步骤(3)所得硅烷化碳纳米/管环氧树脂混合液中加入固化剂，真空脱泡处理后进行梯度固化，得到所述导热型碳纳米管/环氧树脂复合材料。

优选地，所述的碳纳米管是指管径为10～30nm，长度为1～2μm，纯度>99％的多壁碳纳米管。