CN113215811B - 一种碳纤维增强复合材料及其制备方法 - Google Patents
一种碳纤维增强复合材料及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113215811B CN113215811B CN202110539868.9A CN202110539868A CN113215811B CN 113215811 B CN113215811 B CN 113215811B CN 202110539868 A CN202110539868 A CN 202110539868A CN 113215811 B CN113215811 B CN 113215811B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- carbon fiber
- solution
- composite material
- reinforced composite
- mixed
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 title claims abstract description 117
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 title claims abstract description 117
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 105
- 239000011208 reinforced composite material Substances 0.000 title claims abstract description 20
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 13
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 100
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 77
- 235000019441 ethanol Nutrition 0.000 claims description 29
- ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylformamide Chemical compound CN(C)C=O ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 26
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 26
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 21
- XTVVROIMIGLXTD-UHFFFAOYSA-N copper(II) nitrate Chemical compound [Cu+2].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O XTVVROIMIGLXTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 20
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 19
- VKYKSIONXSXAKP-UHFFFAOYSA-N hexamethylenetetramine Chemical compound C1N(C2)CN3CN1CN2C3 VKYKSIONXSXAKP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 17
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 17
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 claims description 17
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims description 16
- 239000011701 zinc Substances 0.000 claims description 16
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 claims description 16
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims description 13
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 claims description 12
- 238000004513 sizing Methods 0.000 claims description 12
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 11
- 238000001027 hydrothermal synthesis Methods 0.000 claims description 11
- XIOUDVJTOYVRTB-UHFFFAOYSA-N 1-(1-adamantyl)-3-aminothiourea Chemical compound C1C(C2)CC3CC2CC1(NC(=S)NN)C3 XIOUDVJTOYVRTB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 235000010299 hexamethylene tetramine Nutrition 0.000 claims description 9
