【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及碳纤维界面改性，具体的说是一种利用碳纤维表面构筑有机-无机杂化结构的制备方法、产品及应用。
技术介绍
1、碳纤维增强树脂基复合材料(cfrp)具有高比强度、高比模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计、结构成型一体化等优异的特性，在航空航天工业领域得到了广泛应用。但是，碳纤维受生产工艺的影响，其表面光滑且呈化学惰性，与树脂复合后，界面区域易于发生界面脱黏、基体断裂等损伤，很大限度上影响了cfrp的抗冲击强度、结构韧性和使用寿命。因此，为了满足碳纤维复合材料在实际应用中的强度要求，必须对碳纤维表面进行改性处理，通常是借助物理或化学作用来提高碳纤维表面粗糙度、极性官能团，改善树脂基体对纤维表面的浸润性。通过在界面相中引入化学键合作用和机械啮合作用来增强复合材料的界面性能。
2、多酚具有丰富的官能团，例如，邻苯二酚、没食子酰基等，可以与其他分子之间发生多种相互作用。碳纳米管(cnts)是一种特别的一维量子材料，它是一种同心圆管由六角排列的碳原子组成，直径在纳米尺度上可达几十层，其在碳纤维表面改性方向有应用潜力。
3、现有技术关于对碳纤维的改性方法中，缺乏一种利用金属多酚网络的强粘附性与碳纳米管的强π-π共轭作用在碳纤维表面快速有序自组装“有机-无机”杂化结构的报道，关于金属多酚网络和碳纳米管包覆碳纤维在复合材料中的应用的研究较少。因此，亟需一种生产工艺简单、低成本、利用碳纤维表面构筑有机-无机杂化结构的制备方法。
技术实现思路
1、本专利技术为上述问题，提供一种
2、本专利技术的第一个目的在于提供一种利用碳纤维表面构筑有机-无机杂化结构的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
3、步骤1：将碳纤维在丙酮中进行脱浆处理，得到脱浆碳纤维；对于丙酮的用量保证碳纤维脱浆即可，如碳纤维质量1-5倍。步骤2：将单宁酸和fecl3·6h2o溶于去离子水中，搅拌混合得到金属多酚网络溶液，即mpn溶液；所述单宁酸和fecl3·6h2o摩尔比为1:1～3；
4、步骤3：将碳纳米管溶于去离子水中，超声得到碳纳米管悬浊液，即cnts悬浊液；
5、步骤4：将脱浆碳纤维先置于mpn溶液中超声浸渍，冲洗后再将包覆mpn的碳纤维置于cnts悬浊液中超声浸渍，再次冲洗，循环上述操作，直到上清液无色透明，然后烘干，得到金属多酚网络和碳纳米管包覆碳纤维；
6、所述单宁酸与碳纳米管质量比为4.25：0.05-0.15。
7、本方案得进一步改进，所述步骤1中，丙酮脱浆温度为60℃～80℃，脱浆时间为36～72h。
8、本方案得进一步改进，所述步骤2中，单宁酸和去离子水质量体积比(g:ml)为4.25：200；用磁力搅拌器搅拌混合5-15min，搅拌混合的速率为900-1200r/min；得到的mpn溶液中单宁酸和fe3+的摩尔比为1:1～3。
9、本方案得进一步改进，步骤3中超声频率是80～120khz，进一步优选为90～110khz；更优选为100khz；时间超声5～30min。
10、本方案得进一步改进，步骤4中超声频率为80～120khz，进一步优选为90～110khz；更优选为100khz；；超声浸渍5～20min min，所述烘干温度为50～70℃；烘干时间为5～7h；浸渍循环次数为1～3次，优选为1次，清洗的次数优选为3～5次。
11、本方案得进一步改进，步骤4中mpn溶液和cnts悬浊液的质量比是1～2:1～2，优选为1:1；所述脱浆碳纤维用量与步骤2单宁酸用量质量比为10：4.25。
12、本方案得进一步改进，包含以下步骤：
13、步骤1：将碳纤维放入索氏提取器中，倒入丙酮，升温至68℃，反应48h，反应结束后取出，去离子水清洗5次，干燥后得到脱浆碳纤维；
14、步骤2：将4.25g单宁酸和2.03g fecl3·6h2o粉末溶于200ml去离子水中，用磁力搅拌器搅拌混合10min，搅拌混合的速率为1000r/min，得到ta与fe3+摩尔比为1:3的金属多酚网络溶液；
15、步骤3：将0.1g碳纳米管溶于200ml去离子水中，100khz超声30min，得到碳纳米管悬浊液；
16、步骤4：将10g脱浆碳纤维先置于mpn溶液中超声浸渍10min，后用去离子水冲洗3次，再将包覆mpn的碳纤维置于cnts悬浊液中超声浸渍10min，再次用去离子冲洗3次，直到上清液无色透明，然后置于干燥箱中在60℃下烘干6h，得到金属多酚网络和碳纳米管包覆碳纤维。
17、第二方面，本专利技术提供一种上述方法得到的金属多酚网络和碳纳米管包覆碳纤维。
18、第三方面，本专利技术提供一种金属多酚网络和碳纳米管包覆碳纤维在复合材料中的应用，金属多酚网络和碳纳米管包覆碳纤维与环氧树脂复合，通过模压工艺制备得到复合材料。
19、本方案得进一步改进，金属多酚网络和碳纳米管包覆碳纤维占复合材料体积分数的63％；将金属多酚网络和碳纳米管包覆碳纤维在环氧树脂e51中充分浸渍，调节硫化机的温度为90℃，将缠绕上浸渍树脂的金属多酚网络和碳纳米管包覆碳纤维的模具放入硫化机中预热升温，然后通过压力控制系统调节压力为5mpa，启动模压系统，在90℃和5mpa下保持1h；然后调节温度为120℃，压力为10mpa，保持2h；最后调节温度为150℃，压力为10mpa，保持3h；模压结束后，保压状态下自然冷却到室温，脱模，得到复合材料。
