[發(fā)明專利]提高樹脂基體與碳纖維界面性能的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110753187.2
• 申請日: 2021-07-02
• 公開（公告）號: CN113293605B
• 公開（公告）日: 2022-07-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 鄒華維;邱寶偉;梁梅;張雪琴;孫通
• 申請（專利權(quán)）人: 四川大學(xué)
• 主分類號: D06M11/74
• 分類號: D06M11/74;C08J5/06;C08K9/02;C08K7/06;C08L63/02;D06M101/40
• 代理公司: 成都高遠(yuǎn)知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 51222
• 代理人: 張娟;魏靜

本發(fā)明公開了提高樹脂基體與碳纖維界面性能的方法，該方法采用氧化石墨烯對碳纖維表界面進(jìn)行修飾，從而獲得具有高界面剪切強(qiáng)度和層間剪切強(qiáng)度的碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，屬于復(fù)合材料領(lǐng)域。該碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料是以氧化石墨烯改性碳纖維、樹脂基體和固化劑為原料制得的，所述氧化石墨烯改性碳纖維是以橫向尺寸為50～50000nm的氧化石墨烯改性碳纖維得到的。該方法在增強(qiáng)碳纖維復(fù)合材料的界面性能方面優(yōu)勢突出，且可滿足高耐熱樹脂的高溫成型要求，在多種高性能樹脂基復(fù)合材料的制備中具有重要應(yīng)用前景。本發(fā)明氧化石墨烯改性碳纖維增強(qiáng)的樹脂基體復(fù)合材料層間剪切性能優(yōu)良，可以應(yīng)用于航空航天、軌道交通、汽車、能源和艦船等領(lǐng)域。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于復(fù)合材料領(lǐng)域，具體涉及一種提高樹脂基體與碳纖維界面性能的方法，以及利用該方法獲得的具有高界面剪切強(qiáng)度和層間剪切強(qiáng)度的碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料。

背景技術(shù)

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(CFRPs)由于具有質(zhì)輕，比強(qiáng)度高、比模量高，耐腐蝕性好，可設(shè)計性強(qiáng)、易加工等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、汽車和海洋工業(yè)等領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注。碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料所采用的樹脂基體分為兩大類：熱固性樹脂和熱塑性樹脂，目前主要以熱固性樹脂為主。熱固性樹脂中，由于環(huán)氧樹脂具有粘接性能優(yōu)異、尺寸穩(wěn)定性好、綜合性能良好等優(yōu)點(diǎn)，碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料成為近年來應(yīng)用最廣泛的CFRPs。

研究發(fā)現(xiàn)，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的性能一方面與碳纖維和基體本身的固有性質(zhì)有關(guān)，另一方面與碳纖維的表面性能、碳纖維與樹脂基體之間的界面性能密切相關(guān)。隨著高性能碳纖維不斷發(fā)展，實現(xiàn)更高強(qiáng)度和模量，纖維表面結(jié)構(gòu)變得更加有序光滑、惰性更強(qiáng)，同樹脂的界面結(jié)合更差，界面性能已成為高性能碳纖維樹脂基復(fù)合材料發(fā)展的重要瓶頸。

2004年，英國曼徹斯特大學(xué)Andre Geim和K S Novoselov以普通的膠帶在高定向熱解石墨上反復(fù)剝離，最終成功地從石墨中分離出單層石墨烯。這種單原子厚度的碳材料集超高的機(jī)械強(qiáng)度、熱導(dǎo)率和理論比表面積等諸多優(yōu)異性能于一身，在許多領(lǐng)域都引起了廣泛的關(guān)注。氧化石墨烯(GO)作為石墨烯的氧化物，與石墨烯的疏水性和易團(tuán)聚特點(diǎn)不同，其表面上含有大量的含氧官能團(tuán)(包括羥基、羧基、環(huán)氧基等)，使得GO在有機(jī)溶劑中具有較好的分散性，有利于和復(fù)合材料的基體發(fā)生較強(qiáng)的相互作用，形成強(qiáng)的結(jié)合界面，改善復(fù)合材料的性能。

劉玉婷等(氧化石墨烯/炭纖維復(fù)合增強(qiáng)體的制備及對環(huán)氧樹脂復(fù)合材料界面性能影響，新型炭材料，2018年12月，第33卷，第6期)公開了一種氧化石墨烯/碳纖維復(fù)合增強(qiáng)體，該復(fù)合增強(qiáng)體的制備方法為：首先通過重氮化電化學(xué)接枝法在炭纖維表面接枝氨基，再經(jīng)第二步重氮化電化學(xué)接枝將GO接枝于炭纖維表面，即可得到氧化石墨烯/炭纖維復(fù)合增強(qiáng)體。雖然該氧化石墨烯/炭纖維復(fù)合增強(qiáng)體能夠提高碳纖維與環(huán)氧樹脂之間的界面性能，但是，其制備方法需要采用重氮化電化學(xué)接枝法，制備工藝復(fù)雜，而且，該氧化石墨烯/炭纖維復(fù)合增強(qiáng)體制得的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的界面剪切強(qiáng)度(IFSS)僅為61.19MPa，還有待進(jìn)一步提高。

因此，開發(fā)出工藝簡單、界面性能更優(yōu)異的碳纖維表界面增強(qiáng)方法對制備高性能碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有重要意義，在航空航天、軌道交通、汽車、能源和艦船等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種提高樹脂基體與碳纖維界面性能的方法，以及利用該方法獲得的具有高界面剪切強(qiáng)度和層間剪切強(qiáng)度的碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料。

本發(fā)明具體提供了一種改性碳纖維，它是以橫向尺寸為50～50000nm的氧化石墨烯改性碳纖維得到的。

進(jìn)一步地，所述氧化石墨烯為氧化石墨烯片材，所述氧化石墨烯的橫向尺寸為200～1000nm。

進(jìn)一步地，所述氧化石墨烯的橫向尺寸為50nm、100nm、200nm、500nm、800nm或1000nm。

進(jìn)一步地，所述氧化石墨烯的橫向尺寸為200nm。