CN109881485A - 一种多巴胺/聚醚胺多层修饰碳纤维及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种多巴胺/聚醚胺多层修饰碳纤维及其制备方法，在碳纤维表面依次涂覆聚多巴胺层和聚醚胺层，如此重复0‑4次制备多巴胺/聚醚胺多层修饰的碳纤维，所述聚多巴胺层具有刚性分子结构，所述聚醚胺层具有柔性长链分子结构，所述多巴胺/聚醚胺多层具有刚性和柔性链段交替排列的类贝壳状多层结构。促进应力再分配，增加纤维与树脂间的化学键合，改善纤维与树脂的浸润性，从而提高复合材料的界面粘结强度。本发明的刚性聚多巴胺层具有偏转裂纹和引发微裂纹的能力，柔性的聚醚胺层促进聚多巴胺层间的相互滑移，增强塑形变形，从而提高复合材料的界面韧性。
Description
技术领域
本发明属于材料的表面与界面改性应用技术领域，具体涉及一种多巴胺/聚醚胺多层修饰碳纤维及其制备方法。
背景技术
随着现代高新技术的发展，碳纤维复合材料已成为衡量一个国家科学技术先进水平的重要标志之一。碳纤维复合材料因具有比强度和比模量大等的优异性能而被广泛应用在航空航天、汽车工业、医疗、建筑、健身器材等领域。复合材料优异的性能除与碳纤维和基体有关外，还与两相界面能否有效的传递应力有关，然而碳纤维表面呈化学惰性导致碳纤维与树脂的浸润性较差，复合材料的性能无法充分发挥。为改善碳纤维表面化学活性，氧化法、等离子体处理、化学接枝和化学气相沉积等方法应运而生，然而这些方法在一定程度上会降低碳纤维的强度，且在提高界面粘结性能的同时降低界面的断裂应变能力。最近几年，通过在碳纤维表面引入纳米粒子以提高复合材料界面性能受到极大关注，然而纳米粒子能否均匀分散和成本控制等是较难解决的问题。
对于结构性构件，强度和韧性是决定材料寿命和应用领域的重要指标。贝壳是一种高强高韧性材料，其主要成分为95％的碳酸钙和少量的壳质素。研究表明贝壳的高强高韧性主要源自于其自身的砖瓦多层结构。此外，多巴胺在温和的条件下可以自聚合，几乎可以粘附在所有类型的无机和有机底物上，且多巴胺具有丰富的羟基和氨基，可以作为反应平台进行二次改性。因此为获得高强高韧复合材料，基于多巴胺改性在碳纤维表面制备一种仿贝壳结构的涂层是一个不错的思路。
发明内容
本发明的目的是为了提高碳纤维表面活性，改善碳纤维与环氧树脂的浸润性，解决碳纤维复合材料高强度高韧性不能同时存在的问题，而提供一种多巴胺/聚醚胺多层修饰碳纤维及其制备方法。
为实现上述目的，本发明多巴胺/聚醚胺多层修饰碳纤维，在碳纤维表面依次涂覆具有刚性链段结构和柔性链段结构的多巴胺层和聚醚胺层，该多层交替排列，具有类贝壳状砖瓦结构。
所述的碳纤维为高强聚丙烯腈基碳纤维。
所述的聚醚胺层的聚醚胺分子量为400或2000。
本发明还提供了制备上述多巴胺/聚醚胺多层修饰碳纤维的方法，包括以下步骤：
步骤一、碳纤维表面清洗
以丙酮为溶剂，采用索氏萃取法将碳纤维在70℃～80℃冷凝回流24～48h，后在60℃～80℃下干燥；
或将碳纤维在丙酮或石油醚的溶液中浸泡24～72h，后在60℃～80℃下干燥；
步骤二、三羟甲基氨基甲烷缓冲液制备
