[发明专利]碳纳米管及功能化碳纤维增强聚酰亚胺复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种碳纳米管及功能化碳纤维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非常优异的材料，是一类主链上含有酰亚胺环的高分子材料，具有非常优良的耐热性、耐低温性、耐溶剂性、自润滑性以及阻燃等特性。被广泛地应用于光伏材料、非线性光学材料，宇宙飞船、卫星或太空飞行器等的耐高温材料，航空航天、汽车、机电等方面的先进结构复合材料、电气绝缘材料、耐高温胶粘剂等，是当前微电子信息领域中最好的封装和涂覆材料之一。以聚酰亚胺作基体树脂，来制备综合性能优良的树脂基电池极板、电磁屏蔽板正成为导电复合材料研究领域的新热点。

碳纳米管以其特有的力学性能、电学性能、热学性能和化学性能引起了世界各国化学、物理、材料学界人士的极大关注，在科学基础研究及应用研究中倍受青睐。碳纳米管的表面能较高，容易发生团聚，使它在聚合物中难以均匀分散。如何均匀分散碳纳米管并增强碳纳米管与基体材料界面间的结合作用，是提高复合材料各项性能的关键。

碳纤维具有高比强度、高比模量、耐疲劳、抗蠕变和热膨胀系数小等一系列优异的性能，使其成为近年来最重要的增强材料之一，己广泛用于航空航天、军事工业和体育运动器材等领域。但是由于碳纤维表面惰性大、表面能低，与基体的粘结性差，复合材料界面中存在较多的缺陷，界面粘接强度低，复合材料界面性能差的缺陷。另外，碳纤维复合材料在垂直纤维方向的力学性能差，使得碳纤维复合材料层间强度低，影响了碳纤维复合材料整体性能的发挥，限制了材料在航空航天领域的应用。

表面带有碳纳米管的功能化碳纤维一方面可以在界面增加机械齿合的作用，显著提高界面性能，另一方面还可以改善纤维间树脂基体的力学性能。同时经过化学修饰后的碳纳米管和碳纤维与树脂基体通过共价键连接，应力传递能力高，可以显著改善两相之间的相互作用和界面强度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳纳米管及功能化碳纤维增强聚酰亚胺复合材料的制备方法。

本发明提出的碳纳米管及功能化碳纤维增强聚酰亚胺复合材料的制备方法，是将碳纳米管经过羧基化功能化后，再在碳纳米管上引入二元胺或多元胺，得到表面氨基化的碳纳米管与表面经过羧基化的碳纤维反应，控制反应时间，再将碳纤维表面进行后胺化处理，引入二元胺或多元胺，得到氨基化的碳纤维表面接枝有碳纳米管的增强体；将碳纳米管与聚酰亚胺树脂均匀混合，再与功能化的碳纤维增强体通过一定方式复合，得到碳纳米管及功能化碳纤维增强聚酰亚胺复合材料。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，反复洗涤多次至滤液为中性，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1～1×10²g干燥的碳纤维和强氧化性酸1～1×10⁴mL混合，在1~120kHz超声波下处理0.1～12小时，然后加热到25～120℃，搅拌并回流反应0.2～12小时，经去离子水洗涤，滤纸抽滤，反复洗涤多次至滤液呈中性，在25～150℃温度下真空干燥1～48小时，得到酸化的碳纤维；

(3)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，反复洗涤多次至滤液呈中性，在25～200℃温度下真空干燥1～48小时，得到酸化的碳纳米管；

(4)将步骤(3)所得酸化的碳纳米管0.1～1×10g、二元胺或多元胺1～1×10³g、有机溶剂1～1×10³mL和缩合剂0.1～1×10g混合，以1~120kHz超声波处理0.1～96小时，在25～220℃温度下反应1～96小时后，抽滤并反复洗涤，在25~200℃温度下真空干燥1～48小时，得到胺化的碳纳米管；