一种碳纳米管接枝玻璃纤维多尺度增强体增强聚酰亚胺复合材料的制备方法

摘要

本发明属于纳米技术领域，具体涉及一种碳纳米管接枝玻璃纤维多尺度增强体增强聚酰亚胺复合材料的制备方法。本发明将碳纳米管经过纯化后，再进行羧基化后，得到表面接有羧基的碳纳米管，再将羧基化的碳纳米管均匀分散在有机溶剂中与玻璃纤维反应，得到玻璃纤维表面接枝有碳纳米管，再将表面接枝有碳纳米管的玻璃纤维浸入偶联剂溶液中处理，得到碳纳米管接枝改性功能化玻璃纤维的多尺度增强体；然后利用此多尺度增强体与聚酰亚胺进行加成反应，生成多尺度增强体增强的聚酰亚胺树脂复合材料。本发明反应步骤简单，利用碳纳米管的强度和韧性强韧化玻璃纤维，改善玻璃纤维与树脂基体的粘结性能，提高复合材料的界面粘结强度。可以广泛应用于航空航天、交通运输、风力发电以及机械电子等领域。

说明书

技术领域

本发明属于纳米技术领域，具体涉及一种碳纳米管接枝玻璃纤维多尺度增强体增强聚酰亚胺复合材料的制备方法。

背景技术

聚酰亚胺是综合性能最佳的有机高分子材料之一，耐高温达 400℃以上 ，长期使用温度范围－200～300℃，无明显熔点，高绝缘性能。聚酰亚胺作为一种特种工程材料，已广泛应用在航空、航天、微电子、纳米、液晶、分离膜、激光等领域。近来，各国都在将聚酰亚胺的研究、开发及利用列入 21世纪最有希望的工程塑料之一。玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，是非常好的金属材料替代材料，由于在多个领域得到广泛应用，因此日益受到人们的重视。玻璃纤维通常用作复合材料中的增强材料，电绝缘材料和绝热保温材料，电路基板等国民经济各个领域。玻璃纤维与树脂之间的相容性、亲和性较差，两者之间很难形成有效的界面黏结。为了改善玻璃纤维增强树脂复合材料的界面黏结，可以通过对玻璃纤维表面进行改性，提高玻璃纤维与聚合物基体间的界面粘结强度。碳纳米管(Carbon nanotubes,CNTs)是1991年由日本Iijima发现的，它奇特的结构赋予其优异的机械性能、电学性能和热力学性能，CNTs抗拉强度达到50～200GPa，是钢的100倍，密度却只有钢的1/6，至少比常规石墨纤维高一个数量级；它的弹性模量可达1TPa，与金刚石的弹性模量相当，约为钢的5倍。因此被越来越广泛地作为聚合物的增强材料，制备轻质高强的复合材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种界面粘结牢固的碳纳米管接枝玻璃纤维多尺度增强体增强聚酰亚胺复合材料的制备方法。

本发明提出的一种碳纳米管接枝玻璃纤维多尺度增强体增强聚酰亚胺复合材料的制备方法，是将碳纳米管经过纯化，羧基化后，得到表面接有羧基的碳纳米管，再将羧基化的碳纳米管均匀分散在有机溶剂中与玻璃纤维反应，得到玻璃纤维表面接枝有碳纳米管，再将表面接枝有碳纳米管的玻璃纤维浸入偶联剂溶液中处理，得到碳纳米管接枝改性功能化玻璃纤维的多尺度增强体；然后利用此多尺度增强体与聚酰亚胺进行加成反应，生成多尺度增强体增强的聚酰亚胺树脂复合材料。具体步骤如下：

(1)称取0.1～1×10g干燥的碳纳米管和10～1×10⁴mL无机酸混合，在1~120kHz超声波或10 r/min~10⁶ r/min的离心速度搅拌下处理0.1～24小时，然后加热至20～150℃，反应1～48小时，经去离子水稀释洗涤，微孔滤膜抽滤，反复洗涤至滤液呈中性，在温度为25～150℃下真空干燥1～48小时，得到纯化的碳纳米管；

(2)将步骤(1)中得到的纯化碳纳米管0.1～1×10g和强氧化性酸1～1×10³mL混合，在1~120kHz超声波下处理0.1～80小时，然后加热到25～120℃，搅拌并回流反应1～80小时，经去离子水稀释洗涤，超微孔滤膜抽滤，反复洗涤至滤液呈中性，在25～200℃温度下真空干燥1～48小时，得到酸化的碳纳米管；

(3)将步骤(2)所得酸化的碳纳米管0.1～1×10g和1～1×10³mL有机溶剂混合，以1~120kHz超声波或搅拌处理1分钟～24小时，使酸化的碳纳米管均匀分散在有机溶剂中，在5～120℃温度下，加入0.1～1×10³g干燥的玻璃纤维，反应1分钟～96小时后，抽滤并反复洗涤，在25~200℃温度下真空干燥0.1～48小时，得到表面接枝有碳纳米管的玻璃纤维多尺度增强体；