- 239000004312 hexamethylene tetramine Substances 0.000 claims description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 9
- OVYTZAASVAZITK-UHFFFAOYSA-M sodium;ethanol;hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+].CCO OVYTZAASVAZITK-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 9
- QMKYBPDZANOJGF-UHFFFAOYSA-N benzene-1,3,5-tricarboxylic acid Chemical compound OC(=O)C1=CC(C(O)=O)=CC(C(O)=O)=C1 QMKYBPDZANOJGF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- VMKYLARTXWTBPI-UHFFFAOYSA-N copper;dinitrate;hydrate Chemical compound O.[Cu+2].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O VMKYLARTXWTBPI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- JJNZPYICTRAQKM-UHFFFAOYSA-L C(C)O.O.O.C(C)(=O)[O-].[Zn+2].C(C)(=O)[O-] Chemical compound C(C)O.O.O.C(C)(=O)[O-].[Zn+2].C(C)(=O)[O-] JJNZPYICTRAQKM-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 7
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 7
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 7
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 7
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 claims description 6
- LZZYPRNAOMGNLH-UHFFFAOYSA-M Cetrimonium bromide Chemical group [Br-].CCCCCCCCCCCCCCCC[N+](C)(C)C LZZYPRNAOMGNLH-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 4
- VYFYYTLLBUKUHU-UHFFFAOYSA-N dopamine Chemical compound NCCC1=CC=C(O)C(O)=C1 VYFYYTLLBUKUHU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- GVGUFUZHNYFZLC-UHFFFAOYSA-N dodecyl benzenesulfonate;sodium Chemical compound [Na].CCCCCCCCCCCCOS(=O)(=O)C1=CC=CC=C1 GVGUFUZHNYFZLC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229940080264 sodium dodecylbenzenesulfonate Drugs 0.000 claims description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 2
- 229960003638 dopamine Drugs 0.000 claims description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 2
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 claims description 2
- DAJSVUQLFFJUSX-UHFFFAOYSA-M sodium;dodecane-1-sulfonate Chemical compound [Na+].CCCCCCCCCCCCS([O-])(=O)=O DAJSVUQLFFJUSX-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 2
- YZYKBQUWMPUVEN-UHFFFAOYSA-N zafuleptine Chemical compound OC(=O)CCCCCC(C(C)C)NCC1=CC=C(F)C=C1 YZYKBQUWMPUVEN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims 3
- 239000003733 fiber-reinforced composite Substances 0.000 claims 3
- 239000000463 material Substances 0.000 claims 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 abstract description 8
- 239000011347 resin Substances 0.000 abstract description 7
- 229920005989 resin Polymers 0.000 abstract description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 230000008595 infiltration Effects 0.000 abstract description 2
