一种基于聚多巴胺-铁络合纳米微球改性碳纤维和

本发明属于材料的表面与界面改性应用，具体涉及一种基于聚多巴胺-铁络合纳米微球改性碳纤维和其制备方法。背景技术：1、国家追求低能耗、低污染和低排放的同时，碳纤维增强树脂基复合材料以其优异的比强度和比模量成为关注的焦点。然而，碳纤维表面呈化学惰性，与树脂基体润湿性较差，使界面分层一直是困扰复合材料高性能长寿命应用的瓶颈。鉴于此，通过各种表面工程策略优化碳纤维表面活性的工作已经被报道，其中纳米粒子杂化改性因纳米材料优异的力学性能、巨大的比表面积和多样性(石墨烯及其衍生物、碳纳米管、mxenes、二氧化锆、二氧化硅、氧化锌等无机纳米材料以及芳纶纳米纤维、多面体低聚硅氧烷等有机纳米材料)而备受青睐。2、随着环保意识的增强，利用生物基材料或将其转化为生产化学品是应对低碳经济的有效途径之一。然而，利用生物纳米材料进行复合材料界面工程调节的研究相对较少，目前仅有纳米纤维素的报道。尽管承受着不断地海浪冲击，海洋生物贻贝却能依靠其浓密的足丝牢牢地附着在岩礁上，这已被证明与铁离子(fe3+)与含儿茶酚的蛋白质相螯合有关。受此启发，本专利创新性的制备聚多巴胺-铁络合纳米微球并将其用于碳纤维表面改性以实现复合材料界面粘结强度的提高。技术实现思路1、本发明的目的是提供一种基于聚多巴胺-铁络合纳米微球改性碳纤维和其制备方法，使用该聚多巴胺-铁络合纳米微球改性碳纤维增强环氧树脂复合材料，其界面粘结强度有效提高。2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：3、一种基于聚多巴胺-铁络合纳米微球改性碳纤维的制备方法，包括如下步骤：4、1)将碳纤维浸渍在丙酮溶液中加热冷凝回流后用去离子水清洗干净，干燥后得到去剂碳纤维；5、2)按质量比1:(0.2-2):(100-1000)将盐酸多巴胺、三价铁离子化合物和去离子水混合均匀，配制成多巴胺-铁络合物水溶液，使用三(羟甲基)氨基甲烷盐酸盐缓冲液调节该水溶液的ph为8.5-9.5，室温下反应后，经离心、去离子水清洗和冷冻干燥得到聚多巴胺-铁络合纳米微球；6、3)使用步骤2)制备的聚多巴胺-铁络合纳米微球配制浓度为0.5-2wt％的聚多巴胺-铁络合纳米微球溶液，再将步骤1)的去剂碳纤维浸渍其中后取出干燥，得到聚多巴胺-铁络合纳米微球改性碳纤维。7、进一步地，所述步骤1)中冷凝回流的温度为80-100℃，时间为12-96h。8、进一步地，所述步骤2)中三价铁离子化合物包括三氯化铁、硫酸铁、硝酸铁、溴化铁或它们的水合物中的一种。9、进一步地，所述步骤2)中三(羟甲基)氨基甲烷盐酸盐缓冲液由三(羟甲基)氨基甲烷盐酸盐和去离子水按质量比1:(500-1000)配制而成。10、进一步地，所述步骤2)中反应时间为3-8h，离心速率为4000-10000rpm，至少3次去离子水清洗，冷冻干燥温度为-30--60℃。11、进一步地，所述步骤3)中聚多巴胺-铁络合纳米微球溶液的溶剂采用无水乙醇、硅烷偶联剂溶液或胺类高分子有机溶液。12、进一步地，所述硅烷偶联剂溶液由硅烷偶联剂、无水乙醇和水按质量比1:(1-10):(0.1-0.5)配制而成，其中硅烷偶联剂包括3-氨基丙基三乙氧基硅烷、3-氨基丙基三甲氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、3-[2-(2-氨基乙基氨基)乙基氨基]丙基-三甲氧基硅烷中的一种或几种任意比例的混合物。13、进一步地，所述胺类高分子有机溶液由胺类高分子与有机溶液按质量比1:(100-1000)配制而成，其中胺类高分子包括聚醚胺、聚乙烯亚胺或聚酰胺-胺树枝状高分子，有机溶剂包括丙酮、二甲基甲酰胺、甲苯、四氢呋喃或二氯甲烷。14、进一步地，所述步骤3)中浸渍时间为10-60s，干燥温度为60-80℃。15、上述任一基于聚多巴胺-铁络合纳米微球改性碳纤维的制备方法制备的改性碳纤维，包括使用丙酮处理的碳纤维和均匀吸附在碳纤维表面的聚多巴胺-铁络合纳米微球。16、相对于现有技术而言，本发明具有以下有益效果：17、1、本发明首次利用聚多巴胺-铁络合纳米微球改性碳纤维以提高复合材料界面性能，该策略拓展了新型有机纳米粒子在复合材料界面工程中的应用，该改性技术简单、成本低且绿色环保。