[发明专利]一种大规模制备CNT/CF多尺度增强体的方法

说明书

技术领域

本发明涉及制备CNT/CF多尺度增强体的方法。

背景技术

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)具有一系列优点，如高比强度、比模量、抗疲劳、耐腐蚀、便于一次成型、结构与功能的可设计性以及结构/功能一体化等，被广泛地应用在航空航天、风电设备、车辆交通、土木工程、医疗器械、体育用品等领域。其中的碳纤维增强环氧树脂基复合材料(CF/EP)具有优异的力学性能和良好的加工性，是CFRP中重要成员之一。然而，由于碳纤维表面惰性，导致其与环氧树脂的结合作用较弱，严重限制了CF/EP复合材料优异力学性能的发挥，因此工业上需要对其界面进行改进。

上浆处理能够改善碳纤维在生产和制造过程中受摩擦的作用造成起毛和断丝而引起的强度下降，并能在复合材料的制造与使用中保护碳纤维，防止再次出现起毛和断丝等破坏，从而改善复合材料的机械性能。碳纳米管由于具有优异的机械强度而被广泛地用做纤维/树脂界面的增强材料，当受到外力作用时，复合材料界面的碳纳米管能改变裂纹的扩展路径和分担应力，故也能提高复合材料的韧性。

碳纤维上浆剂可分为两种：一种是溶液型上浆剂，将树脂溶解在丙酮等有机溶剂中配制而成，这种上浆剂有很大缺点，需要大量易燃的有机溶剂，会带来经济、安全、卫生、环境等各方面的问题；另一种是乳液型上浆剂，一般是以树脂为主体，配以一定助剂制成的乳液，不容易在导辊上留下树脂，又无溶剂污染环境，目前得到广泛应用。

发明内容

本发明要解决现有碳纤维环氧树脂复合材料界面结合强度不够且界面韧性差的问题，而提供一种大规模制备CNT/CF多尺度增强体的方法。

一种大规模制备CNT/CF多尺度增强体的方法，具体是按照以下步骤进行的：

一、含碳纳米管水分散液的合成：将表面活性剂加入到去离子水中，搅拌溶解，得到表面活性剂水溶液，然后向表面活性剂水溶液中加入酸化碳纳米管，超声1h～5h后，得到含碳纳米管的水分散液；

所述的表面活性剂为非离子类表面活性剂或离子类表面活性剂；

所述的酸化碳纳米管与表面活性剂的质量比为1:(0.01～4)；所述的酸化碳纳米管与去离子水的质量比1:(1000～10000)；

二、碳纤维的浸渍和上浆：将含碳纳米管的水分散液灌注于储液槽中，将水性环氧乳液灌注于另一储液槽中，首先使碳纤维通过含碳纳米管的水分散液灌注的储液槽中进行浸渍，浸渍时间为10s～60s，得到浸渍后的碳纤维，烘干，然后使浸渍后的碳纤维通过水性环氧乳液灌注的储液槽中进行上浆，上浆时间为10s～60s，得到上浆后的碳纤维，将上浆后的碳纤维在温度为120℃～180℃下烘干1min～5min，收卷，即完成大规模制备CNT/CF多尺度增强体的方法；

所述的水性环氧乳液由树脂、助剂及水组成；所述的树脂与助剂的质量比1:(0.005～0.1)；所述的树脂与水的质量比为1:(50～100)；

所述的树脂为缩水甘油醚类树脂、缩水甘油酯类树脂、缩水甘油胺类树脂、线性脂肪族类树脂和脂环族树脂中的一种或其中几种按任意比组成的混合物；

所述的助剂为聚氧乙烯醚类非离子表面活性剂、多元醇类非离子表面活性剂、烷基磺酸盐类阴离子表面活性剂、烷基苯磺酸盐类阴离子表面活性剂、烷基三甲基铵盐类阳离子表面活性剂和甜菜碱类两性表面活性剂中的一种或其中几种按任意比组成的混合物。

本发明的有益效果是：1、本发明通过利用强氧化性溶液处理碳纳米管，使其表面带有羧基官能团，能改善其在溶剂中的分散性，且与环氧树脂形成很好的相容性。

2、本发明将酸化碳纳米管通过超声作用分散在水中，能大幅度提高碳纳米管在溶剂中的分散性，TEM测试图片显示碳纳米管在上浆剂中均匀分散，用环氧乳液上浆后的混杂纤维的SEM测试结果显示碳纳米管基本以单根形式密集且均匀地吸附在纤维表面。

3、本发明用制备的碳纤维做成单丝复合材料，其界面剪切强度可达55.31MPa,比未处理的碳纤维的界面剪切强度提高了22.29％。

4、本发明使用环氧乳液作为上浆剂，其粘度低，上浆时不易在导辊上留下树脂，其不含有挥发性有机溶剂污染环境。

本发明用于一种大规模制备CNT/CF多尺度增强体的方法。

附图说明

图1为步骤二中制备的含碳纳米管的水分散液的TEM图；

图2为未处理的碳纤维；

图3为实施例一制备的碳纤维复合材料；

图4为未处理的碳纤维的界面剪切强度测试结果；

图5为实施例一制备的碳纤维复合材料的界面剪切强度测试结果；