一种多孔纤维结构的复合改性方法技术

本发明专利技术涉及一种多孔纤维结构的复合改性方法，本发明专利技术利用抽滤方法进行柔性纤维改性处理，利用石墨烯最稳定的苯六元环状结构高强度在柔性纤维孔隙中起到增强效果，本发明专利技术可改善柔性纤维的增强增韧性：通过在柔性纤维中加入氧化物粒子可明显提高基体的强度，承载力，而石墨烯的片层结构可提高柔性纤维的冲击韧性，这对增强柔性纤维的抗冲击使用能力具有重要意义。本发明专利技术制备工艺简单，生产成本低，非常便于工业化生产。

A Composite Modification Method of Porous Fiber Structure

The invention relates to a composite modification method of porous fiber structure. The invention uses the filtration method to modify flexible fibers, and uses the high strength of the most stable benzene hexacyclic structure of graphene to strengthen the pore of flexible fibers. The invention can improve the reinforcing and toughening properties of flexible fibers: by adding oxide particles in flexible fibers, the strength of the matrix can be obviously improved. Graphene lamellar structure can improve the impact toughness of flexible fibers, which is of great significance to enhance the impact resistance of flexible fibers. The invention has simple preparation process, low production cost and is very convenient for industrial production.

【技术实现步骤摘要】
一种多孔纤维结构的复合改性方法
本专利技术涉及纳米材料
，具体涉及一种多孔纤维结构的复合改性方法。
技术介绍
随着宇航、导弹、高速运载工具等现代技术的迅速发展，对各种装甲及人体抗冲击防护材料的使用提出了更高的要求。目前主要用于人体抗冲击防护的防弹衣有通过缝纫方法将多层平面织物组合或由三维、多维编织而成是软装甲材料，另外，也可以由聚合物与纤维或织物复合而成，这种柔性复合材料伸缩，弯曲，扭转，变形而不失去性能的一类材料。由于石墨烯是由碳六元环组成的两维周期蜂窝状点阵结构，其基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环状结构，是目前已知最薄超强的二维层状结构材料，比钻石还坚硬，研究发现表明，石墨烯样品开始碎裂前，每100纳米距离上可承受的最大压力可达到了约2.9微牛。因此，采用石墨烯来改性柔性纤维材料可以在质量和形貌不发生改变的情况下达到非常高的强度。另外，二氧化锆作为良好的化学稳定性和抗氧化性物质，在改性中添加二氧化锆并不会发生副作用，而二氧化锆的颗粒在复合材料中可以进一步提高增强效果，因此试验分别设计了石墨烯及石墨烯与ZrO2复合的分散液进行对柔性纤维材料进行复合改性处理。试验中采用抽滤方法进行柔性纤维改性处理，材料的冲击击彻性能采用自制的落锤试验进行，实验操作简单易行。实验中采用向滤纸上滴加石墨烯分散液、石墨烯和ZrO2的混合分散液进行抽滤，使分散剂在滤纸上能充分扩散，从而达到均匀的覆盖和渗透作用。
技术实现思路
本专利技术的目的是获得一种提高柔性纤维强度及耐冲击韧性的方法及材料体系。本专利技术利用抽滤方法进行柔性纤维改性处理，利用石墨烯最稳定的苯六元环状结构高强度在柔性纤维孔隙中起到增强效果，本专利技术提供了一种简单方便的制备石墨烯增强柔性纤维基体的方法。本专利技术制备工艺简单，生产成本低，非常便于工业化生产。为实现上述目的，本专利技术提供的技术方案是：一种多孔纤维结构的复合改性方法，包括以下步骤：1)石墨烯的制备：由鳞片石墨、硝酸钾及浓硫酸组成混合溶液，加入高锰酸钾，在40℃的温度下搅拌，再加入去离子水得溶液A，并加热至温度65-80°，再持续搅拌20-90分钟；配置过氧化氢溶液，将溶液A缓慢倒入过氧化氢溶液中并搅拌均匀得溶液B；将溶液B用氢氧化钠调整PH值为5-6，在8000rpm的离心机中离心30分钟，获得液体和固体分离相，将分离后的氧化石墨与水合肼进行还原反应，然后加入去离子水并将该混合溶液加入到反应釜中反应制备出还原氧化石墨烯；2)纳米氧化锆的制备：首先取一定量的ZrOCl2·8H2O粉末与去离子水配制成ZrOCl2水溶液；向配制好的溶液中加入适量乳酸，用磁力搅拌器搅拌均匀，再用NaOH调节此混合溶液pH值为6；将混合溶液转移至聚四氟乙烯内衬中，将该内衬置于反应釜中反应；反应后将反应液离心沉降，用蒸馏水和无水乙醇洗涤，烘干，得到纳米ZrO2粉末；3)石墨烯-纳米氧化锆复合材料的制备：将步骤1)制得的还原氧化石墨烯超声分散于无水乙醇中，加入与所述还原氧化石墨烯质量比为1:1的水杨酸分散剂，得到石墨烯的分散溶液，而后与步骤2)中制得的纳米氧化锆按1:1-1:3质量比超声分散于无水乙醇中，制得石墨烯-纳米氧化锆复合材料混合溶液；4)抽滤改性：将柔性纤维材料用滤纸放置于布式漏斗内，首先滴加蒸馏水使柔性纤维润湿，然后打开抽气泵开关，开始抽滤；在抽滤过程中，吸取一定量的石墨烯-纳米氧化锆复合材料混合溶液，均匀滴在柔性纤维材料表面，抽滤，最后取出改性后的样品置于烘箱中烘干处理。