本發(fā)明屬于碳纖維復(fù)合材料表面處理及涂裝技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種基于多巴胺的提高碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(cfrp)和涂料附著力的方法。
背景技術(shù)：
碳纖維是一種含碳量在95％以上的，具有高強(qiáng)度、高模量的新型纖維材料。碳纖維是由片狀石墨微晶沿纖維軸向方向堆砌而成，經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維具有軸向強(qiáng)度和模量高，密度低，耐疲勞性和耐腐蝕性好，熱膨脹系數(shù)小，且具有各向異性的特點(diǎn)，在國(guó)防軍工和民用方面都具有重要的研究和應(yīng)用價(jià)值。同傳統(tǒng)的玻璃纖維和凱夫拉纖維相比，碳纖維具有更高的楊氏模量，同時(shí)，其在有機(jī)溶劑、酸、堿中不溶不脹，耐蝕性突出。碳纖維不僅具有碳材料的固有本征特性，同時(shí)還具有紡織纖維的柔軟可加工性，是新一代增強(qiáng)纖維(沈真，碳纖維復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，高科技纖維與應(yīng)用，2010，35(4)：1-4+24.)。
碳纖維的主要用途之一是與樹(shù)脂、金屬、陶瓷等基體復(fù)合，制備具有優(yōu)異性能的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(cfrp)。cfrp具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐沖擊、耐腐蝕的優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)罩、翼子板、車(chē)頂、行李箱蓋、門(mén)板和底盤(pán)等零部件。cfrp由于受成形技術(shù)(固化時(shí)間長(zhǎng))和碳纖維價(jià)格昂貴等因素制約，多用于航空航天領(lǐng)域和少量高級(jí)轎車(chē)或跑車(chē)上。隨著其技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用規(guī)模不斷擴(kuò)大，使用成本逐步下降，目前國(guó)外已經(jīng)開(kāi)始在量產(chǎn)車(chē)型上有所應(yīng)用。
碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料本身為黑色，為了裝飾和美觀，需要在其表面進(jìn)行相應(yīng)的涂裝。cfrp具有很低的表面能，給其表面涂裝帶來(lái)了困難，如何提高涂料在其表面的附著力顯得尤為重要?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料基材進(jìn)行表面處理來(lái)增加其表面的附著力，從而提高涂裝性能。已經(jīng)報(bào)道過(guò)的表面處理方法有：機(jī)械法、氧化液法、等離子體法、火焰處理法、紫外照射法等，上述各種方法都能在一定程度上提高碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料表面與涂料的黏附能力，但同時(shí)也存在一定的缺點(diǎn)。如，機(jī)械法是較為常用的方法，但處理力度難以掌握，若輕度打磨會(huì)造成表面的脫模劑未完全脫落，影響涂料的附著性能。打磨過(guò)度則會(huì)破壞復(fù)合材料內(nèi)的碳纖維絲而降低碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料基材的力學(xué)性能，從而影響其使用功能。氧化液法用到cr6+，因而存在一定的污染問(wèn)題，等離子體法、火焰處理法、紫外照射法適合實(shí)驗(yàn)室或小零件的處理加工，難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。因此，開(kāi)發(fā)一種簡(jiǎn)單、環(huán)保而又能適合工業(yè)化生產(chǎn)的方法來(lái)提高碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料表面與涂料的黏附能力的方法非常必要。
據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，海洋貽貝類(lèi)生物可以分泌出黏附蛋白，在潮濕的環(huán)境下展現(xiàn)出了超強(qiáng)的黏附能力(leehaeshin,dellatoresharam.,millerwilliamm.,messersmithphilipb.,mussel-inspiredsurfacechemistryformultifunctionalcoatings,science,2007,318:426-430.)。海洋貽貝黏附蛋白所具有的高強(qiáng)度，高韌性，防水性以及特殊的黏附性能，是目前其他黏合劑所無(wú)法比擬的。目前，通過(guò)模仿黏附蛋白分子結(jié)構(gòu)和性能，開(kāi)發(fā)和應(yīng)用新型功能材料，是仿生領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。
貽貝可以通過(guò)自身分泌出的粘液，將自己牢固的黏附在金屬、玻璃、聚合物等材料表面，甚至在極難黏附的聚四氟乙烯表面均能達(dá)到牢固的黏附(xizhenyu,xuyouyi,zhuliping,wangyue,zhubaoku,afacilemethodofsurfacemodificationforhydrophobicpolymermembranesbasedontheadhesivebehaviorofpoly(dopa)andpoly(dopamine),journalofmembranescience,2009,327:244-253.)
