【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及复合材料，具体涉及表面功能化改性cf/pps复合材料的制备方法。
技术介绍
1、碳纤维增强树脂基复合材料由于具有高强度、高模量、轻质、可回收再利用等特殊的优势而备受科学研究和工业设计领域的青睐，在汽车、体育、船舶、航空航天、国防军工和风力发电等领域具有广阔的应用前景。聚苯硫醚（pps）是一种综合性能优良的特种工程塑料，具有优良的结晶性、耐热性、耐化学性和低吸水性，pps已经成为碳纤维增强复合材料优选的重要树脂。碳纤维增强pps树脂复合材料已经被空客、波音等航空公司广泛应用于尾翼、方向舵前缘、升降舵辅助等次承力结构部件。
2、但是由于pps主链结构中苯环和硫原子交替排列，无侧链和反应基团，而碳纤维表面非极性和表面化学惰性大，导致碳纤维在pps复合材料中与pps的浸润效果差，热塑性pps树脂基体与碳纤维结合力较弱，复合材料无法传递载荷，导致复合材料的力学性能差，其性能远远低于理论值。为此，需要通过界面优化来提高碳纤维和pps的浸润性和相容性，提高碳纤维和pps树脂的界面结合力，通过提升碳纤维和pps树脂复合材料界面粘结强度来实现复合材料高性能化。到目前为止，对碳纤维进行表面改性的方法有多种，比如氧化法、等离子处理、上浆与涂层、化学接枝、原位自组装、气相沉积等。然而，碳纤维表面化学处理会由于表面“蚀刻”而不可避免地对碳纤维造成损伤，上浆与过度增加碳纤维和pps树脂之间的粘结性和附着力可能使界面相变脆，导致性能下降。碳纤维和聚合物树脂的界面是影响树脂复合材料的关键因素，为了进一步提高复合材料的性能，获得性能优异
技术实现思路
1、本专利技术要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供表面功能化改性cf/pps复合材料的制备方法，在碳纤维表面通过双亲分子结构设计实现碳纤维表面功能化改性，解决了碳纤维和pps树脂的界面相容性和结合力问题，从而实碳纤维增强pps复合材料的高性能化。
2、本专利技术的技术方案为：
3、表面功能化改性cf/pps复合材料的制备方法，将聚苯硫醚树脂、聚苯胺-石墨烯功能化表面修饰碳纤维和加工助剂，分别从双螺杆挤出机的主喂料口、侧喂料口和主喂料口加入到双螺杆挤出机，通过双螺杆挤出机熔融共混挤出、拉条、冷却、切粒、干燥，得到表面功能化改性cf/pps复合材料。
4、优选的，聚苯硫醚树脂的添加量为68-90份、聚苯胺-石墨烯功能化表面修饰碳纤维的添加量为10-30份、加工助剂的添加量为1-1.3份。
5、优选的，如图1所示，聚苯胺-石墨烯功能化表面修饰碳纤维的制备方法包括以下步骤：
6、s1通过改进hummer方法制备氧化石墨烯（go）；
7、s2以氧化石墨烯为前驱体，合成氨基功能化还原石墨烯（atrgo）；
8、s3采用电化学静电沉积的方法，在碳纤维表面静电沉积氨基功能化还原石墨烯，得到氨基功能化还原石墨烯包覆碳纤维（cf-atrgo）；
9、s4在氨基功能化还原石墨烯包覆碳纤维表面原位接枝生长聚苯胺纳米纤维，得到聚苯胺-石墨烯功能化表面修饰碳纤维（cf-rgo-pani）。
10、优选的，步骤s1的具体操作为：在石墨粉和硝酸钠中加入浓硫酸，保持温度在20℃以下，搅拌加入高锰酸钾，搅拌得到混合物，再加入去离子水，温度控制在100℃以下，反应后加入h2o2溶液，得到氧化石墨烯悬浮液，过滤洗涤至滤液为中性，产物在减压条件下冷冻干燥，得到氧化石墨烯；石墨粉、硝酸钠、浓硫酸、高锰酸钾和双氧水的质量体积比为（3-6g）:（1.5-3g）:（69-90ml）:（9-15g）:（15-50ml）。
11、优选的，步骤s2的具体操作为：将氧化石墨烯溶于二甲基甲酰胺后超声，再加入碳酸氢钠搅拌，冷却至0℃后，滴加2,4,6-三氯-1,3,5-三嗪溶液，并搅拌，在氮气气氛中加入对苯二胺后搅拌反应，回流，冷却至室温，过滤、洗涤、干燥得到氨基功能化还原石墨烯。
12、优选的，所述氧化石墨烯的质量与碳酸氢钠、2,4,6-三氯-1,3,5-三嗪、对苯二胺的物质的量比为（380-420mg）:（60-65mmol）:（15-17mmol）:（60-68mmol）。
