一种基于层状硅酸镍包覆聚苯胺复合纳米纤维改性的环氧纳米复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种层状硅酸镍包覆聚苯胺复合纳米纤维的制备方法，包括：将植酸、苯胺和过硫酸铵一定的比例反应，得到植酸掺杂改性聚苯胺纳米纤维，进而用水热法在改性聚苯胺纳米纤维表面负载大量的层状硅酸镍纳米材料，经离心、洗涤、干燥后制得具有核壳结构的层状硅酸镍包覆聚苯胺复合纳米纤维；本发明专利技术还公开了一种含层状硅酸镍包覆聚苯胺复合纳米纤维的环氧树脂复合材料的制备方法。本发明专利技术公开的具有核壳结构的层状硅酸镍包覆聚苯胺复合纳米纤维不但能够使聚苯胺纳米纤维在环氧基体中均匀分散，提高力学性能，还能够显著降低材料的磨损速率和抑制燃烧，可用于制备具有高抗磨和良好阻燃性能于一体的环氧纳米复合材料。

【技术实现步骤摘要】
一种基于层状硅酸镍包覆聚苯胺复合纳米纤维改性的环氧纳米复合材料及其制备方法
本专利技术涉及纳米纤维的环氧纳米复合材料及其制备方法，尤其涉及一种基于层状硅酸镍包覆聚苯胺复合纳米纤维改性环氧纳米复合材料及其制备方法。
技术介绍
环氧树脂简称EP，是一种综合性能非常优异的热固性树脂，在航空航天、交通运输、腐蚀防腐以及民用领域颇受青睐，尤其是作为高性能复合材料的基体材料。然而EP的本身易燃和不耐磨的缺点在很大程度上限制其使役性能，甚至会引发安全事故。因此，提高EP的抗磨能力和阻燃性能，对于进一步拓展EP产品的应用领域具有十分重要的意义。国内外的研究表明，通过在EP基体中引入坚硬的纳米粒子可以显著提高其摩擦学性能，大幅降低磨损速率；而阻燃性能的提高则主要通过引入合适的含磷化合物，利用燃烧过程中形成的PO·自由基对H·和OH·自由基进行捕捉而抑制燃烧过程的产生。然而，纳米材料在EP基体中难以分散，现有技术中纳米材料的填充量仅为环氧树脂的2％质量分数，导致难以制备高填充量的EP纳米复合材料。而含磷化合物多为低分子物质，添加进环氧树脂中，容易导致环氧树脂材料的力学性能下降。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于层状硅酸镍包覆聚苯胺复合纳米纤维改性的环氧纳米复合材料及其制备方法。本专利技术提出以聚苯胺(PANI)纳米纤维为载体，首先利用植酸(PA)对PANI纳米纤维进行掺杂改性，制备出阻燃改性的PANI纳米纤维(PA-PANI)，进而用水热法在其表面负载大量层状纳米材料，层状硅酸镍(NiPS)，构筑出具有核壳结构的层状硅酸镍包覆聚苯胺复合纳米纤维(NiPS@PA-PANI)，并将其应用于制备具有高抗磨和良好阻燃性能于一体的EP纳米复合材料。本专利技术提供了一种基于层状硅酸镍包覆聚苯胺复合纳米纤维改性的环氧纳米复合材料及其制备方法，具体技术方案为：一种基于层状硅酸镍包覆聚苯胺复合纳米纤维的环氧纳米复合材料，原料包括环氧树脂、固化剂以及层状硅酸镍包覆聚苯胺复合纳米纤维；其中，层状硅酸镍包覆聚苯胺复合纳米纤维的用量为改性环氧纳米复合材料重量的1％-9％。基于层状硅酸镍包覆聚苯胺复合纳米纤维改性环氧纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：S1、植酸掺杂聚苯胺纳米纤维的制备：将植酸和苯胺依次溶于去离子水中，配置溶液A；将过硫酸铵溶于去离子水中，配置溶液B；在持续搅拌，并保持0～5℃的低温状态下，将溶液B缓慢添加进溶液A，反应30min，待溶液颜色由棕色完全变成墨绿色；上述溶液在0～5℃静置24h后，经多次离心、洗涤、干燥处理后，在60℃真空干燥24h，得到植酸掺杂聚苯胺纳米纤维，记为PA-PANI；S2、NiPS@PA-PANI的合成：室温下，将十六烷基三甲基溴化氨溶于去离子水中，进行超声处理后，加入S1制备的植酸掺杂聚苯胺纳米纤维，经30min超声处理分散后，再加入80ml无水乙醇，继续超声处理30min；NH3·H2O加入上述溶液，并进行机械搅拌的同时，逐滴加入体积浓度为2.5％的正硅酸四乙酯/无水乙醇溶液40mL后，室温下持续反应24h，而后经过多次离心、洗涤、干燥后，得到纳米SiO2包覆植酸掺杂聚苯胺纳米纤维的产物，表示为SiO2@PA-PANI，备用；将SiO2@PA-PANI分散于去离子水中，超声分散30min，标为溶液C；另外称取NiCl2·6H2O、NH4Cl、NH3·H2O依次溶于30ml去离子水中，超声10min，标为溶液D。将C、D溶液共同加入聚四氟乙烯反应釜中，于90℃下反应10h后，经多次离心、洗涤、干燥后得到植酸掺杂聚苯胺纳米纤维表面包覆层状硅酸镍的产物，记为NiPS@PA-PANI；S3、环氧纳米复合材料的制备：将NiPS@PA-PANI粉末用25mL的丙酮进行超声分散1h后，缓慢加入在70℃预热的EP，强烈搅拌4h，使两者充分混合；将熔融的固化剂加入混合体系，继续强烈搅拌40min，倒入提前预热的硅胶模具，真空脱气20min后，在100℃下固化2h，再在150℃下固化2h。