[发明专利]一种碳纳米管/环氧树脂复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纳米管/环氧树脂复合材料的制备方法。

背景技术

环氧树脂(EP)自20世纪30年代国外开始使用以来，经过60多年的发展，环氧树脂产品品种、质量及其应用都已进入了成熟阶段。环氧树脂含有多种极性基团和活性很大的环氧基，因而与金属、玻璃、水泥、木材、塑料等多种极性材料，尤其是表面活性高的材料具有很强的粘接力，同时环氧固化物的内聚强度也很大，所以其胶接强度很高。环氧树脂固化时基本上无低分子挥发物产生，胶层的体积收缩率小，约1％～2％，加入填料后可降到0.2％以下。可与多种有机物(单体、树脂、橡胶)和无机物(如填料等)具有很好的相容性和反应性，耐腐蚀性及介电性能好，能耐酸、碱、盐、溶剂等多种介质的腐蚀。体积电阻率10¹³～10¹⁶Ω·cm，介电强度16-35kV/mm。由于环氧树脂具有优良的力学特性和电绝缘性、与各种材料的粘结性、以及其使用工艺的灵活性。因此它能制成涂料、复合材料、浇铸料、胶黏剂、磨牙材料和注射成型材料，在国民经济的各个领域中得到广泛的应用。但是，环氧树脂也有许多不足之处。从经济角度看，它的价格比较高；从材料性能角度看，它韧性差，固化物一般偏脆，抗剥离、抗开裂、抗冲击性、拉伸性能差。这些缺点使进一步拓展其应用领域受到很大的限制。所以，有必要研究如何提高环氧树脂的冲击、拉伸强度，制备出更优良的复合材料。

碳纳米管(Carbon Nanotubes，CNTs)是近年来材料科学研究的热点之一，分为多壁碳纳米管(Multi-walled nanotubes，MWNTs)和单壁碳纳米管(Single-walled nanotubes，SWNTs)两种。因其极高的长径比和超强的机械性能成为极具有应用潜力的一维纳米材料，其应用已涉及到纳米电子器件、电化学材料、储氢材料和复合材料增强体等多方面。碳纳米管超强的力学性能可以极大提高复合材料的强度和韧性；独特的导电和光电性能可以改善聚合物材料的电导率和制备新型的光电聚合物材料；其独特的结构可以制备金属或金属氧化物填充的一维纳米复合材料。这些新兴材料的崛起将对人们的生产和生活产生重大影响。

目前碳纳米管在聚合物基复合材料领域的应用是碳纳米管应用研究的重要方向之一。碳纳米管因其质量轻，导电率好，力学性能强，它的加入可以改善聚合物复合材料的力学和电学等性能。但是碳纳米管器件及其复合材料应用的主要问题就是碳纳米管在聚合物基中的分散以及与基体材料的亲和力。由于碳纳米管表面缺陷少、缺乏活性基团，在各种溶剂中的溶解度都很低。另外，碳纳米管之间存在较强的范德华引力加之它巨大的比表面积和很高的长径比，使其容易团聚或缠绕，严重影响了它的应用。传统的碳纳米管/聚合物复合材料采用物理填充或包覆的方法，即将碳纳米管与有机或无机材料进行简单的物理共混，这种方法在一定程度上提高了复合材料的导电性，但碳纳米管自身容易团聚，不能在复合材料中很好的分散，在复合材料内部产生缺陷，甚至有时降低了材料的机械性能，严重影响了它的应用。因此本发明提出了一种新的碳纳米管改性的方法，提高其在聚合物中的分散性，增强碳纳米管与环氧树脂的亲和力，最终提高复合材料的力学性能。

发明内容

本发明的目的主要是针对现有技术的不足，提出一种高力学性能的碳纳米管/环氧树脂复合材料的制备方法。

本发明的碳纳米管/环氧树脂复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将原生碳纳米管进行气流磨处理后，待用；

(2)将步骤(1)的碳纳米管和质量浓度为68.0％的浓硝酸按照质量/体积

比为1.0g/50～100ml的比例进行混合，混合物超声30～120min后，60～90℃下搅拌冷凝回流20～48h，冷却，大量去离子水稀释，微孔滤膜减压抽滤洗涤至中性，产物在90℃真空干燥，粉碎，得到羧基化的碳纳米管；

(3)将步骤(2)中的碳纳米管与缩合剂、二甲基甲酰胺及二元或多元脂肪胺按比例充分混合，重量/体积比为：碳纳米管∶缩合剂∶二甲基甲酰胺∶二元或多元脂肪胺胺＝1g∶4～8g∶20～60ml∶20～40g。在120～130℃冷凝回流24～48h。冷却，用无水乙醇稀释，微孔滤膜减压抽滤，洗去残留的杂质，80℃真空干燥，粉碎，就得到接枝二元或多元脂肪胺的碳纳米管；

(4)将步骤(3)得到的碳纳米管与环氧树脂及芳香胺固化剂按比例进行混合，固化反应后成型。