本发明属于新材料领域，具体涉及一种用于无人机承力层的复合纤维及制备方法。
背景技术
近些年来无人机日益受到关注。无人机的用材直接影响应用效能，如浮空高度、持续飞行时间、有效载荷、服役寿命等。目前无人机的材质均采用多层复合结构，其结构一般包括承力层、阻隔层、耐候层以及各层之间的粘结层。承力层又可称为增强体或基布层，几乎承受蒙皮材料的全部强力，均由平纹织物构成。因为平纹织物的粘结性和撕裂强度相对较好，目前应用材料的织物主要是一些高强度、高模量的合成纤维，主要有芳香族聚酰胺纤维、聚酯纤维、聚乙烯纤维等。
石墨烯（graphene）由于其独特的二维特性、大的比表面积、优异的导电性、导热性和高的强度在新材料等领域备受青睐，特别是改性材料中添加少量石墨烯，可使得材料的性能有巨大的提升。目前，聚对苯撑苯并双噁唑（pbo）广泛用于蒙皮的承力层，pbo是20世纪末开发出来的超级纤维，具有低密度、高强度、高模量、耐高温且阻燃的性能。然而如此优异的pbo纤维仍存在一些缺陷，如实际模量与理论模量存在很大差距，其强度还有提升空间，尽可能轻质化以减轻飞艇的重量。
公开（公告）号cn107118378a一种轻质民用无人机用碳纤维预浸料的制备方法，具体过程为通过传送带传送碳纤维布，传送过程中首先在碳纤维布表面涂布上胶剂，然后传送至烘箱烘干，随后固化卷收。整个过程通过传送带传送可以有效避免因张力及重力引起的碳纤维预浸料的表面平整度差的问题。上胶剂通过设置在传送带上方的喷涂设备涂布在所述碳纤维布上表面。传统将碳纤维布浸渍在上胶剂中的方式，在浸渍过程中碳纤维布与上胶剂中溶剂大面积长时间接触，会导致碳纤维布强度下降，而喷涂方式不仅避免了上述问题，并且可以保证表面胶液均匀分布，也无需后续刮胶及胶液回收，节省了工序和原料投入。氧化铝粉料的粒径为10-30纳米。氧化铝微粉较环氧树脂质轻，并且氧化铝具有阻燃作用，添加适量的氧化铝微粉一方面可以进一步降低碳纤维预浸料的重量，并且可能解决碳纤维预浸料阻燃的问题。并且，采用喷涂方式在碳纤维布表面涂布，可以避免氧化铝微粉在上胶剂中团聚的问题，喷涂工艺的选择使得上胶剂中添加氧化铝微粉具有了实际应用的可能。通过传送带传送碳纤维布结合喷涂上胶的方式，避免了上胶剂的过量使用和损失，因重力原因导致的未完全固化环氧树脂表面形变的问题，制备获得的碳纤维预浸料表面一致性高，质轻，强度高，特别适合于轻质民用无人机的壳体，具有广阔的市场前景。
上述专利从另一个角度出发（碳纤维预浸料的制备方法），制备得到的碳纤维预浸料表面一致性高，质轻，强度高，但是上述方案是从纤维预浸料的制备方法进行着手，对于纤维本身的组成成分并未提出改进。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种用于无人机承力层的复合纤维及制备方法，利用十二烷基苯磺酸钠分子上带负电的磺酸基团赋予了氧化石墨烯阴离子特性，再用强酸离子交换树脂酸化，通过离子键作用，将磺化氧化石墨烯与聚对苯撑苯并双噁唑（pbo）纺丝液均匀分散，再纺丝形成纤维。此方法有效阻止了石墨烯的重新堆积，使石墨烯在pbo中具有超高分散性，形成连续的增强体，从而使石墨烯/pbo复合纤维具有高强度的特性，可有效避免现有材料中承力层强度低的缺陷。
本发明涉及的具体技术方案如下：
一种用于无人机承力层的复合纤维制备方法，该方法步骤如下：
s1：将氧化石墨烯分散在去离子水中，加入十二烷基苯磺酸钠、氢氧化钠搅拌30min；
s2：洗涤除去多余的杂质得到磺化的氧化石墨烯，再分散在去离子水中；
s3：加入强酸离子使其混合溶液ph约为3，将pbo的纺丝液缓慢滴入混合液中，水浴温度为90℃反应1h；
s4：加入还原剂控制反应条件将其中的氧化石墨烯还原，得到磺化石墨烯与pbo结合的纺丝液；通过静电纺丝得到复合纤维。
