一种碳纳米管树脂基复合材料的制备方法

1.本发明涉及碳纳米管领域，具体涉及一种碳纳米管树脂基复合材料的制备方法。


背景技术：

2.树脂基复合材料广泛的应用于航空发动机的冷端，比如风扇叶片、风扇机匣和导流板等。目前，航空发动机冷端使用的树脂基复合材料的增强相为碳纤维。相比于碳纤维，碳纳米管具有更加卓越的力学性能，是制备树脂基复合材料的理想增强相。但是碳纳米管树脂基复合材料在制备的过程中存在三个难题：(1)碳纳米管之间的强范德瓦尔斯力使其存在团聚现象，如何有效的打破碳纳米管的团聚；(2)对碳纳米管进行分散处理时，容易将碳纳米管切断，如何在不破化碳纳米管结构的境况下对碳纳米管进行分散处理；(3)碳纳米管和液态树脂的混料在常温下粘度很高，不能流动，如何对混料进行搅拌？
3.目前，主流的分散方法为球磨处理，超声波处理和强酸化学处理。球磨处理对碳纳米管的分散效果不明显，并且会使部分团聚更加密实；超声波处理和强酸化学处理分散效果较好，但是能量较大的超声波和强酸的强氧化作用会破坏碳纳米管的结构，甚至将长碳纳米管切成几段短碳纳米管，严重影响材料的力学性能。


技术实现要素：

4.本发明目的在于克服现有制备技术中存在的不足，提出一种碳纳米管树脂基复合材料的制备方法。
5.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.一种碳纳米管树脂基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
7.步骤1)使用均质机对碳纳米管和液态树脂进行预混合，得到预混料；
8.步骤2)使用三辊机对步骤1)所得预混料进一步加工，将预混料在不同辊间距下进行剪切分散，中间辊和出料辊的间距按50,35,25,15,10 and 5μm依次递减，同时入料辊和中间辊的间距是中间辊和出料辊的间距的2倍，即按100,70,50,30,20 and 10μm依次递减；其中在中间辊和出料辊间距5μm时进行10次剪切分散处理，得到高分散度的混料；
9.步骤3)将装有步骤2)所得混料的烧杯放入60℃油浴锅中，加入固化剂，使用高速搅拌机进行混合搅拌，得到高分散度的母料；
10.步骤4)将步骤3)所得母料浇注到模具中；
11.步骤5)使用真空干燥箱对模具中的母料进行排气处理，得到无气泡的母料；
12.步骤6)将步骤5)所得无气泡的母料放入鼓风烘箱中进行固化，固化后在鼓风烘箱内自然冷却到室温，得到碳纳米管树脂基复合材料。
13.进一步的，所述步骤1)中均质机转速2500rpm，混合60s。
14.进一步的，所述步骤1)中液态树脂包括双酚a型环氧树脂。
15.进一步的，所述步骤2)中三辊机的入料辊、中间辊和出料辊的转速比为1：3：9，其中出料辊的转速为300rpm。
16.进一步的，所述步骤3)中固化剂包括甲基六氢苯酐，甲基六氢苯二甲酸酐。
17.进一步的，所述步骤1)和步骤3)中碳纳米管、液态树脂和固化剂的投料比为3：85：86。
18.进一步的，所述步骤3)中高速搅拌机在1000rmp下搅拌40分钟。
19.进一步的，所述步骤4)中的具体步骤为：将模具加热到70℃，将母料浇注到模具中。
20.进一步的，所述步骤5)中的具体步骤如下：使用真空干燥箱对母料进行70℃下40分钟的脱气处理，以排除母料中的气泡。
21.进一步的，所述步骤6)中固化工艺为：90℃下保温30分钟，120℃下保温120分钟，140℃下保温120分钟。
22.有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：
23.(1)本发明提供的碳纳米管树脂基复合材料的制备方法，在有效打破碳纳米管团聚的同时，不破坏碳纳米管原始长度，得到碳纳米管均匀分散的高性能复合材料。
24.(2)本发明提供的碳纳米管树脂基复合材料的制备方法，使得常温下不能流动的高粘度混料流动起来，解决了复合材料的制备过程中混料难以搅拌的问题。
附图说明
25.图1是碳纳米管树脂基复合材料的制备方法流程图；
26.图2是母料中碳纳米管粒径分布图：图2(a)、图2(b)和图2(c)分别是母料中2、10和30μm碳纳米管的粒径分布图；
27.图3是碳纳米管在碳纳米管树脂基复合材料的分布图：图3(a)、图3(b)和图3(c)分别是2、10和30μm碳纳米管在碳纳米管树脂基复合材料中的分布图。
具体实施方式
28.下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
29.实施例1：
30.以多壁碳纳米管为增强相，双酚a型环氧树脂为基体，甲基六氢苯酐为固化剂。碳纳米管、树脂、固化剂的质量比为3：85：86。采用2、10和30μm三种不同长度的碳纳米管，制备三种碳纳米管树脂基复合材料。包括以下步骤：
31.步骤1)使用均质机对3g碳纳米管和85g双酚a型环氧树脂进行预混合，得到88g预混料，均质机转速2500rpm，混合60s；
32.步骤2)使用三辊机对88g预混料进一步加工，利用三辊机的剪切力使得碳纳米管均匀的分散在双酚a型环氧树脂中，
33.设置三辊机的入料辊、中间辊和出料辊的转速比为1：3：9，其中出料辊的转速为300rpm。将88g预混料在不同辊间距下进行剪切分散，中间辊和出料辊的间距按50,35,25,15,10 and 5μm依次递减，同时入料辊和中间辊的间距是中间辊和出料辊的间距的2倍，即按100,70,50,30,20 and 10μm依次递减；其中在中间辊和出料辊间距5μm时进行10次剪切分散处理；三辊机利用剪切力能有效打破碳纳米管团聚，同时不会将碳纳米管切断，获得高分散度的88g混料。
34.步骤3)设置油浴锅温度为60℃，将装有88g混料的烧杯放入油浴锅中，使常温下不能流动的高粘度混料可以流动。将86g甲基六氢苯酐加入到烧杯中，使用高速搅拌机在1000rmp下搅拌40分钟，以获得高分散度的174g母料。
35.步骤4)将模具加热到70℃，将174g母料浇注到模具中。
36.步骤5)使用真空干燥箱对174g母料进行70℃下40分钟的脱气处理，保证母料中没有气泡，得到无气泡的174g母料；
37.步骤6)使用鼓风烘箱对母料进行固化处理，得到碳纳米管树脂基复合材料。
38.采用90℃下30分钟，120℃下120分钟，140℃下120分钟的固化工艺，使用鼓风烘箱对174g母料进行固化处理。固化后在鼓风烘箱内自然冷却到室温，得到碳纳米管树脂基复合材料。
39.母料中碳纳米管粒径分布如图2所示，碳纳米管在碳纳米管树脂基复合材料中分布如图3所示。
40.结果表明，采用本发明的碳纳米管树脂基复合材料制备方法，能在在有效打破碳纳米管团聚的同时，不破坏碳纳米管原始长度，并且能使常温下不能流动的高粘度混料搅拌均匀，从而得到碳纳米管均匀分散的高性能复合材料。
41.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。