13、优选的，步骤s3的具体操作为：将氨基功能化还原石墨烯在去离子水中超声分散，以碳纤维为阴极，金属钢板为阳极，电池电压为直流电压10-30v，电解液为ph为10-14的去碳酸氢钠溶液，沉积5-20min，之后70-90℃下加热处理20-24h，最终得到氨基功能化还原石墨烯包覆碳纤维。
14、优选的，步骤s4的具体操作为：将氨基功能化还原石墨烯包覆碳纤维超声均匀分散到1m的hcl溶液中，在冰盐浴中冷却到0℃后，加入苯胺单体并充分搅拌，随后加入过硫酸铵，在0℃下反应20-24h，然后过滤出反应完成后的碳纤维，分别用去离子水、乙醇、正己烷反复多次洗涤，直到滤液变为无色，所得产品在70-90℃下干燥至恒重，得到聚苯胺-石墨烯功能化表面修饰碳纤维；氨基功能化还原石墨烯包覆碳纤维、苯胺与过硫酸铵的质量比为（5-15）：（0.8-2）：（0.1-0.3）。
15、优选的，双螺杆挤出机为同向双螺杆挤出机，螺杆长径比为（40-52）:1，挤出工艺条件为：加料段温度为180-280℃，塑化段温度为280-300℃，均化段温度为300-320℃，机头温度为310-320℃，螺杆转速为200-600rmp，压力为6-10mpa。
16、优选的，加工助剂为质量比为1:1:1:1的乙撑双硬脂酰胺、季戊四醇硬脂酸酯、抗氧剂1098和抗氧剂168。
17、本专利技术与现有技术相比，具有以下有益效果：
18、1.本专利技术的表面功能化改性cf/pps复合材料的制备方法，在解决碳纤维和pps树脂界面亲和力方面，采用两步法对碳纤维进行表面功能化改性：首先在碳纤维表面电化学沉积氨基功能化还原石墨烯，然后在表面原位接枝聚合本征型导电材料聚苯胺纳米纤维。界面层材料石墨烯接枝聚苯胺具有双亲性，一方面石墨烯通过碳平面π-π键与碳纤维连接，另一方面，聚苯胺与pps通过分子间氢键相互作用力而紧密结合。改性后的碳纤维表面的聚苯胺纳米纤维增加了碳纤维表面的润湿性和粗糙度，从结构上使得碳纤维能够通过氢键和机械锁紧锚定到pps树脂基体中（如图2所示），解决了碳纤维和pps界面结合问题。同时，纳米聚苯胺和纳米石墨烯作为碳纤维和树脂基体的相界面层，具有一定的界面强度，保证了载荷在树脂和碳纤维之间的传递而不影响复合材料的性能。
19、2.本专利技术的表面功能化改性cf/pps复合材料的制备方法，采用石墨烯和本征导电聚苯胺纳米纤维作为相界面层，良好的界面性能确保从基质到填料的有效负载转移，这有助于减少应力集中和增强整体机械性能。与未表面改性的碳纤维增强pps复合材料相比较，表本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.表面功能化改性CF/PPS复合材料的制备方法，其特征在于，将聚苯硫醚树脂、聚苯胺-石墨烯功能化表面修饰碳纤维和加工助剂，分别从双螺杆挤出机的主喂料口、侧喂料口和主喂料口加入到双螺杆挤出机，通过双螺杆挤出机熔融共混挤出、拉条、冷却、切粒、干燥，得到表面功能化改性CF/PPS复合材料。
2.如权利要求1所述的表面功能化改性CF/PPS复合材料的制备方法，其特征在于，聚苯硫醚树脂的添加量为68-90份、聚苯胺-石墨烯功能化表面修饰碳纤维的添加量为10-30份、加工助剂的添加量为1-1.3份。
3.如权利要求1所述的表面功能化改性CF/PPS复合材料的制备方法，其特征在于，聚苯胺-石墨烯功能化表面修饰碳纤维的制备方法包括以下步骤：
4.如权利要求3所述的表面功能化改性CF/PPS复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S1的具体操作为：在石墨粉和硝酸钠中加入浓硫酸，保持温度在20℃以下，搅拌加入高锰酸钾，搅拌得到混合物，再加入去离子水，温度控制在100℃以下，反应后加入H2O2溶液，得到氧化石墨烯悬浮液，过滤洗涤至滤液为中性，产物在减压条件下冷冻干燥，
5.如权利要求3所述的表面功能化改性CF/PPS复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S2的具体操作为：将氧化石墨烯溶于二甲基甲酰胺后超声，再加入碳酸氢钠搅拌，冷却至0℃后，滴加2,4,6-三氯-1,3,5-三嗪溶液，并搅拌，在氮气气氛中加入对苯二胺后搅拌反应，回流，冷却至室温，过滤、洗涤、干燥得到氨基功能化还原石墨烯。
