本發(fā)明涉及復(fù)合材料，具體涉及一種高強(qiáng)度復(fù)合電桿材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、在電力傳輸與分配領(lǐng)域，電線桿作為重要的基礎(chǔ)設(shè)施，其性能直接影響到電網(wǎng)的安全與穩(wěn)定。然而，傳統(tǒng)的鋼筋和混凝土電線桿存在諸多不足，如重量大、施工運(yùn)輸困難、耐腐蝕性能差等問題，特別是在海洋及鹽霧腐蝕嚴(yán)重的地區(qū)，這些問題尤為突出。環(huán)氧樹脂作為一種多用途、強(qiáng)度高、耐化學(xué)性能好的聚合物，成為制備復(fù)合電桿材料的理想基體。其高強(qiáng)度和優(yōu)良的附著性使得環(huán)氧樹脂在固化后能夠牢固地結(jié)合其他材料，形成整體性能優(yōu)異的復(fù)合材料。同時(shí)，環(huán)氧樹脂的耐化學(xué)性、耐熱性、電絕緣性以及低收縮和低揮發(fā)性等特點(diǎn)，進(jìn)一步增強(qiáng)了復(fù)合電桿材料的耐腐蝕性能和穩(wěn)定性。

2、為了進(jìn)一步提升復(fù)合電桿的力學(xué)性能，改性纖維被選作增強(qiáng)材料，改性纖維通過化學(xué)或物理方法，對(duì)常規(guī)化學(xué)纖維的某些性能進(jìn)行改進(jìn)，這些改性纖維不僅具有優(yōu)異的力學(xué)性能，還能有效抵抗腐蝕和鹽霧侵蝕，延長(zhǎng)電桿的使用壽命。

3、碳纖維(cf)增強(qiáng)材料具有強(qiáng)度大、模量高、熱穩(wěn)定性強(qiáng)、高導(dǎo)電性及耐腐蝕性等諸多優(yōu)異性質(zhì)，由cf作為增強(qiáng)體制成的樹脂基復(fù)合材料密度僅為鋼鐵的1/5，但強(qiáng)度卻達(dá)到了鋼鐵的5倍，是制備高性能樹脂基復(fù)合材料常用的增強(qiáng)纖維，其中碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料最為人們熟知，被大量應(yīng)用于飛機(jī)制造、建筑工業(yè)等方面。將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用在輸配電線路水泥電桿的加固上，可以很好的解決水泥線桿出現(xiàn)的裂紋等安全問題，而且不增加電桿的結(jié)構(gòu)尺寸及重量，具有抗拉強(qiáng)度增大，耐腐蝕，耐久性等特點(diǎn)。但在使用過程中因?yàn)槎嗖捎脝渭兊沫h(huán)氧樹脂與碳纖維復(fù)合，環(huán)氧樹脂自身為熱固性樹脂雖然具有良好的耐熱性、高強(qiáng)度和對(duì)基材良好的粘附性能，但也存在較脆、耐沖擊、抗剝離和耐振動(dòng)疲勞等性差的問題，使樹脂與碳纖維復(fù)合效果不理想，加之施工條件限制造成加固后的抗拉效果、耐候性能等指標(biāo)不夠穩(wěn)定；所以采用碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料加固水泥電桿從復(fù)合材料的制備到具體施工方法都還急需改進(jìn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提出一種高強(qiáng)度復(fù)合電桿材料及其制備方法，通過多種改性碳纖維協(xié)同改性，提高了碳纖維與環(huán)氧樹脂基材的相容性和浸潤(rùn)性，力學(xué)改性作用得到明顯增強(qiáng)，從而制得了高強(qiáng)度復(fù)合電桿材料，同時(shí)，具有較好的耐熱、耐老化、耐溶劑穩(wěn)定性，導(dǎo)熱性好，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

3、本發(fā)明提供一種高強(qiáng)度復(fù)合電桿材料，由以下原料按重量份制備而成：環(huán)氧樹脂90-120份、第一改性碳纖維10-15份、第二改性碳纖維8-12份、第三改性碳纖維3-5份、固化劑30-50份，所述第一改性碳纖維為經(jīng)過氧化鈦/氧化鋁/氧化硅包覆后，單寧酸改性并偶聯(lián)苯并三唑改性的碳纖維，所述第二改性碳纖維為聚多巴胺改性后，包覆uio-66-nh2，并與八氯丙基倍半硅氧烷制得的碳纖維，所述第三改性碳纖維為經(jīng)過碳納米管表面沉積碳纖維。

