[发明专利]碳纳米管-蒙脱土自组装纳米粉接枝玻璃纤维增强树脂复合材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种碳纳米管‑蒙脱土自组装纳米粉接枝玻璃纤维增强复合材料的制备方法，包括如下步骤：将碳纳米管分散于非质子性有机溶剂，先后经有机胺改性、盐酸成盐反应得到碳纳米管铵盐；将蒙脱土与碳纳米管铵盐超声分散于水中，经过滤、反复水洗、喷雾干燥得到碳纳米管‑蒙脱土自组装纳米粉；将纳米粉超声分散于硅烷偶联剂溶液中，再均匀喷洒于玻璃纤维表面，真空干燥得到纳米粉接枝玻璃纤维预制体；再将预制体通过复合材料成型工艺复合树脂即得。本发明可以有效提高碳纳米管的分散性以及蒙脱土的层间距，且该纳米粉接枝于玻璃纤维，能够进一步提高其在复合材料中的分散性，提高树脂与纤维的界面粘合，从而提高纤维复合材料的力学和耐热性能。

技术领域

本发明属于纤维增强聚合物复合材料技术领域，具体涉及一种碳纳米管-蒙脱土自组装纳米粉接枝玻璃纤维增强树脂复合材料的制备方法。

背景技术

玻璃纤维增强复合材料以其自身高强度、高模量、良好的易成型性和耐疲劳损伤等优良特性，广泛应用于航空、交通、新能源等诸多领域。纤维增强复合材料的性能不仅取决于纤维与树脂基体的性能，而且很大程度上取决于界面结合的强弱。为了提高传统玻璃纤维增强复合材料的界面粘合性，通常需要对玻璃纤维进行表面改性。但传统有机改性、表面刻蚀等表面改性只能单一或有限地提高玻璃纤维增强复合材料的力学性能，而无法提升复合材料的导电性、耐热性等，限制了玻璃纤维增强复合材料的进一步发展与应用。

近年来，纳米材料的发展为提升玻璃纤维增强复合材料的界面粘合性能带来新的发展契机，其中，蒙脱土(MMT)和碳纳米管(CNTs)的应用报道较多。MMT 是一种无机层状硅酸盐材料，具有很强的刚性、尺寸稳定性、热稳定性、离子交换特性等，可用于聚合物复合材料的增强、增刚，并提高其耐热性、阻隔性等。 CNTs具有优异的力学、电学、热学等性能，且其本身有超高的弹韧性，是聚合物复合材料理想的增强增韧材料。目前，有研究者借助搅拌、超声、三辊研磨等手段将MMT与CNTs混合分散于聚合物中，以提高聚合物复合材料的力学性能、热性能等，但将两者混合引入纤维增强复合材料中的研究较少。如，Hesami等[Hesami M,Bagheri R,Masoomi M.Combination effects of carbon nanotubes,MMT andphosphorus flame retardant on fire and thermal resistance of fiber-reinforcedepoxy composites[J].Iranian Polymer Journal,2014,23(6):469-476.]将MMT和 CNTs通过高速搅拌和超声处理分散于环氧树脂中，再通过手糊成型工艺制备玻璃纤维复合材料；所得混杂增强复合材料的极限氧指数比未添加MMT和CNTs 时提高约8％。但是，天然MMT层间距较小，且表面亲水疏油，与聚合物相容性较差；而CNTs具有较高长径比和较大比表面积，且管间具有很强的范德华力，易于缠绕团聚。因此，MMT和CNTs在聚合物树脂混合中不可避免二次团聚以及使树脂体系粘度上升。为了提高MMT和CNTs在树脂中的分散性，两者可先杂化形成一种纳米尺度的一维/二维结构的碳纳米管-蒙脱土(CNTs-MMT)纳米复合物，再分散于树脂中。Roy等[Roy S,Srivastava S K,Pionteck J,et al. Montmorillonite–multiwalled carbon nanotube nanoarchitecture reinforced thermoplasticpolyurethane[J].Polymer Composites,2016,37(6):1775-1785.]将 CNTs和MMT混合于研钵中充分研磨得到混杂物，再将分散于热塑性聚氨酯中得到纳米复合材料。研究发现所得纳米复合材料的拉伸强度和玻璃化转变温度较为改性热塑性聚氨酯最大提升约57％和10℃。但是，该CNTs-MMT纳米复合物预分散于树脂中再制备纤维复合材料还未见报道。