(4)将步骤(3)所得表面接枝有碳纳米管的玻璃纤维多尺度增强体0.1～1×10³g浸入1～1×10³mL偶联剂溶液中，在5～120℃温度下，反应1分钟～96小时后，抽滤并在25~200℃温度下干燥0.1～48小时，得到表面接枝有碳纳米管的功能化玻璃纤维多尺度增强体；

(5)将步骤(4)所得的表面接枝有碳纳米管的功能化玻璃纤维多尺度增强体0.1～1×10³g和聚酰亚胺1～1×10³g，经真空除泡复合成型，得到碳纳米管接枝玻璃纤维多尺度增强体增强聚酰亚胺复合材料。

本发明中，步骤(1)中所述碳纳米管为电弧放电、化学气相沉淀、模板法、太阳能法或激光蒸发法中的任一种制备的单壁或多壁碳纳米管或以其任意比例混合的混合物。

本发明中，步骤(1)中所述无机酸为1～20％重量酸浓度的硝酸、1～60％重量酸浓度的硫酸或1～37％重量酸浓度的盐酸中任一种或其混合液。

本发明中，步骤(2)中所述强氧化性酸均为1～90％重量酸浓度硝酸、1～98％重量酸浓度硫酸、1∕100～100∕1摩尔比高锰酸钾和硫酸混合溶液、1∕100～100∕1摩尔比硝酸和硫酸混合溶液、1∕100～100∕1摩尔比高锰酸钾和硝酸混合溶液、1∕100～100∕1摩尔比过氧化氢和硫酸混合液、1∕100～100∕1摩尔比过氧化氢和盐酸混合液、1∕100～100∕1摩尔比过氧化氢和硝酸混合液或15～95％重量浓度过氧化氢溶液中任一种或其多种组合。

本发明中，步骤(3)中所述玻璃纤维为单向长纤维布、双向编织纤维布、三相编织纤维布或无规短纤维中的任一种或其多种组合。

本发明中，步骤(3)中所述的有机溶剂为苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯、丁基甲苯、全氯乙烯、三氯乙烯、乙烯基甲苯、乙烯乙二醇醚、二氯甲烷、二硫化碳、磷酸三邻甲酚、甲醇、乙醇、异丙醇、环己烷、环己酮、甲苯环己酮、乙醚、环氧丙烷、丙酮、甲基丁酮、甲基异丁酮、乙二醇单甲醚、乙二醇单乙醚、乙二醇单丁醚、乙腈、吡啶、氯苯、二氯苯、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳、三氯乙烯、四氯乙烯、三氯丙烷、二氯乙烷、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、二氧六环或四氢呋喃中的任一种或其多种组合。

本发明中，步骤(4)中所述偶联剂为铬络合物偶联剂、锆类偶联剂、硅烷类偶联剂、钛酸脂类偶联剂、铝酸酯类偶联剂、马来酸酐及其接枝共聚物类偶联剂、聚氨酯类偶联剂或嵌段聚合物类偶联剂中任一种或其多种组合。

本发明中，步骤(5)中所述聚酰亚胺是热塑性的聚酰亚胺或热固性的聚酰亚胺中的任一种。

本发明反应步骤简单，利用碳纳米管的强度和韧性强韧化玻璃纤维，改善玻璃纤维与树脂基体的粘结性能，提高复合材料的界面粘结强度。本发明制备的增强体开辟了玻璃纤维新的应用领域。

附图说明

图1为实施例3中羧基化碳纳米管的描电镜图。

具体实施方式

下面的实施例是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的范围。

实施例l：以电弧放电法制备的多壁碳纳米管（OD<8nm）和玻璃纤维为最初原料，多壁碳纳米管经过纯化和酸化后与玻璃纤维反应，反应一定时间后，抽滤并干燥后，再将表面接枝有碳纳米管的玻璃纤维浸入γ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂溶液中一段时间后，过滤得到功能化玻璃纤维多尺度增强体；然后利用此多尺度增强体与聚酰亚胺进行加成反应，生成多尺度增强体增强的聚酰亚胺树脂纳米复合材料。

步骤(1)：在已装有搅拌器的250mL单颈圆底烧瓶中，加入1.1g经干燥的多壁碳纳米管原料和100mL、20％硝酸溶液，在10kHz超声波下处理4小时，然后加热至20℃，反应48小时，用ψ0.45μm聚偏四氟乙烯微孔滤膜抽滤，用去离子水洗涤10次至滤液呈中性，65℃下真空干燥24小时后，得到纯化的多壁碳纳米管；