由于目前无人机的材质均采用多层复合结构，其结构一般包括承力层、阻隔层、耐候层以及各层之间的粘结层。承力层又可称为增强体或基布层，几乎承受蒙皮材料的全部强力，均由平纹织物构成。因为平纹织物的粘结性和撕裂强度相对较好，目前应用材料的织物主要是一些高强度、高模量的合成纤维，主要有芳香族聚酰胺纤维、聚酯纤维、聚乙烯纤维等。目前，聚对苯撑苯并双噁唑（pbo）广泛用于蒙皮的承力层，pbo是20世纪末开发出来的超级纤维，具有低密度、高强度、高模量、耐高温且阻燃的性能，然而如此优异的pbo纤维仍存在一些缺陷，如实际模量与理论模量存在很大差距，其强度还有提升空间，尽可能轻质化以减轻飞艇的重量。
石墨烯（graphene）由于其独特的二维特性、大的比表面积、优异的导电性、导热性和高的强度在新材料等领域备受青睐，特别是改性材料中添加少量石墨烯，可使得材料的性能有巨大的提升。
鉴于此，本发明中提出将石墨烯与pbo纤维进行结合，从而制备出具备材料轻、强度高的新型材料。本方案采用非共价改性氧化石墨烯，将氧化石墨烯分散在去离子水中，加入十二烷基苯磺酸钠、氢氧化钠搅拌30min，十二烷基苯磺酸钠分子上带负电的磺酸基团赋予了氧化石墨烯阴离子特性，使得氧化石墨烯具备了阴离子特性，再用强酸离子交换树脂酸化，即加入强酸离子交换树脂酸化使其混合溶液ph约为3，将pbo的纺丝液缓慢滴入混合液中，水浴温度为90℃反应1h；通过离子键作用，将pbo与酸化后的氧化石墨烯连接，此时再加入还原剂控制反应条件将其中的氧化石墨烯还原，得到磺化石墨烯与pbo结合的纺丝液；还原剂对氧化石墨烯还原制备了均匀分散的磺化石墨烯pbo纺丝液，再纺丝形成纤维。此方法有效阻止了石墨烯的重新堆积，使石墨烯在pbo中具有超高分散性，形成连续的增强体，从而使磺化石墨烯/pbo复合纤维具有高强度的特性，可有效避免现有材料中承力层强度低的缺陷。
作为本发明的进一步改进，所述步骤s1全程在温度为50-80℃的环境中完成。提供为50-80℃的环境可以有效提高十二烷基苯磺酸钠离子化形成更多的磺酸基团，使得磺酸基团赋予了氧化石墨烯阴离子特性。
作为本发明的进一步改进，所述氧化石墨烯、十二烷基苯磺酸钠、氢氧化钠的摩尔比为1：（1-3）：1，其中氢氧化钠提供碱性环境有利于磺酸基团离子化，保证足够的磺酸基团可以使得氧化石墨烯阴离子特性化更加彻底。
作为本发明的进一步改进，所述步骤s2中去离子水的温度为80℃。
作为本发明的进一步改进，所述强酸离子为硝酸根离子、硫酸根离子中的一种或两种的混合。
作为本发明的进一步改进，所述pbo与磺化的氧化石墨烯的摩尔比为（1-5）：1。
作为本发明的进一步改进，所述还原剂为亚硝酸或亚硫酸，采用亚硝酸或亚硫酸作为还原剂，在还原过程生成硝酸跟离子和硫酸根离子，从而减少杂质的生成，使得后续废液处理更加简单。过量使用还原剂，使氧化石墨烯充分还原，优选的，还原剂用量为磺化氧化石墨烯质量的3-5%。
苯酚买那个进一步提供由上述方法制备得到的一种用于无人机承力层的复合纤维。
本发明与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：本方案采用十二烷基苯磺酸钠分子上带负电的磺酸基团赋予了氧化石墨烯阴离子特性，再用强酸离子酸化，通过离子键作用，将pbo与磺化氧化石墨烯连接，再用还原剂对氧化石墨烯还原制备了均匀分散的磺化石墨烯pbo纺丝液，再纺丝形成纤维。此方法有效阻止了石墨烯的重新堆积，使磺化石墨烯在pbo中具有超高分散性，形成连续的增强体，从而使磺化石墨烯/pbo复合纤维具有高强度的特性，可有效避免现有材料中承力层强度低的缺陷。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本发明的范围内。
实施例1
一种用于无人机承力层的复合纤维制备方法，首先在50℃的环境中将纳米氧化石墨烯分散在去离子水中，加入十二烷基苯磺酸钠、氢氧化钠搅拌30min，其中氧化石墨烯、十二烷基苯磺酸钠、氢氧化钠的摩尔比为1：1：1；接着洗涤除去多余的杂质得到磺化的氧化石墨烯，再分散在温度为80℃的去离子水中；然后加入硝酸根酸化使其混合溶液ph约为3，将pbo的纺丝液缓慢滴入混合液中，其中pbo与磺化的氧化石墨烯的摩尔比为4：1，水浴温度为90℃反应1h；紧接着，加入亚硝酸控制反应条件将其中的氧化石墨烯还原，还原剂用量为磺化氧化石墨烯质量的3%；得到磺化石墨烯与pbo结合的纺丝液；通过静电纺丝得到复合纤维。
