本發明涉及復合材料，具體涉及一種高強度復合電桿材料及其制備方法。

背景技術：

1、在電力傳輸與分配領域，電線桿作為重要的基礎設施，其性能直接影響到電網的安全與穩定。然而，傳統的鋼筋和混凝土電線桿存在諸多不足，如重量大、施工運輸困難、耐腐蝕性能差等問題，特別是在海洋及鹽霧腐蝕嚴重的地區，這些問題尤為突出。環氧樹脂作為一種多用途、強度高、耐化學性能好的聚合物，成為制備復合電桿材料的理想基體。其高強度和優良的附著性使得環氧樹脂在固化后能夠牢固地結合其他材料，形成整體性能優異的復合材料。同時，環氧樹脂的耐化學性、耐熱性、電絕緣性以及低收縮和低揮發性等特點，進一步增強了復合電桿材料的耐腐蝕性能和穩定性。

2、為了進一步提升復合電桿的力學性能，改性纖維被選作增強材料，改性纖維通過化學或物理方法，對常規化學纖維的某些性能進行改進，這些改性纖維不僅具有優異的力學性能，還能有效抵抗腐蝕和鹽霧侵蝕，延長電桿的使用壽命。

3、碳纖維(cf)增強材料具有強度大、模量高、熱穩定性強、高導電性及耐腐蝕性等諸多優異性質，由cf作為增強體制成的樹脂基復合材料密度僅為鋼鐵的1/5，但強度卻達到了鋼鐵的5倍，是制備高性能樹脂基復合材料常用的增強纖維，其中碳纖維/環氧樹脂復合材料最為人們熟知，被大量應用于飛機制造、建筑工業等方面。將碳纖維復合材料應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的裂紋等安全問題，而且不增加電桿的結構尺寸及重量，具有抗拉強度增大，耐腐蝕，耐久性等特點。但在使用過程中因為多采用單純的環氧樹脂與碳纖維復合，環氧樹脂自身為熱固性樹脂雖然具有良好的耐熱性、高強度和對基材良好的粘附性能，但也存在較脆、耐沖擊、抗剝離和耐振動疲勞等性差的問題，使樹脂與碳纖維復合效果不理想，加之施工條件限制造成加固后的抗拉效果、耐候性能等指標不夠穩定；所以采用碳纖維/環氧樹脂復合材料加固水泥電桿從復合材料的制備到具體施工方法都還急需改進。

技術實現思路

1、本發明的目的在于提出一種高強度復合電桿材料及其制備方法，通過多種改性碳纖維協同改性，提高了碳纖維與環氧樹脂基材的相容性和浸潤性，力學改性作用得到明顯增強，從而制得了高強度復合電桿材料，同時，具有較好的耐熱、耐老化、耐溶劑穩定性，導熱性好，具有廣闊的應用前景。

2、本發明的技術方案是這樣實現的：

3、本發明提供一種高強度復合電桿材料，由以下原料按重量份制備而成：環氧樹脂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過氧化鈦/氧化鋁/氧化硅包覆后，單寧酸改性并偶聯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過碳納米管表面沉積碳纖維。

4、作為本發明的進一步改進，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，攪拌反應形成溶膠；

6、s2.?將碳纖維加入溶膠中，加熱攪拌反應，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，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，離心，洗滌，干燥，制得第一改性碳纖維。

9、作為本發明的進一步改進，步驟s1中所述鈦酸四丁酯、異丙醇鋁、正硅酸乙酯和堿的質量比為8-10:4-7:10-15:3-5，所述堿為naoh或koh；步驟s2中所述碳纖維、溶膠的質量比為10-15:30-50，所述加熱攪拌反應的溫度為50-70℃，時間為5-7h，所述煅燒的溫度為500-600℃，時間為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，所述加熱攪拌反應的溫度為50-60℃，時間為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的時間為2-4h。

10、作為本發明的進一步改進，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，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，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，離心，洗滌，干燥，制得第二改性碳纖維。