4、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述第一改性碳纖維的制備方法如下：

5、s1.?將鈦酸四丁酯、異丙醇鋁和正硅酸乙酯溶于乙醇中，加入水和堿，攪拌反應(yīng)形成溶膠；

6、s2.?將碳纖維加入溶膠中，加熱攪拌反應(yīng)，煅燒，洗滌，干燥，研磨，制得陶瓷化碳纖維；

7、s3.?將陶瓷化碳纖維加入水中，加入單寧酸和催化劑，加熱攪拌反應(yīng)，離心，洗滌，干燥，制得改性陶瓷化碳纖維；

8、s4.?將改性陶瓷化碳纖維加入二氯甲烷中，加入1-氯苯并三唑和堿，加熱回流攪拌反應(yīng)，離心，洗滌，干燥，制得第一改性碳纖維。

9、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟s1中所述鈦酸四丁酯、異丙醇鋁、正硅酸乙酯和堿的質(zhì)量比為8-10:4-7:10-15:3-5，所述堿為naoh或koh；步驟s2中所述碳纖維、溶膠的質(zhì)量比為10-15:30-50，所述加熱攪拌反應(yīng)的溫度為50-70℃，時(shí)間為5-7h，所述煅燒的溫度為500-600℃，時(shí)間為2-4h；步驟s3中所述陶瓷化碳纖維、單寧酸和催化劑的質(zhì)量比為10:3-5:0.3-0.5，所述催化劑為ph=8.5-9.5的tris-hcl溶液，所述加熱攪拌反應(yīng)的溫度為50-60℃，時(shí)間為3-5h；步驟s4中所述改性陶瓷化碳纖維、1-氯苯并三唑和堿的質(zhì)量比為10:2-3:1-2，所述堿為naoh或koh，所述加熱回流攪拌反應(yīng)的時(shí)間為2-4h。

10、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述第二改性碳纖維的制備方法如下：

11、t1.?將碳纖維加入tris-hcl溶液中，加入多巴胺鹽酸鹽，加熱攪拌反應(yīng)，離心，洗滌，干燥，制得改性碳纖維；

12、t2.?將改性碳纖維、四氯化鋯、2-氨基對(duì)苯二甲酸加入n,n-二甲基甲酰胺和醋酸的混合溶液中，超聲分散均勻，水熱反應(yīng)，離心，洗滌，干燥，制得uio-66-nh2改性碳纖維；

13、t3.?將八氯丙基倍半硅氧烷和uio-66-nh2改性碳纖維加入二氯甲烷中，加熱回流反應(yīng)，離心，洗滌，干燥，制得第二改性碳纖維。

14、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟t1中所述碳纖維、多巴胺鹽酸鹽的質(zhì)量比為12-15:6-9，所述tris-hcl溶液的ph值為8.5-9.5，所述加熱攪拌反應(yīng)的溫度為50-60℃，時(shí)間為3-5h；步驟t2中所述改性碳纖維、四氯化鋯、2-氨基對(duì)苯二甲酸的質(zhì)量比為10-14：3-4：2-3，所述水熱反應(yīng)的溫度為120-140℃，時(shí)間為20-24h；步驟t3中所述八氯丙基倍半硅氧烷和uio-66-nh2改性碳纖維的質(zhì)量比為4-7:12-15，所述加熱回流反應(yīng)的時(shí)間為2-4h。

15、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述第三改性碳纖維的制備方法如下：

16、u1.?將碳纖維加入濃硝酸中，加熱回流攪拌反應(yīng)，離心，洗滌，干燥，制得酸處理碳纖維；

17、u2.?將酸處理碳纖維置于石英瓷舟中央并均勻攤開，滴加鐵溶液，干燥，惰性氣體保護(hù)下升溫至第一溫度，置換為氫氣條件下，升溫至第二溫度，通入正己烷，反應(yīng)，惰性氣體保護(hù)下冷卻至室溫，制得第三改性碳纖維。

18、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟u1中所述碳纖維和濃硝酸的固液比為1:3-5g/ml，所述加熱回流攪拌反應(yīng)的時(shí)間為1-3h；步驟u2中所述第一溫度為400-500℃，所述第二溫度為600-700℃，所述氫氣的通氣量為100-120ml/min，所述正己烷的通氣量為0.1-0.3ml/min，所述反應(yīng)的時(shí)間為30-60min，所述鐵溶液為氯化鐵、硝酸鐵或硫酸鐵溶液，濃度為1-3wt%。

19、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述固化劑選自二乙烯三胺、三乙烯四胺、間苯二胺、間苯二甲胺中的至少一種，所述環(huán)氧樹脂為e-51或e-44。

20、本發(fā)明進(jìn)一步保護(hù)一種上述的高強(qiáng)度復(fù)合電桿材料的制備方法，包括以下步驟：

21、將環(huán)氧樹脂、第一改性碳纖維、第二改性碳纖維、第三改性碳纖維混合均勻，加入固化劑，倒入模具中，加熱固化，制得高強(qiáng)度復(fù)合電桿材料。