- 238000001764 infiltration Methods 0.000 abstract description 2
- 239000012621 metal-organic framework Substances 0.000 description 17
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 7
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 7
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 6
- 239000007983 Tris buffer Substances 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 239000013132 MOF-5 Substances 0.000 description 3
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 3
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 3
- 239000002783 friction material Substances 0.000 description 3
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- KKEYFWRCBNTPAC-UHFFFAOYSA-N Terephthalic acid Chemical compound OC(=O)C1=CC=C(C(O)=O)C=C1 KKEYFWRCBNTPAC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000003760 magnetic stirring Methods 0.000 description 2
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 2
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 description 2
- RNWHGQJWIACOKP-UHFFFAOYSA-N zinc;oxygen(2-) Chemical group [O-2].[Zn+2] RNWHGQJWIACOKP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- CTENFNNZBMHDDG-UHFFFAOYSA-N Dopamine hydrochloride Chemical compound Cl.NCCC1=CC=C(O)C(O)=C1 CTENFNNZBMHDDG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- DBMJMQXJHONAFJ-UHFFFAOYSA-M Sodium laurylsulphate Chemical compound [Na+].CCCCCCCCCCCCOS([O-])(=O)=O DBMJMQXJHONAFJ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 229920006231 aramid fiber Polymers 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000007385 chemical modification Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 229960001149 dopamine hydrochloride Drugs 0.000 description 1
- 238000001652 electrophoretic deposition Methods 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 1
- 238000007731 hot pressing Methods 0.000 description 1
- 238000011031 large-scale manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 description 1
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 1
- 229920001690 polydopamine Polymers 0.000 description 1
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 1
- 229940083575 sodium dodecyl sulfate Drugs 0.000 description 1
- 235000019333 sodium laurylsulphate Nutrition 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000009736 wetting Methods 0.000 description 1
- MFLKDEMTKSVIBK-UHFFFAOYSA-N zinc;2-methylimidazol-3-ide Chemical compound [Zn+2].CC1=NC=C[N-]1.CC1=NC=C[N-]1 MFLKDEMTKSVIBK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- D06M—TREATMENT, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE IN CLASS D06, OF FIBRES, THREADS, YARNS, FABRICS, FEATHERS OR FIBROUS GOODS MADE FROM SUCH MATERIALS