步骤1)中，由质量百分比为2-5％的鳞片石墨，3-6％的硝酸钾以及余下的浓硫酸组成混合溶液，按照浓硫酸、鳞片石墨及硝酸钾顺序依次加入，然后在上述溶液中加入8-10％的高锰酸钾，并在40℃的温度下保持搅拌3小时。步骤1)过氧化氢溶液中过氧化氢与去离子水的体积比为1:21，溶液A与过氧化氢溶液的体积比为5:21。步骤1)将分离后的氧化石墨加入质量百分比为8-12％的水合肼还原2-4小时，然后加入去离子水并将该混合溶液加入到反应釜中，在80℃反应800min，制备出还原氧化石墨烯。步骤2)中，ZrOCl2水溶液的浓度为0.3mol/L。步骤2)中，混合溶液在聚四氟乙烯内衬中置于反应釜中在160℃下反应24小时。步骤2)中，烘干温度为80℃。步骤4)中，抽滤20分钟，最后取出改性后的样品置于烘箱中80°烘干处理。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1)本专利技术生产成本低：石墨烯可由Hummer法制的，稀土掺杂的纳米氧化锆可由水热法制得，相关制备方法已较为成熟，成本低，无污染，且工艺流程较为简单。2)本专利技术适用范围更广：可将混合溶液涂覆于各种零部件表面制备成薄膜，对基体本身的性能几乎无影响，不会损伤基体。3)本专利技术可降低基体的摩擦系数：在基体表面制备成薄膜后可明显降低其摩擦系数，提高摩擦寿命，对延长工件的使用时间具有重要意义。附图说明图1为制备石墨烯及其纳米复合氧化物增强柔性纤维的抽滤的装置示意图。1-布氏漏斗；2-锥形瓶；3-集气瓶。图2为石墨烯及其复合氧化锆的拉曼图谱。图3为不同样品在相同条件下的抗冲彻裂纹结果(a)未处理的柔性纤维，(b)经石墨烯改性后的柔性纤维以及(c)石墨烯加入ZrO2复合改性后的结果。图4为改性前后柔性纤维材料在不同高度冲击作用下能量吸收情况。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步说明。(1)石墨烯及其复合纳米氧化物的制备石墨烯的制备：由质量百分比为3％的鳞片石墨，5％的硝酸钾及余下的浓硫酸组成混合溶液，按照浓硫酸、鳞片石墨及硝酸钾顺序依次加入，然后在上述溶液中加入8％的高锰酸钾，并在40℃的温度下保持搅拌3小时。再将离子水加入溶液中至100ml，并加热至温度65-80°，再持续搅拌60分钟。将20ml过氧化氢加入到400ml去离子水中搅拌均匀，将上述制备的溶液缓慢倒入过氧化氢溶液中并搅拌均匀。用氢氧化钠调整PH值为5-6，在8000rpm的离心机中离心30分钟，获得液体和固体分离相，将分离后的氧化石墨加入质量百分比为10％的水合肼还原2小时，然后加入去离子水并将该混合溶液加入到反应釜中，在80℃反应800min，制备出还原氧化石墨烯。纳米氧化锆的制备：首先取一定量的ZrOCl2·8H2O粉末与去离子水配制成0.3mol/L的ZrOCl2水溶液；向配制好的溶液中加入5ml的乳酸，用磁力搅拌器搅拌均匀；再用NaOH调节此混合溶液pH值为6；pH调节好之后将混合溶液转移至聚四氟乙烯内衬中，将该内衬置于反应釜中在160℃下反应24小时；将反应液离心沉降，用蒸馏水和无水乙醇洗涤，经80℃烘干处理，得到纳米ZrO2粉末。石墨烯-纳米氧化锆复合材料的制备：将上述制得的还原氧化石墨烯超声分散于无水乙醇中，加入与所述还原氧化石墨烯质量比为1:1的水杨酸分散剂，得到石墨烯的分散溶液，而后与制得的纳米氧化锆按1:1-1:3质量比超声分散于无水乙醇中，制得石墨烯-纳米氧化锆复合材料混合溶液。(2)石墨烯及其纳米复合氧化物增强柔性纤维的抽滤工艺：按照图1装置进行柔性纤维表面抽滤改性装置的组装，而后将柔性纤维材料将滤纸放置于布式漏斗内(图1中1处)，首先滴加蒸馏水使柔性纤维润湿，从而保证与漏斗连接紧密，然后打开抽气泵开关，开始抽滤。在抽滤过程中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多孔纤维结构的复合改性方法，其特征在于：包括以下步骤：1)石墨烯的制备：由鳞片石墨、硝酸钾及浓硫酸组成混合溶液，加入高锰酸钾，在40℃的温度下搅拌，再加入去离子水得溶液A，并加热至温度65‑80°，再持续搅拌20‑90分钟；配置过氧化氢溶液，将溶液A缓慢倒入过氧化氢溶液中并搅拌均匀得溶液B；将溶液B用氢氧化钠调整PH值为5‑6，在8000rpm的离心机中离心30分钟，获得液体和固体分离相，将分离后的氧化石墨与水合肼进行还原反应，然后加入去离子水并将该混合溶液加入到反应釜中反应制备出还原氧化石墨烯；2)纳米氧化锆的制备：首先取一定量的ZrOCl2·8H2O粉末与去离子水配制成ZrOCl2水溶液；向配制好的溶液中加入适量乳酸，用磁力搅拌器搅拌均匀，再用NaOH调节此混合溶液pH值为6；将混合溶液转移至聚四氟乙烯内衬中，将该内衬置于反应釜中反应；反应后将反应液离心沉降，用蒸馏水和无水乙醇洗涤，烘干，得到纳米ZrO2粉末；3)石墨烯‑纳米氧化锆复合材料的制备：将步骤1)制得的还原氧化石墨烯超声分散于无水乙醇中，加入与所述还原氧化石墨烯质量比为1:1的水杨酸分散剂，得到石墨烯的分散溶液，而后与步骤2)中制得的纳米氧化锆按1:1‑1:3质量比超声分散于无水乙醇中，制得石墨烯‑纳米氧化锆复合材料混合溶液；4)抽滤改性：将柔性纤维材料放置于布式漏斗内，首先滴加蒸馏水使柔性纤维润湿，然后打开抽气泵开关，开始抽滤；在抽滤过程中，吸取一定量的石墨烯‑纳米氧化锆复合材料混合溶液，均匀滴在柔性纤维材料表面，抽滤，最后取出改性后的样品置于烘箱中烘干处理。...