22、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述加熱固化的溫度為100-120℃，時(shí)間為1-3h。

23、本發(fā)明具有如下有益效果：

24、本發(fā)明制得的第一改性碳纖維采用有機(jī)鈦-鋁-硅醇鹽溶膠與碳纖維混合，煅燒后表面包覆一層氧化鈦/氧化鋁/氧化硅陶瓷層，引入含氧官能團(tuán)來增加復(fù)合材料的表面極性，同時(shí)可提高復(fù)合材料的斷裂韌性，顯著提高碳纖維的耐熱性能，高溫處理可以提高碳纖維的結(jié)晶度和熱穩(wěn)定性，而陶瓷涂層能夠在高溫下提供良好的保護(hù)，防止碳纖維與氧氣接觸而發(fā)生氧化，致密的陶瓷層可以有效阻擋外界環(huán)境中的氧氣、水分、紫外線等有害因素對(duì)碳纖維的侵蝕，從而提高復(fù)合材料的耐老化性能。同時(shí)，氧化鈦也有較好的吸收紫外線等效果，進(jìn)一步提高了耐紫外老化性能，表面經(jīng)過反應(yīng)單寧酸改性，帶有共軛基團(tuán)和羥基等基團(tuán)，一方面能夠提高與環(huán)氧樹脂的相容性，另一方面能夠與1-氯苯并三唑反應(yīng)，引入自由基捕獲基團(tuán)，從而能夠捕獲復(fù)合材料中因老化產(chǎn)生的自由基，阻斷繼續(xù)反應(yīng)，從而協(xié)同作用下起到了更好的耐老化性。

25、本發(fā)明制得的第二改性碳纖維再其表面經(jīng)過聚多巴胺改性，吸附2-氨基對(duì)苯二甲酸，并在碳纖維表面原位反應(yīng)生成uio-66-nh2，具有較大的孔隙度及比表面積、結(jié)構(gòu)與功能多樣化、含有不飽和的金屬位點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)，大程度上改善碳纖維復(fù)合材料的界面結(jié)合性能，同時(shí)，由于具有氨基，以及聚多巴胺上帶有的氨基，促進(jìn)了環(huán)氧復(fù)合材料的固化反應(yīng)，接枝到碳纖維表面上，使其形成高機(jī)械互鎖的復(fù)合結(jié)構(gòu)并釋放界面殘余應(yīng)力，從而獲得具有優(yōu)異的力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。然后與八氯丙基倍半硅氧烷反應(yīng)，poss材料上有許多可調(diào)活性官能團(tuán)存在，這些活性官能團(tuán)可與環(huán)氧樹脂反應(yīng)，并支持在系統(tǒng)中形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。此外，poss組分可以更均勻地分布在整個(gè)系統(tǒng)中，提高其與環(huán)氧樹脂的相容性和浸潤(rùn)性，并提高了碳纖維的表面粗糙度，表面應(yīng)力被均勻的過渡界面有效地傳遞、分散和吸收，極大的增強(qiáng)了力學(xué)性能，同時(shí)，還提高了材料的導(dǎo)熱性能，熱能通過形成的網(wǎng)絡(luò)極快的逸散，從而提高了材料的耐熱性能。

26、本發(fā)明制得的第三改性碳纖維，首先采用強(qiáng)酸處理，將碳纖維置于濃硝酸溶液中，利用強(qiáng)酸的腐蝕性，刻蝕碳纖維表面并進(jìn)入孔眼中，在纖維表面產(chǎn)生凹坑、裂縫，擴(kuò)大微孔洞和缺陷，從而起到提高碳纖維與基體的結(jié)合性的作用，但同時(shí)也降低了其單纖維強(qiáng)度，從而其力學(xué)改性有限，于是，進(jìn)一步再其表面化學(xué)氣相沉積沉積碳納米管，沉積的碳納米管與碳纖維的邊緣碳原子進(jìn)行化合反應(yīng)，其表面接枝提高了第三改性碳纖維和環(huán)氧復(fù)合材料的比表面粗糙度和毛細(xì)作用，改善了兩者的界面相容性，同時(shí)，使得酸處理后的碳纖維得到增厚，進(jìn)一步提高了其單纖維強(qiáng)度，對(duì)樹脂材料的力學(xué)改性作用得到增強(qiáng)。

27、本發(fā)明制得的高強(qiáng)度復(fù)合電桿材料通過多種改性碳纖維協(xié)同改性，提高了碳纖維與環(huán)氧樹脂基材的相容性和浸潤(rùn)性，力學(xué)改性作用得到明顯增強(qiáng)，從而制得了高強(qiáng)度復(fù)合電桿材料，同時(shí)，具有較好的耐熱、耐老化、耐溶劑穩(wěn)定性，導(dǎo)熱性好，具有廣闊的應(yīng)用前景。