一种氧化锆/碳复合纤维改性环氧涂层的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种氧化锆/碳复合纤维改性环氧涂层的制备方法，其制备方法包括以下步骤：（1）氧化锆/碳纤维的制备：将15g醋酸锆溶液、2mLN，N‑二甲基甲酰胺（DMF）以及2mL无水乙醇混合溶液搅拌2h后，再加入0.7g聚乙烯比咯烷酮（PVP）粉末后继续在25℃下搅拌12h，得到PVP/醋酸锆复合物的前驱体溶液。然后采用静电纺丝的方法制备出尺寸均匀、氧化锆分散均匀的纳米线，最后将其在氩气氛围保护下煅烧，制备出ZrO2‑CNF复合纤维；（2）改性氧化锆/碳纤维（ZrO2‑CNF）的制备；（3）将所制备的改性后的氧化锆/碳纤维加入到环氧涂层中，有效增强了环氧涂层的机械性能以及耐腐蚀性能。

Preparation method of zirconia / carbon composite fiber modified epoxy coating

The invention discloses a preparation method of a zirconium / carbon composite fiber modified epoxy coating. The preparation method comprises the following steps: (1) preparation of zirconium oxide / carbon fiber: mixing 15g zirconium acetate solution, 2mLN, N two methyl formamide (DMF) and 2mL anhydrous ethanol mixture for 2h, and then adding 0.7G polyethylene pyrrolidine. After the ketone (PVP) powder was mixed with 12h at 25 C, the precursor solution of PVP/ zirconium acetate complex was obtained. Then the nanowires with uniform size and homogeneous zirconia were prepared by electrostatic spinning. Finally, the ZrO2 CNF composite fiber was prepared under the protection of argon atmosphere; (2) the preparation of modified zirconia / carbon fiber (ZrO2 CNF); (3) the modified zirconia / carbon fiber was added to the ring. In the oxygen coating, the mechanical properties and corrosion resistance of the epoxy coating are effectively enhanced.

