一种碳纤维表面电泳沉积聚合物微纳粒子制备高性能复合材料的方法技术

本发明专利技术公开了一种碳纤维表面电泳沉积聚合物微纳粒子制备高性能复合材料的方法，首先，利用多巴胺(DA)处理碳纤维(CF)基材：DA在CF表面沉积、聚合，形成聚多巴胺，以提高聚合物微纳粒子对CF表面的粘结性；然后，通过电泳在CF表面沉积不同形貌、粒径、组成、表面含不同官能基团的聚合物微纳粒子，以提高CF与聚合物基材的界面性能。本发明专利技术利用电泳方法将不同组成、形状、表面官能基团及形貌的聚合物微纳粒子沉积吸附到聚多巴胺改性CF表面，提高CF与聚合物基材间物理机械互锁、化学键连等相互作用，从而提高界面粘附强度。TFBT测试表明：界面拉伸强度提高了40‑144％，单丝微滴脱粘法测定IFSS提高了30‑56％。

A method for preparing high performance composite materials by electrodeposition of polymer micro nano particles on carbon fiber surface

The invention discloses a method for preparing high-performance composite materials by electrodeposition of polymer micro nano particles on the surface of carbon fiber. First, the carbon fiber (CF) substrate is treated with dopamine (DA): Da is deposited and polymerized on the CF surface to form polydopamine, so as to improve the adhesion of polymer micro nano particles on the CF surface; then, different morphology, particle size, composition and surface are deposited on the CF surface by electrophoresis In order to improve the interface performance between CF and polymer substrate, polymer micro nano particles with different functional groups were used. In the invention, polymer micro nano particles with different composition, shape, surface functional group and morphology are deposited and adsorbed on the surface of polydopamine modified CF by electrophoresis method, so as to improve the physical mechanical interlocking, chemical bonding and other interactions between CF and polymer substrate, so as to improve the interface adhesion strength. Tfbt test shows that the tensile strength of interface is increased by 40 \u2011 144%, and IFSs measured by monofilament micro drop debonding method is increased by 30 \u2011 56%.

