一种金属阳离子功能化碳/碳耐磨复合材料及其制备方法和回收方法

本发明属于功能材料，涉及耐磨复合材料，具体涉及一种金属阳离子功能化碳/碳耐磨复合材料及其制备方法和回收方法。

背景技术：

1、碳纤维具有高强度、高模量、耐腐蚀、轻质等优点，是一种制备复合材料良好的增强体。然而，碳纤维表面光滑呈现出化学惰性，使得纤维与基体之间界面结合性较差，复合材料的力学性能不能满足先进应用的需要。解决这一缺点的有效方法之一是碳纤维表面改性。一种常用的方法是在碳纤维表面引入上浆剂涂层，以提高碳纤维表面活性及与树脂之间的界面相容性，改善碳纤维的集束性和可操作性。而目前碳纤维涂层的研究主要集中围绕对基体树脂进行改性或采用环氧体系上浆剂，但此类方法合成较为复杂，且易导致树脂固化过程中固化不良，与碳纤维直接结合力弱的问题。

2、申请号为cn117024165a的发明专利公开了及一种跨尺度增韧碳/碳复合材料及其制备方法，具有分级结构的碳纤维-辐射状sic纳米线-cnts的多尺度增强体，一定程度上提升了复合材料性能；但均匀性较差，结合力不足，材料稳定性不足，且制备方法复杂、成本高。因此，急需一种新颖的强韧化手段，以实现c/c复合材料性能增强。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种金属阳离子功能化碳/碳耐磨复合材料及其制备方法和回收方法，具有高的耐磨性、优异的自润滑性和高度稳定的摩擦系数，使用后的碳纤维织布还可实现完整的无损回收。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、一种金属阳离子功能化碳/碳耐磨复合材料的制备方法，包括以下步骤：

4、步骤1、将碳纤维织布预处理后进行化学气相沉积构建三维网状cnt结构；

5、步骤2、将步骤1制备的表面生长cnt的碳纤维织布浸泡于富含阳离子的溶液中，再通过均匀化处理后得到金属阳离子功能化的cnt-cfc增强体；

6、步骤3、制备in-pht前驱液，将金属阳离子功能化的cnt-cfc浸泡于in-pht前驱液中，待完全浸透后置于110～160℃烘箱预固化3～5min，反复预固化直至样品in-pht的负载量为100～150mg/cm2后得到金属阳离子功能化碳/碳耐磨复合材料。

7、本发明还具有以下技术特征：

8、优选的，步骤1中所述的碳纤维织布的预处理方法包括将碳纤维织布裁剪为50×300mm2，选用丙酮和乙醇以1：2的质量分数比制备混合溶液，将裁剪后的碳纤维织布在该溶液中超声浸泡24小时。

9、优选的，步骤1中所述的化学气相沉积的方法包括：

10、将经预处理的碳纤维织布分散置于装有电炉的水平石英反应器中段，在875℃的保温阶段经注射泵以5～15ml/h的速度连续注射30min催化剂溶液；

11、所述的催化剂溶液由二茂铁、乙二胺和乙醇按照(0.1～0.3)g:(1～3)ml:(5～10)ml的比例配制而成。

12、优选的，步骤2中所述的富含阳离子的溶液包括0.01～0.1mol/l的koh的甲醇溶液、fecl3溶液、mgcl溶液和cu(oh)2溶液。

13、优选的，步骤3中所述的in-pht前驱液的制备方法包括将1,3-双(4'-氨基苯氧基)苯、4-氨基吲哚、甲醛和n-甲基吡咯烷酮以8:1:0.4:56的摩尔比混合，经超声分散10min后搅拌0.5小时后进行高温闭环反应。

14、本发明还保护一种如上所述的制备方法制备的金属阳离子功能化碳/碳耐磨复合材料及其回收方法，该回收方法包括以下步骤：

15、将金属阳离子功能化碳/碳耐磨复合材料浸泡于浸入ph≈2的ppi的nmp溶液中12小时后，将样品放入ph≈1的h2so4溶液中36小时，溶液变得浑浊，再向溶液中加入碳酸钠溶液并使ph值恢复至7，取出清洗，最后干燥获得完整cfc。