18、2、利用本发明方法制备的基于聚多巴胺-铁络合纳米微球改性碳纤维增强环氧树脂，能使复合材料的界面粘结强度提高14.0％～56.4％，其增强机理为：第一，聚多巴胺-铁络合纳米微球赋予碳纤维在环氧树脂中良好的浸润性，纳米微球大的比表面积可提供更多的氨基和儿茶酚基团与环氧树脂以共价键连接，有利于应力在界面的传递；第二，聚多巴胺-铁络合纳米微球强的配位键具有可逆性，在抵抗外力的过程中可以不断形成和断裂，从而消耗更多的能量；第三，聚多巴胺-铁络合纳米微球可以覆盖纤维表面微缺陷而提高纤维的拉伸强度；第四，刚性的聚多巴胺-铁络合纳米微球有利于阻碍和偏转裂纹。技术特征：1.一种基于聚多巴胺-铁络合纳米微球改性碳纤维的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：2.根据权利要求1所述的基于聚多巴胺-铁络合纳米微球改性碳纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中冷凝回流温度为80-100℃，时间为12-96h。3.根据权利要求1所述的基于聚多巴胺-铁络合纳米微球改性碳纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中三价铁离子化合物包括三氯化铁、硫酸铁、硝酸铁、溴化铁或它们的水合物中的一种。4.根据权利要求1所述的基于聚多巴胺-铁络合纳米微球改性碳纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中三(羟甲基)氨基甲烷盐酸盐缓冲液由三(羟甲基)氨基甲烷盐酸盐和去离子水按质量比1:(500-1000)配制而成。5.根据权利要求1所述的基于聚多巴胺-铁络合纳米微球改性碳纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中反应时间为3-8h，离心速率为4000-10000rpm，至少3次去离子水清洗，冷冻干燥温度为-30--60℃。6.根据权利要求1所述的基于聚多巴胺-铁络合纳米微球改性碳纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中聚多巴胺-铁络合纳米微球溶液的溶剂采用无水乙醇、硅烷偶联剂溶液或胺类高分子有机溶液。7.根据权利要求6所述的基于聚多巴胺-铁络合纳米微球改性碳纤维的制备方法，其特征在于，所述硅烷偶联剂溶液由硅烷偶联剂、无水乙醇和水按质量比1:(1-10):(0.1-0.5)配制而成，其中硅烷偶联剂包括3-氨基丙基三乙氧基硅烷、3-氨基丙基三甲氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、3-[2-(2-氨基乙基氨基)乙基氨基]丙基-三甲氧基硅烷中的一种或几种任意比例的混合物。8.根据权利要求6所述的基于聚多巴胺-铁络合纳米微球改性碳纤维的制备方法，其特征在于，所述胺类高分子有机溶液由胺类高分子与有机溶液按质量比1:(100-1000)配制而成，其中胺类高分子包括聚醚胺、聚乙烯亚胺或聚酰胺-胺树枝状高分子，有机溶剂包括丙酮、二甲基甲酰胺、甲苯、四氢呋喃或二氯甲烷。9.根据权利要求1所述的基于聚多巴胺-铁络合纳米微球改性碳纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中浸渍时间为10-60s，干燥温度为60-80℃。10.根据权利要求1-9所述任一基于聚多巴胺-铁络合纳米微球改性碳纤维的制备方法制备的改性碳纤维，其特征在于，包括使用丙酮处理的碳纤维和均匀吸附在碳纤维表面的聚多巴胺-铁络合纳米微球。技术总结本发明公开了一种基于聚多巴胺‑铁络合纳米微球改性碳纤维和其制备方法，制备方法包括如下步骤：1)碳纤维去剂处理；2)聚多巴胺‑铁络合纳米微球的制备；3)配制聚多巴胺‑铁络合纳米微球溶液，将步骤1)处理后的去剂碳纤维浸渍其中后取出干燥，得到聚多巴胺‑铁络合纳米微球改性碳纤维。利用本发明制备的改性碳纤维在碳纤维表面均匀吸附有富含生物基团的聚多巴胺‑铁络合纳米微球，能使其增强的环氧树脂复合材料界面粘结强度提高14.0％～56.4％，本发明首次利用聚多巴胺‑铁络合纳米微球改性碳纤维，拓展了新型有机纳米粒子在碳纤维表面改性和复合材料界面工程中的应用，该方法简单、成本低且绿色环保。技术研发人员：武清,肖伯麟,邓昊,姚仁杰,李娅婷,靳丹,雷彦阳,朱建锋受保护的技术使用者：陕西科技大学技术研发日：技术公布日：2024/7/18