[发明专利]一种ZIF-8纳米晶体改性碳纤维增强聚六氢三嗪复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种ZIF‑8纳米晶体改性碳纤维增强聚六氢三嗪复合材料及其制备方法，制备方法通过简单的水热法在碳纤维布表面负载ZIF‑8纳米晶体，ZIF‑8的八面体结构提高了碳纤维与聚六氢三嗪树脂的表面润湿性和结合面积，且ZIF‑8含有的咪唑环在化学层面对碳纤维表面进行了官能化修饰，使得碳纤维增强复合材料在实际工况下不会造成界面失效，进而提高了复合材料的整体性能。本发明方法采用水热法，工艺简单，且所需原料制备成本低廉，适用于大规模的工业生产，本发明解决了碳纤维增强复合材料在实际应用中棘手的界面问题。

技术领域

本发明涉及纳米复合材料制备领域，具体涉及一种ZIF-8纳米晶体改性碳纤维增强聚六氢三嗪复合材料及其制备方法。

背景技术

碳纤维增强热固性树脂基复合材料具有比强度高，抗疲劳，耐磨性能好，比模量高，化学稳定性好，热膨胀系数小和尺寸稳定等优点。目前已广泛应用于航空航天，汽车能源，交通建筑和电子电器等领域。García等人（Science 344 (2014), 732）报告了多聚甲醛和4,4ʹ-二氨基二苯醚（ODA）之间的简单一锅低温缩聚反应，形成了半缩醛胺共价网络（HDCNs），该动态共价网络可在高温下进一步环化，生成聚六氢三嗪（PHT）。该聚合物表现出极高的杨氏模量，耐溶剂性和耐环境应力开裂性。Yuan等人（Nature Communications 8(2017), 14657）在上述工作基础上将这种高性能聚合物与碳纤维进行复合形成可降解的碳纤维增强聚六氢三嗪复合材料，该复合材料可以实现在温和环境下的高效降解，进而回收碳纤维。作为一种新型高性能复合材料，碳纤维增强聚六氢三嗪复合材料有望满足实际工况对质量，强度，刚度，尺寸稳定性和抗疲劳性的严格要求。碳纤维增强复合材料作为一种两相复合材料，其纤维与基体间存在数量庞大的结合界面，结合界面直接关系到复合材料内部应力及热的传导和扩散，对复合材料整体性能起到关键甚至决定性的作用。

碳纤维增强复合材料在长期服役过程中，受不同工况影响，易发生剥离等不同形式的破坏，这些破坏大多来源于惰性纤维表面与基体间较弱的结合力，这些脆弱界面的产生，扩展和汇合将导致复合材料整体性能的降低，并最终导致复合材料的失效。因此，对碳纤维与基体之间的界面增强已成为复合材料在应用过程中亟待解决的关键难题。

近年来科研人员在纤维与基体的界面增强方面做了大量研究，将石墨烯引入碳纤维增强复合材料界面中，通过石墨烯自身表面官能团的亲和力，使得石墨烯取向且牢固的结合在一起，进而提高复合材料的整体性能。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种ZIF-8纳米晶体改性碳纤维增强聚六氢三嗪复合材料及其制备方法，制备方法工艺简单方便，可重复性强；所制备的复合材料中ZIF-8纳米晶体粒径均匀，形貌单一，能够均匀包覆在碳纤维表面，改善了纤维与基体的界面结合，并最终提高了聚六氢三嗪复合材料的整体性能。

为了实现以上目的，本发明提供了一种ZIF-8纳米晶体改性碳纤维增强聚六氢三嗪复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：碳纤维编织布预处理；

步骤2：将Zn(NO₃)₂•6H₂O和二甲基咪唑分别加入到甲醇中，待充分溶解后迅速将两溶液混合搅拌，再将所得混合溶液离心并用甲醇洗涤，干燥后研磨，得到ZIF-8纳米晶体；

步骤3：将步骤2得到的ZIF-8纳米晶体加入乙醇/PEI混合溶液中分散后，得到ZIF-8种子溶液；

步骤4：将0.5~0.7 g的ZnCl₂、0.4~0.6 g的2-甲基咪唑和0.2~0.4 g的HCOONa溶于70-100 mL甲醇中，得到二次生长溶液；