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纳米管纤维混杂织物及其制备方法和增强复合材料

申请号 CN202010511388.7 申请日 2020-06-08 公开(公告)号 CN111705391A 公开(公告)日 2020-09-25
申请人 深圳烯湾科技有限公司; 发明人 邓飞; 辛培培; 刘畅;
摘要 本 发明 涉及一种 碳 纳米管 纤维 混杂织物及其制备方法和增强 复合材料 。上述 碳纳米管 纤维混杂织物的制备方法包括如下步骤:将 碳纳米管阵列 进行纺丝制备碳纳米管纤维丝;采用 酸溶液 对碳纳米管纤维丝进行处理,并对碳纳米管纤维丝进行牵伸;将碳纳米管纤维丝合并制备碳纳米管纤维束;将碳纳米管纤维束与高性能纤维混合,制备混合纤维束;然后将碳纳米管纤维束、高性能纤维及混合纤维束中的至少两种进行织造,或者将混合纤维束进行织造,制备碳纳米管纤维混杂织物。上述碳纳米管纤维混杂织物的制备方法能够制备得到强度高、抗冲击性能好、耐蠕变性能好且耐湿热老化性能好的碳纳米管纤维混杂织物。
权利要求

1.一种纳米管纤维混杂织物的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
碳纳米管阵列进行纺丝制备碳纳米管纤维丝;
采用酸溶液对所述碳纳米管纤维丝进行处理,并对所述碳纳米管纤维丝进行牵伸;
将所述碳纳米管纤维丝合并制备碳纳米管纤维束;
将所述碳纳米管纤维束与高性能纤维混合,制备混合纤维束;及,
将所述碳纳米管纤维束、所述高性能纤维及所述混合纤维束中的至少两种进行织造,或者将所述混合纤维束进行织造,制备碳纳米管纤维混杂织物。
2.根据权利要求1所述的碳纳米管纤维混杂织物的制备方法,其特征在于,在所述碳纳米管纤维混杂织物的制备过程中,所用到的所述碳纳米管纤维束与所述高性能纤维的体积比为1:1~1:10。
3.根据权利要求1所述的碳纳米管纤维混杂织物的制备方法,其特征在于,所述高性能纤维选自芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维及碳纤维中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的碳纳米管纤维混杂织物的制备方法,其特征在于,将所述碳纳米管纤维束与高性能纤维混合的方法为并丝法、合股法或包芯法。
5.根据权利要求1所述的碳纳米管纤维混杂织物的制备方法,其特征在于,所述碳纳米管纤维混杂织物为机织织物、经编织物或纬编织物,织造所述碳纳米管纤维混杂织物的纱线选自所述碳纳米管纤维束、所述高性能纤维及所述混合纤维束中的至少一种。
6.根据权利要求1~5任一项所述的碳纳米管纤维混杂织物的制备方法,其特征在于,所述碳纳米管纤维混杂织物的平方米克重为50g/m2~200g/m2。
7.根据权利要求1所述的碳纳米管纤维混杂织物的制备方法,其特征在于,所述对所述碳纳米管纤维丝进行牵伸的步骤中,牵伸倍数为1~1.1。
8.根据权利要求1~5任一项所述的碳纳米管纤维混杂织物的制备方法,其特征在于,所述将碳纳米管阵列进行纺丝制备碳纳米管纤维丝的步骤为:从碳纳米管阵列中拉出
0.1cm~20cm宽度的薄膜,加捻纺制成丝,制备所述碳纳米管纤维丝。
9.根据权利要求8所述的碳纳米管纤维混杂织物的制备方法,其特征在于,所述加捻纺制成丝的步骤中,捻度为100tpm~15000tpm;和/或,
所述碳纳米管阵列中碳纳米管的长度为100μm~1000μm,直径为6nm~15nm。
10.根据权利要求1或9所述的碳纳米管纤维混杂织物的制备方法,其特征在于,所述将所述碳纳米管纤维丝合并制备碳纳米管纤维束的步骤中,每束合并根数为10根~100根。
11.一种碳纳米管纤维混杂织物,其特征在于,由权利要求1~10任一项所述的碳纳米管纤维混杂织物的制备方法制备得到。
12.一种增强复合材料,其特征在于,制备所述增强复合材料的原料包括权利要求11所述的碳纳米管纤维混杂织物。
