一種碳纖維增強高分子基復(fù)合材料的制備方法及應(yīng)用
【專利說明】
【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，與樹脂基體的浸潤性差、界面結(jié)合性能差等缺點，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)對碳纖維表面進行處理，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。國內(nèi)外學(xué)者針對碳纖維表面的結(jié)構(gòu)特點，提出了多種方法對碳纖維表面進行處理，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，其與高分子能夠發(fā)生很好地結(jié)合，但是碳纖維的強度會出現(xiàn)下降。等離子體處理的機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，從而提高纖維和高分子基體相互之間的浸潤性[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，因而其強度在一定程度上也會出現(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)和剪切強度的中間層，進而增強復(fù)合材料的界面強度，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)合材料的各項性能(包括摩擦學(xué)性能和機械性能等)，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:機械共混法、纖維表面接枝和沉積法等。采用機械共混法和沉積法只能將已合成的納米顆粒通過物理手段引入到復(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)來實現(xiàn)，因而這種結(jié)合是弱的。。
[0005]因此，尋找一種工藝簡單易控、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，并且能實現(xiàn)一步法在碳纖維表面生長納米顆粒的制備方法顯得非常有意義。【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種碳纖維增強高分子基復(fù)合材料的制備方法及應(yīng)用，這種方法工藝簡單易控，能夠一步實現(xiàn)納米材料在碳纖維上的合成和生長，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)配制無機化合物所需要的鹽溶液C;
[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)放置用于感應(yīng)交變磁場的基體材料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)交變磁場的作用下，鹽溶液C變?yōu)闊o機化合物，并負載在基體材料D表面，然后將反應(yīng)釜冷卻至室溫，將負載有無機化合物的基體材料取出，清洗、干燥;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)；所述基體材料為具有一定致密度的碳布或碳片；
[0011](3)將步驟(2)得到的基體材料進行熱壓成型，即得到具有優(yōu)異界面結(jié)合的碳纖維增強高分子基復(fù)合材料。
[0012]優(yōu)選地，所述碳片包括納米碳纖維片、短切碳纖維片或長碳纖維片，所述碳片是通過抽濾或模壓或抽濾和模壓結(jié)合的方式而得。
[0013]優(yōu)選地，所述步驟(3)的熱壓成型方法為:
[0014]基底材料是碳布:將步驟(2)得到的基底材料浸漬在粘結(jié)劑添加劑溶液中，然后將其放置在硫化機上熱壓成型；
[0015]基底材料是碳片:將步驟(2)得到的基底材料碾碎均勻分散后，與粘結(jié)劑添加劑粉體均勻混合后倒入熱壓模具中熱壓成型，或者將步驟(2)得到的基底材料浸漬在粘結(jié)劑添加劑溶液中，然后將其放置在硫化機上熱壓成型。
[0016]優(yōu)選地，所述步驟(3)的粘結(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。
[0017]優(yōu)選地，所述粘結(jié)劑添加劑溶液可以是熱固性樹脂，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。
[0018]優(yōu)選地，所述的粘結(jié)劑添加劑溶液通過噴涂或者抽濾的方式與基底材料混合。
[0019]優(yōu)選地，在基底材料浸漬在粘結(jié)劑添加劑溶液中后，將其放置在硫化機上熱壓成型時，其熱壓成型的熱壓溫度為150?150°C，熱壓時間為10?20min，熱壓壓力為3?8MPa;在基底材料被碾碎后再熱壓成型時，其熱壓成型的溫度為100?200°C，熱壓壓力為2?1MPa，熱壓時間為I?4h。
[0020]優(yōu)選地，在基底材料被碾碎后再熱壓成型的過程中，每隔一段時間放氣一次，以充分排掉高分子在熱壓過程中產(chǎn)生的氣體。
[0021]優(yōu)選地，所述碳布在放入到反應(yīng)釜之前，首先對其進行預(yù)處理，以除去其表面的有機物，預(yù)處理的方法為: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高錳酸鉀溶液或者硝酸溶液中浸泡12?36h或者將碳布在氣氛條件下進行煅燒處理，最后，將碳布用去離子水進行清洗，干燥。
[0022]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、工藝簡單易控，無需后續(xù)處理且對環(huán)境友好，因而更易于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
【【附圖說明】】
[0023]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。
[0024]圖2是本發(fā)明實施例1的SEM照片。
[0025]圖3是本發(fā)明實施例4的SEM照片。
[0026]圖4是本發(fā)明實施例3的SEM照片。
[0027]圖5是本發(fā)明實施例2的SEM照片。
【【具體實施方式】】
[0028]實施例1
[0029]—種碳纖維增強高分子基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟:
[0030]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；
[0031]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(浸泡高錳酸鉀