[發(fā)明專利]一種對(duì)碳纖維進(jìn)行表面改性的方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310567775.2
• 申請(qǐng)日: 2013-11-15
• 公開（公告）號(hào): CN103572591A
• 公開（公告）日: 2014-02-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馮嘉春;陳樹生
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 復(fù)旦大學(xué)
• 主分類號(hào): D06M13/368
• 分類號(hào): D06M13/368;D06M13/224;D06M13/328;D06M13/252;D06M15/61;D06M15/53;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)明屬于表面改性技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種對(duì)碳纖維進(jìn)行表面改性的方法，其核心是使用含兒茶酚結(jié)構(gòu)的物質(zhì)作為表面改性劑，在一定條件下包覆于碳纖維表面，進(jìn)而改變碳纖維表面特性的方法。使用含兒茶酚結(jié)構(gòu)的物質(zhì)進(jìn)行表面改性后，還可根據(jù)需要進(jìn)一步利用其它化學(xué)物質(zhì)進(jìn)一步對(duì)碳纖維進(jìn)行表面改性。該改性方法的特點(diǎn)操作簡(jiǎn)便、效果顯著，且通過簡(jiǎn)單的操作便能針對(duì)特定基體進(jìn)行有效改性，在碳纖維復(fù)合材料等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

背景技術(shù)

碳纖維作為一種高性能的纖維，其優(yōu)異性能主要表現(xiàn)為：比強(qiáng)度、比模量高的力學(xué)性能；抗疲勞、蠕變；耐高溫；熱膨脹系數(shù)小的熱力學(xué)性能；耐腐蝕的化學(xué)性能；良好導(dǎo)電性的電性能等；這些優(yōu)越性能是其它材料不能比擬的。碳纖維既作為結(jié)構(gòu)材料承載負(fù)荷，又可作為功能材料發(fā)揮作用，因此，在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

碳纖維既可以單獨(dú)使用，也可以作為增強(qiáng)體，以復(fù)合材料作為主要應(yīng)用形式，是先進(jìn)復(fù)合材料理想的增強(qiáng)體之一。在復(fù)合材料中加入碳纖維，可以大大提高產(chǎn)品強(qiáng)度、減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量、延長(zhǎng)使用壽命和增加安全可靠性。碳纖維復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于航空航天飛行器、風(fēng)力發(fā)電設(shè)備、汽車結(jié)構(gòu)件及文體器材如滑雪板、球拍等。

眾所周知，復(fù)合材料是一種多相材料，一般有兩種或兩種以上的組分，且其不同組元之間有著明顯界面的材料。在纖維增強(qiáng)基體復(fù)合材料中，影響材料力學(xué)性能的主要有三種因素：纖維、基體、纖維和基體之間的界面。其中，界面指跟基體有著明顯區(qū)別，具有一定的厚度，增強(qiáng)體與基體相接觸的一個(gè)新相。界面是連接基體與增強(qiáng)體之間的紐帶，也是傳遞外加載荷及其他信息的橋梁，其結(jié)構(gòu)直接影響材料松弛應(yīng)力的能力及損傷破壞的方式，對(duì)復(fù)合材料的強(qiáng)度、剛性、韌性等力學(xué)性能有舉足輕重的影響。

然而，碳纖維表面是無(wú)極性、高惰性、高結(jié)晶的石墨片層結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其與絕大部分聚合物基體的潤(rùn)濕性和相容性較差，不能形成有效的界面粘結(jié)，直接對(duì)復(fù)合材料的各項(xiàng)性能造成影響。為了提高碳纖維與基體的界面粘結(jié)性，往往需要對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理。

目前，碳纖維的表面處理方法主要有：氧化處理、等離子體處理、化學(xué)接枝處理、上漿處理等。但這些傳統(tǒng)的表面處理方法具有明顯的優(yōu)缺點(diǎn)。比如化學(xué)處理方法，能增加碳纖維表面的活性基團(tuán)，從而增強(qiáng)與基體的相互作用；但卻往往會(huì)對(duì)碳纖維造成損傷，降低其強(qiáng)度。物理上漿方法，能防止碳纖維在運(yùn)輸、加工過程發(fā)生起毛開叉，對(duì)其力學(xué)性能無(wú)影響，甚至?xí)兴岣?；但是，上漿法往往無(wú)法使碳纖維形成與基體強(qiáng)的化學(xué)相互作用。因此，通過一種高效簡(jiǎn)單的碳纖維表面改性方法，既能保留其本身強(qiáng)度，又能增加其表面活性，對(duì)制備碳纖維復(fù)合材料和碳纖維功能材料都具有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明涉及一種高效的碳纖維改性方法，其核心是使用含兒茶酚結(jié)構(gòu)的物質(zhì)作為表面改性劑，在一定條件下包覆于碳纖維表面，進(jìn)而改變碳纖維表面特性的方法。使用含兒茶酚結(jié)構(gòu)的物質(zhì)進(jìn)行表面改性后，還可根據(jù)需要進(jìn)一步利用其它化學(xué)物質(zhì)進(jìn)一步對(duì)碳纖維進(jìn)行表面改性。

本發(fā)明中的含兒茶酚結(jié)構(gòu)的改性劑，可以是多巴胺的鹽酸鹽，也可以是其他具有鄰二酚結(jié)構(gòu)的兒茶酚小分子衍生物，如腎上腺素、綠原酸等。兒茶酚結(jié)構(gòu)在堿性條件下(或者加熱條件)被空氣中的氧氣氧化成醌式結(jié)構(gòu)，同時(shí)，苯環(huán)結(jié)構(gòu)形成自由基，并發(fā)生自聚，包覆在碳纖維表面。一般是將碳纖維置于含兒茶酚類物質(zhì)(可以是單獨(dú)一種，也可以是多種含兒茶酚類物質(zhì)的混合物)的溶液中，在任何能使含兒茶酚類物質(zhì)發(fā)生聚合的條件下，使之發(fā)生聚合反應(yīng)包覆在碳纖維表面，從而改變碳纖維的表面性能。由于含兒茶酚類物質(zhì)聚合后通常為親水性，因此，通過含兒茶酚類物質(zhì)改性可使碳纖維表面親水性提高。

兒茶酚結(jié)構(gòu)在堿性條件下被氧化成醌式結(jié)構(gòu)，容易同氨基或巰基發(fā)生麥克爾加成或席夫堿反應(yīng)，因此，沉積包覆地碳纖維表面的兒茶酚類聚合物可以與十八胺、聚乙烯亞胺等帶有氨基的化合物以及十二烷基硫醇等帶有巰基的化合物反應(yīng)，進(jìn)一步改變碳纖維的表面性能。即可以在利用含兒茶酚類物質(zhì)改性的基礎(chǔ)上，以上述包覆在碳纖維表面聚含兒茶酚類物質(zhì)為平臺(tái)，利用其它化學(xué)物質(zhì)進(jìn)一步進(jìn)行改性。如碳纖維用含兒茶酚類物質(zhì)改性后，進(jìn)一步與含長(zhǎng)脂肪鏈的有機(jī)胺、有機(jī)硫醇等反應(yīng)，可以使碳纖維表面呈現(xiàn)親油性，也可以通過引入特定功能的基團(tuán)或物質(zhì)，賦予碳纖維各種特殊功能，抗菌、發(fā)光等。