[發明專利]碳纖維表面的電化學改性處理方法

無效

• 申請號: 201110351444.6
• 申請日: 2011-11-05
• 公開（公告）號: CN102505449A
• 公開（公告）日: 2012-06-20
• 發明（設計）人: 呂春祥;吳剛平;李登華;安鋒;郭金海
• 申請（專利權）人: 中國科學院山西煤炭化學研究所
• 主分類號: D06M10/06
• 分類號: D06M10/06;C25D11/02
• 代理公司: 太原市科瑞達專利代理有限公司 14101
• 代理人: 劉寶賢

技術領域

本發明屬于碳纖維的表面處理領域，具體涉及一種碳纖維的電化學改性處理方法。

背景技術

自從1991年，Iijima報道發現碳納米管以來，碳納米管是納米功能材料領域研究的熱點。碳納米管因其獨特的結構、電學、光學、磁學性能和機械性能在許多領域具有廣泛的應用前景。目前，將碳納米管與傳統的碳纖維材料相結合，可在保持傳統碳纖維優異力學性能的同時，賦予其新的力學、光學、電學等性能，已成為目前國內外研究的熱點。趙建國等人報道了利用熱氣相增長的方法在碳纖維表面生長碳納米管的方法(“Growth?of?carbon?nanotubes?on?thesurface?of?carbon?fibers”，Carbon，Vol?46，365-389)。由于該方法需要使用高溫和金屬催化劑，導致碳纖維的力學性能顯著下降，且工藝過程復雜，不易實現工業化。Thostenson等利用電泳沉積的方法在經環氧樹脂上漿后的碳纖維表面沉積碳納米管(”Carbon?nanotube/carbon?fiber?hybrid?multiscalecomposites”.J?Appl?Phys?2002；91：6034-7)。該方法要求碳纖維表面必須用環氧樹脂上漿才可實現碳納米管沉積，且沉積過程難以控制(例如，由于空間位置效應引起的沉積不均勻難以有效避免)，同樣難以實現工業化。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的缺點，提供一種簡單實用、可工業化的碳纖維表面的電化學改性處理方法。

本發明是利用電化學方法施加一電壓，或者通入一定強度的電流對碳纖維材料進行改性處理，使碳纖維表面接枝羧基修飾后的碳納米管，能在保持碳纖維自身的拉伸強度的同時實現碳纖維表面有效接枝碳納米管。

本發明的目的通過以下技術方案來實現：

(1)碳納米管的修飾：將碳納米管采用硝酸、硫酸化學氧化方法或電化學方法進行修飾，具體地修飾方法見Ziegler?KJ，Gu?Z，Peng?H，Flor?EL，HaugeRH，Smalley?RE.Controlled?oxidative?cutting?of?single-walled?carbonnanotubes.J?Am?Chem?Soc?2005，127(5)：1541-1547；Bahr?JL，Yang?J，Kosynkin?DV，Bronikowski?MJ，Smalley?RE，Tour?JM.Functionalization?ofcarbon?nanotubes?by?electrochemical?reduction?of?aryl?diazonium?salts：a?bucky?paper?electrode.J?Am?Chem?Soc?2001，123(27)：6536-6542；

(2)將修飾后的碳納米管溶于乙醇、乙腈、二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亞砜(DMSO)、四氫呋喃、啡啉、四氯化碳、啡啉、石油醚、丙酮、氯仿或水中，采用超聲波或攪拌形成均勻分散的乳液或懸濁液，最好選擇超聲波分散方式，制備成含碳納米管的濃度范圍為0.01-10mg/mL的電解質溶液，最好是0.1-5mg/mL；濃度低于0.01mg/mL時，改性效果不佳；濃度高于10mg/mL時，碳纖維表面的改性難以有效控制；

當電解質溶液為水溶液時，水溶液的PH值應用堿溶液進行調整，電解質溶液的PH值應控制在6.0-12.0范圍內，最好控制在6.5-10.0之間。PH值低于6.0時，改性效果不佳；PH值高于12.0時，碳纖維表面的碳納米管接枝密度降低。

(3)在含碳納米管電解質溶液中，以碳纖維作為陽極電極，導電金屬或石墨材料作為陰極電極，電解質溶液溫度控制在20-80℃之間，采用電化學方法對碳纖維電極施加電壓或者電流，然后進行清洗并干燥。

所述含碳納米管電解質溶液的溫度最好控制在30-60℃之間。溫度低于20℃時，改性效果不佳；溫度高于80℃時，碳纖維表面的碳納米管密改性難以有效控制。

所述的步驟(3)電化學方法為在兩電極中，采用電化學儀器控制碳纖維電極上的電壓和電流輸出，包括恒電位法、循環伏安法或恒電流法。

所述的對碳纖維電極施加電壓為0.5-10V恒電壓，處理3分鐘-3小時；或者施加電流為0.5-30mA，恒電流處理3分鐘-3小時；或者采用循環伏安法使電壓在0.3-5V之間，使用不同掃描速率處理碳纖維。

所述的步驟(3)的清洗和干燥是可先清洗后干燥，也可先干燥后清洗再干燥。

所述的碳納米管可以是單壁、多壁碳納米管或其混合物。