專利名稱：一種納米碳管/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于樹脂基復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域。尤其涉及一種納米碳管/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
復(fù)合材料由于兼具基體材料和增強材料的優(yōu)異性能，近幾十年倍受關(guān)注。尤其是近幾年來伴隨著納米材料研究的發(fā)展，用納米材料增強樹脂基復(fù)合材料已有不少報道。被譽為納米材料中“烏金”的碳納米管自從1991年被日本學(xué)者Iijima(S.Iijima，Helical microtubesof graphitic carbon.Nature，35456)發(fā)現(xiàn)以來，其獨特的結(jié)構(gòu)、奇異的性能和潛在的應(yīng)用價值，引起了科學(xué)家們極大的興趣，10多年來一直是世界科學(xué)研究的熱點。由于納米碳管具有非常高的強度，極高的熔點，且耐強酸、強堿，600℃以下基本不被氧化且無毒，又具有納米級尺寸，若與工程材料復(fù)合，可起到強化作用。因此關(guān)于納米碳管復(fù)合材料的研究也就成為其應(yīng)用研究的一個重要領(lǐng)域。通常高分子材料的機械性能，特別是其抗拉強度普遍較低，因而，研究納米碳管/高分子復(fù)合材料，用納米碳管增強高分子材料，以擴展高分子材料的應(yīng)用領(lǐng)域，具有很高的研究、推廣價值。在高分子材料中以配方靈活、成型多樣著稱的環(huán)氧樹脂因具有優(yōu)良的粘結(jié)、耐腐蝕、絕緣、高強度等性能，被廣泛應(yīng)用于粘合劑、涂料、電氣絕緣材料和復(fù)合材料的制備，是工業(yè)領(lǐng)域不可缺少的基礎(chǔ)材料。但是由于固化后的環(huán)氧樹脂(王德中.環(huán)氧樹脂生產(chǎn)與應(yīng)用[M].第二版，北京化學(xué)工業(yè)出版社，2001)交聯(lián)密度高，內(nèi)應(yīng)力大，因而存在質(zhì)脆、耐疲勞性、耐熱性、抗沖擊韌性差等缺點，難以滿足工程技術(shù)的要求，使其應(yīng)用受到一定的限制，因此對環(huán)氧樹脂進行各種改性已成為該領(lǐng)域的重要研究課題。近年來雖然有不少報道用納米SiO2、CaCO3、Al2O3等增強環(huán)氧樹脂，但是到目前為止，國內(nèi)外關(guān)于用納米碳管來改性環(huán)氧樹脂，提高其力學(xué)性能達到較好增強增韌效果的還未見報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種強度高、模量大、韌性好的納米碳管/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料及其制備方法。該方法制備工藝簡單、成本低廉，所制備的復(fù)合材料兼有防靜電、導(dǎo)電、電磁屏蔽、微波吸收之功能。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是以納米碳管、酚醛型環(huán)氧樹脂和#593固化劑為原料，其重量百分含量為納米碳管為0.01～10wt％，#593固化劑為15～40wt％，酚醛型環(huán)氧樹脂為50～80wt％；先將納米碳管在溶劑中超聲波分散30～240分鐘，再與融熔后的酚醛型環(huán)氧樹脂、#593固化劑機械攪拌混合30～240分鐘，然后超聲波振蕩30～240分鐘、抽真空3～24小時、真空度低于10-2～10-3Pa，澆注后按0.1～10℃/min的升溫速度，在50～120℃之間固化2～48小時。對于環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，固化溫度、固化溫度梯度及固化時間對材料性能均有較大影響。為了兼顧良好的成型性和可加工性，本發(fā)明采用中溫(50～120℃)固化。
其中，酚醛型環(huán)氧樹脂分子量為900～1100。納米碳管是采用CVD法制備而成的，直徑為10～50nm，長度為1～500μm，純度為85～95％。溶劑為低分子有機溶劑和表面活性劑有機溶劑為酒精、丙酮、四氫呋喃、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳、甲苯、N-甲基吡咯烷酮、N，N-二甲基甲酰胺中的一種；表面活性劑為聚氧乙烯月桂醇、聚乙二醇辛基苯基醚、十二烷基磺酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉中的一種；表面活性劑添加量為納米碳管重量的0～5％。添加適量的表面活性劑，可以改善納米碳管和環(huán)氧樹脂的界面相互作用，提高納米碳管在環(huán)氧樹脂的浸潤性、相容性和粘接性。
由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明工藝簡單、成本低廉，利用納米碳管所制備的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，增強相在基體相中分散均勻，達到納米級尺寸分布，可有效承擔(dān)載荷，吸收斷裂能，因而具有強度高、模量大且韌性好的特點。所制備的復(fù)合材料兼有防靜電、導(dǎo)電、電磁屏蔽、微波吸收之功能。
具體實施例方式
以下實施例均取一定量的用CVD法制備成的納米碳管、分子量為900～1100酚醛型環(huán)氧樹脂和#593固化劑為原料，按其重量百分含量制取實施例1首先，將0.01～0.05wt％的直徑為10～50nm，長度為1～500μm，純度為85～95％的納米碳管在酒精中用超聲波分散處理30～60分鐘，然后與78～80wt％融熔后的酚醛型環(huán)氧樹脂、18～25wt％的#593固化劑機械攪拌混合30～40分鐘，再用超聲波處理30～60分鐘，抽真空脫除氣泡3～5小時后澆注于鋼模具內(nèi)，按1～5℃/min的升溫速度，在50～120℃之間固化4～6小時。冷卻至室溫后脫模。
