疏水性碳量子点简易克级制备及其在玄武岩纤维增强聚合物复合材料中的可持续强化应用

针对传统碳量子点(CQDs)合成产率低、极性高且与疏水性聚合物相容性差的问题，研究人员开发了通过过滤纯化的高产率(>85%)疏水性CQDs。该材料在0.5 wt%添加量下使不饱和聚酯树脂复合材料的拉伸强度提升72%，弯曲强度提升43%，冲击强度提升51%，为汽车部件、运动防护装备等高性能应用提供了新方案。

　　

在汽车轻量化、航空航天材料升级的浪潮中，纤维增强聚合物复合材料(FRPCs)因其卓越的比强度成为研究热点。然而，这类材料层间界面薄弱导致的离面性能不足，如同"阿喀琉斯之踵"制约着其应用。传统解决方案如三维编织、Z向钉扎虽有效，但工艺复杂且成本高昂。更棘手的是，当前主流纳米增强材料——碳纳米管和石墨烯虽性能优异，却面临分散困难、价格昂贵等问题。碳量子点(CQDs)作为新兴纳米碳材料，凭借尺寸效应和界面可调性展现出独特优势，但传统方法合成的亲水性CQDs与疏水性树脂"水火不容"，且纯化依赖耗时的透析工艺，产率不足50%。这些瓶颈使得纳米增强技术陷入"叫好不叫座"的困境。

针对这一系列挑战，韩国汉阳大学Mumtaz Ali团队在《Inorganic Chemistry Communications》发表的研究，开创性地采用硫代苯甲酸-三聚氰胺前驱体体系，通过水热法结合过滤纯化，实现了疏水性CQDs的克级制备(产率>85%)。这种"水相反溶剂"纯化策略摒弃了传统色谱分离，如同为纳米材料合成装上了"工业加速器"。XPS和FTIR证实其表面富含-C-S-等疏水基团，TEM显示粒径<10 nm的类球形结构。当0.5 wt%的CQDs通过机械搅拌-超声分散于不饱和聚酯树脂时，复合材料性能实现全面突破：拉伸强度72%的增幅堪比"材料界的基因突变"，51%的冲击强度提升更使其在防弹装甲等领域大放异彩。热分析揭示其强化机制在于CQDs通过限制聚合物晶区生长，构建出"刚柔并济"的微观结构。

关键技术方法
研究采用水热法一锅合成CQDs，以过滤替代传统透析纯化；通过TEM、XRD表征形貌结构，XPS、FTIR分析表面化学；将CQDs与玄武岩纤维/不饱和聚酯树脂复合，测试力学性能；采用DSC、TGA研究热行为。

研究结果

1. 材料特性：TEM显示CQDs为<10 nm的准球形颗粒，XRD证实其部分结晶特性，XPS检测到284.6 eV的C-S键特征峰，FTIR在2550 cm^-1
   出现-SH振动峰，共同验证疏水性。
2. 力学增强：0.5 wt%添加量使复合材料拉伸强度从58 MPa提升至100 MPa，断裂伸长率保持15%不变，实现"强而不脆"的理想性能组合。
3. 热性能：DSC显示CQDs使树脂玻璃化转变温度(T_g
   )提高12°C，TGA证实800°C残炭量增加37%，表明交联密度提升。

结论与意义
该研究通过"疏水设计-简易纯化-界面调控"三位一体的创新策略，破解了纳米增强材料领域"高成本-低兼容性-难规模化"的三角难题。其核心突破在于：首次实现疏水性CQDs的克级制备，产率较传统方法提升70%；建立"过滤纯化-机械分散"的标准化工艺路径；发现超低添加量(0.5 wt%)下的多重增强效应。这些发现不仅为汽车轻量化、防护装备升级提供了新材料选择，更开创了"量子点增强复合材料"这一新兴研究方向。特别是CQDs对冲击能量的耗散机制，为设计抗爆结构材料提供了全新思路。研究团队特别指出，该技术可直接对接现有复合材料生产线，具有从实验室到产业化的快速转化潜力。