将三羟甲基氨基甲烷与去离子水按1～2：1000的质量比超声震荡充分混合，然后将1～2mol/L的盐酸溶液缓慢加入三羟甲基氨基甲烷与去离子水的混合液中，调节溶液pH值为8～9超声震荡得到三羟甲基氨基甲烷缓冲液；
步骤三、聚醚胺溶液的制备
取0.1～0.2g的聚醚胺加入到100～200ml有机溶剂中超声震荡充分混合；
步骤四、碳纤维表面聚多巴胺层的制备
采用浸渍法将清洗后的碳纤维浸入100～200ml的三羟甲基氨基甲烷缓冲液中，然后添加0.1～0.2g的多巴胺，超声震荡，室温静置后用去离子水清洗，然后在30～60℃真空干燥得到聚多巴胺层涂覆的碳纤维；
步骤五、碳纤维表面聚醚胺层的制备
采用浸渍法将步骤四制备的聚多巴胺层涂覆的碳纤维浸入聚醚胺溶液中5～15min，30～60℃真空干燥得到聚醚胺层涂覆的碳纤维；
步骤六、重复上述步骤四、五0～4次得到多巴胺/聚醚胺多层修饰的碳纤维。
所述步骤二超声震荡5～10min。
所述步骤三的有机溶剂为丙酮、二甲基甲酰胺、乙醇或四氢呋喃
所述步骤三超声震荡10～30min。
所述步骤四超声震荡5～10min，室温静置6～24h，去离子水清洗3～5次。
本发明的优点：
1)本发明在碳纤维表面依次涂覆聚多巴胺层和聚醚胺层，聚多巴胺层具有刚性分子结构，聚醚胺层具有柔性长链分子结构，在纤维和树脂间形成具有刚柔交替的类贝壳状多层结构的界面区，促进应力再分配，增加纤维与树脂间的化学键合，改善纤维与树脂的浸润性，从而提高复合材料的界面粘结强度。
2)本发明的刚性聚多巴胺层具有偏转裂纹和引发微裂纹的能力，柔性的聚醚胺层促进聚多巴胺层间的相互滑移，增强塑形变形，从而提高复合材料的界面韧性。
3)该方法可直接用于碳纤维生产线，简单易行、可重复性好，低成本、高效率、适合工业化生产，具有良好的经济效益和工业应用前景。
4)本发明的方法不仅限于某一特定的碳纤维树脂基复合材料体系，具有普遍适应性和良好的发展前景。
附图说明
图1为本发明碳纤维经清洗过后的表面形貌图。
图2为本发明实施例1制备的碳纤维表面形貌图。
图3a为碳纤维/环氧界面剪切强度柱状图，图3a中1为未处理碳纤维与环氧树脂复合制备的复合材料的界面剪切强度，2为实施例1制备的碳纤维与环氧树脂复合制备的复合材料的界面剪切强度。图3b为碳纤维/环氧界面韧性柱状图，图3b中1为未处理碳纤维与环氧树脂复合制备的复合材料的界面韧性，2为实施例1制备的碳纤维与环氧树脂复合制备的复合材料的界面韧性。
图4为本发明实施例2制备的碳纤维表面形貌图。
图5a为碳纤维/环氧界面剪切强度柱状图，图5a中1为未处理碳纤维与环氧树脂复合制备的复合材料的界面剪切强度，2为实施例2制备的碳纤维与环氧树脂复合制备的复合材料的界面剪切强度。图5b为碳纤维/环氧界面韧性柱状图，图5b中1为未处理碳纤维与环氧树脂复合制备的复合材料的界面韧性，2为实施例2制备的碳纤维与环氧树脂复合制备的复合材料的界面韧性。
图6为本发明实施例3制备的碳纤维表面形貌图。
图7a为碳纤维/环氧界面剪切强度柱状图，图7a中1为未处理碳纤维与环氧树脂复合制备的复合材料的界面剪切强度，2为实施例3制备的碳纤维与环氧树脂复合制备的复合材料的界面剪切强度。图7b为碳纤维/环氧界面韧性柱状图，图7b中1为未处理碳纤维与环氧树脂复合制备的复合材料的界面韧性，2为实施例3制备的碳纤维与环氧树脂复合制备的复合材料的界面韧性。