- D06M11/00—Treating fibres, threads, yarns, fabrics or fibrous goods made from such materials, with inorganic substances or complexes thereof; Such treatment combined with mechanical treatment, e.g. mercerising
- D06M11/32—Treating fibres, threads, yarns, fabrics or fibrous goods made from such materials, with inorganic substances or complexes thereof; Such treatment combined with mechanical treatment, e.g. mercerising with oxygen, ozone, ozonides, oxides, hydroxides or percompounds; Salts derived from anions with an amphoteric element-oxygen bond
- D06M11/36—Treating fibres, threads, yarns, fabrics or fibrous goods made from such materials, with inorganic substances or complexes thereof; Such treatment combined with mechanical treatment, e.g. mercerising with oxygen, ozone, ozonides, oxides, hydroxides or percompounds; Salts derived from anions with an amphoteric element-oxygen bond with oxides, hydroxides or mixed oxides; with salts derived from anions with an amphoteric element-oxygen bond
- D06M11/44—Oxides or hydroxides of elements of Groups 2 or 12 of the Periodic Table; Zincates; Cadmates
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
- C08J5/00—Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
- C08J5/04—Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material
- C08J5/06—Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material using pretreated fibrous materials
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- D06M—TREATMENT, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE IN CLASS D06, OF FIBRES, THREADS, YARNS, FABRICS, FEATHERS OR FIBROUS GOODS MADE FROM SUCH MATERIALS
- D06M15/00—Treating fibres, threads, yarns, fabrics, or fibrous goods made from such materials, with macromolecular compounds; Such treatment combined with mechanical treatment
- D06M15/19—Treating fibres, threads, yarns, fabrics, or fibrous goods made from such materials, with macromolecular compounds; Such treatment combined with mechanical treatment with synthetic macromolecular compounds
- D06M15/37—Macromolecular compounds obtained otherwise than by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- D06M—TREATMENT, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE IN CLASS D06, OF FIBRES, THREADS, YARNS, FABRICS, FEATHERS OR FIBROUS GOODS MADE FROM SUCH MATERIALS
- D06M2101/00—Chemical constitution of the fibres, threads, yarns, fabrics or fibrous goods made from such materials, to be treated
- D06M2101/40—Fibres of carbon
