一种碳纤维多孔层复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种碳纤维多孔层复合材料及其制备方法和应用，其解决了现有技术中条件要求高、反应过程复杂、制得材料应用领域有限的技术问题，复合材料包括短切纤维和多孔层；制备方法包括：回收短切碳纤维先通过丙酮清洗，再水洗离心分离后，干燥处理，去除表面杂质；取去离子水，配置金属离子水溶液和单宁酸水溶液的混合溶液，搅拌；将回收短切碳纤维放入配置好的混合溶液中，搅拌，取出短切碳纤维，用去离子水洗涤离心分离后烘干，放置于碳化炉中处理，即可得到碳纤维多孔层复合材料。本发明专利技术可用于吸附材料、吸波材料或催化剂载体的制备。吸波材料或催化剂载体的制备。吸波材料或催化剂载体的制备。

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维多孔层复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及一种复合材料及其制备方法和应用，具体地说，涉及一种碳纤维多孔层复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着经济的增长和超大规模内需市场的快速发展，我国已成为碳纤维增强复合材料的主要应用与消费大国。一方面，碳纤维增强复合材料生产会产生巨大的碳排放量；另一方面传统的材料回收资源化利用方式依然是碳排放的大户。如何响应“碳中和”理念，实现碳纤维增强复合材料整个生命周期绿色低碳的目标成为碳纤维增强复合材料回收技术的新挑战。
[0003]通过各种回收方式，结合化学改性，实现老化碳纤维增强复合材料增寿及其废弃物的升级转化是废旧碳纤维增强复合材料资源化利用的一个新思路。通过适当的化学处理，将回收碳纤维力学性能稳定性差、长度分布不均匀等劣势进行转化，从而生成新一代高性能材料。这种方法可以实现材料的高值化利用，摒弃了填埋或炭化分解再利用的传统方式，大大减少了资源化过程中的碳排放。
[0004]目前碳纤维的表面处理方式大多数是通过以纤维表面为基台，向上构筑各色各样的纤维表面形貌结构，从而实现其优异的功能和界面性能。但是向上构造的表面处理方式往往经济成本较高且规模化制备较为困难，严重限制了其的实际应用领域。
[0005]公布号为CN109759117 A公开了一种利用碳纤维制备氮掺杂碳包覆金属纳米颗粒复合材料的方法，包括如下步骤：首先将水溶性过渡金属盐和单宁酸的溶液混合搅拌均匀以获得金属离子单宁酸黏性复合材料，然后加入经硝酸处理后的碳纤维继续搅拌、烘干，最后加入氰胺类化合物在惰性气体下煅烧热解，即获得目标产物。
[0006]上述方法主要存在以下问题：该专利申请通过单宁酸和金属离子处理碳纤维之后，需要在惰性气体氛围下，通过在碳化过程中引入氰胺类化合物来使金属离子稳定均匀的分布在复合材料中，从而通过金属离子在复合材料中的均匀分布来实现吸附等功能，条件要求高，反应过程复杂，制得材料的应用领域有限。