图8为本发明实施例4制备的碳纤维表面形貌图。
图9a为碳纤维/环氧界面剪切强度柱状图，图9a中1为未处理碳纤维与环氧树脂复合制备的复合材料的界面剪切强度，2为实施例4制备的碳纤维与环氧树脂复合制备的复合材料的界面剪切强度。图9b为碳纤维/环氧界面韧性柱状图，图9b中1为未处理碳纤维与环氧树脂复合制备的复合材料的界面韧性，2为实施例4制备的碳纤维与环氧树脂复合制备的复合材料的界面韧性。
图10为本发明实施例5制备的碳纤维表面形貌图。
图11a为碳纤维/环氧界面剪切强度柱状图，图11a中1为未处理碳纤维与环氧树脂复合制备的复合材料的界面剪切强度，2为实施例5制备的碳纤维与环氧树脂复合制备的复合材料的界面剪切强度。图11b为碳纤维/环氧界面韧性柱状图，图11b中1为未处理碳纤维与环氧树脂复合制备的复合材料的界面韧性，2为实施例5制备的碳纤维与环氧树脂复合制备的复合材料的界面韧性。
图12a为碳纤维/环氧界面剪切强度柱状图，图12a中1为未处理碳纤维与环氧树脂复合制备的复合材料的界面剪切强度，2为实施例6制备的碳纤维与环氧树脂复合制备的复合材料的界面剪切强度。图12b为碳纤维/环氧界面韧性柱状图，图12b中1为未处理碳纤维与环氧树脂复合制备的复合材料的界面韧性，2为实施例6制备的碳纤维与环氧树脂复合制备的复合材料的界面韧性。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1：
步骤一、碳纤维表面清洗
以丙酮为溶剂，采用索氏萃取法将高强聚丙烯腈基碳纤维在70℃冷凝回流24h，后在60℃下干燥得到清洗后的碳纤维见图1；
步骤二、三羟甲基氨基甲烷缓冲液制备
将三羟甲基氨基甲烷与去离子水按1：1000的质量比超声震荡5min充分混合，然后将1mol/L的盐酸溶液缓慢加入三羟甲基氨基甲烷与去离子水的混合液中，调节溶液pH值为8超声震荡5min得到三羟甲基氨基甲烷缓冲液；
步骤三、聚醚胺溶液的制备
取0.1g分子量为400的聚醚胺加入到100ml有机溶剂二甲基甲酰胺中超声震荡10min充分混合；
步骤四、碳纤维表面聚多巴胺层的制备
采用浸渍法将清洗后的碳纤维浸入100ml的三羟甲基氨基甲烷缓冲液中，然后添加0.1g的多巴胺，超声震荡5min，室温静置6h，去离子水清洗3次，然后在30℃真空干燥得到聚多巴胺层涂覆的碳纤维；
步骤五、碳纤维表面聚醚胺层的制备
采用浸渍法将步骤四制备的聚多巴胺层涂覆的碳纤维浸入聚醚胺溶液中5min，30℃真空干燥得到多巴胺/聚醚胺修饰的碳纤维。
将处理后的碳纤维与环氧树脂复合制备碳纤维增强环氧树脂基复合材料。
多巴胺层和聚醚胺层涂覆的碳纤维的表面形貌如图2所示，改性后纤维表面出现颗粒状聚多巴胺，纤维表面沟槽被部分填充。相比未处理碳纤维环氧复合材料，实施例1制备的碳纤维环氧复合材料界面强度和韧性分别提高了23.9％和66.9％，如图3所示。
实施例2：
步骤一、碳纤维表面清洗
以丙酮为溶剂，采用索氏萃取法将高强聚丙烯腈基碳纤维在75℃冷凝回流36h，后在70℃下干燥；
