[發(fā)明專利]一種基于氧化石墨烯的碳纖維表面處理劑及其處理方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711499165.8
• 申請日: 2017-12-31
• 公開（公告）號: CN108049184A
• 公開（公告）日: 2018-05-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 胡曉蘭;代少偉;白華;張瑩;王菁菁
• 申請（專利權(quán)）人: 廈門大學(xué)
• 主分類號: D06M15/55
• 分類號: D06M15/55;D06M11/74;C08J5/06;C08J5/04;D06M101/40
• 代理公司: 廈門南強(qiáng)之路專利事務(wù)所(普通合伙) 35200
• 代理人: 馬應(yīng)森

一種基于氧化石墨烯的碳纖維表面處理劑及其處理方法，涉及碳纖維的表面處理。基于氧化石墨烯的碳纖維表面處理劑按質(zhì)量比的組成為環(huán)氧樹脂100、丙酮50～200、氧化石墨烯0.05～5。以碳纖維為原料，經(jīng)過含有特定氧官能團(tuán)含量和分散層數(shù)的氧化石墨烯的溶液型碳纖維表面處理劑二次上漿制得。在碳纖維原有上漿處理基礎(chǔ)上，通過對碳纖維的表面進(jìn)行類似二次上漿的表面處理方法，使碳纖維表面形成一層氧化石墨烯/環(huán)氧樹脂處理劑層，達(dá)到增強(qiáng)碳纖維與樹脂基體之間的界面粘結(jié)性能的目的，從而得到一種操作方便、設(shè)備簡單、適合工業(yè)化生產(chǎn)的碳纖維表面處理方法與碳纖維及其制品。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及碳纖維的表面處理，尤其是涉及一種基于氧化石墨烯的碳纖維表面處理劑及其處理方法。

背景技術(shù)

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有突出的輕質(zhì)、高比強(qiáng)、高比剛及優(yōu)異的疲勞強(qiáng)度、環(huán)境穩(wěn)定性能，并擁有全新的整體設(shè)計(jì)、整體制造等技術(shù)優(yōu)勢等，備受國內(nèi)外航空航天工業(yè)以及民用領(lǐng)域的青睞。然而由于碳纖維本身結(jié)構(gòu)的原因，碳纖維的表面活性很低，與樹脂基體之間形成的界面粘接較弱，這影響了碳纖維樹脂基復(fù)合材料的整體力學(xué)性能，尤其是材料的層間韌性、橫向拉伸性能和濕熱性能。碳纖維在經(jīng)過高溫碳化或石墨化處理后，需要通過上漿工藝以增加其表面活性，改善碳纖維和樹脂基體的界面粘接性能。然而，經(jīng)過上漿處理后的碳纖維與樹脂基體形成的界面依然是此類復(fù)合材料的弱點(diǎn)所在，尤其是國產(chǎn)碳纖維情況尤甚。因此在碳纖維的上漿處理基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行進(jìn)一步的表面處理，仍然是碳纖維樹脂基復(fù)合材料的研究重點(diǎn)。

石墨烯具有獨(dú)特的二維片層結(jié)構(gòu)和突出的物理化學(xué)性能，基于石墨烯開展了碳纖維/石墨烯/樹脂復(fù)合材料方面的眾多相關(guān)研究，尤其是針對具有優(yōu)異工藝性能和綜合性能的環(huán)氧樹脂基體。然而，由于石墨烯表面活性低，直接應(yīng)用石墨烯于環(huán)氧樹脂中[宣善勇等，中國發(fā)明專利，申請?zhí)?01310413596.3]，會(huì)影響其在環(huán)氧樹脂中的分散性，亦不利于和環(huán)氧樹脂/碳纖維之間的相互連接。為了提高石墨烯和樹脂基體、纖維之間的相互作用，通常需要對石墨烯進(jìn)行接枝官能團(tuán)處理[趙東林等，中國發(fā)明專利，申請?zhí)?01610339876.8]，或者對碳纖維進(jìn)行酸化等處理[楊桂生等，中國發(fā)明專利，申請?zhí)?01310382688.X]，以增加石墨烯和樹脂基體、碳纖維之間的相互反應(yīng)活性。但這些方法因?yàn)樾枰獙κ┗蛱祭w維進(jìn)行活化處理，增加了工藝難度和成本。

氧化石墨烯是石墨烯家族中的重要一員，雖然不如石墨烯結(jié)構(gòu)規(guī)整，力學(xué)性能較石墨烯稍低，但其結(jié)構(gòu)中擁有數(shù)量不等的含氧基團(tuán)，使其能與有機(jī)的樹脂基體產(chǎn)生非常良好的物理吸附和化學(xué)反應(yīng)。沈小軍等[沈小軍等，中國發(fā)明專利，申請?zhí)?01710083562.0]利用氧化石墨烯自然沉降實(shí)現(xiàn)將其取向地分布于碳纖維與環(huán)氧樹脂層之間，使氧化石墨烯在碳纖維表面形成了一層致密的氧化石墨烯隔離膜，從而獲得一種取向氧化石墨烯改性碳纖維復(fù)合材料。但氧化石墨烯隔離膜與碳纖維之間單純只靠物理吸附作用，環(huán)氧樹脂無法浸潤，會(huì)影響復(fù)合材料的整體力學(xué)性能。安加?xùn)|等人[安加?xùn)|等，中國發(fā)明專利，申請?zhí)?01510523168.5]將碳纖維表面進(jìn)行氨基化處理后，再接枝氧化石墨烯，以此來提高復(fù)合材料的整體力學(xué)性能。但此法因需對碳纖維進(jìn)行氨基化、接枝氧化石墨烯等處理，增加工藝難度和成本。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種基于氧化石墨烯的碳纖維表面處理劑及其處理方法。

所述基于氧化石墨烯的碳纖維表面處理劑按質(zhì)量比的組成為：環(huán)氧樹脂100、丙酮50～200、氧化石墨烯0.05～5。

所述環(huán)氧樹脂可選自單組份中高溫樹脂，室溫儲(chǔ)存時(shí)間≧6個(gè)月。

所述基于氧化石墨烯的碳纖維表面處理劑的處理方法，包括以下步驟：

1)制備碳纖維表面處理劑；

在步驟1)中，所述制備碳纖維表面處理劑的具體方法可為：