一種石墨烯聚合物復(fù)合纖維膜增強(qiáng)增韌復(fù)合材料的制備方法
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高性能復(fù)合材料及其制備方法，具體講涉及一種石墨烯聚合物復(fù)合纖維膜增強(qiáng)增韌復(fù)合材料的制備方法。
【【背景技術(shù)】】
[0002]復(fù)合材料的高性能化，是復(fù)合材料的主要研究方向，尤其是能有效提高復(fù)合材料抗沖擊損傷能力的高韌化。而現(xiàn)有的增韌技術(shù)主要包括以下幾種方法:1)橡膠增韌，2)熱塑性聚合物共混增韌，3)剛性粒子增韌。后續(xù)又提出了層間增韌的概念，即在熱塑性聚合物共混增韌的基礎(chǔ)上，通過在復(fù)合材料層間鋪放熱塑性聚合物粉末或熱塑性聚合物薄膜來提高抗沖擊韌性。雖然層間鋪放的聚合物薄膜能有效提高復(fù)合材料的抗沖擊損傷能力，但是由于鋪放于層間的熱塑性薄膜嚴(yán)重阻礙了基體樹脂在層間的流動(dòng)及夾雜或其揮發(fā)性成分在層間的排出，從而導(dǎo)致復(fù)合材料的質(zhì)量下降。
[0003]石墨烯因其具有良好的彈性、高機(jī)械強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度等特性，因而將石墨烯作為一種增強(qiáng)增韌材料，添加到復(fù)合材料中，可以進(jìn)一步改善復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性。且石墨烯具有極大的比表面積(比表面積為2630m2g ，極高的楊氏模量(約ITPa)和斷裂強(qiáng)度(130GPa)，更適合于開發(fā)輕質(zhì)高性能的復(fù)合材料。如專利號(hào)為201310042163.1、發(fā)明名稱為《石墨烯增強(qiáng)增韌尼龍樹脂及其制備方法》的發(fā)明專利文件公開了一種石墨烯增強(qiáng)增韌尼龍樹脂及其制備方法，石墨烯增強(qiáng)增韌尼龍樹脂由重量百分比為68-76%的尼龍66或尼龍6、20-25 %磷氮結(jié)構(gòu)協(xié)效尼龍阻燃劑、1-5 %改性石墨烯、1-2 %的其它助劑組成。其制備方法為先對(duì)石墨烯進(jìn)行表面預(yù)處理，石墨烯表面處理后在于各種助劑混合，按配比將各種原料在高速攪拌斗中混合均勻，從混料口中加入到溫度設(shè)定為220?280°C、長(zhǎng)徑比(L/D)為32: 1-40: I的雙螺桿擠出機(jī)中，抽真空造粒即可。但該專利直接將石墨添加于尼龍樹脂材料中，且需對(duì)石墨烯進(jìn)行預(yù)處理，僅僅利用了石墨烯自身固有性質(zhì)，并不能滿足其輕質(zhì)高性能的要求，因此亟需提供一種輕質(zhì)高性能的復(fù)合材料。
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【發(fā)明內(nèi)容】
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[0004]為了實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料增強(qiáng)增韌，滿足輕質(zhì)高性能的要求，本發(fā)明提供了一種石墨烯聚合物復(fù)合纖維膜增強(qiáng)增韌復(fù)合材料的制備方法，利用石墨烯聚合物復(fù)合纖維膜增強(qiáng)增韌樹脂基復(fù)合材料。通過靜電紡絲技術(shù)將石墨烯與高分子聚合物復(fù)合成纖維膜，該膜具有多孔結(jié)構(gòu)，引入到復(fù)合材料中，使得復(fù)合材料和石墨烯有機(jī)的結(jié)合起來，進(jìn)一步提高了材料的力學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，將本發(fā)明提供的制備方法制得的石墨烯聚合物復(fù)合纖維膜加入到樹脂基復(fù)合材料制得的復(fù)合材料，其力學(xué)性能顯著改善，其沖擊后壓縮強(qiáng)度提高了 30%以上，同時(shí)耐熱性能有所改善。在保證石墨烯能夠均勻地分散在復(fù)合材料中的同時(shí)，還能增強(qiáng)復(fù)合材料中預(yù)浸料的層間作用力，有利于預(yù)浸料中的樹脂在加熱時(shí)的流動(dòng)，從而提高整個(gè)復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的均勻性。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以卞技術(shù)方案:
[0006]本發(fā)明提供了一種石墨烯聚合物復(fù)合纖維膜增強(qiáng)增韌復(fù)合材料的制備方法，包括下述步驟:
