蛋白质-碳纳米纤维/环氧树脂复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种蛋白质‑碳纳米纤维/环氧树脂复合材料及其制备方法，属于改性纳米复合材料制备及应用技术领域，该方法包括，称取定量的蛋白质放入乙酸与去离子水的混合溶液中，进行恒温搅拌，随后加入定量的碳纳米纤维，先后进行蛋白质变性和碳纳米纤维改性；然后进行抽滤、洗涤和干燥，得到蛋白质接枝改性的碳纳米纤维；称取定量的蛋白质改性CNFs，加入预热的环氧树脂中，制备得到蛋白质‑碳纳米纤维/环氧树脂复合材料。本发明专利技术实现了碳纳米纤维的蛋白质接枝，蛋白质改性碳纳米纤维在环氧树脂中的均匀分散，以及与环氧树脂分子间较强的相互作用，有效提升了复合材料的力学性能。具有工艺简单，绿色环保以及性能更优的特点。

Protein-carbon nanofibers/epoxy resin composites and their preparation methods

【技术实现步骤摘要】
蛋白质-碳纳米纤维/环氧树脂复合材料及其制备方法
本专利技术属于改性纳米复合材料制备及应用
，更具体地，涉及一种蛋白质-碳纳米纤维/环氧树脂复合材料及其制备方法。
技术介绍
碳纤维增强环氧复合材料具有优异的比强度和比刚度，抗疲劳性，环境适应性和剪切性能，已广泛应用于航空航天工业。然而，环氧树脂基体相对较差的强度和绝缘性质阻碍了复合材料的高机械性能和多功能性能的实现，例如潜在的抗雷击和电磁屏蔽结构材料。因此，为了开发其各种应用领域，需要具有优异机械和电气性能的高级环氧树脂。碳纳米纤维具有优异的力学性能、电学性能、热学性能和光学性能。将碳纳米纤维作为纳米填料与环氧树脂复合，可以提高环氧树脂多功能性。然而，如果原始碳纳米纤维直接与环氧树脂混合，强烈的范德瓦尔斯相互作用将驱使碳纳米纤维团簇和聚集，这可能导致环氧树脂的性能下降。因此，首先对碳纳米纤维进行表面处理显得非常有必要。如何对碳纳米纤维进行表面处理，避免强烈的范德瓦尔斯相互作用驱使碳纳米纤维团簇和聚集，提高碳纳米纤维环氧树脂复合材料性能，成为本领域的技术难题。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种蛋白质-碳纳米纤维/环氧树脂复合材料及其制备方法，其目的在于，实现碳纳米纤维的蛋白质接枝，蛋白质改性碳纳米纤维在环氧树脂中的均匀分散，以及与环氧树脂分子间较强的相互作用，由此解决碳纳米纤维直接与环氧树脂混合时，强烈的范德瓦尔斯相互作用驱使碳纳米纤维团簇和聚集，导致环氧树脂的性能下降的技术问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种蛋白质-碳纳米纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)称取2a份质量的蛋白质粉末溶解在1000a份质量的去离子水或者由质量比为4:1的无水乙酸与去离子水配置成的乙酸溶液中，进行蛋白质的恒温搅拌变性；其中a为正数；(2)将步骤(1)得到的混合液冷却至室温，然后加入a～8a份质量的碳纳米纤维，对碳纳米纤维进行改性处理；(3)将步骤(2)得到的混合液进行固液分离，将分离得到的固体采用去离子水洗涤至中性以后，放入真空干燥箱中干燥，然后进行研磨，得到蛋白质接枝的碳纳米纤维；(4)称量1.3b份质量的步骤(3)得到的蛋白质接枝的碳纳米纤维，加入到预热的400b～1000b份质量的环氧树脂中，分散均匀，得到第一混合物；其中b为正数；(5)将步骤(4)得到的第一混合物冷却至室温，加入与环氧树脂的质量配比为10:3的固化剂，搅拌分散，室温下去除气泡得到第二混合物；(6)将步骤(5)得到的第二混合物进行固化，固化结束以后进行自然冷却，得到蛋白质-碳纳米纤维环氧树脂复合材料。