13.根据权利要求12所述的增强复合材料,其特征在于,制备所述增强复合材料的原料还包括树脂基体,在所述原料中,所述碳纳米管纤维混杂织物的体积分数为50%~55%。

说明书全文

纳米管纤维混杂织物及其制备方法和增强复合材料

技术领域

[0001] 本发明涉及纤维材料领域,特别是涉及一种碳纳米管纤维混杂织物及其制备方法和增强复合材料。

背景技术

[0002] 传统的防弹材料所用的纤维为芳纶纤维、碳纤维和超高分子量聚乙烯纤维。芳纶纤维的模量高,并且有较高的伸长率、耐冲击性好,但是芳纶纤维的尺寸稳定性和耐紫外辐照性能较差、吸率高、抗湿热老化性能差,导致影响产品的使用寿命。碳纤维虽然拥有较高强度,但是其最大缺点为脆性,即抗冲击性能不强,限制了其在防弹材料中的应用。超高分子量聚乙烯纤维的密度小,具有高强度、高模量、耐冲击、抗切割等优异性能,制作出的防弹衣比芳纶纤维防弹衣更轻质量更好。然而超高分子量聚乙烯纤维的抗蠕变性能较差,在长时间受情况下易发生不可逆形变,且不耐高温,也会一定程度上影响防弹产品的使用。

发明内容

[0003] 基于此,有必要提供一种同时具有良好的耐湿热老化性能、抗冲击性和耐蠕变性能、能够用于防弹材料中的碳纳米管纤维混杂织物的制备方法。
[0004] 此外,还有必要提供一种碳纳米管纤维混杂织物和增强复合材料。
[0005] 一种碳纳米管纤维混杂织物的制备方法,包括如下步骤:
[0006] 将碳纳米管阵列进行纺丝制备碳纳米管纤维丝;
[0007] 采用酸溶液对所述碳纳米管纤维丝进行处理,并对所述碳纳米管纤维丝进行牵伸;
[0008] 将所述碳纳米管纤维丝合并制备碳纳米管纤维束;
[0009] 将所述碳纳米管纤维束与高性能纤维混合,制备混合纤维束;及,[0010] 将所述碳纳米管纤维束、所述高性能纤维及所述混合纤维束中的至少两种进行织造,或者将所述混合纤维束进行织造,制备碳纳米管纤维混杂织物。
[0011] 在其中一个实施例中,在所述碳纳米管纤维混杂织物的制备过程中,所用到的所述碳纳米管纤维与所述高性能纤维的体积比为1:1~1:10。
[0012] 在其中一个实施例中,所述高性能纤维选自芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维及碳纤维中的至少一种。
[0013] 在其中一个实施例中,将所述碳纳米管纤维束与高性能纤维混合的方法为并丝法、合股法或包芯法。
[0014] 在其中一个实施例中,所述碳纳米管纤维混杂织物为机织织物、经编织物或纬编织物,织造所述碳纳米管纤维混杂织物的纱线选自所述碳纳米管纤维束、所述高性能纤维及所述混合纤维束中的至少一种。
[0015] 在其中一个实施例中,所述碳纳米管纤维混杂织物的平方米克重为50g/m2~200g/m2。
[0016] 在其中一个实施例中,所述碳纳米管纤维混杂织物的经纬密度为20根/10cm~200根/10cm。
[0017] 在其中一个实施例中,所述酸溶液选自硝酸溶液及氯磺酸溶液中的一种。
[0018] 在其中一个实施例中,所述对所述碳纳米管纤维丝进行牵伸的步骤中,牵伸倍数为1~1.1。
[0019] 在其中一个实施例中,所述将碳纳米管阵列进行纺丝制备碳纳米管纤维丝的步骤为:从碳纳米管阵列中拉出0.1cm~20cm宽度的薄膜,加捻纺制成丝,制备所述碳纳米管纤维丝。
[0020] 在其中一个实施例中,所述加捻纺制成丝的步骤中,捻度为100tpm~15000tpm。
[0021] 在其中一个实施例中,所述将碳纳米管阵列进行纺丝制备碳纳米管纤维丝的步骤中,所述碳纳米管阵列中碳纳米管的长度为100μm~1000μm,直径为6nm~15nm。
[0022] 在其中一个实施例中,所述将所述碳纳米管纤维丝合并制备碳纳米管纤维束的步骤中,每束合并根数为10根~100根。
[0023] 一种碳纳米管纤维混杂织物,由上述的碳纳米管纤维混杂织物的制备方法制备得到。
[0024] 一种增强复合材料,制备所述增强复合材料的原料包括上述的碳纳米管纤维混杂织物。
