[发明专利]一种增强玄武岩界面性能的制备方法

说明书

本发明公开了一种增强玄武岩界面性能的制备方法，先利用静电纺丝技术制备PAN‑玄武岩纳米包覆纤维，再将制备的PAN‑玄武岩纳米包覆纤维经碳化工艺制得界面性能增强的皮芯结构的玄武岩碳化纳米材料，最后将制得的皮芯结构的玄武岩碳化纳米材料与树脂基体进行固化形成界面性能增强的复合材料，其既有皮层碳纳米材料大的表面积、相对高的电导率、结构完整、吸附性能好等特征，又有芯层玄武岩纤维优异的力学性能，能够同时发挥两种材料的优点，且本方法对环境污染少可广泛应用在纤维增强材料领域，解决了现有技术中玄武岩纤维增强树脂基复合材料界面粘接性差的问题，进一步优化复合材料的性能,并且可推动新型纤维复合材料的设计,便于更好地应用与开发。

技术领域

本发明属于纤维增强复合材料技术领域，具体涉及一种利用静电纺丝及碳化技术实现增强玄武岩界面性能的制备方法。

背景技术

纤维增强树脂基复合材料与传统结构材料相比，具有优异的耐腐蚀性能和较高的比强度与比模量，且阻尼特性好、疲劳寿命长、材料品种多，近年来被广泛应用于国防和航空以及桥梁等重要基础设施的加固与增强。在环境材料中可持续的纤维增强高分子复合材料特别是天然纤维备受关注。其中玄武岩是一种十分优异的天然原料，它普遍存在于地球的各个角落，因此价格低廉，有利于玄武岩纤维广泛地生产和应用。

玄武岩纤维是由玄武岩石料在达到1450-1500℃高温熔融后，经过拉丝制成的连续纤维，其具有优异的力学性能、化学稳定性、耐高温性能和耐酸碱性能，并且还具有抗腐蚀性、抗燃、电绝缘性等多种优异的性能。自1923年美国科学家发现玄武岩之后，玄武岩是军事研究选择的分类材料，比如玄武岩纤维可用以制造防弹衣当中的阻尼层。目前，玄武岩纤维已经被国家列为重点发展的四大纤维之一，并且已经广泛应用于纤维增强复合材料、船舶工程、汽车行业、隔热阻燃材料、摩擦材料以及防护工程等多个领域，并取得了较好的使用效果。但因玄武岩表面十分光滑且属于绝缘材料，与树脂的浸润性较差，所以在用于增强复合材料时通常需要对玄武岩纤维界面进行改性，以提高其与基体的界面结合强度、改善它与基材间的界面粘结性能，进而提高复合材料整体的力学性能。

发明内容

有鉴于此，本发明设计完成了一种增强玄武岩界面性能的制备方法，先利用静电纺丝技术将PAN纳米纤维包覆于玄武岩纤维表面，得到皮芯结构的PAN—玄武岩纳米包覆纤维，再经碳化工艺制得界面性能增强的皮芯结构的玄武岩碳化纳米材料，使其兼具皮层碳纳米材料和芯层玄武岩纤维优异的力学性能的特点，解决了现有技术中存在的玄武岩纤维增强树脂基复合材料界面粘接性差的问题，进一步优化复合材料的性能,并且可推动新型纤维复合材料的设计,以便于更好地应用与开发。

本发明通过以下技术手段解决上述问题：

一种增强玄武岩界面性能的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1、将玄武岩纤维置于无水乙醇中超声波清洗30min，再用去离子水清洗干净，放入40℃烘箱内干燥6～8h，得到清洗后玄武岩纤维；

步骤2、将作为纺丝液溶质的PAN和溶剂N,N-二甲基甲酰胺混合，得到纺丝液，所述纺丝液的质量浓度为6％～20％；

步骤3、用注射器抽取所述纺丝液6～8ml，将所述清洗后玄武岩纤维作为芯层，利用静电纺丝法制备得到PAN-玄武岩纳米包覆纤维，静电纺丝设备的工作环境温度为20±2℃、相对湿度为60±5％；

具体的，步骤3按照以下步骤操作：

步骤3.1:将作为芯层的所述清洗后玄武岩纤维置于静电纺丝设备的两个金属薄片上方约1㎜处,所述清洗后玄武岩纤维末端被静电纺丝设备的卷绕辊卷绕，用静电纺丝设备的注射器抽取配制好的纺丝液6～8ml；

步骤3.2：设置纺丝液挤出速度为0.3ml/h～1.3ml/h、纺丝距离为10cm～15cm、纺丝电压为15kV～23kV、卷绕辊的转速为30rpm、两个金属薄片间距为2cm～6cm；