一种基于碳纳米纸电热效应的熔合方法及其复合材料

摘要

本发明公开了一种基于碳纳米纸电热效应的熔合方法及其复合材料。熔合方法包括碳纳米纸与待热熔的基材接触，对碳纳米纸通电加热，冷却成型。采用此方法制备的复合材料，为基材与碳纳米纸熔合结构。本发明所述充分利用碳纳米纸优良的电热效应，制备方法简单，无污染，耗能小，制备速度快的特点；采用此方法制备的复合材料，碳纳米材料（碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯）的分散好。

说明书

技术领域

本发明涉及碳纳米纸应用领域，特别是涉及一种基于碳纳米纸电热效应的粘结方法及其复合材料。

背景技术

碳纳米管和碳纳米纤维因其呈纳米尺度的一维结构，质轻，优良的导电、导热性，优异的力学强度，因常将其添加到其它材料中制成碳纳米增强材料。比如掺在有机聚合物中，作成碳纳米有机复合材料，其性能相当原有聚合物大幅提升，而质量依然很轻。掺杂碳纳米管或者碳纳米纤维的有机复合材料，可广泛用于电磁屏蔽、高振动阻尼材料、高导电高强度聚合纤维等领域。例如公开杂志Materials Science and Engineering B报道了将质量分数4%的碳纳米管掺入PP、PE和PET中，在7.6GHz最高达到17.61dB的吸波强度。中国专利CN101432137A公开一种将单壁和双壁碳纳米管掺入环氧树脂中，从而大大增强其挠曲强度。碳纳米金属复合材料也是一种碳纳米增强复合材料，通过掺和，可大幅提高金属的力学性能。然而，要发挥碳纳米纤维增强的性能，必须要求碳纳米管或者碳纳米纤维均匀分散于基体中。以聚合物为例，目前，分散的方法有如下几种：1、溶剂分散加入法，即先将碳纳米纤维或者碳纳米管分散于溶剂中，然后将聚合物也溶解于溶剂中，通过蒸发干燥等方式，制备成复合材料；2、机械碾磨混合，将碳纳米管或碳纳米纤维直接碾磨共混，熔固获得碳纳米有机复合材料；3、熔融混合，即采用挤出机等机器将碳纳米管或纤维混合；4、原位聚合共混，即先将碳纳米管或碳纳米纤维均匀分散于聚合物单体，然后添加引发剂，进行聚合，从而得到碳纳米管或纤维-有机复合材料。采用上述方式分散，通常会存在一些问题，比如：溶剂挥发污染、聚合物溶剂缓慢，机械共混分散效率低，分散效果差，碳纳米管或纤维分散于某些聚合物单体困难，聚合物选择有限等问题。

碳纳米纸（巴基纸，bucky paper）是一种由碳纳米管或者碳纳米纤维均匀交联呈无纺布结构的纸状基材。它既保留了碳纳米材料的良好导电性、高比表面积等特性，又具备宏观材料的可操作性。

碳纳米纸本身是个均匀的网状结构，采用碳纳米纸与需增强基体熔合，避免了碳纳米管或碳纳米纤维在基体中分散困难的问题，并且碳纳米管或碳纳米纤维在基体中还保持一个相互交联的纳米网状结构。目前，主要采用RTM工艺制备碳纳米纸与聚合物复合材料。RTM工艺的主要原理是在模腔中铺放按性能和结构要求设计的增强材料预成形体，采用注射设备将专用树脂体系注入闭合模腔，模具具有周边密封和紧固以及注射及排气系统，以保证树脂流动流畅并排出模腔中的全部气体和彻底浸润纤维，还具有加热系统，可加热固化成形复合材料构件。公开杂志Composites: Part B报道了采用RTM工艺将环氧树脂复合在表面Ni修饰的碳纳米纸上，表现出了良好的防雷击特性。公开杂志Journal of Nanomaterials报导了将不饱和聚酯也采用RTM工艺复合在碳纳米纸上，表现出来了高振动阻尼性能。然而，RTM工艺存在耗能多，制备速度慢，成本较高，采用溶剂溶解的聚合物还存在溶剂挥发污染的缺陷。