[0025] 在其中一个实施例中,制备所述增强复合材料的原料还包括树脂基体,在所述原料中,所述碳纳米管纤维混杂织物的体积分数为50%~55%。
[0026] 上述碳纳米管纤维混杂织物的制备方法先由碳纳米管阵列纺丝制备碳纳米管纤维丝,然后采用酸溶液处理及牵伸处理,增加了碳纳米管纤维丝表面的官能团,并使碳纳米管纤维丝排列整齐,以增强其强度。然后将碳纳米管纤维丝进行合并得到碳纳米管纤维束,并与其他高性能纤维混合、织造,碳纳米管纤维的加入改善了传统的芳纶纤维、碳纤维和超高分子量聚乙烯纤维的性能缺陷,从而得到强度高、抗冲击性能好、耐蠕变性能好且耐湿热老化性能好的碳纳米管纤维混杂织物,能够用于防弹材料等增强复合材料的制备中。附图说明
[0027] 图1为一实施方式的碳纳米管纤维混杂织物的制备方法的工艺流程图
[0028] 图2为图1所示的工艺流程图中步骤S110中捻度过大时,碳纳米管纤维丝的形貌图;
[0029] 图3为图1所示的工艺流程图中步骤S110中捻度合适时,碳纳米管纤维丝的形貌图;
[0030] 图4为图1所示的工艺流程图中步骤S140中所制备得到的混杂织物为合股纱的示意图;
[0031] 图5为图1所示的工艺流程图中步骤S140中所制备得到的混杂织物为包芯纱的示意图。

具体实施方式

[0032] 为了便于理解本发明,下面将结合具体实施方式对本发明进行更全面的描述。具体实施方式中给出了本发明的较佳的实施例。但是,本发明可以以许多不同的形式来实现,并不限于本文所描述的实施例。相反地,提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
[0033] 除非另有定义,本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体地实施例的目的,不是旨在于限制本发明。
[0034] 请参阅图1,一实施方式的碳纳米管纤维混杂织物的制备方法,包括如下步骤:
[0035] 步骤S110:将碳纳米管阵列纺丝制备碳纳米管纤维丝。
[0036] 其中,碳纳米管阵列中,碳纳米管的长度为100μm~1000μm,直径为6nm~15nm。进一步地,碳纳米管的长度为300μm~600μm。上述碳纳米管阵列中的碳纳米管的长度、直径合适,使得制备得到的碳纳米管纤维的强度较大。
[0037] 具体地,步骤S110包括:从碳纳米管阵列中拉出0.1cm~20cm宽度的薄膜,加捻纺制成丝,制备碳纳米管纤维丝。进一步地,拉出的薄膜的宽度为0.1cm~5cm。在其中一个实施例中,加捻纺制成丝的过程中,捻度为100tpm~15000tpm。进一步地,捻度为2000tpm~15000tpm。从上述碳纳米管阵列中拉出来的薄膜,排列有序,长度和直径均匀,通过加捻纺制成丝得到的碳纳米管纤维丝具有较好的力学性能。
[0038] 加捻纺制成丝的过程中,若捻度过大,碳纳米管纤维丝会形成一种螺旋状形貌,如图2所示。由于过度加捻导致碳纳米管纤维在纤维轴向上严重变形,当纤维轴向受力时,碳纳米管由于变形导致沿纤维轴向承受能力降低,因此碳纳米管纤维整体力学性能下降。捻度过小时,会导致碳纳米管薄膜加捻不完全,有些地方仍是薄膜状态或碳纳米管之间抱合不紧密,成为弱节,在纤维受力时会从此最先断裂。如图3所示,在最佳捻度下,碳纳米管之间抱合较紧密,碳纳米管纤维在纤维轴向上变形不严重,碳纳米管纤维力学性能较优,适宜进行下一步加工织造。
[0039] 步骤S120:采用酸溶液对碳纳米管纤维丝进行处理,并对碳纳米管纤维丝进行牵伸。
[0040] 具体地,酸溶液选自硝酸溶液及氯磺酸溶液中的一种。在其中一个实施例中,酸溶液的质量浓度为10%~50%。采用酸溶液对碳纳米管纤维丝进行表面处理,增加了碳纳米管纤维丝表面的官能团,从而在制备增强复合材料时,提高与树脂基体的界面结合,以增强复合材料的强度。