实验检测：
取制备得到的复合纤维制用于无人机承力层，上下外层设计为聚四氟乙烯层，内层植入复合纤维，厚度为上下层聚四氟乙烯层均为2.5mm，内置复合纤维厚0.15mm,其承受的最大应力值为97.8mpa。
实施例2
一种用于无人机承力层的复合纤维制备方法，首先在50℃的环境中将纳米氧化石墨烯分散在去离子水中，加入十二烷基苯磺酸钠、氢氧化钠搅拌30min，其中氧化石墨烯、十二烷基苯磺酸钠、氢氧化钠的摩尔比为1：2：1；接着洗涤除去多余的杂质得到磺化的氧化石墨烯，再分散在温度为80℃的去离子水中；然后加入硫酸根酸化使其混合溶液ph约为3，将pbo的纺丝液缓慢滴入混合液中，其中pbo与磺化的氧化石墨烯的摩尔比为3：1，水浴温度为90℃反应1h；紧接着，加入亚硫酸控制反应条件将其中的氧化石墨烯还原，还原剂用量为磺化氧化石墨烯质量的4%；得到磺化石墨烯与pbo结合的纺丝液；通过静电纺丝得到复合纤维。
实验检测：
将制备得到的复合纤维制用于无人机承力层，按照实施例1制备成复合层，其承受的最大应力值为92.5mpa。
实施例3
一种用于无人机承力层的复合纤维制备方法，首先在50℃的环境中将纳米氧化石墨烯分散在去离子水中，加入十二烷基苯磺酸钠、氢氧化钠搅拌30min，其中氧化石墨烯、十二烷基苯磺酸钠、氢氧化钠的摩尔比为1：3：1；接着洗涤除去多余的杂质得到磺化的氧化石墨烯，再分散在温度为80℃的去离子水中；然后加入硝酸根离子交换树脂酸化使其混合溶液ph约为3，将pbo的纺丝液缓慢滴入混合液中，其中pbo与磺化的氧化石墨烯的摩尔比为5：1，水浴温度为90℃反应1h；紧接着，加入亚硝酸控制反应条件将其中的氧化石墨烯还原，还原剂用量为磺化氧化石墨烯质量的5%；得到磺化石墨烯与pbo结合的纺丝液；通过静电纺丝得到复合纤维。
实验检测：
将制备得到的复合纤维制用于无人机承力层，按照实施例1制备成复合层，其承受的最大应力值为102.6mpa。
实施例4
一种用于无人机承力层的复合纤维制备方法，首先在50℃的环境中将纳米氧化石墨烯分散在去离子水中，加入十二烷基苯磺酸钠、氢氧化钠搅拌30min，其中氧化石墨烯、十二烷基苯磺酸钠、氢氧化钠的摩尔比为1：2：1；接着洗涤除去多余的杂质得到磺化的氧化石墨烯，再分散在温度为80℃的去离子水中；然后加入硝酸根离子交换树脂酸化使其混合溶液ph约为3，将pbo的纺丝液缓慢滴入混合液中，其中pbo与磺化的氧化石墨烯的摩尔比为5：1，水浴温度为90℃反应1h；紧接着，加入亚硝酸控制反应条件将其中的氧化石墨烯还原，还原剂用量为磺化氧化石墨烯质量的5%；得到磺化石墨烯与pbo结合的纺丝液；通过静电纺丝得到复合纤维。
实验检测：
将制备得到的复合纤维制用于无人机承力层，按照实施例1制备成复合层，其承受的最大应力值为90.3mpa。
对比例1
一种用于无人机承力层的复合纤维制备方法，首先在50℃的环境中将纳米氧化石墨烯分散在去离子水中，加入氢氧化钠搅拌30min，其中氧化石墨烯、氢氧化钠的摩尔比为1：1；接着洗涤除去多余的杂质得到氧化石墨烯，再分散在温度为80℃的去离子水中；然后加入硝酸根离子交换树脂酸化使其混合溶液ph约为3，将pbo的纺丝液缓慢滴入混合液中，其中pbo与氧化石墨烯的摩尔比为1：1，水浴温度为90℃反应1h；紧接着，加入亚硝酸控制反应条件将其中的氧化石墨烯还原，还原剂用量为氧化石墨烯质量的5%；得到石墨烯与pbo结合的纺丝液；通过静电纺丝得到复合纤维。
对比例1为未采用磺化处理氧化石墨烯。
与实施例1相比，本方案的区别在于未添加十二烷基苯磺酸钠，因此氧化石墨烯无法具备阴离子特性。将制备得到的复合纤维制用于无人机承力层，按照实施例1制备成复合层，其承受的最大应力值为66.5mpa。