[發明專利]一種碳纖維表面化學接枝改性的方法

有效

• 申請號: 201310460902.9
• 申請日: 2013-09-30
• 公開（公告）號: CN103469534A
• 公開（公告）日: 2013-12-25
• 發明（設計）人: 孟令輝;馬麗春;范大鵬;于佳立;戚美微
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: D06L1/08
• 分類號: D06L1/08;D06M11/50;D06M11/65;D06L1/16;D06L1/02;D06M13/268;D06M13/144;D06M13/355;D06M13/332;D06M101/40
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 牟永林

技術領域

本發明涉及碳纖維表面改性的方法。

背景技術

碳纖維(CF)具有低密度，高比強度和比模量，耐高溫，耐化學腐蝕，導熱和導電性能優良，熱膨脹系數小等特點，是一種重要的復合材料增強體，碳纖維以及碳纖維復合材料在航空航天、國防軍工、機械制造等領域有廣泛的應用。

碳纖維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。通常要對碳纖維進行表面處理，改善其復合材料的界面粘結質量，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，但往往導致其力學性能的較大損失，并且操作繁瑣，不易實施。例如化學氧化中應用最廣泛的混酸氧化，使用濃硫酸和濃硝酸的混合物作為氧化劑，實驗危險性高，操作繁瑣，耗時長，纖維本體強度損失多在10%以上。

發明內容

本發明的目的是要解決現有碳纖維表面改性方法導致碳纖維力學性能損失大的問題，而提供的一種碳纖維表面化學接枝改性的方法。

一種碳纖維表面化學接枝改性的方法，具體是按以下步驟完成的：

一、清洗：

①將碳纖維放入裝有丙酮的索氏提取器中，在溫度為75℃～85℃的條件下使用丙酮清洗去除碳纖維表面的雜質，清洗時間為2h～8h，將清洗后的碳纖維取出，得到丙酮清洗后的碳纖維；

②將步驟一①得到的丙酮清洗后的碳纖維置于超臨界裝置中，在溫度為350℃～370℃和壓力為8MPa～14MPa的超臨界丙酮-水體系中浸泡20min～30min，所述超臨界丙酮-水體系中丙酮與水的體積比為5:1，得到去除環氧涂層后的碳纖維；

③將步驟一②得到的去除環氧涂層后的碳纖維置于索氏提取器中，在溫度為75℃～85℃的條件下使用丙酮清洗去除環氧涂層后的碳纖維，清洗時間為2h～4h；將清洗后的碳纖維取出，在溫度為70℃～80℃的條件下干燥2h～4h，得到干燥清洗后碳纖維；

二、氧化：

①將步驟一③得到的干燥清洗后碳纖維置于過硫酸鉀/硝酸銀混合水溶液中，加熱至60℃～80℃，并在溫度為60℃～80℃的條件下恒溫1h～2h，得到氧化后的碳纖維；所述的過硫酸鉀/硝酸銀混合水溶液中過硫酸鉀的濃度為0.1mol/L～0.2mol/L；所述的過硫酸鉀/硝酸銀混合水溶液中硝酸銀的濃度為0.0001mol/L～0.005mol/L；

②室溫條件下將步驟二①得到的氧化后的碳纖維在蒸餾水中浸泡5min～10min，將經蒸餾水中浸泡后的碳纖維取出，棄除蒸餾水；所述碳纖維的質量與蒸餾水的體積比為(0.001g～0.006g):1mL；

③重復步驟二②3次～5次，得到蒸餾水清洗后的氧化碳纖維；

④將步驟二③得到的蒸餾水清洗后的氧化碳纖維在溫度為70℃～80℃的條件下干燥2h～4h；

⑤將步驟二④得到的干燥后的氧化碳纖維置于裝有乙醇的索氏提取器中，在溫度為90℃～100℃的條件下使用乙醇清洗氧化碳纖維，清洗時間為2h～4h，得到乙醇清洗的氧化的碳纖維；

⑥將步驟二⑤得到的乙醇清洗的碳纖維在溫度為70℃～80℃的條件下干燥2h～4h，得到干燥的氧化碳纖維；

三、酰氯化：

①向干燥的反應瓶中裝入二氯亞砜/N,N-二甲基甲酰胺混合液，將步驟二⑥得到的干燥的氧化碳纖維放入反應瓶中，加熱至70℃～90℃，在溫度為70℃～90℃的條件下恒溫反應40h～50h，得到含有雜質的酰氯化的碳纖維；

②首先使用減壓蒸餾的方法將步驟三①得到的含有雜質的酰氯化的碳纖維中殘留的二氯亞砜除去，得到酰氯化的碳纖維，其次將得到的酰氯化的碳纖維在溫度為70℃～90℃的真空干燥箱中干燥2h～4h，最后將干燥的酰氯化的碳纖維放在干燥器中密封保存；

四、醇解：

①吡啶的無水處理：向吡啶中投入氫氧化鉀顆粒，得到吡啶溶液，將吡啶溶液密封后固定在旋轉式振蕩器上，設定振蕩頻率為120r/min，旋轉振幅為30mm，振蕩時間為5min；將振蕩后的吡啶溶液靜止24h；靜止后取吡啶溶液的上清液進行精餾，在溫度為100℃～120℃之間收集餾分，得到無水吡啶溶液；