一種高柔韌性碳納米管紙/玻璃纖維阻燃復(fù)合材料的物理制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種碳納米管紙/玻璃纖維復(fù)合材料的制備方法。 技術(shù)背景
[0002] 樹脂基復(fù)合材料具有低密度高強度的特點，使得其在民用和軍用領(lǐng)域的應(yīng)用比例 有著巨大的提高。例如，運輸客機和汽車的承載結(jié)構(gòu)的內(nèi)外妝飾部件、民用建筑、公共場所 的基礎(chǔ)設(shè)施，甚至軍用戰(zhàn)斗機以及航天領(lǐng)域中的運載火箭和衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)部件的防熱涂層都 大量的采用樹脂基復(fù)合材料。樹脂基復(fù)合材料帶來如此多優(yōu)點的同時也具有一些潛在的應(yīng) 用危險，比如更高的可燃性和有毒性。因為絕大多數(shù)的樹脂都是有機成分，所以具有極高的 可燃性和有毒氣體的釋放能力。所以，當(dāng)采用樹脂復(fù)合材料的主體發(fā)生火災(zāi)時將對人們的 生命安全帶來極大的危害，所以阻燃材料的加入對于減少火災(zāi)危害具有很重要的意義。
[0003] 目前已報道的阻燃材料主要可以分為兩種方式，其中一種是將阻燃性的納米顆粒 添加到樹脂中，通過機械式的攪拌，超聲等方式進行混合。填入無機納米顆粒為不易燃物 質(zhì)，從而使得復(fù)合材料的阻燃性能得以提高，這類填料已報道的主要有不同構(gòu)型的納米倍 半硅氧烷（POSS)、納米粘土、三氧化二銻、金屬氫氧化物、硅系阻燃劑、鹵系阻燃劑和磷系阻 燃劑等。這些阻燃劑雖然能夠一定程度上的提高復(fù)合材料的阻燃性能，但是也存在諸多的 缺點，例如，無機顆粒在樹脂中的分散問題很難得以解決，這種分散性的不均勻使得材料物 相之間發(fā)生嚴(yán)重的界面分離，尤其是當(dāng)材料作為力學(xué)承載結(jié)構(gòu)時，對材料的力學(xué)性能產(chǎn)生 很大的影響，此外這種物理性添加阻燃顆粒只能在一定程度上產(chǎn)生阻燃特性，由于納米顆 粒之間是非連續(xù)相，而樹脂作為連續(xù)相存在于復(fù)合材料體系中，非連續(xù)相并不能完全阻止 樹脂與火源的接觸，從而對于大幅度提高材料的阻燃性能存在很大難度。物質(zhì)間的難以相 容的物性以及阻燃的局限性使得這種阻燃材料的應(yīng)用具有一定的限制。
[0004] 碳納米管紙一般是指通過真空吸慮的辦法在一定孔徑的濾膜上沉積稀釋的碳納 米管溶液后形成的均一的具有一定力學(xué)強度的二維碳納米管材料。這種材料的優(yōu)點是用微 觀的納米管材料制備出宏觀的薄膜材料，所以材料的特性既保持了微觀納米管的特性，又 具有宏觀薄膜材料的特性。而之所以將碳納米管制備成宏觀二維薄膜，是因為薄膜的致密 性要遠(yuǎn)高于分散的納米管的致密性，所以能夠完全隔離燃燒源與內(nèi)部的材料表面。而且納 米紙型的碳材料能夠更好的實施材料的成型，可以通過各種復(fù)合材料的成型手段直接與基 體部分一體化成型。降低了復(fù)合材料的制備復(fù)雜性和可行性，要遠(yuǎn)優(yōu)越于分散的納米管涂 料等粉末狀碳材料。但是碳納米管紙的力學(xué)性能是一直是影響其應(yīng)用的一個主要因素，大 多數(shù)的改性后均對納米管紙的表面特性產(chǎn)生了一定的破壞，從而大大提高了碳納米管紙的 制備難度，力學(xué)性能較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明是要解決碳納米管紙/樹脂基復(fù)合材料無法兼具有較高的力學(xué)性能，阻燃 性能和耐熱性能的技術(shù)問題，而提供一種高柔韌性碳納米管紙/玻璃纖維阻燃復(fù)合材料的 物理制備方法。