优选地，步骤(1)中，所述蛋白质为TypeA型动物皮明胶Gelatin或者大豆分离蛋白SPI；所述蛋白质的恒温搅拌变性中温度为55～60℃，搅拌时间55～60min。优选地，步骤(2)中，对碳纳米纤维进行改性处理的方式为，冷却环境下尖端超声处理，接着进行恒温定速搅拌。优选地，步骤(2)中，冷却环境下尖端超声处理5-6min；所述恒温定速搅拌的温度为55～60℃，时间为55～60min，转速为1800～2000rpm。优选地，步骤(3)中，真空干燥箱中干燥温度为70～75℃，时间为10～12h。优选地，步骤(4)中，分散均匀的方式为，冷却环境下尖端超声分散，接着在室温下水浴超声。优选地，步骤(4)中，加入到35℃～40℃预热的400～1000份质量的环氧树脂中，冷却环境下尖端超声时间5～6min，接着在室温下水浴超声30～35min，得到第一混合物。优选地，步骤(5)中，加入所述固化剂后，机械搅拌10～15min，室温下抽真空50～60min去除气泡得到第二混合物。优选地，步骤(6)中第二混合物缓慢倒入模具中，进行25℃24h，60℃15h，120℃2h的三段固化。按照本专利技术的另一方面，提供了一种由上述任一项所述方法制备得到的蛋白质-碳纳米纤维/环氧树脂复合材料。优选地，上述得到的蛋白质-碳纳米纤维/环氧树脂复合材料中蛋白质-碳纳米纤维的重量百分比为0.1wt％-0.25wt％。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：(1)本专利技术利用蛋白质含有的丰富的官能团，如氨基，羧基，羟基，甲基，在其分子结构上提供的多个反应位点，与CNFs相互作用接枝在其表面，形成改性碳纳米纤维，然后制备蛋白质-碳纳米纤维/环氧树脂复合材料；蛋白质作为一种有效的绿色环保表面活性剂，可以改善碳纳米纤维的分散性，避免了团簇和聚集；其次，蛋白质接枝的碳纳米纤维与环氧树脂基体之间的界面性能得到了有效提高。(2)本专利技术方法实现了碳纳米纤维的蛋白质接枝，蛋白质改性碳纳米纤维在环氧树脂中的均匀分散，以及与环氧树脂分子间较强的相互作用，与未采用本专利技术方法的环氧树脂复合材料相比，本专利技术方法得到的复合材料弯曲强度和弯曲模量分别提高了28～31％和18～21％。(3)本专利技术提供的方法具有工艺简单，绿色环保以及性能更优的特点，所制备得到的复合材料可以应用于民用设备的结构件以及粘接剂，对于制备改性碳纳米纤维及改性环氧树脂复合材料具有广泛的应用意义。(4)实验表明，与现有的环氧树脂材料相比，通过本专利技术制备得到的蛋白质-碳纳米纤维/环氧树脂复合材料在力学性能上得到了很好的提升。附图说明图1是本专利技术实施例中蛋白质-碳纳米纤维/环氧树脂复合材料的制备方法流程图；图2(a)是本专利技术实施例1中重量百分比为0.1wt％的第一混合物光学显微镜分散图；图2(b)是本专利技术实施例4中重量百分比为0.1wt％的第一混合物光学显微镜分散图；图3是本专利技术实施例中得到的蛋白质-碳纳米纤维/环氧树脂复合材料和控制组的弯曲力学性能图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。如图1所示，本专利技术提供了一种蛋白质-碳纳米纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)称取2a份质量的蛋白质粉末溶解在1000a份质量的去离子水或者由质量比为4:1的无水乙酸与去离子水配置成的乙酸溶液中，进行蛋白质的恒温搅拌变性；(2)将步骤(1)得到的混合液冷却至室温，然后加入a～8a份质量的碳纳米纤维，对碳纳米纤维进行改性处理；(3)将步骤(2)得到的混合液进行固液分离，将分离得到的固体采用去离子水洗涤至中性以后，放入真空干燥箱