一種石墨烯聚合物復(fù)合纖維膜增強(qiáng)增韌復(fù)合材料的制作方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高性能復(fù)合材料，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。
【【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(guò)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(lái)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，但是鋪放于層間的熱塑性薄膜嚴(yán)重阻礙了基體樹(shù)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，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(kāi)發(fā)輕質(zhì)高性能的復(fù)合材料。如專(zhuān)利號(hào)為201310042163.1、發(fā)明名稱(chēng)為《石墨烯增強(qiáng)增韌尼龍樹(shù)脂及其制備方法》的發(fā)明專(zhuān)利文件公開(kāi)了一種石墨烯增強(qiáng)增韌尼龍樹(shù)脂及其制備方法，石墨烯增強(qiáng)增韌尼龍樹(shù)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(zhuān)利直接將石墨添加于尼龍樹(shù)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(mǎn)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(mǎn)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，利用石墨烯聚合物復(fù)合纖維膜增強(qiáng)增韌樹(shù)脂基復(fù)合材料。通過(guò)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(lái)，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)明提供的石墨烯聚合物復(fù)合纖維膜加入到樹(shù)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(shù)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)明采用以下技術(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，該材料包括石墨烯聚合物復(fù)合纖維膜和復(fù)合材料，石墨烯聚合物復(fù)合纖維膜由石墨烯與熱塑性聚合物制成，其中石墨烯與熱塑性聚合物的質(zhì)量比為1:1?50;
[0007]復(fù)合材料的預(yù)浸料層間鋪覆有石墨烯聚合物纖維膜。
[0008]本發(fā)明提供的石墨烯聚合物復(fù)合纖維膜增強(qiáng)增韌復(fù)合材料中石墨烯與熱塑性聚合物的質(zhì)量比為1: 5?40。
[0009]本發(fā)明提供的石墨烯聚合物復(fù)合纖維膜增強(qiáng)增韌復(fù)合材料中石墨烯與熱塑性聚合物的質(zhì)量比為1: 10?30。
[0010]本發(fā)明提供的石墨烯聚合物復(fù)合纖維膜增強(qiáng)增韌復(fù)合材料中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。
[0011]本發(fā)明提供的石墨烯聚合物復(fù)合纖維膜增強(qiáng)增韌復(fù)合材料中復(fù)合材料為樹(shù)脂基復(fù)合材料。
[0012]本發(fā)明提供的石墨烯聚合物復(fù)合纖維膜增強(qiáng)增韌復(fù)合材料中石墨烯聚合物復(fù)合纖維膜的厚度為5?50 μ m，寬度為5?40cm。
[0013]本發(fā)明還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:
[0014]I)制備石墨烯熱塑性聚合物紡絲溶液:
[0015]將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；
[0016]2)制備石墨烯聚合物復(fù)合纖維膜:
[0017]將石墨烯熱塑性聚合物紡絲溶液置入靜電紡絲機(jī)注射器中以0.2?10.0ml/h的進(jìn)液速度，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；
[0018]3)干燥石墨烯聚合物復(fù)合纖維膜:
[0019]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；
[0020]4)制備石墨烯聚合物復(fù)合纖維增強(qiáng)增韌復(fù)合材料:
[0021]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熱壓得所述復(fù)合材料。
[0022]本發(fā)明提供的制備方法中石墨烯為3?5層。
[0023]本發(fā)明提供的制備方法中石墨烯聚合物復(fù)合纖維的直徑為10?50nm。
[0024]本發(fā)明提供的制備方法中步驟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。
[0025]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:
[0026]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(shù)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；
[0027]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；
[0028]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；
[0029]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】】
[0030]下面以各實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0031]實(shí)施例1
[0032]將Ig石墨烯和1g聚醚砜樹(shù)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(guò)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(wú)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(wú)紡布增韌材料。采用熱壓成型工藝，石墨稀無(wú)紡布增韌5228A/T300-40B環(huán)氧樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料。
[0033]與未添加石墨烯聚合物復(fù)合纖維膜的5228A/T300-40B環(huán)氧樹(shù)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。
[0034]實(shí)施例2
[0035]將Ig石墨烯和1g聚砜樹(shù)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(guò)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(wú)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(wú)紡布增韌材料。采用熱壓成型工藝，石墨烯無(wú)紡布增韌5228A/T300-40B環(huán)氧樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料。
[0036]與未添加石墨烯聚合物復(fù)合纖維膜的5228A/T300-40B環(huán)氧樹(shù)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 298MPa。
[0037]