[发明专利]一种有机胺‑TiO2纳米线/碳纤维多尺度增强体的制备方法

摘要

一种有机胺‑TiO2纳米线/碳纤维多尺度增强体的制备方法，它涉及一种碳纤维多尺度增强体的制备方法。本发明的目的是要解决现有碳纤维复合材料的界面结合强度低的问题。方法：一、清洗；二、氧化；三、酰氯化；四、碳纤维在超临界甲醇中接枝PEI；五、TiO2溶胶的制备；六、制备表面含有TiO2薄膜的碳纤维；七、接枝，得到有机胺‑TiO2纳米线/碳纤维多尺度增强体。本发明制备的有机胺‑TiO2纳米线/碳纤维多尺度增强体与原丝相比，提高了88.6％～92.1％。本发明可获得一种有机胺‑TiO2纳米线/碳纤维多尺度增强体的制备方法。

主权项

一种有机胺‑TiO2纳米线/碳纤维多尺度增强体的制备方法，其特征在于一种有机胺‑TiO2纳米线/碳纤维多尺度增强体的制备方法具体是按以下步骤完成的：一、清洗：①、将碳纤维放入装有丙酮的索氏提取器中，在温度为75℃～85℃的条件下使用丙酮清洗去除碳纤维表面的杂质，清洗时间为2h～8h，将清洗后的碳纤维取出，得到丙酮清洗后的碳纤维；②、将步骤一①得到的丙酮清洗后的碳纤维置于超临界装置中，在温度为350℃～370℃和压力为8MPa～14MPa的超临界丙酮‑水体系中浸泡20min～30min，得到去除环氧涂层后的碳纤维；步骤一②中所述的超临界丙酮‑水体系中丙酮与水的体积比为5:1；③、将步骤一②得到的去除环氧涂层后的碳纤维置于索氏提取器中，在温度为75℃～85℃的条件下使用丙酮清洗去除环氧涂层后的碳纤维，清洗时间为2h～4h；将清洗后的碳纤维取出，在温度为70℃～80℃的条件下干燥2h～4h，得到干燥清洗后碳纤维；二、氧化：①、将步骤一③得到的干燥清洗后碳纤维浸渍到过硫酸钾/硝酸银混合水溶液中，加热至60℃～80℃，再在温度为60℃～80℃的条件下恒温1h～2h，得到氧化后的碳纤维；所述的过硫酸钾/硝酸银混合水溶液中过硫酸钾的浓度为0.1mol/L～0.2mol/L；所述的过硫酸钾/硝酸银混合水溶液中硝酸银的浓度为0.0001mol/L～0.005mol/L；步骤二①中所述的干燥清洗后碳纤维的质量与过硫酸钾/硝酸银混合水溶液的体积比为0.1g:(10mL～12mL)；②、室温条件下将步骤二①得到的氧化后的碳纤维在蒸馏水中浸泡5min～10min，将经蒸馏水中浸泡后的碳纤维取出，弃除蒸馏水；所述的氧化后的碳纤维的质量与蒸馏水的体积比为(0.001g～0.006g):1mL；③、重复步骤二②3次～5次，得到蒸馏水清洗后的氧化碳纤维；④、将步骤二③得到的蒸馏水清洗后的氧化碳纤维在温度为70℃～80℃的条件下干燥2h～4h，得到干燥后的氧化碳纤维；⑤、将步骤二④得到的干燥后的氧化碳纤维置于装有无水乙醇的索氏提取器中，在温度为90℃～100℃的条件下使用无水乙醇清洗氧化碳纤维，清洗时间为2h～4h，得到无水乙醇清洗的氧化的碳纤维；⑥、将步骤二⑤得到的无水乙醇清洗的氧化的碳纤维在温度为70℃～80℃的条件下干燥2h～4h，得到干燥的氧化碳纤维；三、酰氯化：①、向干燥的反应瓶中装入二氯亚砜/N,N‑二甲基甲酰胺混合液，将步骤二⑥得到的干燥的氧化碳纤维放入反应瓶中，加热至70℃～90℃，再在温度为70℃～90℃的条件下恒温反应40h～50h，得到含有杂质的酰氯化的碳纤维；步骤按①中所述的干燥的氧化碳纤维的质量与二氯亚砜/N,N‑二甲基甲酰胺混合液的体积比为(0.3g～0.6g):150mL；步骤三①中所述的二氯亚砜/N,N‑二甲基甲酰胺混合液中二氯亚砜和N,N‑二甲基甲酰胺的体积比为(80～100):(4～8)；②、首先使用减压蒸馏的方法将步骤三①得到的含有杂质的酰氯化的碳纤维中残留的二氯亚砜除去，得到酰氯化的碳纤维；再将得到的酰氯化的碳纤维在温度为70℃～90℃的真空干燥箱中干燥2h～4h，得到干燥的酰氯化的碳纤维，最后将干燥的酰氯化的碳纤维放在干燥器中密封