[0041] 在其中一个实施例中,采用酸溶液对碳纳米管纤维丝进行表面处理的步骤中,将碳纳米管纤维丝浸泡在酸溶液中。浸泡时间为1min~120min。在实际应用中,具体时间根据酸溶液种类以及浓度而定,时间过短会导致纤维内的碳纳米管不能得到良好的牵伸,纤维表面改性不明显;时间过长会破坏碳纳米管结构,从而降低纤维强度。
[0042] 另外,对碳纳米管纤维丝进行牵伸能够使碳纳米管在纤维中的排列更加整齐平行,从而增加碳纳米管纤维的强度。具体地,牵伸倍数为1~1.1。
[0043] 步骤S130:将碳纳米管纤维丝合并制备碳纳米管纤维束。
[0044] 需要说明的是,在本实施方式中,步骤S120和步骤S130的顺序不可以调换。多根未经过处理的碳纳米管纤维丝合并在一起可能会出现相互粘连、交缠的现象,导致部分纤维与酸溶液不能充分接触反应;并且粘连、交缠现象会导致纤维束中的纤维张力不匀,因此牵伸时导致张力更不均匀,对后期使用和力学性能均会有影响。因此,为了使纤维与酸溶液充分接触反应,并使每根纤维丝都受到良好的牵伸,在本实施方式中采用先对单根纤维丝进行酸处理和牵伸处理,然后在将处理后的纤维丝合并得到纤维束。
[0045] 具体地,每束合并根数为10根~100根。进一步地,每束合并根数为10根~50根。
[0046] 碳纳米管纤维是新一代的高性能纤维,由无数根碳纳米管沿轴向排列而形成,管与管之间靠范德华力相连接。碳纳米管纤维具有质量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀、使用寿命长、高温下不易变形、散热快、占用空间小,并且很柔软,可随意弯折,织造过程中也不易产生飞花,非常适合做成织物。但传统的碳纳米管纤维在应用于防弹纤维材料时,还存在强度较低的缺点,而在本实施方式中,采用上述方法制备得到碳纳米管纤维束能够提高碳纳米管纤维束的强度,进而提高所制备得到的碳纳米管纤维混杂织物的强度。
[0047] 步骤S140:将碳纳米管纤维束与高性能纤维混合,制备混合纤维束。
[0048] 步骤S150:将碳纳米管纤维束、高性能纤维及混合纤维束中的至少两种进行织造,或者将混合纤维束进行织造,制备碳纳米管纤维混杂织物。
[0049] 具体地,高性能纤维选自芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维及碳纤维中的至少一种。
[0050] 在所述碳纳米管纤维混杂织物的制备过程中,所用到的碳纳米纤维束与高性能纤维的体积比为1:1~1:10。进一步地,碳纳米纤维束与高性能纤维的体积比为1:1~1:5。碳纳米纤维束与高性能纤维的体积比超过上述比例后,所制备得到的混杂织物的性能下降,添加碳纳米管纤维的效果不明显。
[0051] 具体地,将碳纳米管纤维束与高性能纤维混合的方法为并丝法、合股法或包芯法。因此,将碳纳米管纤维束与高性能纤维混合后所得到的为并丝纱、合股纱或包芯纱。在其中一个实施例中,请参阅图4,采用合股法将碳纳米管纤维束与高性能纤维混合时,采用1根碳纳米管纤维束与1~3根高性能纤维束的方式混合,其中1根碳纳米管纤维束与1根高性能纤维束的体积相同。请参阅图5,包芯法中,以碳纳米管纤维为外层包缠纤维,高性能纤维为内层芯纱纤维。在包芯法中,还可以为高性能纤维为外层包缠纤维,碳纳米管纤维为内层芯纱纤维。
[0052] 织造的方式为机织、经编和纬编。因此,碳纳米管纤维混杂织物为机织织物、经编织物或纬编织物。织造碳纳米管纤维混杂织物的纱线选自碳纳米管纤维束、高性能纤维及混合纤维束中的至少一种。
[0053] 具体地,采用机织的方式进行织造时,织物组织可以为平纹、斜纹、缎纹或其他更为复杂的组织。实施例中织造的均为单层织物,经纱纬纱可以为纯碳纳米管纤维束、纯高性能纤维束或二者混合纤维束。
[0054] 其中,碳纳米管纤维混杂织物的平方米克重为50g/m2~200g/m2。机织物的克重由经纬密度和混纺纱线密度决定。具体地,碳纳米管纤维混杂织物的经纬密度为20根/10cm~200根/10cm。混纺纱线密度为5tex~250tex。
