一種碳纖維增強(qiáng)高分子基復(fù)合材料的制備方法及應(yīng)用
【專利說(shuō)明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于復(fù)合材料的制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種碳纖維增強(qiáng)高分子基復(fù)合材料的制備方法及應(yīng)用。
【【背景技術(shù)】】
[0002]碳纖維因其優(yōu)異的綜合性能(高的比模量和強(qiáng)重比、低熱膨脹、高電導(dǎo)率、高導(dǎo)熱、耐磨以及耐高溫等)而常被用作高分子基復(fù)合材料的增強(qiáng)材料[周曦亞編.復(fù)合材料.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.01.]。然而因碳纖維表面能小，與樹脂基體的浸潤(rùn)性差、界面結(jié)合性能差等缺點(diǎn)，由其制備的復(fù)合材料的力學(xué)性能往往與理論值相差較大[Choi I1LeeDG.Surface modificat1n of carbon fiber/epoxy composites with randomlyoriented aramid fiber felt for adhes1n strength enhancement.Composites PartA:Applied Science and Manufacturing.2013;48:1-8.]0
[0003]因此，適當(dāng)對(duì)碳纖維表面進(jìn)行處理，能夠在很大程度上提高碳纖維與高分子基體的界面結(jié)合。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)碳纖維表面的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了多種方法對(duì)碳纖維表面進(jìn)行處理，主要可分為氧化法、等離子體處理法、涂層法以及納米顆粒改性法等[劉保英，王孝軍，楊杰，等.碳纖維表面改性研究進(jìn)展[J].化學(xué)研究，2015，26 (2): 111-120.]。氧化法主要包括液相氧化法、氣相氧化法和電化學(xué)氧化法等，主要機(jī)理為在氧化劑的作用下，碳纖維的暴露面產(chǎn)生許多具有親水性能的含氧極性官能團(tuán)，其與高分子能夠發(fā)生很好地結(jié)合，但是碳纖維的強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)下降。等離子體處理的機(jī)理是利用等離子體發(fā)生器產(chǎn)生的等離子體轟擊碳纖維表面，從而增加纖維暴露面的粗糙程度和表面積，并在纖維表面產(chǎn)生含氧極性官能團(tuán)，從而提高纖維和高分子基體相互之間的浸潤(rùn)性[Ma K,Wang B,Chen P,et al.Plasmatreatment of carbon fibers:Non_equilibrium dynamic adsorpt1n and its effecton the mechanical properties of RTM fabricated composites[J].Applied SurfaceScience，2011，257(9): 3824-3830.]。由于碳纖維表面受到了損傷，因而其強(qiáng)度在一定程度上也會(huì)出現(xiàn)下降。涂層法是在碳纖維表面制備一種能夠與碳纖維和高分子發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)的，具有一定厚度、結(jié)構(gòu)和剪切強(qiáng)度的中間層，進(jìn)而增強(qiáng)復(fù)合材料的界面強(qiáng)度，常見的處理方法有偶聯(lián)劑涂層法、溶膠凝膠法、上漿劑涂層法和氣相沉積法等，然而這些方法相對(duì)比較復(fù)雜。
[0004]由于納米顆粒的引入能夠大大地改善復(fù)合材料的各項(xiàng)性能(包括摩擦學(xué)性能和機(jī)械性能等)，納米顆粒獲得了復(fù)合材料領(lǐng)域研究者的廣泛關(guān)注。在復(fù)合材料領(lǐng)域，納米顆粒的引入主要可分為:機(jī)械共混法、纖維表面接枝和沉積法等。采用機(jī)械共混法和沉積法只能將已合成的納米顆粒通過(guò)物理手段引入到復(fù)合材料材料中，這易于導(dǎo)致納米顆粒發(fā)生團(tuán)聚。此外，由于界面結(jié)合的提高主要是依靠納米尺寸效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因而這種結(jié)合是弱的。。
[0005]因此，尋找一種工藝簡(jiǎn)單易控、在不損害碳纖維本身結(jié)構(gòu)的前提下還能獲得優(yōu)異界面結(jié)合的，并且能實(shí)現(xiàn)一步法在碳纖維表面生長(zhǎng)納米顆粒的制備方法顯得非常有意義?！?br/>【發(fā)明內(nèi)容】
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[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種碳纖維增強(qiáng)高分子基復(fù)合材料的制備方法及應(yīng)用，這種方法工藝簡(jiǎn)單易控，能夠一步實(shí)現(xiàn)納米材料在碳纖維上的合成和生長(zhǎng)，并能夠有效改善復(fù)合材料中各組分之間的界面結(jié)合。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0008]一種碳纖維增強(qiáng)高分子基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟:
