CN109265817A - 碳纳米管增强碳纤维热塑性树脂基复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种碳纳米管增强碳纤维热塑性树脂基复合材料的制备方法，包括配置碳纳米管电泳悬浮液；于碳纤维表面生长碳纳米管；将制备好的所述碳纳米管电泳悬浮液置于电解槽中，使用不锈钢板作为阳极，剪裁好的碳纤维布作为阴极，进行碳纤维表面的碳纳米管电泳沉积；将电泳沉积后所得到的碳纤维布置于烘箱内干燥80‑120min；将热塑性树脂与干燥后的碳纤维布加热置于模具内热压成型。本发明在碳纤维表面生长碳纳米管，有效实现了碳纳米管的均匀分散，通过碳纳米管的引入显著增加了纤维与树脂的相互作用面积，提高了纤维与树脂的界面结合强度。

Description

碳纳米管增强碳纤维热塑性树脂基复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及新材料领域，具体涉及一种碳纳米管增强碳纤维热塑性树脂基复合材料的制备方法。
背景技术
碳纤维具有高强度、高模量、耐疲劳、抗蠕变等一系列优异性能，是理想的复合材料增强相。碳纤维增强热塑性树脂复合材料则综合了碳纤维和工程塑料的各自优点，如优良的力学性能，简单的成型工艺和可回收加工等等。但是复合材料的界面结合强度依然不是十分理想，从而削弱了碳纤维热塑性树脂复合材料的综合力学性能以及限制了这类材料的在某些领域的应用。
碳纳米管优异的力学性能和“纳米管径、微米管长”的尺寸特征使其成为复合材料领域的理想增强相。文献“Carbon nanotube reinforced composites:Potential andchallenges[J],Materials and Design,2007,28 2394-2401”指出，将碳纳米管弥散于增强纤维之间，即构建”碳纳米管-纤维多尺度预制体“，可以在不损伤纤维预制体叠层内部结构的前提下有效补强基体，实现对复合材料基体的多尺度强化，大幅提升复合材料的综合力学性能。然而碳纳米管的分散均匀性与界面结合问题依然是提高复合材料相关性能的关键因素。
为此，本发明应运而生。
发明内容
鉴于上述情况，本发明提供了一种碳纳米管增强碳纤维热塑性树脂复合材料的制备方法。在碳纤维表面生长碳纳米管，有效实现了碳纳米管的均匀分散。通过碳纳米管的引入显著增加了纤维与树脂的相互作用面积，提高了纤维与树脂的界面结合强度。
为实现上述目的，本发明提供了一种碳纳米管增强碳纤维热塑性树脂基复合材料的制备方法，包括：
配置碳纳米管电泳悬浮液；将碳纳米管分散于异丙醇分散液中，配置成1.5-1.7g/L浓度的碳纳米管异丙醇分散液；随后在所述分散液中加入重量分数0.3-0.8％的硝酸铝，将溶液用超声波振荡分散150-180min后得到碳纳米管电泳悬浮液；
于碳纤维表面生长碳纳米管；将制备好的所述碳纳米管电泳悬浮液置于电解槽中，使用不锈钢板作为阳极，剪裁好的碳纤维布作为阴极，进行碳纤维表面的碳纳米管电泳沉积；
将电泳沉积后所得到的碳纤维布置于烘箱内干燥80-120min；
将热塑性树脂与干燥后的碳纤维布加热至170-240℃后(温度太低的情况下热塑性树脂流动性差难以成型，温度太高则容易出现热塑性树脂热氧化和碳纤维的氧化导致材料力学性能恶化)，置于模具内热压成型，制备得到碳纳米管增强碳纤维热塑性复合材料。
本发明的有益效果为：
本发明在碳纤维表面生长碳纳米管，有效实现了碳纳米管的均匀分散，通过碳纳米管的引入显著增加了纤维与树脂的相互作用面积，提高了纤维与树脂的界面结合强度。
进一步的，所述碳纤维布为单向碳纤维布、双向碳纤维布、3D编织碳纤维布中的任意一种。
进一步的，所述的热塑性树脂为聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚甲醛、聚碳醚中的任意一种。
进一步的，阳极与阴极正对且相互平行，阳极与阴极之间的距离调整至为15-30mm，设置电泳电压为40-60V，电泳时间80-100s。
附图说明
图1为生长碳纳米管后的碳纤维SEM图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
对比实施例1：
取5层双向碳纤维布与聚丙烯粉末，在300×300mm模腔的模具内铺放一层厚度约1mm的聚丙烯粉末，在聚丙烯粉末上再铺上一层双向碳纤维编织布；再上碳纤维编织布上铺撒1mm厚的聚丙烯粉末，如此重复，将5层碳纤维编织布与聚丙烯粉末交替铺放于模具内。将模具加热至210℃，加压5000kN压力，保压30s成型。卸压后得到碳纤维聚丙烯复合材料，与实施例1作对比。
实施例1：
配置1.7g/L的碳纳米管异丙醇溶液，加入0.5％重量分数的硝酸铝。使用超声波振荡分散160min得到碳纳米管电泳悬浮液。将配置好的悬浮液倒入电解槽内，使用不锈钢板作为电泳阳极，裁剪好的单层双向碳纤维布作为电泳阴极。阳极与阴极之间的距离调整至20mm，电泳电压40V，电泳时间80s。一次电泳结束后将碳纤维布翻面，再次电泳80s，得到表面长有碳纳米管的碳纤维布。生长碳纳米管后的碳纤维表面形貌如图1所示。
取制备好的带有碳纳米管的碳纤维布5片与聚丙烯粉末，在300×300mm模腔的模具内铺放一层厚度约1mm的聚丙烯粉末，在聚丙烯粉末上再铺上一层带有碳纳米管的碳纤维布；再带有碳纳米管的碳纤维布上铺撒1mm厚的聚丙烯粉末，如此重复，将5层带有碳纳米管的碳纤维布与聚丙烯粉末交替铺放于模具内。将模具加热至210℃，加压5000kN压力，保压30s成型。卸压后制得碳纳米管增强碳纤维聚丙烯复合材料。表1为对比例中制备的复合材料与实施例1中制备的复合材料抗拉强度对比。
表1 碳纳米管增强前后碳纤维聚丙烯复合材料的抗拉强度
对比实施例2：
取两片单层碳纤维编织布，与尼龙坯料组成碳纤维-尼龙-碳纤维结构，放置在烘箱内加热至235℃后铺于模具内，模压成型。得到碳纤维尼龙复合材料。与实施例2作对比。
实施例2：
配置1.5g/L的碳纳米管异丙醇溶液，加入0.4％重量分数的硝酸铝。使用超声波振荡分散150min得到碳纳米管电泳悬浮液。将配置好的悬浮液倒入电解槽内，使用不锈钢板作为电泳阳极，裁剪好的单层双向碳纤维布作为电泳阴极。阳极与阴极之间的距离调整至20mm，电泳电压40V，电泳时间80s。一次电泳结束后将碳纤维布翻面，再次电泳80s，得到表面长有碳纳米管的碳纤维布。
取制备好的带有碳纳米管的碳纤维布2层，与尼龙坯料组成碳纤维-尼龙-碳纤维的三明治夹心结构，放置在烘箱内加热至235℃后铺于模具内，模压成型。得到碳纳米管增强尼龙复合材料。表2为对比例中制备的复合材料与实施例2中制备的复合材料弯曲强度对比。
表2 碳纳米管增强前后碳纤维尼龙复合材料的弯曲强度
对比实施例3：
取5层双向碳纤维布与ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)粉末，在300×300mm模腔的模具内铺放一层厚度约1mm的ABS粉末，在ABS粉末上再铺上一层双向碳纤维编织布；再上碳纤维编织布上铺撒1mm厚的ABS粉末，如此重复，将5层碳纤维编织布与ABS粉末交替铺放于模具内。将模具加热至230℃，加压5000kN压力，保压25s成型。卸压后得到碳纤维ABS复合材料，与实施例3作对比。
实施例3：
配置1.8g/L的碳纳米管异丙醇溶液，加入0.6％重量分数的硝酸铝。使用超声波振荡分散180min得到碳纳米管电泳悬浮液。将配置好的悬浮液倒入电解槽内，使用不锈钢板作为电泳阳极，裁剪好的单层双向碳纤维布作为电泳阴极。阳极与阴极之间的距离调整至20mm，电泳电压40V，电泳时间100s。一次电泳结束后将碳纤维布翻面，再次电泳100s，得到表面长有碳纳米管的碳纤维布。生长碳纳米管后的碳纤维表面形貌如图1所示。
取制备好的带有碳纳米管的碳纤维布5片与ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)粉末，在300×300mm模腔的模具内铺放一层厚度约1mm的ABS粉末，在ABS粉末上再铺上一层带有碳纳米管的碳纤维布；再带有碳纳米管的碳纤维布上铺撒1mm厚的ABS粉末，如此重复，将5层带有碳纳米管的碳纤维布与ABS粉末交替铺放于模具内。将模具加热至230℃，加压5000kN压力，保压25s成型制得碳纳米管增强碳纤维ABS复合材料。表3为对比例中制备的复合材料与实施例3中制备的复合材料层间剪切强度对比。
表2 碳纳米管增强前后碳纤维ABS复合材料的层间剪切强度
需要说明的是，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出多种变化。因而，在不违反本发明的权利要求宗旨的前提下，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为保护范围。