[0055] 具体地,采用经编的方式进行织造时,织物组织可以为编链、经平、轴向经编或其他更为复杂的组织,纱线为混合纤维束。其中,碳纳米管纤维混杂织物的平方米克重为50g/m2~200g/m2,经编织物的克重由线圈长度和混纺纱线密度决定。具体地,线圈长度为2mm~5mm,混纺纱线密度为5tex~250tex。
[0056] 具体地,采用纬编的方式进行织造时,织物组织可以为平针、罗纹、双反面组织或其他更为复杂的组织,纱线为混合纤维束。其中,碳纳米管纤维混杂织物的平方米克重为50g/m2~200g/m2,纬编织物的克重由线圈长度和混纺纱线密度决定。具体地,线圈长度为
2mm~5mm,混纺纱线密度为5tex~250tex。
[0057] 上述碳纳米纤维混杂织物的制备方法至少具有以下优点:
[0058] (1)上述碳纳米管纤维混杂织物的制备方法先由碳纳米管阵列纺丝制备碳纳米管纤维丝,然后采用酸溶液处理及牵伸处理,增加了碳纳米管纤维丝表面的官能团,并使碳纳米管纤维丝排列整齐,以增强其强度。然后将碳纳米管纤维丝进行合并得到碳纳米管纤维束,并与其他高性能纤维混合、织造,碳纳米管纤维的加入改善了传统的芳纶纤维、碳纤维和超高分子量聚乙烯纤维的性能缺陷,从而得到强度高、抗冲击性能好、耐蠕变性能好且耐湿热老化性能好的碳纳米管纤维混杂织物,能够用于防弹材料等增强复合材料的制备中。
[0059] (2)上述碳纳米管纤维混杂织物的制备方法工艺简单,易于工业化生产。
[0060] 一实施方式的碳纳米纤维混杂织物,由上述碳纳米管纤维混杂织物的制备方法制备得到。该碳纳米管纤维混杂织物的强度高、抗冲击性能好、耐蠕变性能好且耐湿热老化性能好,能够用于防弹材料等增强复合材料的制备中。
[0061] 一实施方式的增强复合材料,制备增强复合材料的原料包括上述碳纳米管纤维混杂织物。
[0062] 具体地,制备增强复合材料的原料还包括树脂基体。例如,树脂基体可以为环树脂。可以理解,本领域常用的树脂基体均可以作为本实施方式的树脂基体。原料中,碳纳米管纤维混杂织物的体积分数为50%~55%。
[0063] 在其中一个实施例中,增强复合材料为防弹材料。在另一个实施例中,上述增强复合材料还可以为桥梁增强材料建筑物用增强材料。
[0064] 具体地,增强复合材料的制备工艺可以为本领域常用的工艺,如VARTM(真空辅助树脂传递模塑)工艺,在此不再赘述。
[0065] 上述增强复合材料的强度高、抗冲击性好、耐蠕变性能好且耐湿热老化性能好。
[0066] 以下为具体实施例部分:
[0067] 实施例1-1
[0068] 本实施例的碳纳米管纤维混杂织物的制备过程具体如下:
[0069] (1)从长度为500μm、直径为10nm的碳纳米管阵列中拉出10cm宽度的薄膜,然后以2000tpm的捻度加捻纺制成丝,得到碳纳米管纤维丝。
[0070] (2)将步骤(1)中得到的碳纳米管纤维丝浸泡在质量浓度为20%的硝酸溶液中处理30min,并对碳纳米管纤维丝进行牵伸,牵伸倍数为1.06。
[0071] (3)将步骤(2)中处理后的50根碳纳米管纤维丝合并成一束碳纳米管纤维束。
[0072] (4)将步骤(3)中处理后的碳纳米管纤维束与芳纶纤维采用包芯法进行混合,外层包缠纤维为碳纳米管纤维束,内层芯纱为芳纶纤维,且碳纳米管纤维束与芳纶纤维的体积比为1:5,然后采用机织的方式织造,经纬纱均为混合纤维束,经纬密度为30根/10cm,克重2
为200g/m。
[0073] 实施例1-2
[0074] 本实施例的碳纳米管纤维混杂织物的制备过程具体如下:
[0075] (1)从长度为500μm、直径为10nm的碳纳米管阵列中拉出10cm宽度的薄膜,以2000tpm的捻度加捻纺制成丝,得到碳纳米管纤维丝。
[0076] (2)将步骤(1)中得到的碳纳米管纤维丝浸泡在质量浓度为20%的硝酸溶液中处理30min,并对碳纳米管纤维丝进行牵伸,牵伸倍数为1.06。
[0077] (3)将步骤(2)中处理后的50根碳纳米管纤维丝合并成一束碳纳米管纤维束。
