CN103923462A - 一种改性pbo纤维预浸料的制备方法 - Google Patents

一种改性pbo纤维预浸料的制备方法 Download PDF

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一种改性PBO纤维预浸料的制备方法，它涉及一种PBO纤维预浸料的制备方法。它要解决采用有机硅树脂基制备的复合材料预浸料用于航空领域表现出耐热性差和导热性能差的问题。方法：一、制备处理后的PBO纤维；二、制备处理后的碳纳米管；三、制备改性的碳纳米管；四、制备碳纳米管改性的甲基苯基硅树脂；五、将处理后的PBO纤维浸渍在碳纳米管改性的甲基苯基硅树脂中梯度升温固化，经过烘干炉，收卷即完成。本发明提高了预浸料的耐热性，在623.5℃开始失重，体积电阻率2000Ω/cm。PBO纤维/碳纳米管改性甲基苯基硅树脂预浸料为5.64°，可见预浸料浸润性增强，对于其广泛应用奠定了良好的基础。

Description

一种改性PBO纤维预浸料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种PBO纤维预浸料的制备方法。
背景技术
随着聚合物材料应用范围的不断扩大，对其综合性能的要求也越来越高。多壁碳纳米管具有大的长径比、优异的力学性能、稳定的化学性能以及均匀稳定的导电性能等优点，与聚合物基形成纳米复合材料，提高其耐磨性和冲击性能，改善其热性能，已经得到越来越广泛的关注。PBO(聚对苯撑苯并双口恶唑纤维)作为21世纪超性能纤维，具有十分优异的物理机械性能和化学性能，作为增强材料而广泛应用于航空航天领域。然而目前采用有机硅树脂基制备的复合材料预浸料用于航空领域表现出耐热性差，并且导热性能也很不好，这样阻碍了其大范围的应用。
发明内容
本发明的目的是为了解决采用有机硅树脂基制备的复合材料预浸料用于航空领域表现出耐热性差和导热性能差的问题，而提供一种改性PBO纤维预浸料的制备方法。
一种改性PBO纤维预浸料的制备方法，是按以下步骤实现：
一、将PBO纤维放入丙酮中超声清洗24h，然后用去离子水超声清洗24h，置于真空烘干炉中，80℃下烘1h，直至烘干。再梯度升温，60℃/1h，100℃/1.2h，120℃/2h，然后在功率为175～200W的条件下等离子处理10～30min，纤维表面的极性基团增加，获得处理后的PBO纤维；
二、将25mg多壁碳纳米管加入到20ml混酸中，用磁力搅拌器搅拌，冷凝回流，在60℃反应1h，80℃反应2h，100℃反应2h，再用去离子水洗至中性后抽滤，在100℃下真空干燥24h，获得处理后的碳纳米管；
三、将15～20mg处理后的碳纳米管溶于20ml去离子水中，超声分散30min，然后加入5～8ml的KH550硅烷偶联剂和甲醇的混合溶液，在40～50℃下，磁力搅拌10～12h，得到改性的碳纳米管；
四、将改性后的碳纳米管分散在10ml无水甲苯中，超声分散1～2h，然后加入10ml甲基硅树脂，继续超声分散20～30min，用磁力搅拌器搅拌，在80～100℃下冷凝回流10～12h，得到碳纳米管改性的甲基苯基硅树脂；
五、将处理后的PBO纤维浸渍在碳纳米管改性的甲基苯基硅树脂中，进行梯度升温固化：80℃/2h、100℃/2h、120℃/1h，然后经过烘干炉，收卷，即完成改性PBO纤维预浸料的制备；
其中步骤二中混酸按照浓硫酸﹕浓硝酸＝3﹕1的配比制成；
步骤三中KH550硅烷偶联剂和甲醇的混合溶液中甲醇占总体积的80％。
本发明具有以下有益效果：
本发明的方法通过加入碳纳米管从而提高有机硅树脂的耐热性，通过碳纳米管表面改性使其带有-COOH和-OH基团，和KH550硅烷偶联剂发生反应，硅烷偶联剂作为中间体将甲基苯基硅树脂和碳纳米管结合在一起。通过化学键合的方法提高了有机硅树脂的耐热性。并且碳纳米管的导热性能很好，得到的改性有机硅树脂也获得了优异的导电性能。
本发明中改性的PBO纤维预浸料，提高了耐热性，传统的PBO纤维/甲基苯基硅树脂预浸料在600℃开始失重，而本发明中改性PBO纤维预浸料(即PBO纤维/碳纳米管改性甲基苯基硅树脂预浸料)在623.5℃开始失重。通过测试其导电性可以知道，由原来的不导电，变为体积电阻率2000Ω/cm。动态接触角测试仪得到PBO纤维在甲基苯基硅树脂中的接触角为92.48°，PBO纤维/碳纳米管改性甲基苯基硅树脂预浸料为5.64°，可见预浸料浸润性增强，对于其广泛应用奠定了良好的基础。
具体实施方式：
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式一种改性PBO纤维预浸料的制备方法，是按以下步骤实现：
一、将PBO纤维放入丙酮中超声清洗24h，然后用去离子水超声清洗24h，置于真空烘干炉中，80℃下烘1h，直至烘干。再梯度升温，60℃/1h，100℃/1.2h，120℃/2h，然后在功率为175～200W的条件下等离子处理10～30min，纤维表面的极性基团和表面自由能增加，获得处理后的PBO纤维；
