[发明专利]纳米-微米多尺度纤维预浸料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合材料的制备方法，尤其是一种纳米-微米多尺度纤维预浸料的制备方法。

背景技术

在过去近半个世纪，碳纤维复合材料，尤其是碳纤维增强聚合物基复合材料，因其具有高强度、高模量、低密度以及耐化学性和耐候性等优点成为在航空航天、汽车制造、体育用品以及其他领域应用中的主导材料。然而由于存在层间分层、沿厚度方向的面外力学性能差等缺点，限制了复合材料的深入应用。

碳纳米材料，包括碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯等，因其独特的纳米结构特性在宏观上表现出极其优异的机械性能、导电和导热等性能。越来越多的科学家和工程师开始将纳米级的碳纳米材料与传统微米级的碳纤维结合起来，作为多尺度增强体，共同对聚合物基体材料进行增强形成多尺度增强复合材料。

纳米-微米多尺度增强材料，在过去的研究中有大量报道。其中一种是将碳纳米材料与碳纤维及其织物直接复合，进而用以制备树脂基复合材料（专利文献1，2）。但上述方法仅对复合材料的界面起到一定的改善作用，而对复合材料中的富树脂层，也即复合材料性能的“短板”决定区域，未产生任何的强化作用，且存在制备过程繁琐、可控性差、效率低等问题。另外，公开了以下内容（专利文献3,4）：将碳纳米材料通过超声辅助的机械混合方法，加入到树脂基体中，进而采用树脂转移膜技术（Resin Transfer Molding,RTM）制备复合材料，材料性能尤其是面外力学性能得到明显改善。但随着碳纳米材料添加量的增强，碳纳米材料分散性变差，团聚现象加重，树脂体系的粘度显著上升，由此所带来在制备复合材料工程中出现明显的纤维自过滤现象，造成碳纳米材料在复合材料中呈现梯度浓度的情况。

预浸料是制备纤维增强树脂基复合材料的半成品，是中间基材。其质量的好坏直接决定着复合材料产品构件的性能优劣。目前预浸料的生产工艺主要有湿法和干法两种。湿法，也叫溶液浸渍法，因其需要大量挥发性溶剂的使用所带来的环境污染，加上其生产效率低、预浸料含胶量波动大等缺点，目前处于淘汰阶段。而干法，也叫热熔法，可避免湿法的缺点，且具有生产效率高、预浸料中树脂含量的可控性强、低挥发份、外观质量好以及综合性能优异等特点，已成为国内外复合材料行业的研究热点和应用趋势。

另外，在航空航天、高端体育用品等领域，对复合材料的刚性、耐冲击性能、抗破坏性能的特性有了更高的要求。而目前预浸料市场主要为常规的碳纤维增强环氧树脂、氰酸酯等的预浸料，而采用热熔法预浸料制备工艺的纳米-微米多尺度纤维预浸料在国内外鲜有报道。【专利文献1】一种纳米复合纤维预制体的制备方法。CN101314649B，【专利文献2】碳纳米管连接碳纤维多尺度增强体及其制备方法。CN101173386A，【专利文献3】碳纤维复合树脂材料及其制造方法。CN101062993B，【专利文献4】Multifunctional multiscale composites:processing,modeling and characterization.【D】America,Florida State University,2008。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种纳米-微米多尺度纤维预浸料的制备方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供一种纳米-微米多尺度纤维预浸料的制备方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1：将碳纳米材料进行纯化、功能化处理，除去碳纳米材料中的杂质并引入官能团；

步骤2：将碳纳米材料与树脂进行机械分散混合，加热，加入固化剂，充分搅拌，形成碳纳米材料改性的树脂体系；

步骤3：采用涂膜装置将碳纳米材料改性的树脂体系制得碳纳米材料改性的树脂胶膜；

步骤4：在温度80～150℃的条件下，将碳纳米材料改性的树脂胶膜与连续纤维通过热熔法预浸机制备纳米-微米多尺度纤维预浸料。

优选地，所述碳纳米材料为碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯中的一种或多种的混合，所述树脂为环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、氰酸酯树脂中的一种或多种的混合。

优选地，所述环氧树脂为二缩水甘油醚环氧树脂、多缩水甘油醚环氧树脂或缩水甘油胺环氧树脂，所述双马来酰亚胺树脂为常规BMI树脂、二元胺改性BMI树脂、环氧改性BMI树脂或氰酸酯改性BMI树脂。

优选地，步骤1中，所述碳纳米材料的功能化处理具体为：对碳纳米材料进行浓硫酸或浓硝酸的酸化处理，在其结构表面产生含氧官能团，再与乙二胺胺基化合物进行胺基的接枝，以及通过硅烷偶联剂进行含胺基官能团化合物的接枝反应。