[发明专利]一种有机-无机杂化三层核壳粒子改性碳纤维的制备方法

说明书

本发明公开了一种有机‑无机杂化三层核壳粒子改性碳纤维的制备方法。制备方法包括：先将八水氧氯化锆在乙醇水溶液中水热反应一定时间，反应完成后进行硅烷偶联剂改性得到二氧化锆硬核；后依次分别将氧化石墨烯和六氯三聚磷腈‑三乙基胺接枝在二氧化锆硬核表面得到二氧化锆@氧化石墨烯@六氯三聚磷腈‑三乙基胺杂化三层核壳粒子；再将碳纤维分别用丙酮和浓硝酸进行去剂和氧化处理，将二氧化锆@氧化石墨烯@六氯三聚磷腈‑三乙基胺核壳粒子接枝到碳纤维表面得到核壳粒子改性碳纤维。本发明实现了核壳粒子改性碳纤维提高复合材料界面粘结强度的目的，改性后的碳纤维复合材料界面粘结强度提高了55.7％～86.5％。

技术领域

本发明属于材料的表面与界面改性应用技术领域，具体涉及一种有机-无机杂化三层核壳粒子改性碳纤维的制备方法。

背景技术

复合材料的力学性能与碳纤维和树脂基体的界面粘结强度密切相关，良好的界面结合可以有效地传递载荷，从而提高复合材料的综合性能。由于碳纤维生产工艺的影响，碳纤维原丝表面的活性碳原子和官能团的种类及数量匮乏，呈现表面化学惰性，导致碳纤维与树脂基体间浸润性差，界面结合弱。因此，研究对碳纤维表面进行化学或物理修饰对于改善碳纤维复合材料性能具有重大意义。

核壳结构是由一种纳米材料通过化学键或其他作用力将另一种纳米材料包覆起来形成的纳米尺度的有序组装结构，该结构整合了内外两种或多种材料的性质，既可以起到优势互补和防止纳米材料团聚的作用，又可以通过尺寸剪裁及表面材料化学组成的设计和调控优化其与碳纤维和树脂间的相互作用，进而提高复合材料界面的结合性能。然而，目前采用核壳粒子改性碳纤维以提高复合材料的界面性能的报道并不多见，有待深入开发。

发明内容

本发明旨在提供一种能够有效提高复合材料的界面粘结强度的有机-无机杂化三层核壳粒子改性碳纤维的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

1)二氧化锆硬核的制备

以质量分数计，将1～10份八水氧氯化锆、1～10份无水乙醇和5～70份水混合并搅拌至澄清，转移至水热釜中，在100～150℃保温反应12～24h，反应完成后离心并在50～80℃下干燥；将干燥后的产物加入到硅烷偶联剂、无水乙醇和水的混合溶液中，干燥后的产物、硅烷偶联剂、无水乙醇和水的质量比为1:10～20:10～30:1-5，在60～80℃反应1～5h，后经过离心、乙醇和去离子水清洗后，以60～100℃烘干得到二氧化锆硬核；

2)二氧化锆@氧化石墨烯的制备

按0.01:10～20的质量比将二氧化锆硬核和无水乙醇混合均匀后加入到质量比为0.01:30～50的氧化石墨烯和无水乙醇分散液中，在0～10℃搅拌4～8h后静置，收集沉淀物，并用去离子水清洗干净后冷冻干燥得到由二氧化锆硬核和氧化石墨烯内壳层组成的二氧化锆@氧化石墨烯；

3)二氧化锆@氧化石墨烯@六氯三聚磷腈-三乙基胺的制备

以质量分数计，将0.1～0.5份二氧化锆@氧化石墨烯、40～200份四氢呋喃、0.5～2.5份六氯三聚磷腈混合均匀并通氮气保护在40～60℃反应15min，后加入0.5～2.5份三乙基胺，继续在氮气保护下40～60℃反应5～10h，反应结束后将产物分别用四氢呋喃和氯仿清洗干净后在40～60℃干燥；

以质量分数计，将0.1～0.5份干燥后的产物加入到由0.2～1.5份六氯三聚磷腈、1～2份二氨基二苯醚和40～200份四氢呋喃的混合溶液中，在氮气保护下40～60℃反应15min，后加入0.5～2.5份三乙基胺，继续在氮气保护下40～60℃反应5～10h，反应结束后将产物分别用去离子水和二甲基甲酰胺清洗干净并在40～60℃干燥，得到由二氧化锆硬核、氧化石墨烯内壳层和六氯三聚磷腈-三乙基胺外壳层三部分组成的二氧化锆@氧化石墨烯@六氯三聚磷腈-三乙基胺；

4)碳纤维表面预处理