6.如权利要求5所述的表面功能化改性CF/PPS复合材料的制备方法，其特征在于，氧化石墨烯的质量与碳酸氢钠、2,4,6-三氯-1,3,5-三嗪、对苯二胺的物质的量比为（380-420mg）:（60-65mmol）:（15-17mmol）:（60-68mmol）。
7.如权利要求3所述的表面功能化改性CF/PPS复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S3的具体操作为：将氨基功能化还原石墨烯在去离子水中超声分散，以碳纤维为阴极，金属钢板为阳极，电池电压为直流电压10-30V，电解液为pH为10-14的碳酸氢钠溶液，沉积5-20min，之后70-90℃下加热处理20-24h，最终得到氨基功能化还原石墨烯包覆碳纤维。
8.如权利要求3所述的表面功能化改性CF/PPS复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S4的具体操作为：将氨基功能化还原石墨烯包覆碳纤维超声均匀分散到1M的HCl溶液中，在冰盐浴中冷却到0℃后，加入苯胺单体并充分搅拌，随后加入过硫酸铵，在0℃下反应20-24h，然后过滤出反应完成后的碳纤维，分别用去离子水、乙醇、正己烷反复多次洗涤，直到滤液变为无色，所得产品在70-90℃下干燥至恒重，得到聚苯胺-石墨烯功能化表面修饰碳纤维；氨基功能化还原石墨烯包覆碳纤维、苯胺与过硫酸铵的质量比为（5-15）：（0.8-2）：（0.1-0.3）。
9.如权利要求1所述的表面功能化改性CF/PPS复合材料的制备方法，其特征在于，双螺杆挤出机为同向双螺杆挤出机，螺杆长径比为（40-52）:1，加料段温度为180-280℃，塑化段温度为280-300℃，均化段温度为300-320℃，机头温度为310-320℃，螺杆转速为200-600rmp，压力为6-10MPa。
10.如权利要求1所述的表面功能化改性CF/PPS复合材料的制备方法，其特征在于，加工助剂为质量比为1:1:1:1的乙撑双硬脂酰胺、季戊四醇硬脂酸酯、抗氧剂1098和抗氧剂168。
...【技术特征摘要】
1.表面功能化改性cf/pps复合材料的制备方法，其特征在于，将聚苯硫醚树脂、聚苯胺-石墨烯功能化表面修饰碳纤维和加工助剂，分别从双螺杆挤出机的主喂料口、侧喂料口和主喂料口加入到双螺杆挤出机，通过双螺杆挤出机熔融共混挤出、拉条、冷却、切粒、干燥，得到表面功能化改性cf/pps复合材料。
2.如权利要求1所述的表面功能化改性cf/pps复合材料的制备方法，其特征在于，聚苯硫醚树脂的添加量为68-90份、聚苯胺-石墨烯功能化表面修饰碳纤维的添加量为10-30份、加工助剂的添加量为1-1.3份。
3.如权利要求1所述的表面功能化改性cf/pps复合材料的制备方法，其特征在于，聚苯胺-石墨烯功能化表面修饰碳纤维的制备方法包括以下步骤：
4.如权利要求3所述的表面功能化改性cf/pps复合材料的制备方法，其特征在于，步骤s1的具体操作为：在石墨粉和硝酸钠中加入浓硫酸，保持温度在20℃以下，搅拌加入高锰酸钾，搅拌得到混合物，再加入去离子水，温度控制在100℃以下，反应后加入h2o2溶液，得到氧化石墨烯悬浮液，过滤洗涤至滤液为中性，产物在减压条件下冷冻干燥，得到氧化石墨烯；石墨粉、硝酸钠、浓硫酸、高锰酸钾和双氧水的质量体积比为（3-6g）:（1.5-3g）:（69-90ml）:（9-15g）:（15-50ml）。
5.如权利要求3所述的表面功能化改性cf/pps复合材料的制备方法，其特征在于，步骤s2的具体操作为：将氧化石墨烯溶于二甲基甲酰胺后超声，再加入碳酸氢钠搅拌，冷却至0℃后，滴加2,4,6-三氯-1,3,5-三嗪溶液，并搅拌，在氮气气氛中加入对苯二胺后搅拌反应，回流，冷却至室温，过滤、洗涤、干燥得到氨基功能化还原石墨烯。
6.如权利要求5所述的表面功能化改性cf/pps复合材料的制备方法，其特征在于，氧化石墨烯的质量与...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘玉，黄伟，钱钟钟，潘家永，廖广明，
申请(专利权)人：富海东营新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。