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Textile Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Polymers & Plastics (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Or Physical Treatment Of Fibers (AREA)
- Reinforced Plastic Materials (AREA)
Abstract
本发明涉及一种碳纤维增强复合材料及其制备方法，其解决了现有碳纤维表面不易均匀分散、降低树脂基体对碳纤维的浸润效果、从而影响界面性能的技术问题，其包括碳纤维和氧化锌‑MOF结构，氧化锌‑MOF结构包覆于所述碳纤维表面。本发明同时提供了其制备方法和应用。本发明可用于碳纤维增强复合材料的制备领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合材料及其制备方法，具体说是涉及一种碳纤维增强复合材料及其制备方法。
背景技术
碳纤维增强复合材料由于具有重量轻，强度和刚度高，并且耐腐蚀和抗疲劳等优异性能，在汽车制造以及航天航空业受到广泛关注。然而由于碳纤维的表化学惰性，使碳纤维和基体之间的界面强度低，这是一个长期存在的技术难题，在一定程度上限制了碳纤维复合材料的广泛应用。此外，拓展碳纤维的功能性也是一个重要的发展方向。因此，通过对碳纤维进行表面改性改善碳纤维复合材料的界面性能和功能性是一个迫切需要解决的实际问题。
目前，碳纤维表面改性的方法有很多种，例如化学改性、涂层改性、接枝改性、等离子体改性、电泳沉积、辐照处理等。其中，水热法具有操作容易、设备简单、不损伤碳纤维等优点，获得了广泛的应用。在碳纤维表面沉积或附着MOF等纳米粒子，可以提高基体对纤维的润湿性，赋予复合材料自愈合、吸波、电磁屏蔽等功能。但是现有的工艺使得MOF在碳纤维表面不易均匀分散，这会降低树脂基体对碳纤维的浸润效果，从而影响界面性能。
公开号为CN 109608822 A的中国发明专利申请公开了一种MOF-5无损改性碳纤维增强树脂基湿式摩擦材料及其制备方法，首先处理碳纤维以去除表面上浆剂和其他污染物，然后将碳纤维在一定温度下利用硝酸处理，得到功能化碳纤维，为后续生长提供活性位点，将碳纤维与六水合硝酸锌以及对苯二甲酸溶于N,N-二甲基甲酰胺溶液中，采用磁力搅拌均匀后，水热反应来改性碳纤维，得到经MOF-5改性处理后的碳纤维，最后将改性处理过后碳纤维与芳纶纤维、纸纤维、树脂混合制备摩擦材料原纸，通过热压固化工艺后得到MOF-5改性碳纤维增强树脂基湿式摩擦材料。其可以避免传统处理工艺对碳纤维造成的损失，提高纤维表面活性同时不损伤纤维强度。
但是，上述专利申请存在以下问题：(1)利用强酸对碳纤维进行预处理，会对碳纤维本身的强度造成损害；(2)用磁力搅拌处理碳纤维不利于大规模生产；(3)MOF生长不均匀。
发明内容
本发明就是为了解决现有碳纤维表面不易均匀分散、降低树脂基体对碳纤维的浸润效果、从而影响界面性能的技术问题，提供一种碳纤维增强复合材料及其制备方法。
为此，本发明提供一种碳纤维增强复合材料，其包括碳纤维和氧化锌-MOF结构，所述氧化锌-MOF结构均匀包覆于所述碳纤维表面，所述氧化锌-MOF结构的厚度为80～240nm。
本发明同时提供一种碳纤维增强复合材料的制备方法，其包括如下步骤：(1)碳纤维通过丙酮清洗，干燥处理，去除表面上浆剂和其他杂质；(2)取无水乙醇，配置二水乙酸锌乙醇溶液和氢氧化钠乙醇溶液的混合溶液，搅拌均匀；将碳纤维放入配制好的混合溶液中，在水浴中静置，之后将纤维取出，高温静置，得到退火后的碳纤维；(3)配置六水合硝酸锌和六亚甲基四胺的混合水溶液，搅拌使其充分溶解，将所述步骤2得到的退火后的碳纤维放入上述混合水溶液中，水热反应，冷却后，取出碳纤维，用去离子水洗涤后烘干，得到具有氧化锌纳米线的碳纤维；(4)将硝酸铜水合物溶于N，N-二甲基甲酰胺和去离子水的混合液中获得硝酸铜溶液；将1,4-苯二甲酸或1,3,5-苯三甲酸及表面活性剂加到乙醇中以获得混合乙醇溶液，将其搅拌均匀；将所述步骤(3)得到的具有氧化锌纳米线的碳纤维放入所述硝酸铜溶液中，并将所述混合乙醇溶液倒入硝酸铜溶液中，静置；从溶液中取出碳纤维，用无水乙醇洗涤后，经干燥得到碳纤维表面具有氧化锌-MOF结构的碳纤维增强复合材料。
优选的，所述步骤(1)中得到的产物还要经过多巴胺处理，然后进行所述步骤(2)的处理。
优选的，所述步骤(2)中，二水乙酸锌乙醇溶液的浓度是0.001mol/L～0.005mol/L；氢氧化钠乙醇溶液的浓度是0.001mol/L～0.005mol/L；水浴温度为30℃～90℃；高温静置温度是150～250℃。
优选的，所述步骤(3)中，六水合硝酸锌、六亚甲基四胺的摩尔浓度为0.001mol/L～0.01mol/L，水热反应的时间是1～8h，反应温度是80℃～150℃。
优选的，所述步骤(4)中，混合溶液为纯DMF、纯去离子水或去离子水与DMF的混合液体；混合溶液中硝酸铜水合物浓度为0.1～0.5mol/L；所述表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基苯磺酸钠或十二烷基磺酸钠；乙醇溶液中表面活性剂浓度为0.1～0.4mol/L；1,4-苯二甲酸或1,3,5-苯三甲酸的浓度为0.2～0.5mol/L；所述混合乙醇溶液与所述硝酸铜溶液混合时的体积比为1:(5～1)。
本发明同时提供一种碳纤维增强复合材料作为汽车和航天航空增强复合材料中的应用。
本发明具有以下有益效果：
本发明通过在碳纤维表面生长氧化锌和MOF，借助不同工艺制备过程，使氧化锌和MOF在碳纤维表面生成分级增强结构，提高碳纤维表面能，可为制备树脂基复合材料提供良好的功能性增强体，进而赋予碳纤维复合材料优良的界面性能和功能性。
附图说明
图1A和图1B分别是本发明实施例1中制备的cf-zno图；其中图1A的放大倍数为5000倍；图1B的放大倍数为10000倍；
图2A和图2B分别是本发明实施例1中制备cf-zno-mof图；其中图2A的放大倍数为5000倍；图2B的放大倍数为10000倍。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。
