一种基于聚多巴胺纳米微球/壳聚糖改性碳纤维和

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纳米微球/壳聚糖改性碳纤维和其制备方法。背景技术：1、碳纤维增强树脂基复合材料因其具有优异的比强度和比模量，既可以作为坚固的结构部件应用在高端装备中，又可以提高燃油效率而降低总成本。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。氧化处理、上浆处理和无机/有机纳米粒子杂化等是目前常见的改性碳纤维的方法。今年来，由于绿色环保的要求，越来越多的学者利用生物材料或仿生材料来修饰纤维，以实现环境和性能的双赢。2、多巴胺是一种天然的神经递质，作为贻贝足丝蛋白中隐藏的3,4-二羟基-l-苯丙氨酸黑色素的类似物，被广泛用于形成聚多巴胺粘附层，以改善其粘附行为。此外，由于聚多巴胺存在大量的儿茶酚和胺基团，借助其作为二次反应平台接枝其他聚合物或纳米粒子改性碳纤维也得到了充分研究。然而，目前高性能纤维表面的聚多巴胺修饰仅依赖于自聚合成膜，而聚多巴胺的另一种几何形态—聚多巴胺纳米微球尚未在高性能纤维表面改性和复合材料界面性能优化方面得以探索。技术实现思路1、本发明的目的是提供一种基于聚多巴胺纳米微球/壳聚糖改性碳纤维和其制备方法，该方法制备的聚多巴胺纳米微球/壳聚糖改性碳纤维在增强环氧树脂时其界面粘结强度能有效提高。2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：3、一种基于聚多巴胺纳米微球/壳聚糖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，再用去离子水清洗干净后干燥，得到去剂碳纤维；5、2)按质量比为1:(5-15):(20-50)将氨水、乙醇和去离子水混合均匀后得到混合液a，按质量比为1:(10-30)将盐酸多巴胺和去离子水混合均匀形成混合液b，按体积比(10-15):1向混合液a中加入混合液b在黑暗环境下反应完成后经过离心、去离子水清洗和冷冻干燥得到聚多巴胺纳米微球；6、3)按质量比为1:(100-300):(100-300)将壳聚糖、醋酸和去离子水混合均匀，制备得到壳聚糖/醋酸水溶液；7、4)使用步骤2)的聚多巴胺纳米微球配制浓度为0.5-2wt％的聚多巴胺纳米微球水溶液，将聚多巴胺纳米微球水溶液与步骤3)的壳聚糖/醋酸水溶液按1：(2-5)体积比混合均匀，再将步骤1)的去剂碳纤维维浸渍其中，取出后干燥，得到聚多巴胺纳米微球/壳聚糖改性碳纤维。8、进一步地，所述步骤1)中冷凝回流温度为80-100℃，时间为12-96h。9、进一步地，所述步骤1)中干燥温度为60-80℃。10、进一步地，所述步骤2)中离心转速为6000-10000rpm，去离子水至少清洗3次，冷冻干燥温度为-30--60℃。11、进一步地，所述步骤4)中浸渍时间为10-90s。12、进一步地，所述步骤4)中干燥温度为60-80℃。13、上述基于聚多巴胺纳米微球/壳聚糖改性碳纤维的制备方法制备的改性碳纤维，包括经丙酮处理后的碳纤维表面均匀吸附有直径为233nm的聚多巴胺纳米微球。14、相对于现有技术而言，本发明具有以下有益效果：15、1、本发明区别于以往用聚多巴胺膜改性高性能纤维表面的策略，首次利用聚多巴胺纳米微球改性碳纤维以提高复合材料的界面性能，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。16、2、利用本发明方法制备的基于聚多巴胺纳米微球/壳聚糖改性碳纤维增强环氧树脂制备复合材料，能使复合材料的界面粘结强度提高37.8％-50.1％，其增强机理为：首先，基于聚多巴胺纳米微球/壳聚糖改性碳纤维与树脂均有良好的浸润性，为两者紧密结合创造了前提条件，壳聚糖和聚多巴胺纳米微球富含氨基、羟基和儿茶酚基团能与环氧树脂的环氧基团反应形成强共价键，有利于界面应力传递；其次，聚多巴胺丰富的苯环与吲哚单元交联设计使其具有刚性结构，弥补了壳聚糖机械强度的不足，静电相互作用、共价结合(希夫碱反应、迈克尔加成反应)、氢键非共价结合、聚多巴胺的内在黏附性四个驱动力导致壳聚糖与聚多巴胺纳米微球形成强而稳定的连接，有利于更多聚多巴胺纳米微球发挥其大比面积和增强效应；最后，壳聚糖和聚多巴胺纳米微球的“软-刚”结构能提高裂纹钝化效率，并在界面重新分配应力。技术特征：1.一种基于聚多巴胺纳米微球/壳聚糖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纳米微球/壳聚糖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纳米微球/壳聚糖改性碳纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中干燥温度为60-80℃。4.根据权利要求1所述的基于聚多巴胺纳米微球/壳聚糖改性碳纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中离心转速为6000-10000rpm，去离子水至少清洗3次，冷冻干燥温度为-30--60℃。5.根据权利要求1所述的基于聚多巴胺纳米微球/壳聚糖改性碳纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤4)中浸渍时间为10-90s。6.根据权利要求1所述的基于聚多巴胺纳米微球/壳聚糖改性碳纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤4)中干燥温度为60-80℃。7.根据权利要求1-6任一所述基于聚多巴胺纳米微球/壳聚糖改性碳纤维的制备方法制备的改性碳纤维，其特征在于，包括经丙酮处理后的碳纤维表面均匀吸附有直径为233nm的聚多巴胺纳米微球。技术总结本发明公开了一种基于聚多巴胺纳米微球/壳聚糖改性碳纤维和其制备方法，包括如下步骤：1)碳纤维去剂处理；2)聚多巴胺纳米微球的制备；3)壳聚糖/醋酸水溶液配制；4)将壳聚糖/醋酸水溶液和聚多巴胺纳米微球混合均匀后，再将去剂碳纤维浸渍其中，反应后取出干燥，得到聚多巴胺纳米微球/壳聚糖改性碳纤维。利用本发明制备的基于聚多巴胺纳米微球/壳聚糖改性纤维可使其增强的环氧复合材料界面粘结强度提高37.8％‑50.1％，本发明首次利用聚多巴胺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,靳丹,姚仁杰,李娅婷,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：2024/8/13