[發明專利]一種氧化石墨烯接枝碳纖維增強體的制備方法

有效

• 申請號: 201110225724.2
• 申請日: 2011-08-08
• 公開（公告）號: CN102409528A
• 公開（公告）日: 2012-04-11
• 發明（設計）人: 宋英;孫秋;王福平;劉秀影
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: D06M11/74
• 分類號: D06M11/74;C08L63/00;C08K9/02;C08K7/06;C08K3/04;D06M101/40
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 韓末洙

技術領域

本發明涉及一種氧化石墨烯接枝碳纖維增強體的制備方法。

背景技術

碳纖維(CF)是20世紀50年代后發展起來的一種重要增強材料。其復合材料的力學性能與碳纖維和基體的界面粘結強度密切相關。良好的界面結合可以有效地傳遞載荷，從而提高材料的力學性能。但是，未經處理的碳纖維表面惰性大，與樹脂基體的界面結合較弱，從而影響了碳纖維復合材料優異性能的充分發揮。因此，通常要對碳纖維進行表面處理，改善其復合材料的界面粘接質量，從而提高材料的界面力學性能。常用的碳纖維表面改性方法主要有化學氣相沉積法、化學氧化及化學接枝等，這些方法都能不同程度地增加碳纖維的表面極性或比表面積，提高其與樹脂之間的界面性能。但是，傳統的碳纖維表面改性方法也存在著工藝條件、技術設備要求苛刻，工藝時間長，過程有毒害，難以工業化批量生產等問題。氧化石墨烯具有良好的力學性能，其制備簡單，分散性好，且表面具有豐富的官能團，但其對碳纖維表面的改性研究卻鮮有報道。

發明內容

本發明的目的是為了解決現有碳纖維表面改性方法工藝條件苛刻，工藝時間長，工藝過程有毒害，難以工業化生產的問題，本發明提供了一種氧化石墨烯接枝碳纖維增強體的制備方法。

本發明的氧化石墨烯接枝碳纖維增強體的制備方法是通過以下步驟實現的：一、將碳纖維進行酸化處理，得酸化碳纖維；二、將酸化碳纖維與質量百分比濃度為1％的聚酰胺-胺(PAMAM)甲醇溶液混合得混合液，然后將混合液升溫至20℃～50℃，再恒溫反應4～12h，然后將酸化碳纖維取出后依次用甲醇洗滌2～5次和水洗滌2～5次，再在40～60℃下真空干燥至恒重，得聚酰胺-胺修飾的碳纖維，其中酸化碳纖維與聚酰胺-胺的質量比為0.1～4∶1；三、將氧化石墨烯加入丙酮溶液中，超聲處理20～60min，得氧化石墨烯濃度為0.01～1g/L的氧化石墨烯丙酮懸濁液；四、將步驟二制備得到的聚酰胺-胺修飾的碳纖維加入步驟三制備得到的氧化石墨烯丙酮懸濁液中得混合液，然后將混合液升溫至60～100℃，再恒溫反應6～12h，然后過濾，將過濾得的沉淀物依次用丙酮和去離子水交替洗滌3～6次，再將洗滌后的沉淀物在40～60℃下真空干燥至恒重，得氧化石墨烯接枝碳纖維增強體；其中步驟四中控制氧化石墨烯與聚酰胺-胺修飾的碳纖維的質量比為1∶1.5～9。

本發明步驟一中采用現有公開方法對碳纖維進行酸化處理即可。例如，本發明可采用如下方法對碳纖維進行酸化處理：按碳纖維與濃硝酸的比例為1g∶350ml，將碳纖維加入濃硝酸中，然后在70℃～90℃的恒溫條件下反應1～3h后，取出碳纖維，洗滌至洗滌液pH值為7左右，再于80℃、-0.1MPa條件下干燥2～6h，即得酸化的碳纖維。

本發明步驟三中采用的氧化石墨烯是利用現有公開方法制備得到的，例如，本發明可采用如下方法制備氧化石墨烯：a、將濃硫酸加入反應器中，然后在攪拌狀態下，再將石墨粉和硝酸鈉加入反應器中得混合物A，然后將混合物A在0℃的條件下攪拌反應20～40min，然后再向反應器中加入高錳酸鉀得混合物B，其中，濃硫酸體積和硝酸鈉質量的比例為18～24mL∶1g，石墨粉和硝酸鈉的質量比為2∶1，高錳酸鉀與硝酸鈉的質量比為6∶1；b、將混合物B在30～40℃下恒溫攪拌反應20～40min后得混合物C，然后再向混合物C中滴加30～40℃的溫水稀釋至體積為混合物C的2.8～3.5倍，然后升溫至90～100℃，然后恒溫反應50～90min，得混合物D；c、將混合物D用30～40℃的溫水稀釋至體積為步驟a中濃硫酸體積的5.8～8倍，再加入質量百分比濃度為30％的H₂O₂，攪拌均勻得混合物E，然后將混合物E抽濾并用去離子水洗滌至濾液呈中性，再將沉淀物在40～60℃真空條件下干燥5～8h，得氧化石墨，其中，加入的30％的H₂O₂的體積與步驟a中硝酸鈉質量的比例為4mL∶1g；d、將步驟c得到的氧化石墨置于乙醇溶液中，超聲分散50～90min，得氧化石墨烯的溶膠，再將氧化石墨烯的溶膠于40～60℃真空條件下干燥5h后，即可獲得氧化石墨烯。其中步驟a中加入高錳酸鉀時要控制高錳酸鉀的加入速度，勿使反應器內的溫度上升過快。

本發明的氧化石墨烯接枝碳纖維增強體是將氧化石墨烯接枝至聚酰胺-胺修飾的碳纖維上得到的。