步骤(2)：在已装有搅拌器的250mL单颈圆底烧瓶中，加入步骤(1)中得到的纯化的多壁碳纳米管原料1.0g和100mL、60％重量浓度浓硝酸，经60kHz超声波处理0.5小时后加热到25℃，搅拌并回流下反应48小时，用ψ0.22μm聚偏四氟乙烯微孔滤膜抽滤，用去离子水反复洗涤10次至滤液呈中性，80℃真空干燥48小时后，得到酸化的多壁碳纳米管；

步骤(3)：将步骤(2)所得酸化的碳纳米管1g和50mL丙酮溶剂混合，以40kHz超声波处理15分钟，使酸化的碳纳米管均匀分散在丙酮溶剂中，在50℃温度下，加入10g干燥的玻璃纤维，反应1小时后，抽滤并反复洗涤，在60℃温度下真空干燥8小时，得到表面接枝有碳纳米管的玻璃纤维多尺度增强体；

步骤(4)：将步骤(3)所得表面接枝有碳纳米管的玻璃纤维多尺度增强体10g浸入100mL硅烷偶联剂KH550溶液中，在50℃温度下，反应1小时后，抽滤并在60℃温度下干燥8小时，得到功能化玻璃纤维多尺度增强体；

步骤(5)：将步骤(4)所得的表面接枝有碳纳米管的功能化玻璃纤维多尺度增强体10g和聚酰亚胺树脂20g，在温度为300℃下反应14小时，得到碳纳米管接枝玻璃纤维多尺度增强体增强聚酰亚胺复合材料。

分析结果表明多壁碳纳米管表面羧基含量为6.5％。

实施例2：以化学气相沉积法制备的单壁碳纳米管（OD<8nm）和玻璃纤维为最初原料，单壁碳纳米管经过纯化和酸化后与玻璃纤维反应，反应一定时间后，抽滤并干燥后，再将表面接枝有碳纳米管的玻璃纤维浸入偶联剂KH560溶液中一段时间后，过滤得到功能化玻璃纤维多尺度增强体；然后利用此多尺度增强体与聚酰亚胺进行加成反应，生成多尺度增强体增强的聚酰亚胺树脂复合材料。

步骤(1)：在已装有搅拌器的250mL单颈圆底烧瓶中，加入5g经干燥的多壁碳纳米管原料和100mL、20％硝酸溶液，在40kHz超声波下处理1小时，然后加热至60℃，反应18小时，用ψ0.45μm聚偏四氟乙烯微孔滤膜抽滤，用去离子水洗涤10次至滤液呈中性，60℃下真空干燥24小时后，得到纯化的多壁碳纳米管；

步骤(2)：在已装有搅拌器的250mL单颈圆底烧瓶中，加入步骤(1)中得到的纯化的多壁碳纳米管原料4g和100mL、60％重量浓度浓硝酸，经100kHz超声波处理1小时后加热到25℃，搅拌并回流下反应48小时，用ψ0.22μm聚偏四氟乙烯微孔滤膜抽滤，用去离子水反复洗涤10次至滤液呈中性，80℃真空干燥48小时后，得到酸化的多壁碳纳米管；

步骤(3)：将步骤(2)所得酸化的碳纳米管3g和100mL丙酮溶剂混合，以40kHz超声波处理25分钟，使酸化的碳纳米管均匀分散在环己烷溶剂中，在40℃温度下，加入100g干燥的玻璃纤维，反应2小时后，抽滤并反复洗涤，在60℃温度下真空干燥8小时，得到表面接枝有碳纳米管的玻璃纤维多尺度增强体；

步骤(4)：将步骤(3)所得表面接枝有碳纳米管的玻璃纤维多尺度增强体100g浸入100mL硅烷偶联剂KH560溶液中，在50℃温度下，反应1小时后，抽滤并在60℃温度下干燥8小时，得到功能化玻璃纤维多尺度增强体；

步骤(5)：将步骤(4)所得的表面接枝有碳纳米管的功能化玻璃纤维多尺度增强体10g和聚酰亚胺树脂120g，在温度为290℃下反应20小时，经真空除泡复合成型，得到碳纳米管接枝玻璃纤维多尺度增强体增强聚酰亚胺复合材料。

XPS结果表明单壁碳纳米管表面羧基含量为8.4％。

实施例3：以激光蒸发法制备的单壁碳纳米管（OD<1nm）和玻璃纤维为最初原料，单壁碳纳米管经过纯化和酸化后与玻璃纤维反应，反应一定时间后，抽滤并干燥后，再将表面接枝有碳纳米管的玻璃纤维浸入偶联剂KH570溶液中一段时间后，过滤得到功能化玻璃纤维多尺度增强体；然后利用此多尺度增强体与聚酰亚胺进行加成反应，生成多尺度增强体增强的聚酰亚胺树脂复合材料。