发明内容

本发明第一目的在于提供一种低能耗、低成本的将碳纳米纸用于其他材料熔合的方法——基于碳纳米纸电热效应的熔合方法；另一目的在于提供这种方法制备的复合材料。

本发明第一目的是这样实现的，熔合方法包括碳纳米纸与待热熔的基材接触，对碳纳米纸通电加热，冷却成型。

所述熔合方法，可以增加加压步骤，以增强碳纳米纸与基材的熔合程度。

所述加压，采用散热性良好的材料接触，以保证形成一个较大的温度梯度。

所述熔合方法，通电加热功率和时间根据需要熔合的程度调整。

所述熔合方法，其熔合环境为真空环境，以保证熔合过程中材料中的气体排出。

本发明的另一目的是这样实现的，所述复合材料碳纳米管纸与基材呈紧密熔合而成。

所述碳纳米管纸是有由所述碳纳米纸是有由单壁碳纳米管，多壁碳纳米管或者碳纳米纤维中的一种或者混合交联成的无纺布结构。

所述基材是任何受热会软化或者熔化的材料。

所述复合材料，可以是一层碳纳米纸，一层基材的两层结构，也可以是多层交替结构。

所述复合材料基材，可以是同种材料，也可以是不同种基材。

所述复合材料，基体渗透熔合到碳纳米纸的空隙中。

   有益效果

    采用本发明所述熔合方法，充分利用碳纳米纸的优良的电热效应，制备方法简单，无污染，耗能小，制备速度快的特点；采用此方法制备的复合材料碳纳米管和碳纳米纤维分散好。 

   附图说明

图1 为本发明中基于碳纳米纸电热效应的熔合方法的原理示意图；

  图中：1-基材、2-碳纳米管纸、3-加热电源。

图2为 本发明基于碳纳米纸电热效应的熔合方法制备的交替型复合材料的结构示意图；

图中：1-基材、2-碳纳米管纸。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明一种基于碳纳米纸电热效应的熔合方法及其复合材料作进一步对说明，但不以任何方式对本发明加以限制，依据本发明的教导所作的任何变更或替换，均属于本发明的保护范围。

图1为本发明中基于碳纳米纸电热效应的熔合方法的原理示意图；

本发明中所述制备原理为：将基材1与碳纳米管纸2接触，电源3对碳纳米管纸进行通电加热，当碳纳米管纸温度达到基材1软化或熔化温度时，接触碳纳米管纸区域的基材开始熔化或者软化，熔化或者软化的基材与碳纳米纸粘合，适当调整加热温度、压力以及时间，可得到基材充分渗透到碳纳米纸中的，复合材料，最后冷却成型。 

概括说，熔合方法包括碳纳米纸与待热熔的基材接触，对碳纳米纸通电加热，冷却成型。

所述熔合方法，可以增加加压步骤，以增强碳纳米纸与基材的熔合程度。

所述加压，采用散热性良好的材料接触，以保证形成一个较大的温度梯度。

所述熔合方法，通电加热功率和时间根据需要熔合的程度调整。

所述熔合方法，其熔合环境为真空环境，以保证熔合过程中材料中的气体排出。

图2为本发明基于碳纳米纸电热效应的熔合方法制备的交替型复合材料的结构示意图；

所述复合材料结构包括碳纳米管纸与基材呈紧密熔合而成。

所述碳纳米管纸是由所述碳纳米纸是有由单壁碳纳米管，多壁碳纳米管或者碳纳米纤维中的一种或者混合交联成的无纺布结构。

所述基材是任何受热会软化或者熔化的材料。

所述复合材料，可以是一层碳纳米纸，一层基材的两层结构，也可以是多层交替结构。

所述复合材料基材，可以是同种材料，也可以是不同种基材。

所述复合材料，基体渗透熔合到碳纳米纸的空隙中。

实施例1 

将镁铝合金片与碳纳米纸交替层叠紧贴，使整个处于真空环境，对碳纳米纸通电，使其达到500℃，保持1分钟，自然冷却，即获得碳纳米增强镁铝合金复合材料。

实施例2

    将一层聚丙烯薄膜紧贴于碳纳米纸，对碳纳米纸进行加热，使其达到170℃，并对聚丙烯薄膜和碳纳米管纸之间施加一定压力，保持5秒，自然冷却，获得单面聚丙烯复合碳纳米纸。

实施例3

    将高密度聚乙烯薄板与碳纳米纸交替多层紧贴，使整个处于真空环境，对碳纳米纸进行加热，使其达到140℃，并对高密度聚乙烯薄板与碳纳米纸之间施加一定压力，保持20秒，自然冷却，碳纳米增强的高密度聚乙烯复合材料。

实施例4

   将纳米锡粉均匀的撒在碳纳米纸上，是锡粉紧贴碳纳米纸，对碳纳米纸进行加热，使其达到250℃，保持30秒，自然冷却，即制成碳纳米纸-金属锡复合材料。

实施例5

    将高密度聚氯乙烯薄板与碳纳米纸交替多层紧贴，使整个处于真空环境，对碳纳米纸进行加热，使其达到200℃，并对高密度聚乙烯薄板与碳纳米纸之间施加一定压力，保持1分钟，自然冷却，碳纳米增强的聚氯乙烯复合材料。