技术实现思路

[0007]本专利技术就是为了解决现有技术中条件要求高、反应过程复杂、制得材料应用领域有限的技术问题，提供一种碳纤维多孔层复合材料及其制备方法和应用。
[0008]为此，本专利技术提供一种碳纤维多孔层复合材料，其包括短切纤维和多孔层，所述多孔层包裹所述短切纤维；所述多孔层是由单宁酸
‑
金属离子配合物在高温条件下与短切纤维发生反应生成；所述多孔层的厚度为20～200nm，孔隙率为5％～30％。
[0009]本专利技术同时提供一种碳纤维多孔层复合材料的制备方法，其包括如下步骤：(1)回收短切碳纤维先通过丙酮清洗，再水洗离心分离后，干燥处理，去除表面杂质；(2)取去离子水，配置金属离子水溶液和单宁酸水溶液的混合溶液，搅拌至澄清透明；将回收短切碳纤维
放入配置好的混合溶液中，高速搅拌，取出短切碳纤维，用去离子水洗涤离心分离后烘干，得到具有金属离子
‑
单宁酸配位络合物包覆结构的回收碳纤维；(3)取具有金属离子
‑
单宁酸配位络合物包覆结构的回收碳纤维，放置于碳化炉中处理，即可得到碳纤维多孔层复合材料。
[0010]优选的，所述步骤(2)中，单宁酸包括水解丹宁、缩合丹宁之一种或其混合物。
[0011]单宁酸是一种天然多酚，具有含量丰富的苯环与酚羟基，且来源绿色环保。苯环可以通过Π
‑
Π堆积作用增强其在碳纤维表面的堆积包覆行为；酚羟基可以与金属离子的空轨道发生配位作用。Π
‑
Π堆积作用和配位作用相互配合，使金属离子在碳纤维表面均匀分布，为后续反应铺垫。
[0012]优选的，所述步骤(2)中，所述金属离子为Fe
3+
、Al
3+
、Ce
3+
、Zr
4+
和Zn
2+
之一种或其混合物。
[0013]这些金属离子其最外层乃至第二外层的大部分电子轨道都是空的，可以让带着故对电子的酚羟基插入轨道发生配位作用。
[0014]优选的，所述步骤(2)中，所述金属离子水溶液的浓度是0.01～0.5mol/L。
[0015]若金属离子和单宁酸水溶液浓度同时低，金属离子
‑
单宁酸配合物很难在碳纤维表面包覆，无法进行后续处理。若金属离子和单宁酸水溶液浓度同时高，金属离子
‑
单宁酸配合物将不再只是包覆单根碳纤维，而是将多根碳纤维包覆成球状，不利于后续反应的控制。若金属离子和单宁酸水溶液浓度一高一低，则不能在纤维表面形成均匀的金属离子
‑
单宁酸配合物，后续反应成功率低，达不到预期效果。
[0016]优选的，所述步骤(2)中，所述单宁酸水溶液的浓度是0.01～0.5mol/L。
[0017]若金属离子和单宁酸水溶液浓度同时低，金属离子
‑
单宁酸配合物很难在碳纤维表面包覆，无法进行后续处理。若金属离子和单宁酸水溶液浓度同时高，金属离子
‑
单宁酸配合物将不再只是包覆单根碳纤维，而是将多根碳纤维包覆成球状，不利于后续反应的控制。若金属离子和单宁酸水溶液浓度一高一低，则不能在纤维表面形成均匀的金属离子
‑
单宁酸配合物，后续反应成功率低，达不到预期效果。
[0018]优选的，所述步骤(2)中，所述短切碳纤维的用量是金属离子和单宁酸混合溶液质量的0.5％～10％。
[0019]相对于金属离子和单宁酸混合溶液的质量百分比。短切纤维用量低于上述范围，一是经济成本不划算，二是无法精确控制纤维表面多孔层的结构。短切纤维用量高于上述范围，无法保证每根短切纤维都形成理想的多孔层结构，产物性能均一性不能保证。
[0020]优选的，所述步骤(2)中，高速搅拌时间为1～6h。
[0021]高速搅拌时间短于上述范围，纤维表面的金属离子
‑
单宁酸配合物包覆层较薄，后续反应生成的多孔层结构厚度低，无法满足性能需求。高速搅拌时间高于上述范围，纤维表面的金属离子
‑
单宁酸配合物的形貌会由于溶液pH的改变而发生解体，从而导致后续流程无法制备出理想的多孔层结构。
[0022]优选的，所述步骤(3)中，碳化炉的温度为450℃～700℃；加热的反应时间是5min～60min；工作氛围为空气、氧气、氮气、二氧化碳之一种。
[0023]碳化炉温度低或反应时间短，金属离子和碳纤维表面石墨层结构发生反应程度低。碳化炉温度高或反应时间长，纤维本体会发生热降解，结构稳定性和机械性能大幅降
低，限制实际应用范围。不同的工作氛围会形成不同的多孔层结构(孔洞的形状、多孔层的厚度等)。
[0024]本专利技术还提供述碳纤维多孔层复合材料作为吸附材料、吸波材料或催化剂载体的应用。
[0025]本专利技术具有以下有益效果：
[0026]本专利技术在高温非惰性气体氛围下，通过通过金属离子和纤维芳环结构发生反本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维多孔层复合材料，其特征是，其包括短切纤维和多孔层，所述多孔层包裹所述短切纤维；所述多孔层是由单宁酸
‑
金属离子配合物与短切纤维发生反应生成；所述多孔层的厚度为20～200nm，孔隙率为5％～30％。2.如权利要求1所述的碳纤维多孔层复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)回收短切碳纤维先通过丙酮清洗，再水洗离心分离后，干燥处理，去除表面杂质；(2)取去离子水，配置金属离子水溶液和单宁酸水溶液的混合溶液，搅拌至澄清透明；将回收短切碳纤维放入配置好的混合溶液中，高速搅拌，取出短切碳纤维，用去离子水洗涤离心分离后烘干，得到具有金属离子
‑
单宁酸配位络合物包覆结构的回收碳纤维；(3)取具有金属离子
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单宁酸配位络合物包覆结构的回收碳纤维，放置于碳化炉中处理，即可得到碳纤维多孔层复合材料。3.根据权利要求2所述的碳纤维多孔层复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，单宁酸包括水解丹宁、缩合丹宁之一种或其混合物。4.根据权利要求2所述的碳纤维多孔层复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述金属离子为Fe
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【专利技术属性】
技术研发人员：隋刚，李佳明，杨小平，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：