步骤(1)：在已装有搅拌器的100mL单颈圆底烧瓶中，加入0.5g经干燥的多壁碳纳米管原料和100mL、20％硝酸溶液，在1kHz超声波下处理24小时，然后加热至70℃，反应48小时，用ψ0.45μm聚偏四氟乙烯微孔滤膜抽滤，用去离子水洗涤10次至滤液呈中性，65℃下真空干燥24小时后，得到纯化的多壁碳纳米管；

步骤(2)：在已装有搅拌器的100mL单颈圆底烧瓶中，加入步骤(1)中得到的纯化的多壁碳纳米管原料0.4g和100mL、60％重量浓度浓硝酸，经70kHz超声波处理1小时后加热到65℃，搅拌并回流下反应24小时，用ψ0.22μm聚偏四氟乙烯微孔滤膜抽滤，用去离子水反复洗涤10次至滤液呈中性，80℃真空干燥12小时后，得到酸化的多壁碳纳米管；

步骤(3)：将步骤(2)所得酸化的碳纳米管0.3g和30mL丙酮溶剂混合，以40kHz超声波处理30分钟，使酸化的碳纳米管均匀分散在乙醇溶剂中，在40℃温度下，加入50g干燥的玻璃纤维，反应2小时后，抽滤并反复洗涤，在60℃温度下真空干燥8小时，得到表面接枝有碳纳米管的玻璃纤维多尺度增强体；

步骤(4)：将步骤(3)所得表面接枝有碳纳米管的玻璃纤维多尺度增强体50g浸入100mL硅烷偶联剂KH570溶液中，在50℃温度下，反应1小时后，抽滤并在60℃温度下干燥8小时，得到功能化玻璃纤维多尺度增强体；

步骤(5)：将步骤(4)所得的表面接枝有碳纳米管的功能化玻璃纤维多尺度增强体50g和聚酰亚胺树脂220g，在温度为310℃下反应12小时，经真空除泡复合成型，得到碳纳米管接枝玻璃纤维多尺度增强体增强聚酰亚胺复合材料。

XPS分析结果表明单壁碳纳米管表面羧基含量为6.9％。

图1给出了羧基化碳纳米管的透射电镜。

实施例4：以激光蒸发法制备的单壁碳纳米管（OD<10nm）和玻璃纤维为最初原料，单壁碳纳米管经过纯化和酸化后与玻璃纤维反应，反应一定时间后，抽滤并干燥后，再将表面接枝有碳纳米管的玻璃纤维浸入偶联剂KH550溶液中一段时间后，过滤得到功能化玻璃纤维多尺度增强体；然后利用此多尺度增强体与聚酰亚胺进行加成反应，生成多尺度增强体增强的聚酰亚胺树脂复合材料。

步骤(1)：在已装有搅拌器的250mL单颈圆底烧瓶中，加入2.1g经干燥的多壁碳纳米管原料和100mL、20％硝酸溶液，在60kHz超声波下处理1小时，然后加热至20℃，反应48小时，用ψ0.45μm聚偏四氟乙烯微孔滤膜抽滤，用去离子水洗涤10次至滤液呈中性，65℃下真空干燥24小时后，得到纯化的多壁碳纳米管；

步骤(2)：在已装有搅拌器的250mL单颈圆底烧瓶中，加入步骤(1)中得到的纯化的多壁碳纳米管原料2.0g和100mL、60％重量浓度浓硝酸，经120kHz超声波处理1小时后加热到80℃，搅拌并回流下反应48小时，用ψ0.22μm聚偏四氟乙烯微孔滤膜抽滤，用去离子水反复洗涤10次至滤液呈中性，80℃真空干燥48小时后，得到酸化的多壁碳纳米管；

步骤(3)：将步骤(2)所得酸化的碳纳米管2g和100mL丙酮溶剂混合，以40kHz超声波处理15分钟，使酸化的碳纳米管均匀分散在丙酮溶剂中，在50℃温度下，加入100g干燥的玻璃纤维，反应2小时后，抽滤并反复洗涤，在60℃温度下真空干燥8小时，得到表面接枝有碳纳米管的玻璃纤维多尺度增强体；

步骤(4)：将步骤(3)所得表面接枝有碳纳米管的玻璃纤维多尺度增强体100g浸入200mL硅烷偶联剂KH550溶液中，在70℃温度下，反应3小时后，抽滤并在60℃温度下干燥8小时，得到功能化玻璃纤维多尺度增强体；

步骤(5)：将步骤(4)所得的表面接枝有碳纳米管的功能化玻璃纤维多尺度增强体100g和聚酰亚胺树脂120g，在温度为320℃下反应12小时，经真空除泡复合成型，得到碳纳米管接枝玻璃纤维多尺度增强体增强聚酰亚胺复合材料。

XPS结果表明单壁碳纳米管表面羧基含量为8.1％。

上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。