[发明专利]纳米碳纤维和碳纳米管改性碳纤维∕环氧树脂多维混杂复合材料的制备方法

摘要

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种纳米碳纤维和碳纳米管改性碳纤维∕环氧树脂多维混杂复合材料的制备方法。本发明将碳纳米管、纳米碳纤维和碳纤维经过表面羧基化、酰氯化后，在其上引入二元胺或多元胺，将氨基化的纳米碳纤维和碳纳米管用芳香族多元酸酐化合物修饰，制备携带酸酐基团的碳纤维、纳米碳纤维和碳纳米管，将接有此酸酐的纳米碳纤维、碳纳米管与环氧树脂进行超声振荡和高速搅拌，使纳米碳纤维和碳纳米管均匀的分散于环氧树脂基体中，并使接有酸酐的纳米碳纤维和碳纳米管与环氧树脂充分进行化学交联反应，以得到的含有纳米碳纤维和碳纳米管的环氧树脂线性嵌段聚合物作为基体和碳纤维复合，形成以共价键相连的多维混杂复合材料结构。本发明利用碳纳米管和纳米碳纤维的强度及韧性强韧化环氧树脂，提高碳纤维界面的粘结强度，从而提高碳纤维∕环氧树脂多维混杂复合材料的整体性能，拓宽碳纤维和环氧树脂的应用范围。

主权项

纳米碳纤维和碳纳米管改性碳纤维∕环氧树脂多维混杂复合材料的制备方法，其特征在于具体步骤如下：(1) 称取1～1×102g干燥的碳纳米管和10～1×104mL有机酸混合，在1‑120kHz超声波或10 r/min‑106 r/min的离心速度搅拌下处理1～80小时，然后加热至20～180℃，反应1～48小时，以微滤膜抽滤，反复洗涤至中性，在25～150℃温度下真空干燥1～48小时，得到纯化的碳纳米管；(2) 将1～1×102g干燥的碳纤维、1～1×102g干燥的纳米碳纤维、步骤(1)中得到纯化碳纳米管1～1×102g分别和强氧化性酸1～1×104mL混合，在1‑120kHz超声波下处理1～80小时，然后加热到25～120℃，搅拌并回流反应1～80小时，超微孔滤膜抽滤，反复洗涤至溶液呈中性，在25～200℃温度下真空干燥1～48小时，分别得到酸化的碳纤维、纳米碳纤维和碳纳米管；(3)将步骤(2)所得酸化的碳纤维1～1×102g、纳米碳纤维1～1×102g和碳纳米管1～1×102g分别和酰化试剂l0～1×104g混合，以1‑120kHz超声波处理0.1‑10小时后，加热到25～220℃，搅拌并回流反应0.5～100小时，抽滤并反复洗涤除去酰化试剂，分别得到酰基化的碳纤维、纳米碳纤维和碳纳米管；(4)将步骤(3)所得酰化碳纤维1～1×102g、纳米碳纤维1～1×102g和碳纳米管1～1×102g分别和二元胺或多元胺10～1×104g混合，以1‑100kHz超声波处理1～100小时，然后在25～200℃温度下反应0.5～100小时，抽滤并反复洗涤，在25‑200℃温度下真空干燥1～48小时，分别得到表面带有活性氨基的接枝型碳纤维、纳米碳纤维和碳纳米管；(5)将步骤(4)所得表面带有活性氨基的碳纤维1～1×102g、碳纳米管1～1×102g和纳米碳纤维1～1×102g在极性有机溶剂冰浴中搅拌滴加1～100g芳香族酸酐化合物，滴加完毕后升温至100～150℃，在此温度下回流3～16小时，用极性有机溶剂洗去未反应的芳香族酸酐化合物，40～80℃下真空干燥3～12小时，得到带有活性酸酐基团的碳纤维、碳纳米管和纳米碳纤维；(6)将步骤(5)所得表面带有活性酸酐基团的碳纳米管1～1×102g和纳米碳纤维1～1×102g和环氧树脂10～1×104g，升温至120℃后，搅拌分散均匀并在真空条件下除气泡，同时进行化学交联反应，得到含有碳纳米管/纳米碳纤维的环氧树脂聚合物；(7)将步骤(6)所得到含有碳纳米管/纳米碳纤维的环氧树脂聚合物20‑25g作为基体和步骤(4)或步骤(5)得到的碳纤维20～100g机械混合，在60‑100℃下，超声波分散1～12小时，加入30～50g有机酸酐类固化剂，并在成型模具中，真空除气泡，在100℃～250℃下固化成型，得到纳米碳纤维和碳纳米管改性的碳纤维∕环氧树脂多维混杂复合材料。