20、本专利技术的有益效果为：
21、(1)本专利技术提供的一种利用碳纤维表面构筑有机-无机杂化结构的制备方法，其制备方法工艺简单，绿色环保，成本低廉，同时有效缩短制备时间，适用于推广应用。
22、(2)由于碳纳米管为管状，所以当碳纳米管分散到涂层中时，容易形成致密的网络结构，减少涂层的孔洞。因此，利用碳纳米管对碳纤维进行改性，提高了纤维的表面粗糙度，可以有效地改善其力学性能，增强其与基体的界面结合力，从而改善其综合性能，且碳纳米管(cnts)可以嵌入在树脂基体中，增加纤维与树脂基体间的机械啮合作用。
23、单宁酸(ta)属于天然化合物多酚中的一种，分子结构中的邻苯三酚羟基基团具有高亲和力，且单宁酸(ta)中的耦合基团通过氢键或π-π键堆积相互作用会形成低聚物，单宁酸(ta)与fe3+络合形成的金属多酚网络(mpn)材料具有孔径和比表面积大的特性，因此fe3+和单宁酸(ta)可以在不同形状及不同尺寸的底物表面进行组装，得到二维或三维结构的金属多酚网络结构从而改善其性能。本专利技术将碳纳米管和金属多酚网络包覆碳纤维表面，利用双方优点，发挥协同作用，实现了碳纤维表面构筑有机-无机杂化结构，提高产品性能。
24、(3)本专利技术提供的一种利用碳纤维表面构筑有机-无机杂化结构的制备方法，在碳纤维表面包覆本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种利用碳纤维表面构筑有机-无机杂化结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的利用碳纤维表面构筑有机-无机杂化结构的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，丙酮脱浆温度为60℃～80℃，脱浆时间为36～72h。
3.根据权利要求1所述的利用碳纤维表面构筑有机-无机杂化结构的制备方法，其特征在于：所述步骤2中，单宁酸和去离子水质量体积比(g:ml)为4.25：200；用磁力搅拌器搅拌混合5-15min，搅拌混合的速率为900-1200r/min；得到的MPN溶液中单宁酸和Fe3+的摩尔比为1:1～3。
4.根据权利要求1所述的利用碳纤维表面构筑有机-无机杂化结构的制备方法，其特征在于：步骤3中超声频率是80～120kHz，时间超声5～30min。
5.根据权利要求1所述的利用碳纤维表面构筑有机-无机杂化结构的制备方法，其特征在于：步骤4中超声频率为80～120kHz；超声浸渍5～20min min，所述烘干温度为50～70℃；烘干时间为5～7h；浸渍循环次数为1～3次。
6.根据权利要
7.根据权利要求1所述利用碳纤维表面构筑有机-无机杂化结构的制备方法，其特征在于：包含以下步骤：
8.根据权利要求1-7任一项制备方法得到的金属多酚网络和碳纳米管包覆碳纤维。
9.根据权利要求8所述的金属多酚网络和碳纳米管包覆碳纤维在复合材料中的应用，其特征在于：金属多酚网络和碳纳米管包覆碳纤维与环氧树脂复合，通过模压工艺制备得到复合材料。
10.根据权利要求9所述的金属多酚网络和碳纳米管包覆碳纤维在复合材料中的应用，其特征在于：金属多酚网络和碳纳米管包覆碳纤维占复合材料体积分数的63％；将金属多酚网络和碳纳米管包覆碳纤维在环氧树脂E51中充分浸渍，调节硫化机的温度为90℃，将缠绕上浸渍树脂的金属多酚网络和碳纳米管包覆碳纤维的模具放入硫化机中预热升温，然后通过压力控制系统调节压力为5MPa，启动模压系统，在90℃和5MPa下保持1h；然后调节温度为120℃，压力为10MPa，保持2h；最后调节温度为150℃，压力为10MPa，保持3h；模压结束后，保压状态下自然冷却到室温，脱模，得到复合材料。
...【技术特征摘要】
1.一种利用碳纤维表面构筑有机-无机杂化结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的利用碳纤维表面构筑有机-无机杂化结构的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，丙酮脱浆温度为60℃～80℃，脱浆时间为36～72h。
3.根据权利要求1所述的利用碳纤维表面构筑有机-无机杂化结构的制备方法，其特征在于：所述步骤2中，单宁酸和去离子水质量体积比(g:ml)为4.25：200；用磁力搅拌器搅拌混合5-15min，搅拌混合的速率为900-1200r/min；得到的mpn溶液中单宁酸和fe3+的摩尔比为1:1～3。
4.根据权利要求1所述的利用碳纤维表面构筑有机-无机杂化结构的制备方法，其特征在于：步骤3中超声频率是80～120khz，时间超声5～30min。
5.根据权利要求1所述的利用碳纤维表面构筑有机-无机杂化结构的制备方法，其特征在于：步骤4中超声频率为80～120khz；超声浸渍5～20min min，所述烘干温度为50～70℃；烘干时间为5～7h；浸渍循环次数为1～3次。
6.根据权利要求1所述的利用碳纤维表面构筑有机-无机杂化结构的制备方法，其特征在于：步骤4...
【专利技术属性】
技术研发人员：姚志强，夏安琪，王冬至，于明东，张开宁，王怡宁，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：
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