[发明专利]一种多巴胺/聚醚胺多层修饰碳纤维及其制备方法

说明书

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。

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；