中干燥，然后进行研磨，得到蛋白质接枝的碳纳米纤维；(4)称量1.3b份质量的步骤(3)得到的蛋白质接枝的碳纳米纤维，加入到预热的400b～1000b份质量的环氧树脂中，分散均匀，得到第一混合物；(5)将步骤(4)得到的第一混合物冷却至室温，加入与环氧树脂的质量配比为10:3的固化剂，搅拌分散，室温下去除气泡得到第二混合物；(6)将步骤(5)得到的第二混合物进行固化，固化结束以后进行自然冷却，得到蛋白质-碳纳米纤维的重量百分比为0.1wt％-0.25wt％的蛋白质-碳纳米纤维环氧树脂复合材料。作为一种可选的实施方式，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种蛋白质‑碳纳米纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)称取2a份质量的蛋白质粉末溶解在1000a份质量的去离子水或者由质量比为4:1的无水乙酸与去离子水配置成的乙酸溶液中，进行蛋白质的恒温搅拌变性；(2)将步骤(1)得到的混合液冷却至室温，然后加入a～8a份质量的碳纳米纤维，对碳纳米纤维进行改性处理；(3)将步骤(2)得到的混合液进行固液分离，将分离得到的固体采用去离子水洗涤至中性以后，放入真空干燥箱中干燥，然后进行研磨，得到蛋白质接枝的碳纳米纤维；(4)称量1.3b份质量的步骤(3)得到的蛋白质接枝的碳纳米纤维，加入到预热的400b～1000b份质量的环氧树脂中，分散均匀，得到第一混合物；(5)将步骤(4)得到的第一混合物冷却至室温，加入与环氧树脂的质量配比为10:3的固化剂，搅拌分散，室温下去除气泡得到第二混合物；(6)将步骤(5)得到的第二混合物进行固化，固化结束以后进行自然冷却，得到蛋白质‑碳纳米纤维环氧树脂复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种蛋白质-碳纳米纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)称取2a份质量的蛋白质粉末溶解在1000a份质量的去离子水或者由质量比为4:1的无水乙酸与去离子水配置成的乙酸溶液中，进行蛋白质的恒温搅拌变性；(2)将步骤(1)得到的混合液冷却至室温，然后加入a～8a份质量的碳纳米纤维，对碳纳米纤维进行改性处理；(3)将步骤(2)得到的混合液进行固液分离，将分离得到的固体采用去离子水洗涤至中性以后，放入真空干燥箱中干燥，然后进行研磨，得到蛋白质接枝的碳纳米纤维；(4)称量1.3b份质量的步骤(3)得到的蛋白质接枝的碳纳米纤维，加入到预热的400b～1000b份质量的环氧树脂中，分散均匀，得到第一混合物；(5)将步骤(4)得到的第一混合物冷却至室温，加入与环氧树脂的质量配比为10:3的固化剂，搅拌分散，室温下去除气泡得到第二混合物；(6)将步骤(5)得到的第二混合物进行固化，固化结束以后进行自然冷却，得到蛋白质-碳纳米纤维环氧树脂复合材料。2.根据权利要求1所述的一种蛋白质-碳纳米纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述蛋白质为TypeA型动物皮明胶Gelatin或者大豆分离蛋白SPI；所述蛋白质的恒温搅拌变性中温度为55～60℃，搅拌时间55～60min。3.根据权利要求1所述的一种蛋白质-碳纳米纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，对碳纳米纤维进行改性处理的方式为，冷却环境下尖端超声处理，接着进行恒...

【专利技术属性】
技术研发人员：李毅超，曾利建，李仁府，仲伟虹，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42