16、本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

17、本发明通过化学气相沉积法在碳纤维织布(cfc)表面构建三维网状碳纳米管(cnt)结构，并通过金属阳离子功能化得到cnt-cfc增强体，最后通过熔融浸渍法在金属阳离子功能化的cnt-cfc增强体表面固化具有吲哚支链由六氢三嗪骨架构成的热固性聚合物(in-pht)；cnt与cfc模量相似，且其中空管状结构搭建成的三维网络，在摩擦过程中对负荷可以起到优先承载的作用，为其和基体间载荷的消耗与传递提供了大量“微纳连杆”；cnt由六角形网格结构构成，其中空结构所形成的π面对于金属阳离子的捕获有较大的优势，两者形成的金属阳离子功能化的碳纳米管可以有效改善复合材料的界面结合性能，对复合材料强韧性和耐磨性方面起到积极的促进作用；“微纳连杆”沿层间各个方向提供物理锚接，碳纳米管高度稳定的管状空腔结构，为其金属阳离子功能化奠定了良好基础，通过阳离子功能化的碳纳米管在最外层表面、内腔、间隙通道和凹槽都具有大量的活性位点，除改善增强体与聚合物基体间相容性外，还可与in-pht的吲哚环在承担载荷过程中反复配位，不断形成“面-面”非共价阳离子-π相互作用，通过键的断裂完成能量的耗散，进而提升界面强韧度，提升碳/碳复合材料子啊严苛工况下承担反复的剪切载荷的能力，有效增强了层间化学键合的“薄弱环节”，避免了层间脱粘破坏，进而延长材料的使用寿命；三维网状cnt与in-pht基体间形成的物理锚接相互作用；吲哚基团易与金属阳离子形成动态非共价键合，在in-pht交联网络和吸附阳离子的纳米增强相之间形成大的键能结合，在纳米增强相和基体间浸润固化所形成的物理缠结基础上，进一步提升相间化学交联位点密度，在摩擦过程中通过非共价键合的断裂耗散能量，在高速重载等苛刻条件作用下避免界面脱粘破坏，从而避免复合材料界面粘结失效；

18、本发明通过非共价阳离子-π键将刚性碳纳米管和柔性聚合物in-pht衔接，一方面，cnt通过刚性模量过渡层的构建均匀传递应力，并通过挠度和吸收应力来消耗界面残余应力；另一方面，in-pht通过所构建柔性层的塑性变形消耗和传递应力；两者界面间所形成的物理锚接和化学键合相辅相成，多尺度刚柔界面结构可以平衡碳纤维和界面之间的模量，并提供更多的机械/化学互锁位点，以提高界面应力传递效率和附着力，对耐磨性能的提升起到了积极作用；表现出高的耐磨性、优异的自润滑性和高度稳定的摩擦系数；

19、本发明中具有吲哚支链由六氢三嗪骨架构成的热固性聚合物(in-pht)，在ph<2的强酸环境下共价链很容易发生断裂水解，从而允许了cfc的有序回收再利用，使用后的碳纤维织布还可实现完整的无损回收。

技术特征：

1.一种金属阳离子功能化碳/碳耐磨复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的金属阳离子功能化碳/碳耐磨复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1中所述的碳纤维织布的预处理方法包括将碳纤维织布裁剪为50×300mm2，选用丙酮和乙醇以1：2的质量分数比制备混合溶液，将裁剪后的碳纤维织布在该溶液中超声浸泡24小时。

3.如权利要求1所述的金属阳离子功能化碳/碳耐磨复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1中所述的化学气相沉积的方法包括：

4.如权利要求1所述的金属阳离子功能化碳/碳耐磨复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2中所述的富含阳离子的溶液包括0.01～0.1mol/l的koh的甲醇溶液、fecl3溶液、mgcl溶液和cu(oh)2溶液。

5.如权利要求1所述的金属阳离子功能化碳/碳耐磨复合材料的制备方法，其特征在于，步骤3中所述的in-pht前驱液的制备方法包括将1,3-双(4'-氨基苯氧基)苯、4-氨基吲哚、甲醛和n-甲基吡咯烷酮以8:1:0.4:56的摩尔比混合，经超声分散10min后搅拌0.5小时后进行高温闭环反应。

6.一种如权利要求1至5中任一项所述的制备方法制备的金属阳离子功能化碳/碳耐磨复合材料。

7.一种如权利要求6所述的金属阳离子功能化碳/碳耐磨复合材料的回收方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结本发明公开了一种金属阳离子功能化碳/碳耐磨复合材料及其制备方法和回收方法，首先通过化学气相沉积于碳纤维表面生长CNT，再将表面生长CNT的碳纤维织布浸泡于富含阳离子的溶液中得到金属阳离子功能化的CNT‑CFC增强体；然后经高温闭环反应制备了含有吲哚支链的PHT前驱液，经过熔融浸渍法制得金属阳离子功能化碳/碳耐磨复合材料；经过金属阳离子功能化的CNT‑CFC增强体具有优异韧性，浸渍后，金属阳离子功能化的CNT‑CFC通过阳离子和吲哚基团形成非共价键合的相互纠缠的网络结构以及三维网状CNT结构赋予In‑PHT‑X@CNT‑CFC较高的力学强度，使其在高速重载等苛刻条件作用下避免界面脱粘破坏；本发明所制备的In‑PHT‑X@CNT‑CFC复合材料具有质量轻，高耐磨及可回收特性。技术研发人员：栗小茜,姚柯飞,高彦军,安学旭,黄荣宾受保护的技术使用者：陕西交通职业技术学院技术研发日：技术公布日：2024/5/12