[0007]I)將質(zhì)量比為1:1?50的石墨烯和熱塑性聚合物溶解于有機(jī)溶劑中形成紡絲溶液；
[0008]2)將石墨烯熱塑性聚合物紡絲溶液置入靜電紡絲機(jī)注射器中，在8?30kV電壓下，于接收電極上得到石墨烯聚合物復(fù)合纖維膜；
[0009]3)在50?100°C的真空條件下去除有機(jī)溶劑，得石墨烯聚合物復(fù)合纖維膜；
[0010]4)將石墨烯聚合物復(fù)合纖維膜鋪覆于復(fù)合材料的預(yù)浸料層間，室溫下抽真空，經(jīng)160?180°C熱壓得到本發(fā)明的石墨烯聚合物復(fù)合纖維膜增強(qiáng)增韌復(fù)合材料。
[0011]本發(fā)明提供的制備方法步驟I)中的石墨烯為3?5層。
[0012]本發(fā)明提供的制備方法步驟I)中的熱塑性聚合物為聚醚酮、聚醚醚酮、聚醚酰亞胺、聚砜、聚醚砜、酚酞改性聚醚砜、聚苯硫醚、聚苯醚或聚酰胺。
[0013]本發(fā)明提供的制備方法步驟I)中的有機(jī)溶劑為四氫呋喃、二氯乙烷、四氯乙烷、二氯甲烷、三氯甲烷、N，N- 二甲基甲酰胺、N，N- 二甲基乙酰胺或N，N- 二甲基吡咯烷酮。
[0014]本發(fā)明提供的制備方法步驟2)中的接收電極與發(fā)射電極間的距離為8?23cm。
[0015]本發(fā)明提供的制備方法步驟2)中靜電紡絲機(jī)制得的石墨烯聚合物復(fù)合纖維的直徑為10?50nm。
[0016]本發(fā)明提供的制備方法步驟3)中制得的石墨烯聚合物復(fù)合纖維膜的厚度為5?50 μ m，寬度為5?40cm。
[0017]本發(fā)明提供的制備方法步驟4)中的復(fù)合材料為樹脂基復(fù)合材料。
[0018]與最接近的現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明提供的技術(shù)方案具有以下有益效果:
[0019]I)本發(fā)明提供的石墨烯聚合物復(fù)合纖維膜因其具有多孔結(jié)構(gòu)，利于基體樹脂加熱時(shí)在層間的流動(dòng)，提高材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的均勻性；
[0020]2)因石墨烯聚合物復(fù)合纖維膜因其具有多孔結(jié)構(gòu)易于層間揮發(fā)性成分的排出，保證了復(fù)合材料的質(zhì)量?jī)?yōu)異；
[0021]3)本發(fā)明提供的制備方法制得的復(fù)合材料，因石墨烯纖維膜的加入其力學(xué)性能顯著提高:沖擊后壓縮強(qiáng)度提高了 30%以上，同時(shí)耐熱性能有所改善；
[0022]4)本發(fā)明提供的技術(shù)方案得到的力學(xué)性能的提高的復(fù)合材料可廣泛應(yīng)用于需要減重的航空航天飛行器的輕量化領(lǐng)域。
【【具體實(shí)施方式】】
[0023]下面以各實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0024]實(shí)施例1
[0025]將Ig石墨烯和1g聚醚砜樹脂溶于89gN，N- 二甲基甲酰氨中，攪拌均勻，配成石墨烯聚醚砜混合溶液。將混合溶液通過靜電紡絲機(jī)紡絲成膜，紡絲電壓為15kV，工作距離為20cm，進(jìn)液速度為lml/h ;無紡布沉積在纖維沉積系統(tǒng)，并在80°C的熱空氣中揮發(fā)除去有機(jī)溶劑，形成無紡布增韌材料。采用熱壓成型工藝，石墨稀無紡布增韌5228A/T300-40B環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料。
[0026]與未添加石墨烯聚合物復(fù)合纖維膜的5228A/T300-40B環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料相比，實(shí)施例1制備的復(fù)合材料的沖擊后壓縮強(qiáng)度從234MPa提高到了 321MPa。
[0027]實(shí)施例2
[0028]將Ig石墨烯和1g聚砜樹脂溶于89g 二氯乙烷中，攪拌均勻，配成石墨烯聚砜混合溶液。將混合溶液通過靜電紡絲機(jī)紡絲成膜。紡絲電壓為12kV，工作距離為15cm，進(jìn)液速度為1.5ml/h ;無紡布沉積在纖維沉積系統(tǒng)，并在60°C的熱空氣中揮發(fā)除去有機(jī)溶劑，形成無紡布增韌材料。采用熱壓成型工藝，石墨烯無紡布增韌5228A/T300-40B環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料。
[0029]與未添加石墨烯聚合物復(fù)合纖維膜的5228A/T300-40B環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料相比，實(shí)施例2制備的復(fù)合材料的沖擊后壓縮強(qiáng)度從234MPa提高到了 298M