【技术实现步骤摘要】
一种氧化锆/碳复合纤维改性环氧涂层的制备方法
本专利技术属于材料化学
，具体涉及一种氧化锆/碳复合纤维改性环氧涂层的制备方法。
技术介绍
碳纤维具有高比强度，热膨胀率低，尺寸稳定性好，导热性好，耐候性极佳及热稳定性好等特点，被视为本世纪最尖端，发展最成熟的材料之一，被誉为21世纪的黑色革命，并将在未来各种高新
中具有重要的应用价值和广阔的应用前景；而氧化锆具备较高的抗压强度，在常温条件下，其抗压强度可达2100MPa，在高温条件下(1000℃)其抗压强度依然能达到1190MPa；同时，具有高密度、耐冲击等特性，将其作为研磨材质使用时，具有高寿命、磨损小等特点，并且其污染小，复合当代绿色化学的特性，所以通过将二者结合起来可以更加有效的发挥各自的优势性能。进一步提高材料的综合性能。目前，常用的制备氧化锆/碳复合纤维的方法主要有：溶胶凝胶法、水热法等；但通过以上方式制备出的复合材料结构不易控制，使得难以充分发挥其优异的性能。
技术实现思路
本专利技术针对上述不足之处而提供的一种氧化锆/碳复合纤维的制备方法，该方法通过静电纺丝的手段，以醋酸锆、聚乙烯比咯烷酮为基料在高电压下制备出氧化锆-碳复合纤维（ZrO2-CNF），通过该方法制备的纤维具有尺寸均匀、氧化锆分布均匀的优异特点，在对氧化锆-碳复合纤维行有机改性后，将其加入环氧涂层中，能有效地提高环氧涂层的机械性能以及耐腐蚀性能。为实现上述目的，本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是。一种氧化锆/碳复合纤维改性环氧涂层的制备方法，包括以下步骤。（1）氧化锆/碳纤维的制备。首先将15g醋酸锆（15%）溶液加入一个盛有2mLN，N-二甲基甲酰胺（DMF）和2mL无水乙醇的混合溶液的小瓶中，搅拌2小时，然后再向上述溶液中加入0.7g聚乙烯比咯烷酮（PVP）粉末。在25℃搅拌12小时后，得到透明、均匀的PVP/醋酸锆复合物前驱体溶液；将该前驱体溶液装入10mL的玻璃注射器中，并装上内径为0.32mm的平口针头，加上正电压20Kv，负电压-1.5Kv，针头与纺丝接收器距离设置为17cm，然后以1mL/h的推进速度进行纺丝，得到PVP/醋酸锆复合纳米线；将产物首先在60℃真空烘箱中干燥，以确保溶剂充分挥发；然后，将得到的PVP/醋酸锆复合纳米线在400下煅烧2h，然后以1°C／min的速度升温至600℃，保温3h，然后自然冷却后得到氧化锆/碳纤维，全程煅烧均在氩气氛围保护下进行。（2）改性氧化锆/碳纤维（ZrO2-CNF）的制备。将所制备的0.3g氧化锆/碳纤维（ZrO2-CNF）加入烧杯中，然后加入去离子水/乙醇混合溶液，在超声波清洗机中超声分散30min，称取3g硅烷偶联剂加入到烧杯中，继续分散30min，最后将上述液体转移到三口烧瓶中，在80℃强烈搅拌下反应8h，得到产物后将其过滤，真空干燥保存。（3）环氧树脂基料的制备。称取研磨成细粉状的环氧树脂（EP）300g、短链脂肪胺固化剂100g和350g丙酮混合，300r/min搅拌6天，然后60r/min搅拌1天，得到均匀混合的基料；其中短链脂肪胺固化剂为乙二胺（EDA）、二乙烯三胺（DTA）或三乙烯四胺（TTA）。（4）改性氧化锆/碳复合纤维环氧涂层的制备。分别称取0.5%、1%、1.5%改性ZrO2-CNF与环氧树脂混合，超声分散30min，使其形成均匀分散体系，然后将其移入喷枪中，高压喷涂在经过喷砂处理过的试片上，喷涂完成后，常温固化7d。得到0.5%、1%、1.5%的氧化锆/碳复合纤维改性环氧涂层。本专利技术提供的一种氧化锆/碳复合纤维改性环氧涂层的制备方法，具有以下几种优异效果。（1）本专利技术通过静电纺丝的方法，以醋酸锆作为氧化锆前驱体，将其分散于PVP溶液以后，制备出PVP/醋酸锆复合纳米线，再通过高温煅烧制备出氧化锆/碳复合纤维，此方法制备的纤维尺寸均匀，材料结构缺陷少，并且氧化锆能够非常均匀的分散于碳纤维中，同时经过有机改性后的氧化锆/碳复合纤维能够均匀分散在环氧树脂中。（2）该方法制备的氧化锆/碳复合纤维由于尺寸均匀，材料结构缺陷少，结合了氧化锆和碳纤维二者优点；将其用于环氧涂层中，能大大增强环氧涂层的机械性能以及耐腐蚀性能。附图说明图1为氧化锆/碳复合纤维XRD谱图。图2为氧化锆/碳复合纤维SEM谱图，其中（a）（b）为CNF放大20000,30000倍照片，（c）（d）为ZrO2-CNF放大20000,30000倍照片。图3为氧化锆/碳复合纤维能谱-面扫谱图。图4为CNF/epoxy和ZrO2-CNF/epoxy复合涂层应力应变曲线以及不同比例CNF和ZrO2-CNF对复合涂层拉伸强度和模量的影响。