所制備的復(fù)合材料的抗拉強度為34.5MPa，抗拉彈性模量為3.5Gpa，斷裂伸長率為2.2％；而純樹脂基體的抗拉強度為28.8MPa，抗拉彈性模量為2.9Gpa，斷裂伸長率為1.0％左右(典型的脆性斷裂)。
實施例2首先，將0.1～1.0wt％的直徑為10～50nm，長度為1～500μm，純度為85～95％的納米碳管先在三氯甲烷中用超聲波分散處理60～80分鐘，然后與70～75wt％融熔的酚醛型環(huán)氧樹脂、22～28wt％#593固化劑機械攪拌混合30～60分鐘，再用超聲波處理40～60分鐘，抽真空脫除氣泡3～5小時后澆注于鋼模具內(nèi)，按0.1～3℃/min的升溫速度，在60～80℃之間固化3～5小時。冷卻至室溫后脫模。
所制備的復(fù)合材料的抗拉強度為38.0MPa，抗拉彈性模量為3.6Gpa，斷裂伸長率為2.7％。
實施例3首先，將3.0～5.0wt％直徑為10～50nm，長度為1～500μm，純度為85～95％的納米碳管先分散在丙酮中，同時添加聚氧乙烯月桂醇，其添加量與納米碳管的重量百分比為3～5∶100。用超聲波分散處理50～60分鐘，然后與65～68wt％融熔后的酚醛型環(huán)氧樹脂、26～30wt％#593固化劑機械攪拌混合60～90分鐘，再超聲波處理30～50分鐘，真空脫除氣泡5～8小時后澆注于鋼模具內(nèi)程序升溫，按1～10℃/min的升溫速度，在80～100℃之間固化6～8小時，冷卻至室溫后脫模。
所制備的復(fù)合材料的抗拉強度為52.8MPa，抗拉彈性模量為3.9Gpa，斷裂伸長率為3.5％。
實施例4首先，將6.0～10.0wt％直徑為10～50nm，長度為1～500μm，純度為85～95％的納米碳管先在N，N-二甲基甲酰胺中用超聲分波散處理60～80分鐘，然后與55～60wt％融熔后的酚醛型環(huán)氧樹脂、25～35wt％#593固化劑機械攪拌混合100～120分鐘，再超聲波處理40～60分鐘，真空脫除氣泡10～14小時后澆注于鋼模具內(nèi)程序升溫，按4～8℃/min的升溫速度，在100～120℃之間固化12～14小時，冷卻至室溫后脫模。
所得樣品的抗拉強度為46.4MPa，抗拉彈性模量為4.3Gpa，斷裂伸長率為2.9％。
權(quán)利要求
1.一種納米碳管/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備方法，其特征在于以納米碳管、酚醛型環(huán)氧樹脂和#593固化劑為原料，其重量百分含量為納米碳管為0.01～10wt％，#593固化劑為15～40wt％，酚醛型環(huán)氧樹脂為50～80wt％；先將納米碳管在溶劑中用超聲波分散30～240分鐘，再與融熔后的酚醛型環(huán)氧樹脂、#593固化劑機械攪拌混合30～240分鐘，然后超聲波振蕩30～240分鐘、抽真空3～24小時、真空度低于10-2～10-3Pa，澆注后按0.1～10℃/min的升溫速度，在50～120℃之間固化2～48小時。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米碳管/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述的納米碳管是采用CVD法制備而成的，直徑為10～50nm，長度為1～500μm，純度為85～95％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米碳管/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述的酚醛型環(huán)氧樹脂分子量為900～1100。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米碳管/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述的溶劑為低分子有機溶劑和表面活性劑有機溶劑為酒精、丙酮、四氫呋喃、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳、甲苯、N-甲基吡咯烷酮、N，N-二甲基甲酰胺中的一種；表面活性劑為聚氧乙烯月桂醇、聚乙二醇辛基苯基醚、十二烷基磺酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉中的一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的納米碳管/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述的表面活性劑添加量為納米碳管重量的0～5％。
6.根據(jù)權(quán)利要求1～5項中任一項所述的納米碳管/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備方法所制備的納米碳管/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種納米碳管/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料及其制備方法。采用的技術(shù)方案是以納米碳管、酚醛型環(huán)氧樹脂和#593固化劑為原料，添加0.01～10.0wt％納米碳管，其余為環(huán)氧樹脂和固化劑。納米碳管是采用CVD法制備而成的，直徑為10～50nm，長度為1～500μm，純度為85～95％。環(huán)氧樹脂為酚醛型環(huán)氧樹脂，分子量為900～1100。制備的復(fù)合材料為塊體材料。本發(fā)明將納米碳管均勻分散在環(huán)氧樹脂基體中，達到增強增韌環(huán)氧樹脂基體材料的目的。獲得了力學(xué)性能優(yōu)異、兼具防靜電、導(dǎo)電、電磁屏蔽、微波吸收功能的復(fù)合材料。而且材料制備工藝簡單、成本低廉、易于實現(xiàn)。
文檔編號B29C70/26GK1631658SQ20051001810
公開日2005年6月29日 申請日期2005年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月4日
發(fā)明者李軒科, 袁觀明, 張銘金, 呂早生, 張光德, 雷中興 申請人:武漢科技大學(xué)