保存；四、碳纤维在超临界甲醇中接枝PEI：①、室温下将无水甲醇置于玻璃试管中，然后加入聚乙烯亚胺，再将干燥的酰氯化的碳纤维加入到玻璃试管中，再使用带孔的玻璃塞将干燥的酰氯化的碳纤维压人甲醇中，得到装有反应物的玻璃试管中；步骤四①中所述的聚乙烯亚胺与无水甲醇的体积比为(3～6):(50～60)；步骤四①中所述的干燥的酰氯化的碳纤维的质量与无水甲醇的体积比为(0.3g～0.6g):(50mL～60mL)；②、将装有反应物的玻璃试管中放入不锈钢反应釜中，再将不锈钢反应釜封闭，再使用盐浴炉将不锈钢反应釜加热至230℃～250℃，再在压力为5MPa～7MPa和温度为230℃～250℃的条件下接枝处理5min～20min，得到表面接枝PEI的碳纤维；③、将不锈钢反应釜在室温下冷却10min～15min，再使用冷水喷淋将不锈钢反应釜降温至室温，再打开不锈钢反应釜，将表面接枝PEI的碳纤维取出；④、使用去离子水对表面接枝PEI的碳纤维清洗，至清洗液的pH值为7，再将表面接枝PEI的碳纤维放入无水乙醇中清洗3次～5次，再将表面接枝PEI的碳纤维置于索氏提取器中，在温度为75℃～85℃的条件下使用丙酮清洗表面接枝PEI的碳纤维20min～30min；再将索氏提取器中的表面接枝PEI的碳纤维进行翻转，再在温度为75℃～85℃的条件下使用丙酮清洗表面接枝PEI的碳纤维20min～30min，取出后再在温度为80℃～120℃的烘箱中干燥4h～8h，得到干燥的表面接枝PEI的碳纤维五、TiO2溶胶的制备：将无水乙醇和钛酸四丁酯混合，得到钛酸四丁酯溶液；向钛酸四丁酯溶液中滴加二乙醇胺，再在搅拌速度为5r/min～8r/min的条件下搅拌20min～30min，再在搅拌的条件下以3滴/min～5滴/min的滴加速度滴加聚乙二醇水溶液，再在搅拌速度为5r/min～8r/min下搅拌反应3h～5h，得到TiO2溶胶；步骤五中所述的钛酸四丁酯与无水乙醇的体积比为(3～8):(20～25)；步骤五中所述的二乙醇胺与无水乙醇的体积比为(0.5～2):(20～25)；步骤五中所述的聚乙二醇水溶液的质量与无水乙醇的体积比为(0.5g～1g):(20mL～25mL)；步骤五中所述的聚乙二醇水溶液中聚乙二醇的质量分数为2％～5％；六、制备表面含有TiO2薄膜的碳纤维：①、将干燥的表面接枝PEI的碳纤维浸渍到TiO2溶胶中，再在超声功率为600W～1200W下超声分散5min～12min，再静置5min～7min后，将干燥的表面接枝PEI的碳纤维匀速向上，垂直提拉，在碳纤维表面形成一层均匀的TiO2湿膜；再将表面形成一层均匀的TiO2湿膜的碳纤维在温度为100℃下干燥15min～25min，取出后自然冷却至室温；②、重复步骤六①3次～4次，得到表面含有TiO2薄膜的碳纤维；七、接枝：①、将钛酸四丁酯加入到质量分数为35％～37％的盐酸中，再在搅拌的条件下加入去离子水，然后在搅拌速度为5r/min～8r/min下搅拌反应2h～4h，得到前驱物溶液；步骤七①中所述的钛酸四丁酯与质量分数为35％～37％的盐酸的体积比为3:(0.8～1.5)；步骤七①中所述的质量分数为35％～37％的盐酸与去离子水的体积比1:1；②、将前驱物溶液加入到聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，再将表面含有TiO2薄膜的碳纤维浸入到前驱物溶液中，再将聚四氟乙烯内衬的高压反应釜密封，然后将密封后的高压反应釜在温度为370℃～390℃和压力为20MPa～22.5MPa下保持10min～30min，得到处理后的碳纤维；③、将高压反应釜自然冷却至室温，再将处理后的碳纤维从前驱物溶液中取出，首先使用去离子水对处理后的碳纤维超声清洗3次～5次，再使用无水乙醇对处理后的碳纤维超声清洗3次～5次，再在室温下自然晾干，得到有机胺‑TiO2纳米线/碳纤维多尺度增强体。