14、作為本發明的進一步改進，步驟t1中所述碳纖維、多巴胺鹽酸鹽的質量比為12-15:6-9，所述tris-hcl溶液的ph值為8.5-9.5，所述加熱攪拌反應的溫度為50-60℃，時間為3-5h；步驟t2中所述改性碳纖維、四氯化鋯、2-氨基對苯二甲酸的質量比為10-14：3-4：2-3，所述水熱反應的溫度為120-140℃，時間為20-24h；步驟t3中所述八氯丙基倍半硅氧烷和uio-66-nh2改性碳纖維的質量比為4-7:12-15，所述加熱回流反應的時間為2-4h。

15、作為本發明的進一步改進，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，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，惰性氣體保護下冷卻至室溫，制得第三改性碳纖維。

18、作為本發明的進一步改進，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的時間為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，所述反應的時間為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、作為本發明的進一步改進，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，所述環氧樹脂為e-51或e-44。

20、本發明進一步保護一種上述的高強度復合電桿材料的制備方法，包括以下步驟：

21、將環氧樹脂、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，制得高強度復合電桿材料。

22、作為本發明的進一步改進，所述加熱固化的溫度為100-120℃，時間為1-3h。

23、本發明具有如下有益效果：

24、本發明制得的第一改性碳纖維采用有機鈦-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，引入含氧官能團來增加復合材料的表面極性，同時可提高復合材料的斷裂韌性，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晶度和熱穩定性，而陶瓷涂層能夠在高溫下提供良好的保護，防止碳纖維與氧氣接觸而發生氧化，致密的陶瓷層可以有效阻擋外界環境中的氧氣、水分、紫外線等有害因素對碳纖維的侵蝕，從而提高復合材料的耐老化性能。同時，氧化鈦也有較好的吸收紫外線等效果，進一步提高了耐紫外老化性能，表面經過反應單寧酸改性，帶有共軛基團和羥基等基團，一方面能夠提高與環氧樹脂的相容性，另一方面能夠與1-氯苯并三唑反應，引入自由基捕獲基團，從而能夠捕獲復合材料中因老化產生的自由基，阻斷繼續反應，從而協同作用下起到了更好的耐老化性。

25、本發明制得的第二改性碳纖維再其表面經過聚多巴胺改性，吸附2-氨基對苯二甲酸，并在碳纖維表面原位反應生成uio-66-nh2，具有較大的孔隙度及比表面積、結構與功能多樣化、含有不飽和的金屬位點等優點，大程度上改善碳纖維復合材料的界面結合性能，同時，由于具有氨基，以及聚多巴胺上帶有的氨基，促進了環氧復合材料的固化反應，接枝到碳纖維表面上，使其形成高機械互鎖的復合結構并釋放界面殘余應力，從而獲得具有優異的力學性能和摩擦學性能的碳纖維增強復合材料。然后與八氯丙基倍半硅氧烷反應，poss材料上有許多可調活性官能團存在，這些活性官能團可與環氧樹脂反應，并支持在系統中形成交聯網絡。此外，poss組分可以更均勻地分布在整個系統中，提高其與環氧樹脂的相容性和浸潤性，并提高了碳纖維的表面粗糙度，表面應力被均勻的過渡界面有效地傳遞、分散和吸收，極大的增強了力學性能，同時，還提高了材料的導熱性能，熱能通過形成的網絡極快的逸散，從而提高了材料的耐熱性能。

26、本發明制得的第三改性碳纖維，首先采用強酸處理，將碳纖維置于濃硝酸溶液中，利用強酸的腐蝕性，刻蝕碳纖維表面并進入孔眼中，在纖維表面產生凹坑、裂縫，擴大微孔洞和缺陷，從而起到提高碳纖維與基體的結合性的作用，但同時也降低了其單纖維強度，從而其力學改性有限，于是，進一步再其表面化學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行化合反應，其表面接枝提高了第三改性碳纖維和環氧復合材料的比表面粗糙度和毛細作用，改善了兩者的界面相容性，同時，使得酸處理后的碳纖維得到增厚，進一步提高了其單纖維強度，對樹脂材料的力學改性作用得到增強。

27、本發明制得的高強度復合電桿材料通過多種改性碳纖維協同改性，提高了碳纖維與環氧樹脂基材的相容性和浸潤性，力學改性作用得到明顯增強，從而制得了高強度復合電桿材料，同時，具有較好的耐熱、耐老化、耐溶劑穩定性，導熱性好，具有廣闊的應用前景。