[发明专利]多尺度碳纤维、增强增韧环氧复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种多尺度碳纤维、增强增韧环氧复合材料及其制备方法。所述的多尺度碳纤维由氧化碳纤维和纳米粒子ZIF‑8组成，ZIF‑8通过化学键键合作用直接接枝在氧化碳纤维表面。所述的增强增韧环氧复合材料由质量比为97.0～99.0：3.0～1.0的环氧树脂和多尺度碳纤维增强体组成，采用浇铸的方法将混合均匀的环氧树脂、多尺度碳纤维和固化剂浇筑于涂覆有脱模剂的模具中制得。本发明的多尺度碳纤维制备过程简单，成本低廉，显著地改善了碳纤维与环氧的界面结合，提高了环氧复合材料的力学性能和热机械性能，起到了增强增韧的作用，冲击强度最高提升135.5％，玻璃化转变温度最高提高了64.2％。

技术领域

本发明属于环氧复合材料技术领域，涉及一种多尺度碳纤维、增强增韧环氧复合材料及其制备方法。

背景技术

碳纤维增强环氧基复合材料近年来在航空航天和汽车工业中得到广泛应用，其具有优异的理化性能，包括高比强度、高比模量、轻质、高热稳定性和出色的耐腐蚀性等特点。然而，由于碳纤维(CFs)表面的光滑和惰性特性使得碳纤维复合材料的全部潜力尚未得到充分利用，不良的界面性质可能导致纤维与基质之间的剥离或分层，从而导致灾难性的失败。为了克服上述问题，有必要调整和优化基体与增强体之间界面的微观结构。

在碳纤维的表面改性中，通过在化学反应下将纳米材料接枝到CFs表面上来开发多尺度增强材料为碳纤维表面改性提供了有效的解决方案。其中化学接枝方法可以克服纳米级材料与CFs在其他方法(例如CVD，涂层，电泳沉积等)中弱结合的问题，不仅降低了对纤维强度的损害程度，而且有助于环境保护和节约能源。Zhao等(Zhao ZB,et al.CompositeStructures,2017,159,761-772)采用电泳沉积方式将碳纳米管(CNTs)附着在碳纤维上，增强了复合材料的层次性，发现复合材料的界面剪切强度提高了10％，玻璃化转变温度仅提高4％。S.Rahmanian等(S.Rahmanian,et al.Materials and Design,2013,43,10-16)采用化学气相沉积法在碳纤维表面均匀生长致密的碳纳米管(CNTs)，并制备了短碳纤维增强聚丙烯复合材料，结果表明复合材料的冲击强度仅提高约34％。这些纤维处理虽然在一定程度上改善了最终复合材料的界面性能，但是存在一些不足之处，例如繁琐的处理工艺，昂贵的设备，高额的能耗和复杂的催化剂加工。

作为典型的3D纳米材料，沸石咪唑酯骨架材料(ZIF-8)具有出色的机械和热性能，稳定的孔隙率，高化学稳定性和简单的制备工艺等优点。此外，它可以为环氧基团的开环反应提供作用位点，在不需要催化剂或偶联剂的情况下促进环氧网络的形成。

发明内容

针对现有的碳纤维表面改性处理工艺繁琐、设备昂贵、需催化剂加工的问题，本发明提供一种纳米粒子修饰的多尺度碳纤维，含有多尺度碳纤维的增强增韧环氧复合材料及其制备方法。本发明首次成功在氧化碳纤维表面通过化学作用一步接枝纳米粒子ZIF-8，不仅增加了其粗糙度，改善了其润湿性，从而提高了环氧复合材料的力学性能和热机械性能，还起到了促进环氧体系固化的效果。

本发明的技术方案如下：

多尺度碳纤维，由氧化碳纤维和纳米粒子ZIF-8组成，所述的纳米粒子ZIF-8通过化学键键合作用直接接枝在氧化碳纤维表面。

本发明所述的碳纤维为本领域常规使用的碳纤维，可以是短切碳纤维、长碳纤维或者碳纤维布。

本发明提供上述多尺度碳纤维的制备方法，具体步骤如下：

步骤1，将碳纤维浸泡在丙酮中，除去表面的杂质，干燥后分散在65％浓硝酸中，超声条件下对碳纤维表面进行刻蚀，水洗至中性，干燥得到氧化碳纤维；

步骤2，将氧化碳纤维超声分散在甲醇中，将2-甲基咪唑和六水合硝酸锌分别溶于甲醇中，然后依次加入到氧化碳纤维的甲醇溶液中，超声条件下反应，反应结束后离心，水洗，干燥得到多尺度碳纤维。