所述固化剂为4,4-二氨基二苯基甲烷(DDM)。S3中，环氧树脂与固化剂DDM的质量比为100：25.8。S1中，植酸的用量为0.91mL，苯胺的用量为0.90mL，过硫酸铵的用量为0.57g。S2中，植酸掺杂聚苯胺纳米纤维与正硅酸四乙酯的质量比为2:1。本专利技术制备的NiPS@PA-PANI纳米复合材料具有多方面的优异性能，机理在于：利用NiPS在PANI纳米纤维的表面修饰，改善了PANI纳米纤维在基体中的分散性；且为PANI提供了更大的比表面积，有利于PANI纳米纤维与EP基体之间形成良好的界面结合和机械铆合，提高材料的力学性能。在摩擦过程中，大量NiPS纳米片层会在强烈的摩擦作用下发生脱落，进而在试样和摩擦副之间富集，参与形成高质量转移层，起到了良好的固体润滑效应而降低摩擦系数，显著提高材料的摩擦学性能；同时，大量NiPS纳米片层的良好分散同样对基体起到了增强作用，能够抵抗摩擦作用对材料的破坏，提高抗磨能力，使磨损速率显著下降。与单一添加NiPS和PA-PANI纳米纤维相比，NiPS@PA-PANI则能同时在提高EP纳米复合材料的阻燃和摩擦学性能方面表现出了更大的优势。这主要是基于NiPS@PA-PANI是结合了PA的阻燃特性、NiPS的纳米屏蔽和增强效应，以及PANI纳米纤维的优异成碳作用于一体，其在EP基体中的均匀分散且具有良好的界面结合，一方面利用NiPS无机纳米片层赋予了EP纳米复合材料良好的抗拉强度和弹性模量，另一方面PA的含磷基团、PANI纳米纤维和NiPS的纳米屏蔽的有机结合，在提高EP的阻燃特性方面显示除了优异的协效阻燃效果，大幅提高了阻燃性能。附图说明图1为PANI纳米纤维的SEM图；图2为NiPS@PA-PANI的SEM图；图3为NiPS@PA-PANI的TEM图。从图1和图2的对比分析可以看出，PANI纳米纤维经过NiPS的表面修饰后，表现呈现大量片层堆砌结构，使得复合纤维的直径明显变粗；由图3的透射电镜图可以看出所制备的NiPS@PA-PANI显示出了明显的“核-壳”结构，在PANI纳米纤维表面包裹着大量NiPS纳米片层。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本申请实施例以及对照例中使用的环氧树脂均为工业级，E51，双酚A型，环氧值0.48～0.53。实施例1：S1、植酸(PA)掺杂聚苯胺(PANI)的制备用0.91mL的PA和0.90mL的苯胺依次溶于5mL去离子水中，配置溶液A；用0.57g的APS溶于2mL的去离子水中，配置溶液B；在持续搅拌，并保持0～5℃本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于层状硅酸镍包覆聚苯胺复合纳米纤维改性环氧纳米复合材料，其特征在于：原料包括环氧树脂、固化剂以及层状硅酸镍包覆聚苯胺复合纳米纤维；其中，层状硅酸镍包覆聚苯胺复合纳米纤维的用量为改性环氧纳米复合材料重量的1％-9％。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于层状硅酸镍包覆聚苯胺复合纳米纤维改性环氧纳米复合材料，其特征在于：原料包括环氧树脂、固化剂以及层状硅酸镍包覆聚苯胺复合纳米纤维；其中，层状硅酸镍包覆聚苯胺复合纳米纤维的用量为改性环氧纳米复合材料重量的1％-9％。


2.一种如权利要求1所述的基于层状硅酸镍包覆聚苯胺复合纳米纤维改性环氧纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、植酸掺杂聚苯胺纳米纤维的制备：将植酸和苯胺依次溶于去离子水中，配置溶液A；将过硫酸铵溶于去离子水中，配置溶液B；在持续搅拌，并保持0～5℃的低温状态下，将溶液B缓慢添加进溶液A，反应30min，待溶液颜色由棕色完全变成墨绿色；上述溶液在0～5℃静置24h后，经多次离心、洗涤、干燥处理后，在60℃真空干燥24h，得到植酸掺杂聚苯胺纳米纤维；
S2、层状硅酸镍包覆聚苯胺复合纳米纤维的合成：室温下，将十六烷基三甲基溴化氨溶于去离子水中，进行超声处理后，加入S1制备的植酸掺杂聚苯胺纳米纤维，经30min超声处理分散后，再加入80ml无水乙醇，继续超声处理30min；NH3·H2O加入上述溶液，并进行机械搅拌的同时，逐滴加入体积浓度为2.5％的正硅酸四乙酯/无水乙醇溶液40mL后，室温下持续反应24h，而后经过多次离心、洗涤、干燥后，得到纳米二氧化硅包覆植酸掺杂聚苯胺纳米纤维的产物，备用；
将纳米二氧化硅包覆植酸掺杂聚苯胺纳米纤维分散于去离子水中，超声分散30min，标为溶液C；另外称取NiCl2·6H2...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨继年，蒋柳，徐煜轩，冯雪松，
申请(专利权)人：安徽理工大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34