[0006] 本發(fā)明的一種高柔韌性碳納米管紙/玻璃纖維阻燃復(fù)合材料的物理制備方法是 按以下步驟進行的：
[0007] -、制備PDMS的氯仿溶液：將PDMS和固化劑均勻混合，然后溶解在氯仿中，得到 PDMS的氯仿溶液；所述的PDMS和固化劑的質(zhì)量比為10:1 ;所述的PDMS的氯仿溶液中PDMS 的質(zhì)量濃度為〇. lwt%?2wt% ;所述的固化劑為乙稀基三氯娃燒；
[0008] 二、制備碳納米管紙：將單壁或多壁碳納米管和曲拉通X-100均勻混合，用三輥研 磨機進行分散20min?30min，得到糊狀混合物，將糊狀混合物與去離子水均勻混合，超聲 分散2h，得到分散的碳納米管懸濁液，對分散的碳納米管懸濁液進行真空吸濾，得到未改性 的碳納米管紙，再用步驟一制備的PDMS的氯仿溶液對未改性的碳納米管紙進行真空吸濾， 吸濾結(jié)束后將濾膜在室溫下干燥12h，將碳納米管紙從干燥的濾膜上脫離，得到改性的碳 納米管紙；所述的單壁或多壁碳納米管和曲拉通X-100的質(zhì)量比為1: (5?30);所述的三 輥研磨機的三個滾輪的剪切速度之比為1:3:9,三個滾輪間的間隙分別為20 μπι?30 μπι， ΙΟμπι?20μηι和5μηι?5μηι ;戶斤述的分散的碳納米管懸池液的濃度為50mg/L?500mg/ L ;所述的濾膜的表面孔洞的尺寸為20 μ m ;所述的超聲分散時超聲功率為750W，放大倍率 為40% ;三、高溫固化復(fù)合：將步驟二得到的改性的碳納米管紙剪切成尺寸為長X寬為 100mm X 100mm，然后置于玻璃纖維預(yù)浸料的一側(cè)，得到復(fù)合材料，采用真空袋壓法將復(fù)合 材料在熱壓罐中壓力為IMpa?4Mpa的條件下進行高溫固化，得到高柔韌性碳納米管紙/ 玻璃纖維阻燃復(fù)合材料；所述的高溫固化為在溫度為80°C的條件下固化3h，然后在溫度為 l〇〇°C的條件下固化3h，最后在溫度為150°C的條件下固化5h ;所述的玻璃纖維預(yù)浸料尺寸 為長 X 寬為 100mm x IOOmm0
[0009] 曲拉通X-100中文別名是辛基苯基聚氧乙烯醚，分子結(jié)構(gòu)式為
[0010]
【主權(quán)項】
1. 一種高柔韌性碳納米管紙/玻璃纖維阻燃復(fù)合材料的物理制備方法，其特征在于高 柔韌性碳納米管紙/玻璃纖維阻燃復(fù)合材料的物理制備方法是按以下步驟進行的： 一、 制備PDMS的氯仿溶液：將PDMS和固化劑均勻混合，然后溶解在氯仿中，得到PDMS 的氯仿溶液；所述的PDMS和固化劑的質(zhì)量比為10:1 ;所述的PDMS的氯仿溶液中PDMS的質(zhì) 量濃度為〇. lwt%?2wt% ;所述的固化劑為乙稀基三氯娃燒； 二、 制備碳納米管紙：將單壁或多壁碳納米管和曲拉通X-100均勻混合，用三輥研磨機 進行分散20min?30min，得到糊狀混合物，將糊狀混合物與去離子水均勻混合，超聲分散 2h，得到分散的碳納米管懸濁液，對分散的碳納米管懸濁液進行真空吸濾，得到未改性的碳 納米管紙，再用步驟一制備的PDMS的氯仿溶液對未改性的碳納米管紙進行真空吸濾，吸濾 結(jié)束后將濾膜在室溫下干燥12h，將碳納米管紙從干燥的濾膜上脫離，得到改性的碳納米管 紙；所述的單壁或多壁碳納米管和曲拉通X-100的質(zhì)量比為1: (5?30);所述的三輥研磨 機的三個滾輪的剪切速度之比為1:3:9,三個滾輪間的間隙分別為20 y m?30 y m，10 y m? 20ym和5ym?5ym ;戶斤述的分散的碳納米管懸池液的濃度為50mg/L?500mg/L ;戶斤述的 濾膜的表面孔洞的尺寸為20 ym ;所述的超聲分散時超聲功率為750W，放大倍率為40% ; 三、高溫固化復(fù)合：將步驟二得到的改性的碳納米管紙剪切成尺寸為長X寬為 lOOmmX 100mm，然后置于玻璃纖維預(yù)浸料的一側(cè)，得到復(fù)合材料，采用真空袋壓法將復(fù)合材 料在熱壓罐中壓力為IMpa?4Mpa的條件下進行高溫固化，得到高柔韌性碳納米管紙/玻 璃纖維阻燃復(fù)合材料；所述的高溫固化為在溫度為80°C的條件下固化3h，然后在溫度為 l〇〇°C的條件下固化3h，最后在溫度為150°C的條件下固化5h ;所述的玻璃纖維預(yù)浸料尺寸 為長 X 寬為 100mm X 100mm〇