步骤二、三羟甲基氨基甲烷缓冲液制备
将三羟甲基氨基甲烷与去离子水按1.2：1000的质量比超声震荡7min充分混合，然后将1.5mol/L的盐酸溶液缓慢加入三羟甲基氨基甲烷与去离子水的混合液中，调节溶液pH值为8.5超声震荡7min得到三羟甲基氨基甲烷缓冲液；
步骤三、聚醚胺溶液的制备
取0.12g分子量为400的聚醚胺加入到150ml有机溶剂乙醇中超声震荡15min充分混合；
步骤四、碳纤维表面聚多巴胺层的制备
采用浸渍法将清洗后的碳纤维浸入130ml的三羟甲基氨基甲烷缓冲液中，然后添加0.12g的多巴胺，超声震荡7min，室温静置12h，去离子水清洗3次，然后在50℃真空干燥得到聚多巴胺层涂覆的碳纤维；
步骤五、碳纤维表面聚醚胺层的制备
采用浸渍法将步骤四制备的聚多巴胺层涂覆的碳纤维浸入聚醚胺溶液中10min，50℃真空干燥得到聚醚胺层涂覆的碳纤维；
步骤六、重复上述步骤四、五2次得到多巴胺/聚醚胺多层修饰的碳纤维。
将处理后的碳纤维与环氧树脂复合制备碳纤维增强环氧树脂基复合材料。
改性后纤维表面的聚多巴胺粒子增加，尺寸增大，且在纤维表面均匀分布，纤维表面沟槽被部分填充，如图4所示。相比未处理碳纤维环氧复合材料，实施例2制备的碳纤维环氧复合材料界面强度和韧性分别提高了39.2％和99.8％，如图5所示。
实施例3：
步骤一、碳纤维表面清洗
以丙酮为溶剂，采用索氏萃取法将高强聚丙烯腈基碳纤维在80℃冷凝回流48h，后在80℃下干燥；
步骤二、三羟甲基氨基甲烷缓冲液制备
将三羟甲基氨基甲烷与去离子水按2：1000的质量比超声震荡10min充分混合，然后将2mol/L的盐酸溶液缓慢加入三羟甲基氨基甲烷与去离子水的混合液中，调节溶液pH值为9超声震荡10min得到三羟甲基氨基甲烷缓冲液；
步骤三、聚醚胺溶液的制备
取0.2g分子量为400的聚醚胺加入到200ml有机溶剂四氢呋喃中超声震荡30min充分混合；
步骤四、碳纤维表面聚多巴胺层的制备
采用浸渍法将清洗后的碳纤维浸入200ml的三羟甲基氨基甲烷缓冲液中，然后添加0.2g的多巴胺，超声震荡10min，室温静置24h，去离子水清洗5次，然后在60℃真空干燥得到聚多巴胺层涂覆的碳纤维；
步骤五、碳纤维表面聚醚胺层的制备
采用浸渍法将步骤四制备的聚多巴胺层涂覆的碳纤维浸入聚醚胺溶液中15min，60℃真空干燥得到聚醚胺层涂覆的碳纤维；
步骤六、重复上述步骤四、五4次得到多巴胺/聚醚胺多层修饰的碳纤维。
将处理后的碳纤维与环氧树脂复合制备碳纤维增强环氧树脂基复合材料。
改性后纤维表面的聚多巴胺粒子继续增加且出现团聚现象，纤维表面大部分沟槽被填充，如图6所示。相比未处理碳纤维环氧复合材料，实施例3制备的碳纤维环氧复合材料界面强度和韧性分别提高了17.1％和38.7％，如图7所示。
实施例4：
步骤一、碳纤维表面清洗
将高强聚丙烯腈基碳纤维在丙酮或石油醚的溶液中浸泡24h，后在60℃下干燥；
步骤二、三羟甲基氨基甲烷缓冲液制备
将三羟甲基氨基甲烷与去离子水按1：1000的质量比超声震荡5min充分混合，然后将1mol/L的盐酸溶液缓慢加入三羟甲基氨基甲烷与去离子水的混合液中，调节溶液pH值为8超声震荡5min得到三羟甲基氨基甲烷缓冲液；
