[发明专利]一种石英纤维表面原位生长碳纳米管增强环氧树脂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，具体涉及一种石英纤维表面原位生长碳纳米管增强环氧树脂复合材料的制备方法。

背景技术

传统的玻璃纤维增强聚合物基复合材料已获得了广泛应用，复合材料的界面结构是影响应力及其他信息传递的重要因素，提高复合材料界面应力传递的常规方法是增强界面的物理化学相互作用。通过对增强体进行物理化学修饰改性虽然一定程度上能改善增强体和基体之间的界面相互作用，但其改善复合材料层间剪切强度的效果仍是很不理想的，因而限制了这类材料的发展及在某些领域的应用拓展。

碳纳米管(CNTs)具有超强的力学性能、极大的长径比、良好的电学性能、很高的化学和热稳定性等，是一种理想的增强型功能化填料。但就目前的报道而言，碳纳米管增强聚合物的效果基本上都不好，离期望的增强效果还有很大差距，这主要是由于碳纳米管的分散及界面结合问题造成的。因此，对于聚合物/碳纳米管复合材料而言，如何均匀分散碳纳米管并增强碳纳米管与基体材料间的界面结合作用，是提高复合材料各项性能的关键。

考虑到单纯的纤维或碳纳米管作为增强材料都有所不足，本发明提供了一种玻璃纤维原位生长碳纳米管增强环氧树脂复合材料的制备方法。在玻璃纤维表面原位生长碳纳米管，不但能增大纤维与基体的相互作用面积，利用树脂/纤维之间纳米结构相的桥梁作用，显著增强纤维与树脂基体的界面结合力，实现层间受控于树脂基体相薄弱环节的应力传递加强，还能有效解决碳纳米管的分散问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分散性好、界面粘结牢固的石英纤维表面原位生长碳纳米管增强环氧树脂复合材料的制备方法。

本发明的构思是这样的：

一种石英纤维表面原位生长碳纳米管增强环氧树脂复合材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）将催化剂颗粒和溶剂在超声振荡或高速搅拌下混合均匀，静置，得到浓度为0.1～0.5mol/L的催化剂溶液；所述催化剂颗粒为硝酸钴、硝酸镍、硝酸铁、硫酸镍中的任一种；所述溶剂为去离子水、无水乙醇、异丙醇中的任一种；

（2）裁取一定尺寸大小的玻璃布，将其浸渍在所述催化剂溶液中4～6h，然后取出置于培养皿中，在温度为30～60℃的烘箱中烘干，得到处理好的玻璃布；

（3）将所述处理好的玻璃布放置在化学气相沉积用的管式炉中，管式炉，两端密封，左端进气，后端排出尾气；反应前，先以500～1000mL/min的流量通入惰性气体，排除多余的空气后，以3～6℃/min的升温速率升温；当温度达到500～700℃时，通入碳源气，反应5～60min，反应完成关闭所述碳源气，继续通所述惰性气体直至温度降至室温下，取出变为黑色的玻璃布，表面黑色的物质即为碳纳米管阵列；

（4）将环氧树脂和固化剂按质量比3：0.5～1.5混合均匀后，采用真空辅助树脂传递模塑导入上述步骤（3）中制得的表面具有碳纳米管阵列的玻璃布，真空条件下除泡，在95～110℃下固化成型，得到石英纤维原位生长碳纳米管/环氧树脂多维混杂复合材料。

步骤（2）中所述玻璃布为单向长纤维布、双向编织布、三相编织布中的任一种。

步骤（3）中所述惰性气体为氮气、氦气、氩气中的任一种。

步骤（3）中所述碳源气为乙炔、乙烯、甲烷中的任一种。

步骤（4）中所述环氧树脂为缩水甘油醚类、缩水甘油酯类、脂环类环氧树脂中的任一种。

步骤（4）中所述固化剂为有机酸酐类固化剂、脂肪族胺类固化剂、脂环族胺类固化剂中的任一种。

本发明的有益效果如下：

（a）由以上技术方案和实施方法可知，本发明提供的制备方法简单易行，得到的是表面均匀分布碳纳米管阵列的石英纤维/环氧树脂多维混杂复合材料。由于碳纳米管的作用，改善了石英纤维与基体树脂之间的界面强度，使复合材料具有较好的层间剪切强度。

（b）本发明是在石英纤维表面原位引入均匀分布的碳纳米管，利用此结构与环氧树脂进行复合，由于碳纳米管本身的特性，从而改善石英纤维复合材料的层间剪切强度不足的缺点，此多维混杂复合材料具有界面粘结强、易固化等性能，使复合材料的综合力学性能得到明显提高。因此，本发明具有重要的科学技术价值和实际应用价值。

附图说明

图1是真空辅助树脂传递模塑的工艺流程图；

图2是实施例1复合材料的层间剪切情况的扫描电镜照片；

图3是实施例2复合材料的层间剪切情况的扫描电镜照片；

图4是对比例1、实施例1与实施例2复合材料层间剪切强度的比较；