二、将25mg多壁碳纳米管加入到20ml混酸中，用磁力搅拌器搅拌，冷凝回流，在60℃反应1h，80℃反应2h，100℃反应2h，再用去离子水洗至中性后抽滤，在100℃下真空干燥24h，获得处理后的碳纳米管；
三、将15～20mg处理后的碳纳米管溶于20ml去离子水中，超声分散30min，然后加入5～8ml的KH550硅烷偶联剂和甲醇的混合溶液，在40～50℃下，磁力搅拌10～12h，得到改性的碳纳米管；
四、将改性后的碳纳米管分散在10ml无水甲苯中，超声分散1～2h，然后加入10ml甲基硅树脂，继续超声分散20～30min，用磁力搅拌器搅拌，在80～100℃下冷凝回流10～12h，得到碳纳米管改性的甲基苯基硅树脂；
五、将处理后的PBO纤维浸渍在碳纳米管改性的甲基苯基硅树脂中，进行梯度升温固化：80℃/2h、100℃/2h、120℃/1h，然后经过烘干炉，收卷，即完成改性PBO纤维预浸料的制备；
其中步骤二中混酸按照浓硫酸﹕浓硝酸＝3﹕1的配比制成；
步骤三中KH550硅烷偶联剂和甲醇的混合溶液中甲醇占总体积的80％。
本实施方式步骤二中处理后的碳纳米管为带有-COOH官能团的碳纳米管。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中在功率为190W的条件下等离子处理20min。其它步骤和参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤二中冷凝回流，在60℃反应1h，80℃反应2h，100℃反应2h，。其它步骤和参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤三中将18mg处理后的碳纳米管溶于20ml去离子水中。其它步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤三中加入6ml的KH550硅烷偶联剂和甲醇的混合溶液，在45℃下，磁力搅拌11h。其它步骤和参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤四中将改性后的碳纳米管分散在10ml无水甲苯中，超声分散1.5h。其它步骤和参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤四中加入10ml甲基硅树脂，继续超声分散25min。其它步骤和参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤四中用磁力搅拌器搅拌，在90℃下冷凝回流11h。其它步骤和参数与具体实施方式一至七之一相同。
通过以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例：
一种改性PBO纤维预浸料的制备方法，是按以下步骤实现：
一、将PBO纤维放入丙酮中超声清洗24h，然后用去离子水超声清洗24h，置于真空烘干炉中，80℃下烘1h，直至烘干。再梯度升温，60℃/1h，100℃/1.2h，120℃/2h，然后在功率为175W的条件下等离子处理30min，纤维表面的极性基团和表面自由能增加，获得处理后的PBO纤维；
二、将25mg多壁碳纳米管加入到20ml混酸中，用磁力搅拌器搅拌，冷凝回流，在60℃反应1h，80℃反应2h，100℃反应2h，再用去离子水洗至中性后抽滤，在100℃下真空干燥24h，获得处理后的碳纳米管；
三、将20mg处理后的碳纳米管溶于20ml去离子水中，超声分散30min，然后加入6ml的KH550硅烷偶联剂和甲醇的混合溶液，在50℃下，磁力搅拌12h，得到改性的碳纳米管；
四、将改性后的碳纳米管分散在10ml无水甲苯中，超声分散1.5h，然后加入10ml甲基硅树脂，继续超声分散30min，用磁力搅拌器搅拌，在100℃下冷凝回流10h，得到碳纳米管改性的甲基苯基硅树脂；
五、将处理后的PBO纤维浸渍在碳纳米管改性的甲基苯基硅树脂中，进行梯度升温固化：80℃/2h、100℃/2h、120℃/1h，然后经过烘干炉，收卷，即完成改性PBO纤维预浸料的制备；
其中步骤二中混酸按照浓硫酸﹕浓硝酸＝3﹕1的配比制成；
步骤三中KH550硅烷偶联剂和甲醇的混合溶液中甲醇占总体积的80％。
对本实施例中制备所得改性PBO纤维预浸料进行差热-热重分析，导电性以及动态浸润角测试。
结果：本实施例中制备所得改性的PBO纤维预浸料，提高了耐热性，传统的PBO纤维/甲基苯基硅树脂预浸料在600℃开始失重，而本实施例中制备所得改性PBO纤维预浸料(即PBO纤维/碳纳米管改性甲基苯基硅树脂预浸料)在623.5℃开始失重。通过测试其导电性可以知道，由原来的不导电，变为体积电阻率2000Ω/cm。动态接触角测试仪得到PBO纤维在甲基苯基硅树脂中的接触角为92.48°，PBO纤维/碳纳米管改性甲基苯基硅树脂预浸料为5.64°，可见预浸料浸润性增强。