步骤三、聚醚胺溶液的制备
取0.1g分子量为2000的聚醚胺加入到130ml有机溶剂丙酮中超声震荡10min充分混合；
步骤四、碳纤维表面聚多巴胺层的制备
采用浸渍法将清洗后的碳纤维浸入180ml的三羟甲基氨基甲烷缓冲液中，然后添加0.1g的多巴胺，超声震荡5min，室温静置6h，去离子水清洗3次，然后在30℃真空干燥得到聚多巴胺层涂覆的碳纤维；
步骤五、碳纤维表面聚醚胺层的制备
采用浸渍法将步骤四制备的聚多巴胺层涂覆的碳纤维浸入聚醚胺溶液中5min，30℃真空干燥得到聚醚胺层涂覆的碳纤维；
将处理后的碳纤维与环氧树脂复合制备碳纤维增强环氧树脂基复合材料。
聚醚胺分子量的增加，使纤维表面沟槽被填充，且聚多巴胺粒子隐约可见，如图8所示。相比未处理碳纤维环氧复合材料，实施例4制备的碳纤维环氧复合材料界面强度和韧性分别提高了13.2％和28.1％，如图9所示。
实施例5：
步骤一、碳纤维表面清洗
或将高强聚丙烯腈基碳纤维在丙酮或石油醚的溶液中浸泡48h，后在70℃下干燥；
步骤二、三羟甲基氨基甲烷缓冲液制备
将三羟甲基氨基甲烷与去离子水按1.5：1000的质量比超声震荡8min充分混合，然后将1.4mol/L的盐酸溶液缓慢加入三羟甲基氨基甲烷与去离子水的混合液中，调节溶液pH值为8.5超声震荡8min得到三羟甲基氨基甲烷缓冲液；
步骤三、聚醚胺溶液的制备
取0.15g分子量为2000的聚醚胺加入到180ml有机溶剂二甲基甲酰胺中超声震荡20min充分混合；
步骤四、碳纤维表面聚多巴胺层的制备
采用浸渍法将清洗后的碳纤维浸入150ml的三羟甲基氨基甲烷缓冲液中，然后添加0.15g的多巴胺，超声震荡8min，室温静置12h，去离子水清洗4次，然后在40℃真空干燥得到聚多巴胺层涂覆的碳纤维；
步骤五、碳纤维表面聚醚胺层的制备
采用浸渍法将步骤四制备的聚多巴胺层涂覆的碳纤维浸入聚醚胺溶液中10min，40℃真空干燥得到聚醚胺层涂覆的碳纤维；
步骤六、重复上述步骤四、五2次得到多巴胺/聚醚胺多层修饰的碳纤维。
将处理后的碳纤维与环氧树脂复合制备碳纤维增强环氧树脂基复合材料。
多巴胺/聚醚胺涂覆共涂覆3层后，改性后纤维表面的聚多巴胺粒子增加，尺寸增大，且在纤维表面均匀分布，如图10所示。相比未处理碳纤维环氧复合材料，实施例5制备的碳纤维环氧复合材料界面强度和韧性分别提高了23.3％和32.7％，如图11所示。
实施例6：
步骤一、碳纤维表面清洗
将高强聚丙烯腈基碳纤维在丙酮或石油醚的溶液中浸泡72h，后在80℃下干燥；
步骤二、三羟甲基氨基甲烷缓冲液制备
将三羟甲基氨基甲烷与去离子水按2：1000的质量比超声震荡10min充分混合，然后将2mol/L的盐酸溶液缓慢加入三羟甲基氨基甲烷与去离子水的混合液中，调节溶液pH值为9超声震荡10min得到三羟甲基氨基甲烷缓冲液；
步骤三、聚醚胺溶液的制备
取0.2g分子量为2000的聚醚胺加入到200ml有机溶剂四氢呋喃中超声震荡30min充分混合；
步骤四、碳纤维表面聚多巴胺层的制备
采用浸渍法将清洗后的碳纤维浸入200ml的三羟甲基氨基甲烷缓冲液中，然后添加0.2g的多巴胺，超声震荡10min，室温静置24h，去离子水清洗5次，然后在60℃真空干燥得到聚多巴胺层涂覆的碳纤维；