实施例1
(1)碳纤维通过丙酮清洗、干燥处理，去除表面上浆剂与其他杂质；
(2)取200mL无水乙醇，配置摩尔浓度为0.001mol/L二水乙酸锌乙醇溶液和0.0015mol/L氢氧化钠乙醇溶液的混合溶液，搅拌均匀；将去除上浆剂的碳纤维放入配制好的乙醇溶液中，在60℃水浴中静置30min，之后将纤维取出，在200℃烘箱中静置10min。
(3)配置0.05mol/L六水合硝酸锌和0.05mol/L六亚甲基四胺的混合水溶液，搅拌使其充分溶解，将退火后的碳纤维放入上述溶液中，在90℃烘箱中水热反应2小时，冷却至室温后，取出碳纤维用去离子水洗涤后烘干；
(4)首先，将硝酸铜水合物溶于36mL N，N-二甲基甲酰胺和52mL去离子水的混合液中获得浓度0.16mol/L的硝酸铜溶液；取32mL乙醇,配置0.225mol/L的十六烷基三甲基溴化铵和0.3375mol/L的1,4-苯二甲酸的混合乙醇溶液，将其搅拌30分钟。将具有氧化锌纳米线的碳纤维放入硝酸铜溶液中，并将乙醇溶液倒入硝酸铜溶液中，静置10分钟。从溶液中取出碳纤维，用无水乙醇洗涤后，在60℃干燥2小时得到在碳纤维表面构建的氧化锌-MOF结构。改性后碳纤维表面能为57.57mN/m，界面剪切强度为75MPa。
实施例2
(1)碳纤维通过丙酮清洗、干燥处理，去除表面上浆剂与其他杂质；
(2)将1.2114g三羟甲基氨基甲烷溶解到1000毫升去离子水中，磁力搅拌半小时。接着，配置1mol/L的盐酸溶液，利用PH仪将溶液的PH调至8.5。取150mL tris溶液于烧杯中，将1.2g盐酸多巴胺溶入150mL tris溶液中，搅拌半小时，再倒入450mL tris溶液，搅拌均匀，取一束脱胶碳纤维浸入tris溶液中，与空气接触常温下搅拌2小时；
(3)取200mL无水乙醇，配置摩尔浓度为0.001mol/L二水乙酸锌乙醇溶液和0.0025mol/L氢氧化钠乙醇溶液的混合溶液，搅拌均匀；将包裹聚多巴胺的碳纤维放入配制好的乙醇溶液中，在60℃水浴中静置30min，之后将纤维取出，在150℃静置10min；
(4)配置0.025mol/L六水合硝酸锌和0.025mol/L六亚甲基四胺的混合水溶液，搅拌使其充分溶解，将退火后的碳纤维放入上述溶液中，在90℃烘箱中水热反应4小时，冷却至室温后，取出碳纤维用去离子水洗涤后烘干；
(5)首先，将硝酸铜水合物溶于36mL N，N-二甲基甲酰胺和52mL去离子水的混合液中获得浓度0.16mol/L的硝酸铜溶液；取32mL乙醇,配置0.225mol/L的十六烷基三甲基溴化铵和0.3375mol/L的1,4-苯二甲酸的混合乙醇溶液，将其搅拌30分钟。将具有氧化锌纳米线的碳纤维放入硝酸铜溶液中，并将乙醇溶液倒入硝酸铜溶液中，静置10分钟。从溶液中取出碳纤维，用无水乙醇洗涤后，在60℃干燥2小时得到在碳纤维表面构建的氧化锌-MOF结构。改性后碳纤维表面能为62.59mN/m，界面剪切强度为75.15MPa。
实施例3
(1)碳纤维通过丙酮清洗、干燥处理，去除表面上浆剂与其他杂质；
(2)取200mL无水乙醇，配置摩尔浓度为0.001mol/L二水乙酸锌乙醇溶液和0.001mol/L氢氧化钠乙醇溶液的混合溶液，搅拌均匀；将去除上浆剂的碳纤维放入配制好的乙醇溶液中，在90℃水浴中静置30min，之后将纤维取出，在150℃静置10min。
(3)配置0.01mol/L六水合硝酸锌和0.01mol/L六亚甲基四胺的混合水溶液，搅拌使其充分溶解，将退火后的碳纤维放入上述溶液中，在80℃烘箱中水热反应8小时，冷却至室温后，取出碳纤维用去离子水洗涤后烘干；
(4)首先，将硝酸铜水合物溶于36mL N，N-二甲基甲酰胺中获得浓度0.1mol/L的硝酸铜溶液；取36mL乙醇,配置0.1mol/L的十二烷基苯磺酸钠和0.2mol/L的1,4-苯二甲酸的混合乙醇溶液，将其搅拌30分钟。将具有氧化锌纳米线的碳纤维放入硝酸铜溶液中，并将乙醇溶液倒入硝酸铜溶液中，静置10分钟。从溶液中取出碳纤维，用无水乙醇洗涤后，在60℃干燥2小时得到在碳纤维表面构建的氧化锌-MOF结构。改性后碳纤维表面能为55mN/m，界面剪切强度为68MPa。
实施例4
(1)碳纤维通过丙酮清洗、干燥处理，去除表面上浆剂与其他杂质；
(2)取200mL无水乙醇，配置摩尔浓度为0.005mol/L二水乙酸锌乙醇溶液和0.005mol/L氢氧化钠乙醇溶液的混合溶液，搅拌均匀；将去除上浆剂的碳纤维放入配制好的乙醇溶液中，在30℃水浴中静置30min，之后将纤维取出，在250℃静置10min。
(3)配置0.1mol/L六水合硝酸锌和0.1mol/L六亚甲基四胺的混合水溶液，搅拌使其充分溶解，将退火后的碳纤维放入上述溶液中，在150℃烘箱中水热反应1小时，冷却至室温后，取出碳纤维用去离子水洗涤后烘干；
(4)首先，将硝酸铜水合物溶于100mL去离子水中获得浓度0.5mol/L的硝酸铜溶液；取20mL乙醇,配置0.4mol/L的十二烷基磺酸钠和0.5mol/L的1,3,5-苯三甲酸的混合乙醇溶液，将其搅拌30分钟。将具有氧化锌纳米线的碳纤维放入硝酸铜溶液中，并将乙醇溶液倒入硝酸铜溶液中，静置10分钟。从溶液中取出碳纤维，用无水乙醇洗涤后，在60℃干燥2小时得到在碳纤维表面构建的氧化锌-MOF结构。改性后碳纤维表面能为60mN/m，界面剪切强度为65MPa。
对比例
(1)碳纤维通过丙酮清洗、干燥处理，去除表面上浆剂与其他杂质；
(2)取200mL无水乙醇，配置摩尔浓度为0.001mol/L二水乙酸锌乙醇溶液和0.0015mol/L氢氧化钠乙醇溶液的混合溶液，搅拌均匀；将去除上浆剂的碳纤维放入配制好的乙醇溶液中，在60℃水浴中静置30min，之后将纤维取出，在200℃烘箱中静置10min。
(3)配置0.05mol/L六水合硝酸锌和0.05mol/L六亚甲基四胺的混合水溶液，搅拌使其充分溶解，将退火后的碳纤维放入上述溶液中，在90℃烘箱中水热反应2小时，冷却至室温后，取出碳纤维用去离子水洗涤后烘干，得到在碳纤维表面构建的氧化锌结构。改性后碳纤维表面能为39.1mN/m，界面剪切强度为59.4MPa。