[0009](I)配制無(wú)機(jī)化合物所需要的鹽溶液C，并調(diào)節(jié)其Ph為堿性；
[0010](2)將步驟(I)的溶液C置于反應(yīng)釜內(nèi)，并在反應(yīng)釜內(nèi)加入長(zhǎng)碳纖維片D，將反應(yīng)釜密封后置于水熱感應(yīng)加熱設(shè)備中，在感應(yīng)交變磁場(chǎng)的作用下，鹽溶液C變?yōu)闊o(wú)機(jī)化合物，并負(fù)載在長(zhǎng)碳纖維片D表面，然后將反應(yīng)釜冷卻至室溫，將負(fù)載有無(wú)機(jī)化合物的長(zhǎng)碳纖維片取出，清洗、干燥；
[0011](3)將步驟(2)得到的長(zhǎng)碳纖維片D分散在水中，進(jìn)行疏解，得到均勻疏解長(zhǎng)碳纖維；
[0012](4)將步驟(3)得到的均勻疏解長(zhǎng)碳纖維與粘結(jié)劑添加劑粉體均勻混合后倒入熱壓模具中，在100?200°C、熱壓壓力為2?1MPa的條件下熱壓I?4h，即得到具有優(yōu)異界面結(jié)合的短切碳纖維/無(wú)機(jī)非金屬氧化物增強(qiáng)高分子基復(fù)合材料。
[0013]優(yōu)選地，所述粘結(jié)劑添加劑為具有熱固性或熱塑性且耐熱耐化學(xué)腐蝕的高分子材料。
[0014]優(yōu)選地，所述粘結(jié)劑添加劑可以是熱固性樹脂，包括不飽和聚酯、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、呋喃樹脂、聚酰亞胺樹脂以及有機(jī)硅樹脂等;也可以為熱塑性樹脂，包括聚烯烴、聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、聚苯醚、聚苯硫醚、聚醚醚酮。
[0015]優(yōu)選地，所述的粘結(jié)劑添加劑通過(guò)噴涂或者抽濾的方式實(shí)現(xiàn)。
[0016]優(yōu)選地，所述的長(zhǎng)碳纖維片D是根據(jù)以下方法得到的:首先將長(zhǎng)碳纖維預(yù)處理后，然后將其溶于水中，通過(guò)砂芯漏斗抽濾裝置對(duì)其進(jìn)行抽濾得到長(zhǎng)碳纖維濾餅，然后通過(guò)模壓的方式，在2Mpa?15Mpa的壓力下，靜置1min?60min，然后將其用乙醇和去離子水清各洗3?6次，并于60?100 °C下烘干，即可獲得厚度為0.5mm?1mm的長(zhǎng)碳纖維片D。
[0017]優(yōu)選地，所述水熱感應(yīng)加熱的感應(yīng)頻率為10?500KHZ，感應(yīng)電流為O?1200A的范圍內(nèi)。
[0018]優(yōu)選地，所述無(wú)機(jī)化合物包括氧化物、硫化物或其他，所述氧化物包括金屬氧化物和非金屬氧化物，所述金屬氧化物包括氧化銅、氧化鋅、氧化猛、氧化鈦、氧化鋁、氧化鉬、氧化鎢或其他金屬氧化物，所述非金屬氧化物包括氧化硅、氧化鈣或其他無(wú)機(jī)非金屬氧化物；所述硫化物包括硫化鉬、硫化鎢、硫化釩、硫化銅、硫化鐵或其他硫化物，所述其他包括羥基磷灰石、磷酸鎬、硅酸鈣或硅酸釔。
[0019]優(yōu)選地，所述反應(yīng)釜的填充比為40?80%。
[0020]一種根據(jù)上述方法制備的一種碳纖維增強(qiáng)高分子基復(fù)合材料，其應(yīng)用于汽車換擋離合器上。
[0021]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果:本發(fā)明將水熱感應(yīng)加熱技術(shù)中應(yīng)用于碳纖維表面接枝納米材料，給納米材料改性碳纖維增強(qiáng)高分子基復(fù)合材料提供了一種全新的制備方法。該方法制備周期短、工藝簡(jiǎn)單易控，無(wú)需后續(xù)處理且對(duì)環(huán)境友好，因而更易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
【【附圖說(shuō)明】】
[0022]圖1為本發(fā)明制備的MnO2和碳纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)的掃描電鏡(SEM)照片。
[0023]圖2是本發(fā)明實(shí)施例1的SEM照片。
[0024]圖3是本發(fā)明實(shí)施例4的SEM照片。
[0025]圖4是本發(fā)明實(shí)施例3的SEM照片。
[0026]圖5是本發(fā)明實(shí)施例2的SEM照片。
【【具體實(shí)施方式】】
[0027]實(shí)施例1
[0028]—種碳纖維增強(qiáng)高分子基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟:
[0029]步驟一:稱取0.5?5gA(A可以是高錳酸鉀、鉬酸銨、鎢酸鈉、氯化鋅、氯化銅、氯化鈦、氯化鋁等合成金屬氧化物所需的鹽)，溶于40?SOmlB溶劑中(可以是水、乙醇、丙醇以及乙二醇等)，配置成摩爾濃度為0.01?5mol/L的C溶液，調(diào)節(jié)其pH值為酸性；
[0030]步驟二:將碳布置于丙酮溶液中超聲清洗2?1h后取出，用去離子水清洗后烘干。然后將烘干后的碳布置于0.1?2mol/L的高錳酸鉀溶液中浸泡12?36h(浸