研究表明，貽貝分泌出的具有鄰苯二酚基團(tuán)的化合物，該種類(lèi)型化合物與有機(jī)基材的表面相互作用，是通過(guò)不可逆的共價(jià)鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此使其具有超乎尋常的黏附能力(dalsinjeffreyl.,hubihuang,leebrucep.,messersmithphilipb.,musseladhesiveproteinmimeticpolymersfortheprepartionofnonfoulingsurfaces,journalofamericanchemicalsociety,2003,125:4253-4258.)。
上述文獻(xiàn)報(bào)道，雖然研究了多巴胺類(lèi)化合物在有機(jī)、無(wú)機(jī)材料表面的附著情況，但未涉及碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料表面處理領(lǐng)域，而更多的是在生物領(lǐng)域和分離膜處理領(lǐng)域。
本發(fā)明通過(guò)簡(jiǎn)單易行的方法在cfrp與涂料底漆之間加入多巴胺類(lèi)過(guò)渡層，該過(guò)渡層增強(qiáng)了碳纖維復(fù)合材料基材及底漆之間有較強(qiáng)粘合力，且具有低成本、低污染、易涂裝等優(yōu)點(diǎn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明主要解決現(xiàn)有cfrp涂層附著力差、成本高，污染大、難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化等問(wèn)題。在其基材表面引入多巴胺類(lèi)過(guò)渡層，用于修飾碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的表面結(jié)構(gòu)，增加表面的極性，增大cfrp基材與涂料之間附著力，從而提高涂料與cfrp之間的附著性能。
本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的采取以下技術(shù)方案：(1)脂肪醇聚氧乙烯醚a(bǔ)eo-12，0.1-2份，jfc，0.1-3份，30wt％的h2o2溶液0.01-0.5份，余量為h2o，組成a液。(2)用硼砂和硼酸配制ph值為8.0-8.5的緩沖溶液，將鹽酸多巴胺溶于緩沖溶液，配制濃度為0.4-0.6g/l的鹽酸多巴胺溶液，得到b液。(3)將a液與b液等體積混合均勻，刷涂或噴涂至經(jīng)過(guò)打磨處理后的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料表面上，待干燥后進(jìn)行涂料的涂裝。
其中所述(1)中的a液，aeo-12，0.1-2份，jfc，0.1-3份，30wt％的h2o2溶液0.01-0.5份，余量為h2o。(2)中的b液，首先用硼砂和硼酸配制成ph值為8.0-8.5的緩沖溶液，然后將鹽酸多巴胺溶于該緩沖溶液，鹽酸多巴胺的濃度為0.4-0.6mol/l。(3)預(yù)先將碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料表面進(jìn)行打磨處理，使用前，a液與b液等體積混合，施工方式為刷涂或噴涂。
本發(fā)明中，所述步驟(1)中采用的aeo-12與jfc可以增加鹽酸多巴胺溶液在打磨處理后的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料表面的潤(rùn)濕性，h2o2的加入可以加速多巴胺的氧化聚合。步驟(2)中ph值為8.0-8.5的硼砂和硼酸緩沖溶液，可以為碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料表面的鹽酸多巴胺的氧化聚合提供有利的反應(yīng)條件。步驟(3)中，使用前，a液與b液混合，可以充分保持兩種溶液的穩(wěn)定性。
本發(fā)明與已有制備方法相比有益效果是：
(1)本發(fā)明中采用的原料鹽酸多巴胺對(duì)環(huán)境不存在污染。
(2)本發(fā)明采用刷涂或噴涂法代替了原先的浸漬法，方法簡(jiǎn)單易行，利于工業(yè)化推廣及應(yīng)用，適用于大部件大規(guī)模的涂裝。