实施例1-4和对比例的性能数据如下表所示：
上述数据表明，与对比例相比，本发明实施例1-4所得结构对碳纤维界面的增强效果更好，表明氧化锌-MOF结构比单一的氧化锌结构对碳纤维界面的增强效果更好；此外，改变参数对氧化锌-MOF结构也有一定影响，其中，实施例2所得氧化锌-MOF结构对碳纤维界面剪切强度增强的效果最好，实施例4所得的氧化锌-MOF的厚度最大。
由于本发明提供的碳纤维增强复合材料具有较高的表面能和较强的界面剪切强度，可以作为汽车和航天航空增强复合材料使用。
惟以上所述者，仅为本发明的具体实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，故其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修改，皆应仍属本发明权利要求书涵盖之范畴。
Claims (7)
1.一种碳纤维增强复合材料的制备方法，其特征是，所述碳纤维增强复合材料包括碳纤维和氧化锌-MOF结构，所述氧化锌-MOF结构均匀包覆于所述碳纤维表面，所述氧化锌-MOF结构的厚度为80～240nm；所述制备方法包括如下步骤：
(1)碳纤维通过丙酮清洗，干燥处理，去除表面上浆剂和其他杂质；
(2)取无水乙醇，配置二水乙酸锌乙醇溶液和氢氧化钠乙醇溶液的混合溶液，搅拌均匀；将碳纤维放入配制好的混合溶液中，在水浴中静置，之后将纤维取出，高温静置，得到退火后的碳纤维；
(3)配置六水合硝酸锌和六亚甲基四胺的混合水溶液，搅拌使其充分溶解，将所述步骤( 2) 得到的退火后的碳纤维放入上述混合水溶液中，水热反应，冷却后，取出碳纤维，用去离子水洗涤后烘干，得到具有氧化锌纳米线的碳纤维；
(4)将硝酸铜水合物溶于N，N-二甲基甲酰胺和去离子水的混合液中获得硝酸铜溶液；将1,4-苯二甲酸或1,3,5-苯三甲酸及表面活性剂加到乙醇中以获得混合乙醇溶液，将其搅拌均匀；将所述步骤(3)得到的具有氧化锌纳米线的碳纤维放入所述硝酸铜溶液中，并将所述混合乙醇溶液倒入硝酸铜溶液中，静置；从溶液中取出碳纤维，用无水乙醇洗涤后，经干燥得到碳纤维表面具有氧化锌-MOF结构的碳纤维增强复合材料。
2.根据权利要求1所述的碳纤维增强复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中得到的产物还要经过多巴胺处理，然后进行所述步骤(2)的处理。
3.根据权利要求1所述的碳纤维增强复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，二水乙酸锌乙醇溶液的浓度是0.001mol/L～0.005mol/L；氢氧化钠乙醇溶液的浓度是0.001mol/L～0.005mol/L；水浴温度为30℃～90℃；高温静置温度是150～250℃。
4.根据权利要求1所述的碳纤维增强复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，六水合硝酸锌、六亚甲基四胺的摩尔浓度为0.001mol/L～0.01mol/L，水热反应的时间是1～8h，反应温度是80℃～150℃。
5.根据权利要求1所述的碳纤维增强复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，混合溶液为纯DMF、纯去离子水或去离子水与DMF的混合液体；混合溶液中硝酸铜水合物浓度为0.1～0.5mol/L；所述表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基苯磺酸钠或十二烷基磺酸钠；乙醇溶液中表面活性剂浓度为0.1～0.4mol/L；1,4-苯二甲酸或1,3,5-苯三甲酸的浓度为0.2～0.5mol/L；所述混合乙醇溶液与所述硝酸铜溶液混合时的体积比为1:(5～1)。
6.如权利要求1-5任一制备方法制得的碳纤维增强复合材料。
7.如权利要求6所述的碳纤维增强复合材料作为汽车和航天航空增强复合材料中的应用。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110539868.9A CN113215811B (zh) | 2021-05-18 | 2021-05-18 | 一种碳纤维增强复合材料及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110539868.9A CN113215811B (zh) | 2021-05-18 | 2021-05-18 | 一种碳纤维增强复合材料及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113215811A CN113215811A (zh) | 2021-08-06 |
| CN113215811B true CN113215811B (zh) | 2022-09-13 |
Family
ID=77092575
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110539868.9A Active CN113215811B (zh) | 2021-05-18 | 2021-05-18 | 一种碳纤维增强复合材料及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113215811B (zh) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107098333A (zh) * | 2017-06-05 | 2017-08-29 | 北京化工大学 | 一种交联网状碳纳米材料的制备方法 |
| CN109608822A (zh) * | 2018-12-03 | 2019-04-12 | 陕西科技大学 | 一种mof-5无损改性碳纤维增强树脂基湿式摩擦材料及其制备方法 |
| CN110016807A (zh) * | 2019-05-07 | 2019-07-16 | 南昌航空大学 | 一种碳纤维表面功能化的表面改性方法 |