Claims (4)

1.一种碳纳米管增强碳纤维热塑性树脂基复合材料的制备方法，其特征在于，包括：
配置碳纳米管电泳悬浮液；将碳纳米管分散于异丙醇分散液中，配置成1.5-1.7g/L浓度的碳纳米管异丙醇分散液；随后在所述分散液中加入重量分数0.3-0.8％的硝酸铝，将溶液用超声波振荡分散150-180min后得到碳纳米管电泳悬浮液；
于碳纤维表面生长碳纳米管；将制备好的所述碳纳米管电泳悬浮液置于电解槽中，使用不锈钢板作为阳极，剪裁好的碳纤维布作为阴极，进行碳纤维表面的碳纳米管电泳沉积；
将电泳沉积后所得到的碳纤维布置于烘箱内干燥80-120min；
将热塑性树脂与干燥后的碳纤维布加热至170-240℃后，置于模具内热压成型，制备得到碳纳米管增强碳纤维热塑性复合材料。
2.根据权利要求1所述的碳纳米管增强碳纤维热塑性树脂基复合材料的制备方法，其特征在于，所述碳纤维布为单向碳纤维布、双向碳纤维布、3D编织碳纤维布中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的碳纳米管增强碳纤维热塑性树脂基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的热塑性树脂为聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚甲醛、聚碳醚中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的碳纳米管增强碳纤维热塑性树脂基复合材料的制备方法，其特征在于，阳极与阴极正对且相互平行，阳极与阴极之间的距离调整至为15-30mm，设置电泳电压为40-60V，电泳时间80-100s。
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