步骤五、碳纤维表面聚醚胺层的制备
采用浸渍法将步骤四制备的聚多巴胺层涂覆的碳纤维浸入聚醚胺溶液中15min，60℃真空干燥得到聚醚胺层涂覆的碳纤维；
步骤六、重复上述步骤四、五4次得到多巴胺/聚醚胺多层修饰的碳纤维。
将处理后的碳纤维与环氧树脂复合制备碳纤维增强环氧树脂基复合材料。
相比未处理碳纤维环氧复合材料，实施例6制备的碳纤维环氧复合材料界面强度和韧性分别提高了15.8％和45.4％，如图12所示。
Claims (8)
1.一种多巴胺/聚醚胺多层修饰碳纤维，其特征在于：在碳纤维表面依次涂覆具有刚性链段结构和柔性链段结构的多巴胺层和聚醚胺层，该多层交替排列，具有类贝壳状砖瓦结构。
2.根据权利要求1所述的多巴胺/聚醚胺多层修饰碳纤维，其特征在于：所述的碳纤维为高强聚丙烯腈基碳纤维。
3.根据权利要求1所述的多巴胺/聚醚胺多层修饰碳纤维，其特征在于：所述的聚醚胺层的聚醚胺分子量为400或2000。
4.一种制备如权利要求1所述的多巴胺/聚醚胺多层修饰碳纤维的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、碳纤维表面清洗
以丙酮为溶剂，采用索氏萃取法将碳纤维在70℃～80℃冷凝回流24～48h，后在60℃～80℃下干燥；
或将碳纤维在丙酮或石油醚的溶液中浸泡24～72h，后在60℃～80℃下干燥；
步骤二、三羟甲基氨基甲烷缓冲液制备
将三羟甲基氨基甲烷与去离子水按1～2：1000的质量比超声震荡充分混合，然后将1～2mol/L的盐酸溶液缓慢加入三羟甲基氨基甲烷与去离子水的混合液中，调节溶液pH值为8～9超声震荡得到三羟甲基氨基甲烷缓冲液；
步骤三、聚醚胺溶液的制备取0.1～0.2g的聚醚胺加入到100～200ml有机溶剂中超声震荡充分混合；
步骤四、碳纤维表面聚多巴胺层的制备
采用浸渍法将清洗后的碳纤维浸入100～200ml的三羟甲基氨基甲烷缓冲液中，然后添加0.1～0.2g的多巴胺，超声震荡，室温静置后用去离子水清洗，然后在30～60℃真空干燥得到聚多巴胺层涂覆的碳纤维；
步骤五、碳纤维表面聚醚胺层的制备
采用浸渍法将步骤四制备的聚多巴胺层涂覆的碳纤维浸入聚醚胺溶液中5～15min，30～60℃真空干燥得到聚醚胺层涂覆的碳纤维；
步骤六、重复上述步骤四、五0～4次得到多巴胺/聚醚胺多层修饰的碳纤维。
5.根据权利要求4所述的多巴胺/聚醚胺多层修饰碳纤维的方法，其特征在于：所述步骤二超声震荡5～10min。
6.根据权利要求4所述的多巴胺/聚醚胺多层修饰碳纤维的方法，其特征在于：所述步骤三的有机溶剂为丙酮、二甲基甲酰胺、乙醇或四氢呋喃。
7.根据权利要求4所述的多巴胺/聚醚胺多层修饰碳纤维的方法，其特征在于：所述步骤三超声震荡10～30min。
8.根据权利要求4所述的多巴胺/聚醚胺多层修饰碳纤维的方法，其特征在于：所述步骤四超声震荡5～10min，室温静置6～24h，去离子水清洗3～5次。
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