[发明专利]环氧树脂/碳纳米管高强轻质复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种环氧树脂/碳纳米管高强轻质复合材料及其制备方法。

背景技术

碳纳米管自问世以来，因其独特的六边形结构、大的长径比，低密度、超高的模量、强度和优异的导电性能，素有“超级纤维”之美誉，被科学家们称为21世纪最具前途的纳米材料之一，近年来碳纳米管/环氧树脂复合材料成为了各国科研者研究的热点。然而，碳纳米管长径比大和具有很强的纳米效应，极易团聚，其在树脂中尤其在粘度较大的环氧树脂中分散困难，明显制约了该复合材料的发展。因此，如何解决碳纳米管在环氧树脂中的分散问题是当前碳纳米管/环氧树脂复合材料研究中最核心的问题。国内外许多科学家提出了一系列的方法，归纳起来主要有物理法和化学法。而其中的物理法主要包括：高能超声分散法、剪切分散法、真空辅助树脂传递模塑成型法、电化学沉积法、高能磁场法、不同固化剂层自组装法；化学法主要包括表面处理法和分散剂法。然而这些方法虽然都能在不同程度上改善碳纳米管在环氧树脂中的分散，但大多需借助复杂、昂贵的设备或通过非常复杂的工艺实现，因此，开发一种实用的碳纳米管分散技术将具有很高的实用价值。

空心玻璃微珠是一种具有各项同性、空心、内含气体的多功能微细玻璃体，具有密度低、在树脂中易分散、隔热、隔音等一系列优异的理化性能，可广泛应用在航空航天、油田固井、深海浮力、电磁屏蔽、吸波、汽车等领域。本发明正是利用空心玻璃微珠在环氧树脂中良好的分散性和低密度的性质，将碳纳米管先通过化学法接枝到其表面再将其分散于环氧树脂中，显著改善了碳纳米管在环氧树脂中的分散，同时又降低了复合材料的密度和提高复合材料的电导率，开发出了一种高强轻质同时导电性能明显改善的复合材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种环氧树脂/碳纳米管高强轻质复合材料及其制备方法，可实现碳纳米管在环氧树脂中良好分散同时显著降低复合材料密度和提高复合材料强度并增加电导率。它是先对空心玻璃微珠的表面进行氨基化处理，然后在一定条件下将其与羧基化的碳纳米管在介质溶剂中完成接枝反应，最后将表面接枝有碳纳米管的空心玻璃微珠分散到环氧树脂中制备出高强轻质复合材料。本发明制成的高强轻质复合材料可应用于航空航天、深海浮力材料、风电叶片等高端材料领域。

本发明提供的一种环氧树脂/碳纳米管高强轻质复合材料的原料的质量组成为：

其中，基体为环氧树脂，其牌号为Airstone 760E；固化剂为胺类固化剂，其牌号为Airstone 766H；空心玻璃微珠的平均粒径为10～70μm，真实密度为0.8～0.15g/cm³；碳纳米管为羧基化的多壁碳纳米管(CMWCNTs)、羧基化的双壁碳纳米管(CDWCNTs)和羧基化的单壁碳纳米管(CSWCNTs)，其中管径为10～30nm，长度为500nm～40μm；氨基硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、N-β(氨乙基)-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷、N-β(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷、N-β(氨乙基)-γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷中的一种；介质溶剂为N，N-二甲基甲酰胺(DMF)。

本发明提供的一种环氧树脂/碳纳米管高强轻质复合材料的制备方法包括以下步骤：

1)先将空心玻璃微珠置于包含氨基硅烷偶联剂的乙醇与水(体积比9∶1)的混合体系中，浸泡24h、过滤，再将其在120℃的干燥烘箱中干燥2～4h，在其表面引入氨基基团；

2)利用超声波将羧基化的碳纳米管充分分散于DMF中，超声时间为2～10h，超声波的功率为200～600W，然后将步骤1)中表面已引入氨基基团的空心玻璃微珠加入到该溶剂体系中，于120～145℃反应8～15h完成接枝反应。

3)将步骤2)中的产物过滤、洗涤干燥后加入到环氧树脂和固化剂的混合物中，在高真空下去除气泡后进行固化，其中固化温度控制为55～70℃，固化时间控制为5～10h。

本发明工艺简单，克服已有的技术缺陷，可有效解决碳纳米管在环氧树脂的分散问题，提高复合材料的力学强度、明显降低了复合材料的密度，还显著改善复合材料的电导率。

附图说明

图1为单个空心玻璃微珠的扫描电镜图。

图2为实例3中单个表面接枝有碳纳米管空心玻璃微珠的扫描电镜图。

图3为实例3中表面接枝有碳纳米管空心玻璃微珠的能谱图。

图4为实例3中氨基化的空心玻璃微珠、羧基化的碳纳米管和表面接枝有碳纳米管空心玻璃微珠的红外光谱图。