[发明专利]一种三明治结构的碳纤维及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种三明治结构的碳纤维及其制备方法和应用方法，属于碳纤维表面处理与复合材料制备技术领域。本发明解决了现有碳纤维与环氧树脂结合较差的问题。本发明通过化学反应的方法在碳纤维表面构筑羧甲基纤维素、二氧化锆纳米粒子和组氨酸，在碳纤维表面构建新的界面相，且界面处存在氢键和酯键，提高纤维和树脂基体的粘附能力，有效转移载荷，避免应力集中。且本发明通过引入具有耐高温性能的二氧化锆纳米粒子有效提高复合材料的耐热性，且利用羧甲基纤维素具有丰富的羟基，组氨酸具有丰富的氨基和咪唑基，改变碳纤维表面惰性，与环氧树脂发生反应，有效提高碳纤维复合材料的层间剪切强度和弯曲强度，使复合材料具有优异的力学性能。

技术领域

本发明涉及一种三明治结构的碳纤维及其制备方法和应用方法，属于碳纤维表面处理与复合材料制备技术领域。

背景技术

碳纤维复合材料因其具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳等优点被广泛应用于航空航天、机械工程、汽车工业等各个领域。碳纤维和环氧树脂之间的界面对碳纤维环氧树脂复合材料的机械性能至关重要，良好的界面有助于促进碳纤维与树脂基体之间载荷的转移，降低应力集中，改善界面性能，进而提高碳纤维复合材料的整体性能。但是碳纤维的类石墨结构导致其表面惰性大，表面能较低，缺少具有活性的官能团，导致与环氧树脂结合较差。

为了解决碳纤维界面问题，许多研究者提出了一系列对碳纤维界面改性的方法，例如上浆、接枝、化学气相沉积、等离子体处理、高能辐射等，对碳纤维惰性表面进行修饰，引入额外的化学反应位点和粘附表面积，从而促进与树脂基体的结合，但这些处理方法对碳纤维本身性能有所损害，失去本身具有的强韧性。近年来，将纳米材料添加到复合材料的界面相中受到广泛关注，ZrO₂是一种球形纳米颗粒，具有优异的机械强度和耐热性，研究者引入可以与环氧树脂反应的物质，如聚醚胺、聚乙烯亚胺等。然而，合成结构材料的实现，使优异的机械性能和微裂纹扩展，且从宏观尺度向纳米尺度的过渡，仍是一个重大挑战。

发明内容

本发明为了解决现有碳纤维与环氧树脂结合较差的问题，提供一种三明治结构的碳纤维及其制备方法和应用方法。

本发明的技术方案：

本发明的目的之一是提供一种三明治结构的碳纤维，具体的在碳纤维的表面依次包覆有羧甲基纤维素、二氧化锆和组氨酸构成三明治结构。

本发明的目的之二是提供一种三明治结构的碳纤维的制备方法，该方法包括以下步骤：

S1，碳纤维脱浆处理，得到去浆碳纤维；

S2，去浆碳纤维在羧甲基纤维素水溶液中浸泡，取出后真空干燥处理，获得表面包覆羧甲基纤维素的碳纤维；

S3，将经过S2处理后的碳纤维在前驱体溶液中浸泡，取出后真空干燥处理，获得表面生长有二氧化锆的碳纤维；

S4，将经过S3处理后的碳纤维在氨基酸溶液中浸泡，取出后真空干燥处理，获得表面依次包覆有羧甲基纤维素、二氧化锆和组氨酸的三明治结构碳纤维。

进一步限定，S1的操作过程为：将碳纤维放入丙酮，加热处理，除去碳纤维表面的上浆剂，然后用去离子水洗去多余的丙酮后真空干燥。

进一步限定，碳纤维为碳纤维布形式。

更进一步限定，S1中加热处理温度为70-90℃，加热处理时间为48-72h。

更进一步限定，S1中干燥处理温度为60-80℃，干燥处理时间为10-12h。

进一步限定，S2中甲基纤维素水溶液浓度为0.75g/L。

进一步限定，S2中浸泡时间为10-15min，浸泡温度为25-30℃。

进一步限定，S2中干燥处理温度为40-50℃，干燥处理时间为24-48h。