本發(fā)明涉及環(huán)氧樹脂基短碳纖維復(fù)合材料界面改性領(lǐng)域，尤其涉及的是一種基于myox-ucnts修飾短碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、近年來，碳纖維作為一種高強(qiáng)度，低密度，高模量比的纖維增強(qiáng)材料，因其具有良好的耐磨性，耐熱性，耐酸堿性，已經(jīng)成為高端應(yīng)用領(lǐng)域的重要增強(qiáng)材料，其中碳纖維樹脂基復(fù)合材料已經(jīng)逐漸成為航空航天，風(fēng)電，海洋船舶，汽車以及軌道交通的首選材料。為了滿足更多的加工要求(注射成型，增材制造等)，短切碳纖維復(fù)合材料亟待發(fā)展。

2、為了加速短切碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用，提高短切碳纖維復(fù)合材料的相關(guān)力學(xué)性能成為關(guān)鍵因素?；趪鴥?nèi)相關(guān)的研究，碳纖維與樹脂基體之間的界面調(diào)控已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。其中碳納米管作為一種新型納米材料，具有密度小，長徑比大，高強(qiáng)高韌性的優(yōu)良特性，再添加量很小的情況下能夠顯著提高環(huán)氧樹脂的力學(xué)性能，所以碳納米管被認(rèn)為是一種理想的復(fù)合材料的增強(qiáng)體,有望被用來改善界面相從而提高其性能。

3、雖然表面接枝碳納米管能夠改善碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料的界面結(jié)合性能，但機(jī)械嚙合作用對界面增強(qiáng)的貢獻(xiàn)較小，而在碳納米管上形成進(jìn)行調(diào)控，形成多尺度增強(qiáng)體被認(rèn)為是解決碳纖維樹脂基復(fù)合材料存在的諸多問題重要手段。所以，該方法在復(fù)合材料界面結(jié)合領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的潛力。因此，發(fā)明針狀四氧化三鐵修飾的解拉鏈碳納米管改性樹脂基短碳纖維復(fù)合材料制備方法，在科研及生產(chǎn)領(lǐng)域具有重大的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足提供一種基于myox-ucnts修飾短碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料及其制備方法，即一種基于過渡金屬氧化物修飾的解拉鏈碳納米管改性環(huán)氧樹脂基短碳纖維復(fù)合材料及其制備方法。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、一種基于myox-ucnts修飾短碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

4、(1)將解拉鏈處理的碳納米管與含有過渡金屬離子的溶液均勻混合，得到過渡金屬氧化物修飾的解拉鏈碳納米管myox-ucnts；m代表過渡金屬元素；

5、(2)過渡金屬氧化物修飾的解拉鏈碳納米管化學(xué)接枝到短碳纖維上得到myox-ucnt-cf；

6、(3)myox-ucnt-cf加入環(huán)氧樹脂和固化劑的混合基體中機(jī)械攪拌均勻，澆筑到熱壓模具中施加一定壓力并按照一定的溫度梯度固化成型制得，所添加myox-ucnts-cf的質(zhì)量比為0.1％-20％；。

7、所述的制備方法，所述步驟(2)中，具體方法為：制備myox-ucnts接枝的短碳纖維myox-ucnts-cf：分別配置5wt％pei的50ml?dmf溶液，將氧化的短碳纖維加入上述溶液，所用pei的分子量包括400，600，800,1200；在20-50℃和50-500r/min的攪拌速度下充分?jǐn)嚢杈鶆?，獲得pei修飾的短碳纖維pei-cf；0.2g?pei-cf浸入含有0.1g?myox-ucnts的100ml?dmf溶液中，超聲振動(dòng)1h，加入10mg?hatu，在室溫下反應(yīng)1h，完成接枝反應(yīng)，后用去離子水清洗干凈，隨后在70℃下真空干燥6h，得到的優(yōu)化纖維分別記為fe3o4-ucnt-cfs。

8、所述的制備方法，短碳纖維的氧化方法為：將0.85g?agno3溶解于500ml去離子水中，再加入13.5g?k2s2o4磁力攪拌10min，將cfs分散于70℃恒溫水浴混合溶液中進(jìn)行氧化，將氧化后的碳纖維用甲醇提取2h，用蒸餾水反復(fù)清洗，去除cf表面殘留的混合物

9、所述的制備方法，步驟(1)所選取的cnts直徑為20-80nm，高錳酸鉀與碳納米管比例是以下任一種比例：1:1，1:2，1:3，1:4，1:5。

10、所述的制備方法，步驟(1)所制備的解拉鏈碳納米管納為60-300nm，高錳酸鉀與碳納米管比例的最佳質(zhì)量比為1:1-2。

11、所述的制備方法，步驟(1)中所述過渡金屬元素為：鐵、鈷、鎳或錳。

12、所述的制備方法，步驟(1)中，將解拉鏈處理的碳納米管在水中超聲分散均勻，加入一定量的過渡金屬離子溶液，加入稀氨水調(diào)節(jié)ph值為6-10左右，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝蠓湃牒嫦?0-100攝氏度30分鐘，用大量無水酒精過濾洗滌，后干燥；隨后將得到的前驅(qū)體350攝氏度煅燒120分鐘后即得到myox-ucnts；

13、所述的制備方法，步驟(1)中過濾洗滌所用的濾膜可選用以下聚四氟乙烯濾膜(ptfe)、尼龍膜(nylon)、聚丙烯濾膜(pp)、玻璃微孔濾膜、陶瓷微孔膜中任一種，孔徑為0.10-0.22μm。

14、所述的制備方法，步驟(2)中所用的溶劑所用溶劑可以是下面1種單一溶劑或2-3種混合溶劑：丙酮、dmf，四氫呋喃、甲醇，乙醇等，所用最優(yōu)的pei分子量為600。

15、所述的制備方法，步驟(3)中所述環(huán)氧樹脂的平均環(huán)氧值為0.51mol/g，所用固化劑可以是以下所提及的任意一種：脂肪族二胺和多胺、芳香族多胺、其它含氮化合物及改性脂肪胺等。

16、所述的制備方法，步驟(3)通過抽真空的方式排除氣泡，溫度為50-90℃，時(shí)間為20-90min；固化反應(yīng)為逐步升溫固化，第一階段固化溫度為60-100℃，時(shí)間為1-4h；第二階段固化溫度為80-140℃，時(shí)間為2-6h；第三階段固化溫度為140-180℃，時(shí)間為3-6h。熱壓機(jī)施加壓力為2mpa-50mpa。

17、所述的制備方法，步驟(3)中所制備復(fù)合材料通過萬能材料試驗(yàn)機(jī)測試復(fù)合材料的力學(xué)性能，myox-ucnts-cf的極限抗拉和彎曲強(qiáng)度與純環(huán)氧樹脂相比分別提高約150-250％和180-500％；。

18、根據(jù)任一項(xiàng)所述方法制備的過渡金屬氧化物-ucnt修飾短碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料。

19、本發(fā)明一方面利用表面功能化的解拉鏈碳納米管使其能夠相對均勻接枝到短碳纖維上。由于myox-ucnts獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu)以及豐富的表面基團(tuán)可以加強(qiáng)短碳纖維與基體之間的界面結(jié)合作用，可有效轉(zhuǎn)移施加的應(yīng)力，使其避免應(yīng)力集中，從而提高復(fù)合材料的機(jī)械性能。

技術(shù)特征：

1.一種基于myox-ucnts修飾短碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)的具體方法為：制備myox-ucnts接枝的短碳纖維myox-ucnts-cf：配置5wt％pei的50ml?dmf溶液，將氧化的短碳纖維加入上述溶液，所用pei的分子量為400，600，800或1200；在20-50℃和50-500r/min的攪拌速度下充分?jǐn)嚢杈鶆?，獲得pei修飾的短碳纖維pei-cf；將0.2g?pei-cf浸入含有0.1g?myox-ucnts的100ml?dmf溶液中，超聲振動(dòng)1h，加入10mg?hatu，在室溫下反應(yīng)1h，完成接枝反應(yīng)，后用去離子水清洗干凈，隨后在70℃下真空干燥6h，得到的優(yōu)化纖維分別記為fe3o4-ucnt-cfs。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，短碳纖維的氧化方法為：將0.85gagno3溶解于500ml去離子水中，再加入13.5g?k2s2o4磁力攪拌10min，將cfs分散于70℃恒溫水浴混合溶液中進(jìn)行氧化，將氧化后的碳纖維用甲醇提取2h，用蒸餾水反復(fù)清洗，去除cf表面殘留的混合物。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)所制備的解拉鏈碳納米管納為60-300nm，高錳酸鉀與碳納米管比例的最佳質(zhì)量比為1:1-2。

5.根據(jù)利要求1所述制備方法，其特征在于，步驟(1)中所述過渡金屬元素為：鐵、鈷、鎳或錳。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述制備方法，其特征在于，步驟(1)中，將解拉鏈處理的碳納米管在水中超聲分散均勻，加入一定量的過渡金屬離子溶液，加入稀氨水調(diào)節(jié)ph值為6-10左右，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝蠓湃牒嫦?0-100攝氏度30分鐘，用大量無水酒精過濾洗滌，后干燥；隨后將得到的前驅(qū)體350攝氏度煅燒120分鐘后即得到myox-ucnts。

7.根據(jù)利要求6所述制備方法，其特征在于，步驟(1)中過濾洗滌所用的濾膜可選用以下聚四氟乙烯濾膜(ptfe)、尼龍膜(nylon)、聚丙烯濾膜(pp)、玻璃微孔濾膜、陶瓷微孔膜中任一種，孔徑為0.10-0.22μm。

8.根據(jù)利要求1所述制備方法，其特征在于，步驟(3)中固化反應(yīng)為逐步升溫固化，第一階段固化溫度為60-100℃，時(shí)間為1-4h；第二階段固化溫度為80-140℃，時(shí)間為2-6h；第三階段固化溫度為140-180℃，時(shí)間為3-6h；熱壓機(jī)施加壓力為2mpa-50mpa。

9.根據(jù)權(quán)利要求1-8任一所述制備方法制備的過渡金屬氧化物-ucnt修飾短碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于M<subgt;y</subgt;O<subgt;x</subgt;?UCNTs修飾短碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料及其制備方法，包括以下步驟：(1)將解拉鏈處理的碳納米管與含有過渡金屬離子溶液均勻混合，得到過渡金屬氧化物修飾的解拉鏈碳納米管(M<subgt;y</subgt;O<subgt;x</subgt;?UCNTs)，M代表元素為鐵、鈷、鎳、錳、鋅；(2)過渡金屬氧化物修飾的解拉鏈碳納米管化學(xué)接枝到短碳纖維上。(3)M<subgt;y</subgt;O<subgt;x</subgt;?UCNT?CF加入環(huán)氧樹脂和固化劑的混合基體中機(jī)械攪拌均勻，澆筑到熱壓模具中施加壓力固化成型制得。本發(fā)明一方面利用表面功能化的解拉鏈碳納米管使其能夠相對均勻接枝到短碳纖維上。由于M<subgt;y</subgt;O<subgt;x</subgt;?UCNTs獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu)以及豐富的表面基團(tuán)可以加強(qiáng)短碳纖維與基體之間的界面結(jié)合作用，可有效轉(zhuǎn)移施加的應(yīng)力，使其避免應(yīng)力集中，從而提高復(fù)合材料的機(jī)械性能。

技術(shù)研發(fā)人員：唐建國,胡杰,位恒,王瑤,鞏學(xué)忠,斯特里扎克
受保護(hù)的技術(shù)使用者：青島大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9