[0078] (4)将步骤(3)中处理后的碳纳米管纤维束与超高分子量聚乙烯纤维采用包芯法进行混合,外层包缠纤维为碳纳米管纤维,内层芯纱为超高分子量聚乙烯纤维,且碳纳米管纤维束与超高分子量聚乙烯纤维的体积比为1:5,然后采用机织的方式织造,经纬纱均为混合纤维束,经纬密度为30根/10cm,克重为200g/m2。
[0079] 实施例1-3
[0080] 本实施例的碳纳米管纤维混杂织物的制备过程具体如下:
[0081] (1)从长度为500μm、直径为10nm的碳纳米管阵列中拉出10cm宽度的薄膜,以2000tpm的捻度加捻纺制成丝,得到碳纳米管纤维丝。
[0082] (2)将步骤(1)中得到的碳纳米管纤维丝浸泡在质量浓度为20%的硝酸溶液中处理30min,并对碳纳米管纤维丝进行牵伸,牵伸倍数为1.06。
[0083] (3)将步骤(2)中处理的50根碳纳米管纤维丝合并成一束碳纳米管纤维束。
[0084] (4)将步骤(3)中处理后的碳纳米管纤维束与碳纤维采用包芯法进行混合,外层包缠纤维为碳纳米管纤维,内层芯纱为碳纤维,且碳纳米管纤维束与碳纤维的体积比为1:5,然后采用机织的方式织造,经纬纱均为混合纤维束,经纬密度为30根/10cm,克重为200g/m2。
[0085] 实施例1-4
[0086] 本实施例的碳纳米管纤维混杂织物的制备过程具体如下:
[0087] (1)从长度为500μm、直径为10nm的碳纳米管阵列中拉出10cm宽度的薄膜,以2000tpm的捻度加捻纺制成丝,得到碳纳米管纤维丝。
[0088] (2)将步骤(1)中得到的碳纳米管纤维丝浸泡在质量浓度为20%的硝酸溶液中处理30min,并对碳纳米管纤维丝进行牵伸,牵伸倍数为1.06。
[0089] (3)将步骤(2)中处理的50根碳纳米管纤维丝合并成一束碳纳米管纤维束。
[0090] (4)将步骤(3)中处理后的碳纳米管纤维束与碳纤维、芳纶纤维采用包芯法进行混合,外层包缠纤维为碳纳米管纤维,内层芯纱为碳纤维和芳纶纤维,且碳纳米管纤维束的体积与碳纤维和芳纶纤维的比值为1:1:4,然后采用机织的方式织造,经纬纱均为混合纤维束,经纬密度为30根/10cm,克重为200g/m2。
[0091] 实施例1-5
[0092] 本实施例的碳纳米管纤维混杂织物的制备过程具体如下:
[0093] (1)从长度为500μm、直径为10nm的碳纳米管阵列中拉出10cm宽度的薄膜,以2000tpm的捻度加捻纺制成丝,得到碳纳米管纤维丝。
[0094] (2)将步骤(1)中得到的碳纳米管纤维丝浸泡在质量浓度为20%的硝酸溶液中处理30min,并对碳纳米管纤维丝进行牵伸,牵伸倍数为1.06。
[0095] (3)将步骤(2)中处理的50根碳纳米管纤维丝合并成一束碳纳米管纤维束。
[0096] (4)将步骤(3)中处理后的碳纳米管纤维束与芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维采用合股法进行混合,且碳纳米管纤维束的体积与芳纶纤维和超高分子量聚乙烯纤维的体积的比值为1:1:4,然后采用机织的方式织造,经纬纱均为混合纤维束,经纬密度为30根/10cm,克重为200g/m2。
[0097] 实施例1-6
[0098] 本实施例的碳纳米管纤维混杂织物的制备过程具体如下:
[0099] (1)从长度为500μm、直径为10nm的碳纳米管阵列中拉出10cm宽度的薄膜,以2000tpm的捻度加捻纺制成丝,得到碳纳米管纤维丝。
[0100] (2)将步骤(1)中得到的碳纳米管纤维丝浸泡在质量浓度为20%的硝酸溶液中处理30min,并对碳纳米管纤维丝进行牵伸,牵伸倍数为1.06。
[0101] (3)将步骤(2)中处理的50根碳纳米管纤维丝合并成一束碳纳米管纤维束。