| CN111534050A (zh) * | 2020-05-27 | 2020-08-14 | 北京化工大学 | 一种具有多尺度耐高温界面结构的碳纤维复合材料及其制备方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10998550B2 (en) * | 2016-01-14 | 2021-05-04 | Agency For Science, Technology And Research | Free-standing MOF-derived hybrid porous carbon nanofiber mats |
-
2021
- 2021-05-18 CN CN202110539868.9A patent/CN113215811B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107098333A (zh) * | 2017-06-05 | 2017-08-29 | 北京化工大学 | 一种交联网状碳纳米材料的制备方法 |
| CN109608822A (zh) * | 2018-12-03 | 2019-04-12 | 陕西科技大学 | 一种mof-5无损改性碳纤维增强树脂基湿式摩擦材料及其制备方法 |
| CN110016807A (zh) * | 2019-05-07 | 2019-07-16 | 南昌航空大学 | 一种碳纤维表面功能化的表面改性方法 |
| CN111534050A (zh) * | 2020-05-27 | 2020-08-14 | 北京化工大学 | 一种具有多尺度耐高温界面结构的碳纤维复合材料及其制备方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Hierarchical zeolitic imidazolate framework-derived manganese-doped zinc oxide decorated carbon nanofiber electrodes for high performance flexible supercapacitors;Samuel, E等;《Chemical Engineering Journal》;20190901;第371卷;第657-665页 * |
| 氧化锌纳米线层间增韧碳纤维环氧复合材料研究;郑楠等;《高科技纤维与应用》;20160831;第41卷(第04期);第35-41页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113215811A (zh) | 2021-08-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111005226B (zh) | 一种氧化铝纤维三维织物界面改性的方法及由此制得的改性氧化铝纤维三维织物 | |
| CN109206146B (zh) | 碳纤维/纳米纤维协同强韧陶瓷基复合材料及其制备方法 | |
| CN110983757B (zh) | 一种氧化铝纤维布纤维界面改性的方法及由此制得的改性氧化铝纤维布 | |
| CN106866148A (zh) | SiC纳米线原位增强的SiCf/SiC复合材料及其制备方法 | |
| CN110552193B (zh) | 一种改性超高分子量聚乙烯纤维、织物及其制备方法和应用 | |
| CN111690158B (zh) | 一种玄武岩纤维增强树脂基复合材料界面优化的方法 | |
| CN107570209A (zh) | 一种制备银纳米粒子‑石墨烯‑丝瓜络复合材料的方法 | |
| CN109252359B (zh) | 一种固体碳源原位生长碳纳米管改性碳纤维增强树脂基电磁屏蔽复合材料的制备方法 | |
| CN111943704B (zh) | 一种可重复使用的耐高温纳米晶气凝胶材料及其制备方法 | |
| CN110172180B (zh) | 无机纤维/二氧化硅纳米材料及其制备方法和应用 | |
| CN110205809B (zh) | 一种碳纤维的上浆方法及其应用 | |
| CN106319934A (zh) | 碳化硅纳米线原位增强的碳化硅纤维材料及其制备方法 | |
| CN113215811B (zh) | 一种碳纤维增强复合材料及其制备方法 | |
| CN114687203B (zh) | 一种碳纤维/氧化锆复合材料及其制备方法和应用 | |
| CN114045671A (zh) | 一种具有磷酸镧层的连续氧化物纤维织物及其制备方法 | |
| CN109763319B (zh) | 一种基于硫掺杂改性催化剂在pan基碳纤维表面催化生长碳纳米管的工艺方法 | |
| CN110130101B (zh) | 一种间位芳纶织物表面功能改性的方法 | |
| CN110318251B (zh) | 一种在碳纤维表面生长一维氧化锌纳米线的方法 | |
| CN111393178B (zh) | 一种SiCf@BN核壳结构短切纤维的制备方法 | |
| KR20030049702A (ko) | 무전해 도금법에 의한 나노두께 니켈 도금된 탄소섬유의제조 방법 | |
| CN114044697B (zh) | 一种包覆磷酸镧涂层的氧化铝纤维及其制备方法与应用 | |
| Zhang et al. | A novel eco-friendly strategy on the interfacial modification of a carbon-fiber-reinforced polymer composite via chitosan encapsulation | |
| CN111778718A (zh) | 一种纳米金刚石修饰碳纤维的制备方法 | |
| CN113753877B (zh) | 一种在碳纤维表面沉积螺旋碳纳米管的制备方法及应用 | |
| CN116377708A (zh) | 一种同时提高芳纶耐紫外辐照和粘结性能的无损改性方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |