一种纳米增韧的碳纤维复合材料及其制备方法
【技术领域】：
[0001 ]本发明涉及碳纤维复合材料技术领域，具体涉及一种石墨烯/埃洛石纳米管膜和 碳纳米管/埃洛石纳米管膜协同增韧的碳纤维复合材料。
【背景技术】：
[0002] 石墨烯是有碳原子按正六边形紧密排列成蜂窝状晶格的单层二维平面结构，具有 较强的导电性，较高的强度。石墨烯原始片层因为其低的表面活化能，往往不能很好与的聚 合物浸润而达到很好的分散，最终致使其增强的复合材料性能不升反降。
[0003] 自1991年日本科学家发现碳纳米管以来，其制备方法、性能和应用都得到了广泛 的研究。碳纳米管的管径在2_20nm，长度可达到微米级别，较大的长径比和比表面积使其容 易发生团聚，很难在基体中分散开。同时，表面惰性使其与基体之间的界面结合力较弱，在 受载时应力不能有效的在基体和碳纳米管之间转移。
[0004] 界面结合不好和纳米粒子在树脂基体中的分散性差，始终是纳米增强纤维树脂基 复合材料中的关键问题。一般简单的机械混合很难使得纳米粒子在树脂基体中有效分散。
[0005] 碳纤维复合材料作为一种高性能复合材料，存在脆性高、韧性低等问题，传统的解 决方法有热塑性树脂改性、橡胶粒子改性等。然而，通过热塑性树脂和橡胶粒子等传统方法 改性，虽然可以提高复合材料的韧性，但是会导致复合材料的耐热性下降、模量下降等一系 列问题。本发明采用了纳米粒子层间增韧碳纤维预浸料制备碳纤维复合材料，可以大幅度 提高材料的韧性，同时也能提高复合材料的模量，得到高性能复合材料。
【发明内容】
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[0006] 本发明目的在于克服现有技术上的碳纤维复合材料韧性不足的特点，提供一种石 墨烯/碳纳米管/埃洛石纳米管协同增韧的碳纤维复合材料，所述碳纤维复合材料由16~20 层预浸料薄膜，1层活性石墨烯/埃洛石纳米管复合薄膜和1层活性碳纳米管/埃洛石纳米管 复合薄膜模压固化成型而成;其中，所述活性石墨烯/埃洛石纳米管复合薄膜由10~15%氨 基化石墨烯，70~80%的苄基缩水甘油醚和10~15%改性后的接枝长链聚合物的埃洛石纳 米管制成;所述活性碳纳米管/埃洛石纳米管复合薄膜由10~15 %的碳纳米管和70~80% 的苄基缩水甘油醚和I 〇~15 %改性后的接枝长链聚合物的埃洛石纳米管制成。
[0007] 进一步，所述碳纤维复合材料的厚度为：2~3mm，所述预浸料厚度为0.09~ 0.17mm、活性石墨烯/埃洛石纳米管复合薄膜厚度为50~80μπι、活性碳纳米管/埃洛石纳米 管复合薄膜的厚度为50~80μπι。
[0008] 进一步，所述碳纤维复合材料的铺层顺序自上而下分别为:8~10层预浸料，1层活 性石墨烯/埃洛石纳米管复合薄膜和1层活性碳纳米管/埃洛石纳米管复合薄膜和8~10层 预浸料。
[0009] 同时，本发明还提供一种碳纤维复合材料的制备方法，所述碳纤维复合材料采用 模压法制备，具体是将0.09~0.17_的碳纤维预浸料、活性石墨烯/埃洛石纳米管复合薄膜 和活性碳纳米管/埃洛石纳米管复合薄膜置于平板硫化仪中，按照碳纤维预浸料的固化工 艺进行固化成型，最终压制成厚度为2~3_的单向复合材料层合板。
[0010] 其中，活性石墨烯/埃洛石纳米管复合薄膜的制备方法包括如下步骤：
[0011] a)将埃洛石纳米管添加到盐酸溶液中，取下层浑浊液，加蒸馏水离心处理，取沉淀 物烘干，研磨，得到粉末I;
[0012] b)在粉末I中加入氯化钠溶液，搅拌，蒸馏水离心处理，105°C条件下烘干，研磨，得 到粉末Π ;
[0013] C)在粉末Π 中加入十六烷基三甲基溴化铵，60°C油浴搅拌，乙醇离心，90°C烘干， 研磨，得到改性后的接枝长链聚合物的埃洛石纳米管；
[0014] d)将氨基化石墨烯于苄基缩水甘油醚混合，机械搅拌，得到混合液I;
[0015] e)将混合液I加入球磨机中，在氮气保护下球磨，得到混合液Π ;
[0016] f)将混合液Π 置于150 ± 5 °C的条件下油浴，然后常温静置，得到活性石墨烯混合 液；
[0017] g)在活性石墨烯混合液中加入改性后的接枝长链聚合物的埃洛石纳米管，得到混 合液m;
[0018] h)完全混合后将混合液m加热到90±5°C，并在90±5°C的条件下机械搅拌，得到 混合液IV;
[0019] i)将混合液IV在60W超声功率下超声处理，常温静置后得到的活性石墨烯埃洛石 纳米管混合液；
[0020] j)将活性石墨烯/埃洛石纳米管混合液涂膜，然后常温静置，得到石墨烯/埃洛石 纳米管复合薄膜。
[0021] 所述活性碳纳米管/埃洛石纳米管复合薄膜的制备方法包括如下步骤：
[0022] a)将氨基化碳纳米管加入到苄基缩水甘油醚中，搅拌，得到混合液①；
[0023] b)将混合液①加入球磨机中，在氮气保护下球磨，得到混合液②；
[0024] c)将混合液②在150 ± 5°C的条件下油浴，然后常温静置，得到活性碳纳米管混合 液；
[0025] d)将改性后的接枝长链聚合物的埃洛石纳米管成品加入活性碳纳米管混合液中， 并加热到90 ± 5°C，在90 ± 5°C的条件下机械搅拌，得到混合液③；
[0026] e)将混合液③置于60W超声功率下超声处理，然后常温静置，得到的活性碳纳米 管/埃洛石纳米管混合液；
[0027] f)将活性碳纳米管/埃洛石纳米管混合液在四氟乙烯平板上进行涂膜，常温静置， 得到碳纳米管/埃洛石纳米管复合薄膜。
[0028] 进一步，所述球磨的条件为：球磨转速200~500r/min，连续球磨IOmin后需间歇 5min，球磨时间0.5~4h。
[0029] 本发明所述涂膜的方法包括:用玻璃棒涂膜，用甩膜机涂膜，用涂膜机涂膜。
[0030] 有益效果：
[0031] 其一：
[0032]本发明的克服了现有技术上的不足，通过活性石墨烯/埃洛石纳米管的混合处理， 活性碳纳米管/埃洛石纳米管的混合处理，实现对复合材料多维度，多尺度的增强增韧，通 过实施例1~4的数据可以看出，大大提高了复合材料的力学性能。
[0033]首先，本发明通过对氨基化石墨烯进行预处理，将氨基化石墨烯同苄基缩水甘油 醚反应，经过湿法球磨处理得到活性石墨烯。其次，通过对氨基化碳纳米管进行预处理，将 氨基化碳纳米管同苄基缩水甘油醚反应，经过湿法球磨处理得到活性碳纳米管，最后，本发 明通过对埃洛石纳米管进行预处理，将购买的埃洛石纳米管和浓度盐酸反应，静置。倒掉上 清液，蒸馏水离心处理到PH= 6，烘干，研磨。然后加入氯化钠溶液反应，蒸馏水离心处理直 到不含氯离子，烘干，研磨。最后同十六烷基三甲基溴化铵，乙醇离心，烘干，研磨得到改性 后的接枝长链聚合物的埃洛石纳米管。
[0034]本发明通过上述三种预处理过程，将液体活性石墨烯同改性后埃洛石纳米管进行 混杂处理，得到活性石墨烯/埃洛石纳米管混合液。之后用常规涂膜方法将活性石墨烯/埃 洛石纳米管混合液进行涂膜。将液体活性碳纳米管同改性后埃洛石纳米管进行混杂处理， 得到活性碳纳米管/埃洛石纳米管混合液。之后用常规涂膜方法将碳纳米管/埃洛石纳米管 混合液进行涂膜。最后将两层纳米复合膜铺在预浸料层间模压成型制备复合材料层合板， 其中，所述常规涂膜方法包括用玻璃棒涂膜，用甩膜机涂膜，用涂膜机涂膜等现有涂膜方 法。
[0035] 其二：
[0036] 本发明制备了两种应用于层间增韧的纳米复合膜。在复合膜的制备过