基于刚-柔结合的纳米粒子的上浆剂及其制备方法和在CF/PEEK复合材料中的应用

本发明属于纤维上浆剂及其制备领域，具体涉及一种基于刚-柔结合的纳米粒子的上浆剂及其制备方法和在cf/peek复合材料中的应用。

背景技术：

1、迄今为止，碳纤维(cf)增强聚合物复合材料由于其特殊的性能，包括高比强度和模量、热稳定性和化学耐久性，已经在汽车、舰船及航空航天等行业中得到了广泛的应用。

2、聚醚醚酮(peek)作为一种工程热塑性塑料，具有优异的热稳定性和力学性能，可在250℃下长时间工作。界面是纤维与树脂之间载荷传递的桥梁，其性能直接影响复合材料的整体性能。然而，复合材料的界面粘附不仅受到cf表面光滑、表面自由能低以及peek的惰性链的限制，而且cf和peek之间存在明显的“模量间隙”，也阻碍了应力传递的效率。同时，弱的界面会导致应力集中，难以充分发挥复合材料的性能优势。因此，不断提高cf和peek之间的界面结合强度是本领域一直需要解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有cf/peek界面和复合材料整体力学性能有待进一步优化的技术问题，而提供了一种基于刚-柔结合的纳米粒子的上浆剂及其制备方法和在cf/peek复合材料中的应用。

2、本发明的目的之一在于提供一种刚-柔结合的纳米粒子的制备方法，所述方法：

3、将纳米二氧化钛和氯化铈超声分散于乙醇中，然后加入芳纶纳米纤维分散液，继续超声分散，接着磁力搅拌，抽滤洗涤后重新分散于去离子水中，烘干至含水量为8-20wt.％，得到膏状刚-柔结合的纳米粒子。

4、进一步限定，纳米二氧化钛和氯化铈的质量比为(0.2-0.5)：(0.1-1)。

5、进一步限定，纳米二氧化钛的质量和乙醇的体积的比为(0.2-0.5)g：(10-80)ml。

6、进一步限定，纳米二氧化钛与芳纶纳米纤维分散液的比例为(0.2-0.5)g：(30-50)ml。

7、进一步限定，芳纶纳米纤维分散液的浓度为3-6g/l。

8、进一步限定，超声分散的功率为500-700w。

9、进一步限定，磁力搅拌1-3h。

10、本发明的目的之二在于提供一种按上述方法制得的刚-柔结合的纳米粒子，其中刚性的纳米二氧化钛和柔性的芳纶纳米纤维相互交联成混杂的纳米网络。

11、本发明的目的之三在于提供一种基于上述刚-柔结合的纳米粒子的上浆剂，所述上浆剂包括上述刚-柔结合的纳米粒子和pei(聚醚酰亚胺)。

12、本发明的目的之四在于提供一种基于上述刚-柔结合的纳米粒子的上浆剂的制备方法，所述方法：

13、将刚-柔结合的纳米粒子和pei(聚醚酰亚胺)加入dmf中，先超声再磁力搅拌，得到上浆剂。

14、进一步限定，上浆剂中刚-柔结合的纳米粒子的固含量为0.1-1.0wt.％，pei(聚醚酰亚胺)的固含量为0.5-1.0wt.％。

15、本发明的目的之五在于提供一种上述上浆剂在cf/peek复合材料界面改性中的应用，具体步骤如下：

16、先对碳纤维布进行脱浆和氧化，接着浸泡在上述上浆剂中，静置后烘干，得到改性碳纤维布，随后将其和peek树脂粉末按比例热压成型。

17、进一步限定，脱浆采用索氏萃取法在丙酮溶液中进行。

18、进一步限定，氧化通过在米氏酸/乙醇混合溶液中浸渍实现。

19、本发明的目的之六在于提供一种上述应用获得的cf/peek复合材料，所述复合材料弯曲强度≥800mpa，层间剪切强度≥80mpa。

20、本发明的目的之七在于提供一种上述cf/peek复合材料在汽车、舰船及航空航天领域的应用。

21、本发明与现有技术相比具有的显著效果：

22、(1)本发明考虑到cf和peek的惰性，以及它们之间的模量差距，而提出了一种基于“刚-柔”结构混杂纳米粒子的上浆剂，以提高cf/peek复合材料的界面黏附力和力学性能。该上浆剂由柔性芳纶纳米纤维(anf)和刚性纳米tio2侨联的混杂纳米粒子和聚醚酰亚胺(pei)过渡层构成。改性后的cf/peek复合材料的活性官能团含量、表面粗糙度和润湿性均获得显著提高。同时，界面处“刚-柔”结构的协同作用，最终改善了外部应力传递，抑制了裂纹扩展，提高复合材料界面结合强度和整体力学性能，以满足汽车，舰船及航空航天领域的需求。

23、(2)本发明提出了一种碳纤维上浆改性方法，首先对商用碳纤维表面进行脱浆和氧化处理，然后利用芳纶纳米纤维-纳米二氧化钛“刚-柔”混杂纳米粒子和聚醚酰亚胺对碳纤维表面进行上浆，改善碳纤维表面润湿性，从而有效提高复合材料中碳纤维与树脂间的结合强度，经其改性的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的弯曲强度≥800mpa，层间剪切强度≥80mpa，综合性能优异。

技术特征：

1.一种刚-柔结合的纳米粒子的制备方法，其特征在于，所述方法：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，纳米二氧化钛和氯化铈的质量比为(0.2-0.5)：(0.1-1)，纳米二氧化钛与芳纶纳米纤维分散液的比例为(0.2-0.5)g：(30-50)ml，芳纶纳米纤维分散液的浓度为3-6g/l。

3.权利要求1或2所述的方法制得的刚-柔结合的纳米粒子，其特征在于，刚性的纳米二氧化钛和柔性的芳纶纳米纤维相互交联成混杂的纳米网络。

4.基于权利要求3所述的刚-柔结合的纳米粒子的上浆剂，其特征在于，包括刚-柔结合的纳米粒子和pei。

5.权利要求4所述的上浆剂的制备方法，其特征在于，所述方法：

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，上浆剂中刚-柔结合的纳米粒子的固含量为0.1-1.0wt.％，pei的固含量为0.5-1.0wt.％。

7.权利要求4所述的上浆剂在cf/peek复合材料界面改性中的应用，其特征在于，

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，脱浆采用索氏萃取法在丙酮溶液中进行，氧化通过在米氏酸/乙醇混合溶液中浸渍实现。

9.权利要求7或8所述的应用获得的cf/peek复合材料，其特征在于，弯曲强度≥800mpa，层间剪切强度≥80mpa。

10.权利要求9所述的cf/peek复合材料在汽车、舰船及航空航天领域的应用。

技术总结
基于刚‑柔结合的纳米粒子的上浆剂及其制备方法和在CF/PEEK复合材料中的应用。本发明属于纤维上浆剂及其制备领域。本发明的目的是为了解决现有CF/PEEK界面和复合材料整体力学性能有待进一步优化的技术问题。本发明提出了一种由柔性ANF和刚性纳米TiO<subgt;2</subgt;侨联的混杂纳米粒子以及PEI过渡层构成的上浆剂。经其改性后的CF/PEEK复合材料的活性官能团含量、表面粗糙度和润湿性均获得显著提高。同时，界面处“刚‑柔”结构的协同作用，最终改善了外部应力传递，抑制了裂纹扩展，提高复合材料界面结合强度和整体力学性能，以满足汽车，舰船及航空航天领域的需求。

技术研发人员：张东兴,姜乃煜,李英泽,周楠,张洪岩,肖海英,贾近,邹晓虎
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/10