[發(fā)明專利]一種功能化碳纖維的制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110000233.8
• 申請日: 2011-01-04
• 公開（公告）號: CN102108634A
• 公開（公告）日: 2011-06-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 邱軍;王宗明
• 申請（專利權(quán)）人: 同濟(jì)大學(xué)
• 主分類號: D06M11/74
• 分類號: D06M11/74;D06M13/332;C08K9/04;C08K9/02;C08K7/06;D06M101/40
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 張磊

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于納米材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種功能化碳纖維的制備方法。

背景技術(shù)

碳納米管(CNTs)自1991年被日本科學(xué)家Iijima發(fā)現(xiàn)以來，以其特有的力學(xué)性能、電學(xué)性能、熱學(xué)性能和化學(xué)性能引起了世界各國化學(xué)、物理、材料學(xué)界人士的極大關(guān)注，在科學(xué)基礎(chǔ)研究及應(yīng)用研究中倍受青睞。雖然碳納米管在制備質(zhì)輕、高強(qiáng)度復(fù)合材料中具有潛在的應(yīng)用前景，但要將其真正變成現(xiàn)實(shí)，還有許多問題需要解決。碳納米管的表面能較高，容易發(fā)生團(tuán)聚，使它在聚合物中難以均勻分散。如何均勻分散碳納米管并增強(qiáng)碳納米管與基體材料界面間的結(jié)合作用，是提高復(fù)合材料各項(xiàng)性能的關(guān)鍵。

碳纖維具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐疲勞、抗蠕變和熱膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)異的性能，使其成為近年來最重要的增強(qiáng)材料之一，己廣泛用于航空航天、軍事工業(yè)和體育運(yùn)動器材等領(lǐng)域。但是由于碳纖維表面惰性大、表面能低，有化學(xué)活性的官能團(tuán)少，反應(yīng)活性低，與基體的粘結(jié)性差，復(fù)合材料界面中存在較多的缺陷，界面粘接強(qiáng)度低，復(fù)合材料界面性能差的缺陷。另外，碳纖維復(fù)合材料在垂直纖維方向的力學(xué)性能差，使得碳纖維復(fù)合材料層間強(qiáng)度低，影響了碳纖維復(fù)合材料整體性能的發(fā)揮，限制了材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用。

目前對碳纖維處理采用高溫?zé)崽幚怼庀喑练e、氣相氧化、液相氧化、陽極氧化、化學(xué)涂層、電聚合涂層和冷等技術(shù)方法，雖然這些方法在一定程度上提高了碳纖維的表面積，增加了表面官能團(tuán)的數(shù)量，改善了碳纖維與樹脂的浸潤性，在一定程度上提高了碳纖維復(fù)合材料的層間強(qiáng)度；但這些方法同時(shí)使界面剛性增加，材料韌性降低，并未能改善纖維之間及碳纖維層板之間樹脂基體的性能，因此經(jīng)以上方法處理過的碳纖維制成的復(fù)合材料的沖擊性能未得到很好的改善。

表面帶有碳納米管的功能化碳纖維一方面可以在界面增加機(jī)械齒合的作用，顯著提高界面性能，另一方面還可以改善纖維間樹脂基體的力學(xué)性能。同時(shí)經(jīng)過化學(xué)修飾后的碳納米管和碳纖維與樹脂基體通過共價(jià)鍵連接，應(yīng)力傳遞能力高，可以顯著改善兩相之間的相互作用和界面強(qiáng)度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種界面粘結(jié)牢固的表面接枝碳納米管和二元胺或多元胺的功能化碳纖維的制備方法。

本發(fā)明提出的一種功能化碳纖維的制備方法，是將碳納米管表面純化，對純化的碳納米管表面進(jìn)行酸化后，引入具有特征結(jié)構(gòu)的二元胺或多元胺，得到表面具有活性胺基的接枝型碳納米管，再將胺基化碳納米管與表面酸化處理的碳纖維反應(yīng)，得到的碳纖維表面接枝有二元胺或多元胺和碳納米管。其具體步驟如下：

(1)稱取0.1～1×10g干燥的碳納米管和10～1×10⁴mL有機(jī)酸混合，在1~120kHz超聲波或10?r/min~10⁶?r/min的離心速度攪拌下處理1～24小時(shí)，然后加熱至20～150℃，反應(yīng)1～48小時(shí)，經(jīng)去離子水稀釋洗滌，微孔濾膜抽濾，反復(fù)洗滌多次至濾液為中性，在溫度為25～150℃下真空干燥1～48小時(shí)，得到純化的碳納米管；

(2)?將1～1×10²g干燥的碳纖維和強(qiáng)氧化性酸1～1×10⁴mL混合，在1~120kHz超聲波下處理0.1～12小時(shí)，然后加熱到25～120℃，攪拌并回流反應(yīng)0.2～12小時(shí)，經(jīng)去離子水洗滌，濾紙抽濾，反復(fù)洗滌多次至濾液呈中性，在25～150℃溫度下真空干燥1～48小時(shí)，得到酸化的碳纖維；

(3)將步驟(1)中得到的純化碳納米管0.1～1×10g和強(qiáng)氧化性酸1～1×10³mL混合，在1~120kHz超聲波下處理0.1～80小時(shí)，然后加熱到25～120℃，攪拌并回流反應(yīng)1～80小時(shí)，經(jīng)去離子水稀釋洗滌，超微孔濾膜抽濾，反復(fù)洗滌多次至濾液呈中性，在25～200℃溫度下真空干燥1～48小時(shí)，得到酸化的碳納米管；

(4)將步驟(3)所得酸化的碳納米管0.1～1×10g、二元胺或多元胺1～1×10³g、有機(jī)溶劑1～1×10³mL和縮合劑0.1～1×10g混合，以1~120kHz超聲波處理0.1～96小時(shí)，在25～220℃溫度下反應(yīng)1～96小時(shí)，抽濾并反復(fù)洗滌，在25~200℃溫度下真空干燥1～48小時(shí)，得到胺基化的碳納米管；