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维表面电泳沉积聚合物微纳粒子制备高性能复合材料的方法
本专利技术属于复合材料制备
，特别涉及一种碳纤维表面电泳沉积聚合物微纳粒子制备高性能复合材料的方法。
技术介绍
碳纤维(CF)增强复合材料因其性能优异而在航空航天、轨道交通、汽车等领域广泛应用。CF增强聚合物复合材料中决定其性能的关键是CF与聚合物基材间的界面粘附强度，由于CF表面化学惰性、表面自由能低、与复合材料基体的相容性差、界面黏附力低，造成复合材料的界面剪切强度、层间剪切强度等性能较差，影响复合材料的力学性能和使用寿命[Pui-yanHung,Kin-takLau,BronwynFox,NisharHameed,JoongHeeLee,DavidHui.Surfacemodificationofcarbonfibreusinggraphenerelatedmaterialsformultifunctionalcomposites[J].CompositesPartB,2018,133:240-257]。为提高CF-聚合物基体间的界面粘附性，研究者们尝试了许多CF表面改性方法，包括物理和化学改性法，如：气相沉积法和氧化法、涂层法、等离子体法、微波辐射法等，其中化学改性方法效果明显。CF表面化学改性主要涉及改变纤维表面化学组成和提高表面粗糙度。改变纤维表面组成：主要是向纤维表面引入可与基材发生相互作用或反应的活性官能基团，如羟基、羧基、环氧等基团；也可向纤维表面引入线性分子链、支化、或超支化大分子等[CaifengWang,LeiChen,JunLi,YudongHuang.Enhancingtheinterfacialstrengthofcarbonfiberreinforcedepoxycompositesbygreengraftingofpoly(oxypropylene)diamines[J].Composites:PartA,2017,99:548-557；BoGao,JingZhang,LujieHuo,RuliangZhang.In-situmodificationofcarbonfiberswithhyperbranchedpolyglycerolviaanionicring-openingpolymerizationforuseinhigh-performancecomposites[J].Carbon,2017,123：548-557]。提高纤维表面粗糙度：增加表面粗糙度，增加比表面积，可提高树脂浸润纤维的接触面积，同时可在碳纤维/树脂间产生机械锁链作用，从而改善界面粘合作用、提高碳纤维与基体树脂间的界面剪切强度、提高CF复合材料力学性能。CF表面引入活性基团或分子链改变纤维表面组成时，也可增加表面粗糙度，但增加的程度有限。为有效增大纤维表面粗糙度，可将无机、有机、有机-无机复合微纳米粒子、线、棒等3D结构吸附或化学键连固定在CF表面，对纤维表面进行重构，获得表面三维结构，有效提高CF表面活性和比表面积，从而大幅提高CF/树脂界面粘合性，获得高性能复合材料。例如：采用化学接枝方法，首先对CF进行硝酸酸化等处理，使纤维表面带上-COOH、-OH等官能基团；利用硅烷偶联剂KH550-NH2处理SiO2纳米粒子(NPs)，使粒子表面含-NH2；然后通过CF表面羧基和SiO2NPs表面氨基反应，在CF表面固定SiO2NPs，由此使复合材料界面剪切张力(ILSS)和层间界面剪切张力(IFSS)分别提高53.27％和40.92％，冲击强度提高34.95％(GuangshunWu,LichunMa,HuaJiang,LiLiu.Improvingtheinterfacialstrengthofsiliconeresincompositesbychemicallygraftingsilicananoparticlesoncarbonfiber.[J].CompositesScienceandTechnology,2017,153：160-167)。同样利用化学接枝方法：首先利用硅烷偶联剂KH590(-SH)处理CF，使纤维表面含-SH；利用硅烷偶联剂KH550(-C＝C)处理TiO2NPs，使粒子表面含-C＝C；然后在UV光照下通过-SH与-C＝C点击反应使纤维表面接枝一层纳米粒子，所得环氧树脂基复合材料层间界面剪切强度提高78％，弯曲强度、拉伸强度分别提高32.3％和39.6％(LeiXiong,FengZhan,HongboLiang,LiangChen,DaosongLan.Chemicalgraftingofnano-TiO2ontocarbonfiberviathiol–eneclickchemistryanditseffectontheinterfacialandmechanicalpropertiesofcarbonfiber/epoxycomposites[J].JMaterSci,2018,53:2594–2603).此外，在CF表面形成金属-有机骨架(MOF)结构也是一种有效的表面结构重建改性方法。如在硝酸氧化处理CF表面原位生长出纳米多孔MOF结构(UiO-66-NH2)，在碳纤维与树脂基体间形成一种新的界面，缓冲内/外作用力，改性纤维表面能和拉伸强度分别达到83.79mN/m和5.09GPa，分别提高102％和11.6％，复合材料的ILSS提高了50.2％。(YangXB,JiangX,HuangYD,etal.BuildingNanoporousMetal-OrganicFrameworks“Armor”onFibersforHigh-PerformanceCompositeMaterials.[J].ACSAppliedMaterials&Interfaces,2017,9(6):5590-5599.)将CF经浓HNO3氧化处理(CF表面产生-OH和-COOH)后与六氯环三聚膦腈(hexachlorocyclotriphosphazene(HCCP)和三乙胺(TEA)反应形成HCCP功能化CF，再与双(4-羟基苯基)砜(bis(4-hydroxyphenyl)sulfone,BPS)、或4,4′-二氨基二苯醚(4,4’-oxydianiline,ODA)反应、原位交联形成有机-无机杂化材料-聚膦腈细小微粒(PZSMs)，或使CF表面形成含过量活性氨的聚膦腈共聚物涂层-poly(CCP-co-ODA)，从而使单丝拉伸强度、CF与聚合物基材间的界面剪切强度(IFSS)明显提高。(XiangChena,HaibingXua,DongLiua,ChunYana,YingdanZhua.Afacileone-potfabricationofpolyphosphazenemicrosphere/carbonfiberhybridreinforcementanditseffectontheinterfacialadhesionofepoxycomposites.AppliedSurfaceScience410(2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纤维表面电泳沉积聚合物微纳粒子制备高性能复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：/n1)CF基材表面预处理：/na)清洗：CF基材用丙酮抽提，然后超声清洗，并用乙醇和去离子水冲洗，放入烘箱干燥；/nb)CF基材表面沉积聚多巴胺:将步骤a处理后的CF基材浸入浓度为1-4mg/mL的多巴胺盐酸盐的Tris缓冲液中，pH值为8.5，室温静置6-12h，取出CF基材用乙醇或去离子水冲洗至溶液澄清，然后放入烘箱50-80℃干燥备用；/n2)CF基材表面电泳沉积聚合物微纳粒子：/na)配制聚合物微纳粒子分散液；/nb)将CF基材用导电胶固定在一铝板上，插入电泳容器，与另一铝板平行相对间隔设置，两铝板接相反电极，向烧杯中加入聚合物微纳粒子分散液，浸没CF基材进行电泳过程后，取出，室温真空干燥。/n

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维表面电泳沉积聚合物微纳粒子制备高性能复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)CF基材表面预处理：
a)清洗：CF基材用丙酮抽提，然后超声清洗，并用乙醇和去离子水冲洗，放入烘箱干燥；
b)CF基材表面沉积聚多巴胺:将步骤a处理后的CF基材浸入浓度为1-4mg/mL的多巴胺盐酸盐的Tris缓冲液中，pH值为8.5，室温静置6-12h，取出CF基材用乙醇或去离子水冲洗至溶液澄清，然后放入烘箱50-80℃干燥备用；
2)CF基材表面电泳沉积聚合物微纳粒子：
a)配制聚合物微纳粒子分散液；
b)将CF基材用导电胶固定在一铝板上，插入电泳容器，与另一铝板平行相对间隔设置，两铝板接相反电极，向烧杯中加入聚合物微纳粒子分散液，浸没CF基材进行电泳过程后，取出，室温真空干燥。


2.根据权利要求1所述碳纤维表面电泳沉积聚合物微纳粒子制备高性能复合材料的方法，其特征在于，所述CF基材是丝束或织布。


3.根据权利要求1所述碳纤维表面电泳沉积聚合物微纳粒子制备高性能复合材料的方法，其特征在于，所述聚合物微纳粒子为聚苯乙烯或聚苯乙烯共聚物。


4.根据权利要求3所述碳纤维表面电泳沉积聚合物微纳粒子制备高性能复合材料的方法，其特征在于，所述聚合物微纳粒子表面含有羧基、环氧基、羟基、琥珀酰亚胺基、双键基团、光敏二苯甲酮基团或-S-S-键中的至少一...

【专利技术属性】
技术研发人员：任明伟，刘莲英，王正，刘慧敏，高克玮，范广宏，陈蕴博，
申请(专利权)人：北京化工大学，北京机科国创轻量化科学研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11