图5为不同比例CNF和ZrO2-CNF对复合涂层显微硬度趋势图。图6为不同比例CNF和ZrO2-CNF对复合涂层浸泡120h后的Nyquist以及Bode图。图7为不同比例CNF和ZrO2-CNF对复合涂层浸泡240h后的Nyquist以及Bode图。图8为对EIS数据进行模拟分析所采用的等效电路模型。具体实施方式实施例1一种氧化锆/碳复合纤维改性环氧涂层的制备方法，包括以下步骤。（1）氧化锆/碳纤维的制备。首先将15g醋酸锆（15%）溶液加入一个盛有2mLN，N-二甲基甲酰胺（DMF）和2mL无水乙醇的混合溶液的小瓶中，搅拌2小时，然后再向上述溶液中加入0.7g聚乙烯比咯烷酮（PVP）粉末，继续在25℃下搅拌12小时后，得到透明、均匀的PVP/醋酸锆复合物前驱体溶液；将该前驱体溶液装入10mL的玻璃注射器中，并装上内径为0.32mm的平口针头，加上正电压20Kv，负电压-1.5Kv，针头与纺丝接收器距离设置为17cm，然后以1mL/h的推进速度进行纺丝，得到PVP/醋酸锆复合纳米线。将产物首先在60℃真空烘箱中干燥，以确保溶剂充分挥发；然后，将得到的PVP/醋酸锆复合纳米线在400下煅烧2h，然后以1℃／min的速度升温至600℃，保温3h，然后自然冷却后得到氧化锆/碳纤维，全程煅烧均在氩气氛围保护下进行。（2）改性氧化锆/碳纤维（ZrO2-CNF）的制备。将所制备的0.3g氧化锆/碳纤维（ZrO2-CNF）加入烧杯中，然后加入去离子水/乙醇混合溶液，在超声波清洗机中超声分散30min，称取3g硅烷偶联剂加入到烧杯中，继续分散30min，最后将上述液体转移到三口烧瓶中，在80℃强烈搅拌下反应8h，得到产物后将其过滤，真空干燥保存。（3）环氧树脂基料的制备。称取研磨成细粉状的环氧树脂（EP）300g、短链脂肪胺固化剂100g和350g丙酮混合，300r/min搅拌6天，然后60r/min搅拌1天，得到均匀混合的基料；其中短链脂肪胺固化剂为乙二胺（EDA）、二乙烯三胺（DTA）或三乙烯四胺（TTA）。（4）改性氧化锆/碳复合纤维环氧涂层的制备。分别称取0.5%、1%、1.5%改性ZrO2-CNF与环氧树脂混合，超声分散30min，使其形成均匀分散体系，然后将其移入喷枪中，高压喷涂在经过喷砂处理过的试片上，喷涂完成后，常温固化7d；得到0.5%、1%、1.5%的氧化锆/碳复合纤维改性环氧涂层。实施例2（1）纯碳纤维的制备。首先将0.7g聚乙烯比咯烷酮（PVP）粉末加入一个盛有6mLN，N-二甲基甲酰胺本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氧化锆/碳复合纤维改性环氧涂层的制备方法，包括以下步骤：（1）氧化锆/碳纤维的制备首先将15g醋酸锆（15%）溶液加入一个盛有2mL N，N‑二甲基甲酰胺（DMF）和2mL无水乙醇的混合溶液的小瓶中，搅拌2小时；然后再向上述溶液中加入0.7g聚乙烯比咯烷酮（PVP）粉末，在25℃搅拌12小时后，得到透明、均匀的PVP/醋酸锆复合物前驱体溶液；将该前驱体溶液装入10mL的玻璃注射器中，并装上内径为0.32mm的平口针头，加上正电压20Kv，负电压‑1.5Kv，针头与纺丝接收器距离设置为17cm，然后以1mL/h的推进速度进行纺丝，得到PVP/醋酸锆复合纳米线；将产物首先在60℃真空烘箱中干燥，以确保溶剂充分挥发；然后，将得到的PVP/醋酸锆复合纳米线在400℃下煅烧2h，然后以1°C／min的速度升温至600℃，保温3h，然后自然冷却后得到氧化锆/碳纤维；全程煅烧均在氩气氛围保护下进行。

【技术特征摘要】
1.一种氧化锆/碳复合纤维改性环氧涂层的制备方法，包括以下步骤：（1）氧化锆/碳纤维的制备首先将15g醋酸锆（15%）溶液加入一个盛有2mLN，N-二甲基甲酰胺（DMF）和2mL无水乙醇的混合溶液的小瓶中，搅拌2小时；然后再向上述溶液中加入0.7g聚乙烯比咯烷酮（PVP）粉末，在25℃搅拌12小时后，得到透明、均匀的PVP/醋酸锆复合物前驱体溶液；将该前驱体溶液装入10mL的玻璃注射器中，并装上内径为0.32mm的平口针头，加上正电压20Kv，负电压-1.5Kv，针头与纺丝接收器距离设置为17cm，然后以1mL/h的推进速度进行纺丝，得到PVP/醋酸锆复合纳米线；将产物首先在60℃真空烘箱中干燥，以确保溶剂充分挥发；然后，将得到的PVP/醋酸锆复合纳米线在400℃下煅烧2h，然后以1°C／...

【专利技术属性】
技术研发人员：何毅，陈春林，卿大咏，钟菲，何腾，何泽，伍友清，殷祥英，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：四川,51