【技术特征摘要】
1.一种多孔纤维结构的复合改性方法，其特征在于：包括以下步骤：1)石墨烯的制备：由鳞片石墨、硝酸钾及浓硫酸组成混合溶液，加入高锰酸钾，在40℃的温度下搅拌，再加入去离子水得溶液A，并加热至温度65-80°，再持续搅拌20-90分钟；配置过氧化氢溶液，将溶液A缓慢倒入过氧化氢溶液中并搅拌均匀得溶液B；将溶液B用氢氧化钠调整PH值为5-6，在8000rpm的离心机中离心30分钟，获得液体和固体分离相，将分离后的氧化石墨与水合肼进行还原反应，然后加入去离子水并将该混合溶液加入到反应釜中反应制备出还原氧化石墨烯；2)纳米氧化锆的制备：首先取一定量的ZrOCl2·8H2O粉末与去离子水配制成ZrOCl2水溶液；向配制好的溶液中加入适量乳酸，用磁力搅拌器搅拌均匀，再用NaOH调节此混合溶液pH值为6；将混合溶液转移至聚四氟乙烯内衬中，将该内衬置于反应釜中反应；反应后将反应液离心沉降，用蒸馏水和无水乙醇洗涤，烘干，得到纳米ZrO2粉末；3)石墨烯-纳米氧化锆复合材料的制备：将步骤1)制得的还原氧化石墨烯超声分散于无水乙醇中，加入与所述还原氧化石墨烯质量比为1:1的水杨酸分散剂，得到石墨烯的分散溶液，而后与步骤2)中制得的纳米氧化锆按1:1-1:3质量比超声分散于无水乙醇中，制得石墨烯-纳米氧化锆复合材料混合溶液；4)抽滤改性：将柔性纤维材料放置于布式漏斗内，首先滴加蒸馏水使柔性纤维润湿，然后打开抽气泵开关，开始抽滤；在抽滤过程中，吸取一定量的石墨烯-纳...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴红艳，陈震，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32