[0102] (4)将步骤(3)中处理后的碳纳米管纤维束与碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维采用并丝法进行混合,且碳纳米管纤维束的体积与碳纤维和超高分子量聚乙烯纤维的体积的比值为1:5,然后采用机织的方式织造,经纬纱均为混合纤维束,经纬密度为30根/10cm,克重为200g/m2。
[0103] 实施例1-7
[0104] 本实施例的碳纳米管纤维混杂织物的制备过程具体如下:
[0105] (1)从长度为500μm、直径为10nm的碳纳米管阵列中拉出10cm宽度的薄膜,以2000tpm的捻度加捻纺制成丝,得到碳纳米管纤维丝。
[0106] (2)将步骤(1)中得到的碳纳米管纤维丝浸泡在质量浓度为20%的硝酸溶液中处理30min,并对碳纳米管纤维丝进行牵伸,牵伸倍数为1.06。
[0107] (3)将步骤(2)中处理的50根碳纳米管纤维丝合并成一束碳纳米管纤维束。
[0108] (4)将步骤(3)中处理后的碳纳米管纤维束与碳纤维、芳纶纤维和超高分子量聚乙烯纤维采用合股法进行混合,且碳纳米管纤维束的体积与碳纤维、芳纶纤维和超高分子量聚乙烯纤维的体积总和的比值为1:5,然后采用机织的方式织造,经纬纱均为混合纤维束,经纬密度为30根/10cm,克重为200g/m2。
[0109] 实施例1-8
[0110] 本实施例的碳纳米管纤维混杂织物的制备过程具体如下:
[0111] (1)从长度为100μm、直径为6nm的碳纳米管阵列中拉出0.1cm宽度的薄膜,然后以15000tpm的捻度加捻纺制成丝,得到碳纳米管纤维丝。
[0112] (2)将步骤(1)中得到的碳纳米管纤维丝浸泡在质量浓度为10%的氯磺酸溶液中处理120min,并对碳纳米管纤维丝进行牵伸,牵伸倍数为1。
[0113] (3)将步骤(2)中处理后的100根碳纳米管纤维丝合并成一束碳纳米管纤维束。
[0114] (4)将步骤(3)中处理后的碳纳米管纤维束与芳纶纤维采用包芯法进行混合,外层包缠纤维为碳纳米管纤维束,内层芯纱为芳纶纤维,且碳纳米管纤维束与芳纶纤维的体积比为1:1,然后采用机织的方式织造,得到碳纳米管纤维混杂织物,织物组织为平纹,经纬密度为200根/10cm,克重为50g/m2。
[0115] 实施例1-9
[0116] 本实施例的碳纳米管纤维混杂织物的制备过程具体如下:
[0117] (1)从长度为1000μm、直径为15nm的碳纳米管阵列中拉出20cm宽度的薄膜,然后以100tpm的捻度加捻纺制成丝,得到碳纳米管纤维丝。
[0118] (2)将步骤(1)中得到的碳纳米管纤维丝浸泡在质量浓度为50%的氯磺酸溶液中处理1min,并对碳纳米管纤维丝进行牵伸,牵伸倍数为1.1。
[0119] (3)将步骤(2)中处理后的10根碳纳米管纤维丝合并成一束碳纳米管纤维束。
[0120] (4)将步骤(3)中处理后的碳纳米管纤维束与芳纶纤维采用包芯法进行混合,外层包缠纤维为碳纳米管纤维束,内层芯纱为芳纶纤维,且碳纳米管纤维束与芳纶纤维的体积比为1:10,然后采用机织的方式织造,得到碳纳米管纤维混杂织物,织物组织为平纹,经纬2
密度为20根/10cm,克重为200g/m。
[0121] 实施例2-1~实施例2-9
[0122] 实施例2-1~实施例2-9的增强复合材料的制备过程具体如下:
[0123] (1)分别取实施例1-1~实施例1-9所制备得到的碳纳米管纤维混杂织物。
[0124] (2)将上述碳纳米管纤维混杂织物与环氧树脂混合,并根据VARTM工艺制备得到增强复合材料,其中,碳纳米管纤维混杂织物的体积分数为52%。
[0125] 对比例1-1
[0126] 对比例1-1的织物的制备过程具体如下:
[0127] 将碳纤维采用机织的方式织造,经纬纱均为碳纤维,经纬密度为30根/10cm,克重为200g/m2。
[0128] 对比例1-2
[0129] 对比例1-2的织物的制备过程具体如下:
[0130] 将超高分子量聚乙烯纤维采用机织的方式织造,经纬纱均为超高分子量聚乙烯纤维,经纬密度为30根/10cm,克重为200g/m2。
[0131] 对比例1-3
[0132] 对比例1-3的织物的制备过程具体如下:
[0133] 将芳纶纤维采用机织的方式织造,经纱为芳纶纤维,经纬纱均为芳纶纤维,经纬密度为30根/10cm,克重为200g/m2。
[0134] 对比例1-4
[0135] 对比例1-4的碳纳米管纤维混杂织物的制备过程与实施例1-1的碳纳米管纤维混杂织物的制备过程相似,区别在于,对比例1-4中不含有步骤(2),即未对碳纳米管纤维丝进行酸处理和牵伸处理。
[0136] 对比例1-5
[0137] 对比例1-5的碳纳米管纤维混杂织物的制备过程与实施例1-1的碳纳米管纤维混杂织物的制备过程相似,区别在于,对比例1-5的步骤(2)为:将步骤(1)中得到的碳纳米管纤维丝浸泡在质量浓度为100%的硝酸溶液中处理30min。
[0138] 对比例1-6
[0139] 对比例1-6的碳纳米管纤维混杂织物的制备过程与实施例1-1的碳纳米管纤维混杂织物的制备过程相似,区别在于,对比例1-6的步骤(2)为:将步骤(1)中得到的碳纳米管纤维丝进行牵伸,牵伸倍数为1.2。
[0140] 对比例1-7
[0141] 对比例1-7的碳纳米管纤维混杂织物的制备过程与实施例1-1的碳纳米管纤维混杂织物的制备过程相似,区别在于,对比例1-7的步骤(4)中,碳纳米管纤维束与芳纶纤维束的体积比为5:1。
[0142] 对比例1-8
[0143] 对比例1-8的碳纳米管纤维混杂织物的制备过程与实施例1-1的碳纳米管纤维混杂织物的制备过程相似,区别在于,对比例1-8的步骤(1)中,捻度为20000tpm。
[0144] 对比例1-9
[0145] 对比例1-9的碳纳米管纤维混杂织物的制备过程与实施例1-1的碳纳米管纤维混杂织物的制备过程相似,区别在于,对比例1-9的步骤(4)为:将步骤(3)中处理后的碳纳米管纤维束与芳纶纤维采用机织的方式织造,经纬纱均为混合纤维束,经纬密度为60根/10cm,克重为400g/m2。
[0146] 对比例2-1~对比例2-9
[0147] 对比例2-1~对比例2-9的增强复合材料的制备过程具体如下:
[0148] (1)分别取对比例1-1~对比例1-9的碳纳米管纤维混杂织物。
[0149] (2)将上述碳纳米管纤维混杂织物与环氧树脂混合,并根据VARTM工艺制备得到增强复合材料,其中,碳纳米管纤维混杂织物的体积分数为52%。
[0150] 实施例和对比例中所用到的各纤维的性能数据如下表1所示。
[0151] 表1实施例和对比例中所用到的纤维的性能
[0152]
[0153] 实施例2-1~实施例2-9和对比例2-1~对比例2-9所制备得到的增强复合材料的冲击性能、耐蠕变性能及耐湿热老化性能数据如表2所示。其中,冲击性采用ASTM D7136方法测试得到,蠕变应变采用GB11546-89方法测试得到,50℃水热100h后弯曲强度保持率采用ASTM D7264方法测试得到。
[0154] 表2.各实施例和对比例的增强复合材料的性能
[0155]
[0156] 从表2可以看出,其他高性能纤维在与碳纳米管纤维混织之后,混杂织物的综合性能均有所提升。从实施例2-1和对比例2-3的比较中可以看出,碳纳米管纤维的加入改善了芳纶纤维抗湿热老化性能差的缺点。从实施例2-2和对比例2-1的比较中可以看出,碳纳米管纤维的加入大大提高了碳纤维的抗冲击性能。从实施例2-3和对比例2-2的比较中可以看出,碳纳米管纤维的加入使超高分子量聚乙烯纤维的蠕变应变降低,即抗蠕变性能提升。
[0157] 从上述实验结果中可以看出,碳纳米管纤维作为增强纤维混杂在高性能纤维织物中,可以改善高性能纤维织物原有的缺陷,并增强各纤维原有的优势,从而使得混杂织物的耐湿热老化性能好、抗冲击性好且耐蠕变性能好,能够应用于防弹材料的制备中。
[0158] 以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
[0159] 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。