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高柔韌性碳納米管紙/玻璃纖維阻燃復(fù)合材料的物 理制備方法，其特征在于步驟一中所述的PDMS的氯仿溶液中PDMS的質(zhì)量濃度為lwt %? 1. 5wt %〇
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高柔韌性碳納米管紙/玻璃纖維阻燃復(fù)合材料的物理制 備方法，其特征在于步驟二中所述的單壁和多壁碳納米管純度大于90%，單壁和多壁碳納 米管長度均為30 y m?70 y m，多壁碳納米管的直徑為20nm?50nm，單壁碳納米管的直徑 為 2nm ?6nm〇
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高柔韌性碳納米管紙/玻璃纖維阻燃復(fù)合材料的物理 制備方法，其特征在于步驟二中所述的單壁或多壁碳納米管和曲拉通X-100的質(zhì)量比為 1: (10 ?20)〇
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高柔韌性碳納米管紙/玻璃纖維阻燃復(fù)合材料的物理制 備方法，其特征在于步驟二中將單壁或多壁碳納米管和曲拉通X-100均勻混合，用三輥研 磨機進行分散25min，得到糊狀混合物。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高柔韌性碳納米管紙/玻璃纖維阻燃復(fù)合材料的物理制 備方法，其特征在于步驟二中所述的分散的碳納米管懸池液的濃度為200mg/L?400mg/L。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高柔韌性碳納米管紙/玻璃纖維阻燃復(fù)合材料的物理制 備方法，其特征在于步驟三中采用真空袋壓法將復(fù)合材料在熱壓罐中壓力為4Mpa的條件 下進行高溫固化，得到高柔韌性碳納米管紙/玻璃纖維阻燃復(fù)合材料。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高柔韌性碳納米管紙/玻璃纖維阻燃復(fù)合材料的物理
【專利摘要】一種高柔韌性碳納米管紙/玻璃纖維阻燃復(fù)合材料的物理制備方法，涉及一種碳納米管紙/玻璃纖維復(fù)合材料的制備方法。本發(fā)明是要解決碳納米管紙/樹脂基復(fù)合材料無法兼具有較高的力學(xué)性能，阻燃性能和耐熱性能的技術(shù)問題。本發(fā)明方法：一、制備PDMS的氯仿溶液；二、制備碳納米管紙；三、高溫固化復(fù)合。本發(fā)明的優(yōu)點：一、本發(fā)明制備的高柔韌性碳納米管紙/玻璃纖維阻燃復(fù)合材料兼具有較高的力學(xué)性能，阻燃性能和耐熱性能。
【IPC分類】B32B27-04, B32B29-02, B29C70-44, B29B13-06, B29B13-10, B32B29-06
【公開號】CN104527176
【申請?zhí)枴緾N201510036336
【發(fā)明人】冷勁松, 楚合濤, 劉艷菊, 張志春
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2015年1月23日