Claims (8)

1.一种改性PBO纤维预浸料的制备方法，其特征在于它按以下步骤实现：
一、将PBO纤维放入丙酮中超声清洗24h，然后用去离子水超声清洗24h，置于真空烘干炉中，80℃下烘1h，直至烘干。再梯度升温，60℃/1h，100℃/1.2h，120℃/2h，然后在功率为175～200W的条件下等离子处理10～30min，纤维表面的极性基团增加，获得处理后的PBO纤维；
二、将25mg多壁碳纳米管加入到20ml混酸中，用磁力搅拌器搅拌，冷凝回流，在60℃反应1h，80℃反应2h，100℃反应2h，再用去离子水洗至中性后抽滤，在100℃下真空干燥24h，获得处理后的碳纳米管；
三、将15～20mg处理后的碳纳米管溶于20ml去离子水中，超声分散30min，然后加入5～8ml的KH550硅烷偶联剂和甲醇的混合溶液，在40～50℃下，磁力搅拌10～12h，得到改性的碳纳米管；
四、将改性后的碳纳米管分散在10ml无水甲苯中，超声分散1～2h，然后加入10ml甲基硅树脂，继续超声分散20～30min，用磁力搅拌器搅拌，在80～100℃下冷凝回流10～12h，得到碳纳米管改性的甲基苯基硅树脂；
五、将处理后的PBO纤维浸渍在碳纳米管改性的甲基苯基硅树脂中，进行梯度升温固化：80℃/2h、100℃/2h、120℃/1h，然后经过烘干炉，收卷，即完成改性PBO纤维预浸料的制备；
其中步骤二中混酸按照浓硫酸﹕浓硝酸＝3﹕1的配比制成；
步骤三中KH550硅烷偶联剂和甲醇的混合溶液中甲醇占总体积的80％。
2.根据权利要求1所述的一种改性PBO纤维预浸料的制备方法，其特征在于步骤一中在功率为190W的条件下等离子处理20min。
3.根据权利要求1或2所述的一种改性PBO纤维预浸料的制备方法，其特征在于步骤二中冷凝回流，在60℃反应1h，80℃反应2h，100℃反应2h。
4.根据权利要求3所述的一种改性PBO纤维预浸料的制备方法，其特征在于步骤三中将18mg处理后的碳纳米管溶于20ml去离子水中。
5.根据权利要求4所述的一种改性PBO纤维预浸料的制备方法，其特征在于步骤三中加入6ml的KH550硅烷偶联剂和甲醇的混合溶液，在45℃下，磁力搅拌11h。
6.根据权利要求5所述的一种改性PBO纤维预浸料的制备方法，其特征在于步骤四中将改性后的碳纳米管分散在10ml无水甲苯中，超声分散1.5h。
7.根据权利要求6所述的一种改性PBO纤维预浸料的制备方法，其特征在于步骤四中加入10ml甲基硅树脂，继续超声分散25min。
8.根据权利要求7所述的一种改性PBO纤维预浸料的制备方法，其特征在于步骤四中用磁力搅拌器搅拌，在90℃下冷凝回流11h。
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