(3)本發(fā)明有效地彌補(bǔ)了其他碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料涂裝方法的缺陷，提高了cfrp基材與涂料之間的粘合力。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步敘述本發(fā)明所研制的復(fù)合過(guò)渡層對(duì)cfrp基材和涂料粘合力的大小。
實(shí)施例1：
取0.50g的aeo-12，0.8g的jfc，0.03g的30wt％的h2o2溶液，98.67g的h2o混合均勻得到a溶液。
取1.91g的硼砂，1.24g的硼酸，96.85g的h2o，配成ph值為8.0左右的緩沖溶液，向其中加入0.43g的鹽酸多巴胺，得到b溶液。
將2.5mm厚的cfrp基材用300目的砂紙打磨至表面變?yōu)橛H水后用蒸餾水沖洗，然后電吹風(fēng)吹干。將上述a溶液與b溶液混合均勻后，刷涂至cfrp基材表面上，待其完全干燥后依次進(jìn)行環(huán)氧底漆的正常涂裝。待涂層完全干燥后對(duì)漆膜進(jìn)行拉開(kāi)法附著力測(cè)試。環(huán)氧底漆與碳纖維復(fù)合材料基材的附著力達(dá)到8.35mpa。作為對(duì)比樣，未引入多巴胺過(guò)渡層，碳纖維復(fù)合材料基材同樣打磨后直接刷涂涂料，測(cè)得環(huán)氧底漆與碳纖維復(fù)合材料基材的附著力為3.17mpa。
實(shí)施例2：
取0.41g的aeo-12，0.82g的jfc，0.07g的30wt％的h2o2溶液，98.70g的h2o混合均勻得到a溶液。
取0.98g的硼砂，0.62g的硼酸，98.40g的h2o，配成ph值為8.1左右的緩沖溶液，向其中加入0.47g的鹽酸多巴胺，得到b溶液。
將2.5mm厚的cfrp基材用300目的砂紙打磨至表面變?yōu)橛H水后用蒸餾水沖洗，然后電吹風(fēng)吹干。將上述a溶液與b溶液混合均勻后，刷涂至cfrp基材表面上，待其完全干燥后依次進(jìn)行環(huán)氧底漆的正常涂裝。待涂層完全干燥后對(duì)漆膜進(jìn)行拉開(kāi)法附著力測(cè)試。環(huán)氧底漆與碳纖維復(fù)合材料基材的附著力達(dá)到9.15mpa。作為對(duì)比樣，未引入多巴胺過(guò)渡層，碳纖維復(fù)合材料基材同樣打磨后直接刷涂涂料，測(cè)得環(huán)氧底漆與碳纖維復(fù)合材料基材的附著力為3.17mpa。
實(shí)施例3：
取1.22g的aeo-12，0.63g的jfc，0.05g的30wt％的h2o2溶液，98.10g的h2o混合均勻得到a溶液。
取2.87g的硼砂，1.86g的硼酸，95.31g的h2o，配成ph值為8.0左右的緩沖溶液，向其中加入0.38g的鹽酸多巴胺，得到b溶液。
將2.5mm厚的cfrp基材用300目的砂紙打磨至表面變?yōu)橛H水后用蒸餾水沖洗，然后電吹風(fēng)吹干。將上述a溶液與b溶液混合均勻后，刷涂至cfrp基材表面上，待其完全干燥后依次進(jìn)行環(huán)氧底漆的正常涂裝。待涂層完全干燥后對(duì)漆膜進(jìn)行拉開(kāi)法附著力測(cè)試。環(huán)氧底漆與碳纖維復(fù)合材料基材的附著力達(dá)到7.15mpa。作為對(duì)比樣，未引入多巴胺過(guò)渡層，碳纖維復(fù)合材料基材同樣打磨后直接刷涂涂料，測(cè)得環(huán)氧底漆與碳纖維復(fù)合材料基材的附著力為3.17mpa。
實(shí)施例4：
取0.83g的aeo-12，1.27g的jfc，0.09g的30wt％的h2o2溶液，97.81g的h2o混合均勻得到a溶液。
取0.76g的硼砂，0.47g的硼酸，98.77g的h2o，配成ph值為8.3左右的緩沖溶液，向其中加入0.51g的鹽酸多巴胺，得到b溶液。
將2.5mm厚的cfrp基材用300目的砂紙打磨至表面變?yōu)橛H水后用蒸餾水沖洗，然后電吹風(fēng)吹干。將上述a溶液與b溶液混合均勻后，刷涂至cfrp基材表面上，待其完全干燥后依次進(jìn)行環(huán)氧底漆的正常涂裝。待涂層完全干燥后對(duì)漆膜進(jìn)行拉開(kāi)法附著力測(cè)試。環(huán)氧底漆與碳纖維復(fù)合材料基材的附著力達(dá)到9.65mpa。作為對(duì)比樣，未引入多巴胺過(guò)渡層，碳纖維復(fù)合材料基材同樣打磨后直接刷涂涂料，測(cè)得環(huán)氧底漆與碳纖維復(fù)合材料基材的附著力為3.17mpa。