[發明專利]一種碳纖維表面改性的方法

有效

• 申請號: 201810435940.1
• 申請日: 2018-05-09
• 公開（公告）號: CN108642882B
• 公開（公告）日: 2020-02-11
• 發明（設計）人: 呂永根;姚莉麗;張為蘇;張錦財;郭玉花
• 申請（專利權）人: 東華大學;亞東工業(蘇州)有限公司
• 主分類號: D06M15/55
• 分類號: D06M15/55;D06M15/51;D06M15/41;D06M15/423;D06M15/564;D06M15/643;D06M10/10;D06M101/40
• 代理公司: 31303 上海統攝知識產權代理事務所(普通合伙)
• 代理人: 金利琴

本發明涉及一種碳纖維表面改性的方法，將表面包覆熱固性樹脂上漿劑的碳纖維進行低溫熱處理，使得表面包覆熱固性樹脂上漿劑的碳纖維表面富含羧基；羧基與表面C?C鍵摩爾含量的比值為2～30％；低溫熱處理是指在250～350℃保溫0.5～15min；低溫熱處理是在氧化性氣氛中進行；氧化性氣氛為氧化性氣體環境或氧化性氣體與惰性氣體的混合氣體環境，混合氣體環境中氧化性氣體的體積比大于等于5％。本發明的改性方法，熱處理溫度低、能耗小、處理效果好，處理后表面獲得富含可與熱塑性樹脂基體反應的羧基，有利于碳纖維與熱塑性樹脂基體的化學鍵合，大幅提升了碳纖維與熱塑性基體的界面性能，極具應用前景。

技術領域

本發明屬于碳纖維改性領域，涉及一種碳纖維表面改性的方法。

背景技術

由于碳纖維增強熱塑性樹脂(CFRTP)基復合材料具有成型快、可回收、易修復、成本低、耐極限疲勞性能優異和預浸料存放條件簡單的優點，其在航空航天、汽車和體育休閑等領域得到了廣泛應用。近年來高性能熱塑性樹脂的快速發展，也加速了CFRTP基復合材料的發展。

相比于碳纖維增強熱固性樹脂復合材料，CFRTP基復合材料的市場占有率還相當低，這主要是因為熱塑性樹脂復合材料所用碳纖維原料較為局限。目前碳纖維增強熱固性樹脂復合材料多為環氧樹脂上漿劑，但涂覆有這類熱固性樹脂的碳纖維進行熱塑性樹脂增強時存在以下問題：

(1)碳纖維與大多數熱塑性樹脂相容性差或不相容。環氧樹脂上漿劑不與這些熱塑性聚合物發生化學反應，導致其復合材料層間剪切強度低；

(2)熱固性環氧樹脂上漿劑的成型溫度低于250℃，超過250℃環氧樹脂上漿劑會降解生成氣體，在復合材料表面形成細小微孔，導致復合材料成型失敗；

(3)涂覆有環氧樹脂上漿劑的碳纖維進行熱塑性樹脂增強后在高溫下長期使用，界面往往會產生空隙和分層，導致復合材料界面性能下降嚴重。

目前對碳纖維進行熱塑性樹脂增強可行的辦法是對涂覆有熱固性樹脂的碳纖維脫漿。脫漿的方法有溶劑法和燒蝕法，前者需要大量溶劑，后者會產生大量焦油，不僅污染環境，而且去漿后碳纖維會產生大量的毛絲、斷絲，從而降低了碳纖維的品質。此外，退漿的高溫過程會使碳纖維上通過陽極氧化手段獲得的含氧官能團脫除，不利于碳纖維與樹脂基體的浸潤和界面結合。解決熱塑性樹脂用碳纖維的根本出路是改變碳纖維上漿劑的相容性，使其與熱塑性樹脂相容。

Yi等人(Composites:Part A,2016,87,212-219)采用改性的熱塑性酚氧基樹脂作為上漿劑，在商業化碳纖維上進行二次上漿，處理后的碳纖維增強尼龍6復合材料層間剪切強度提高了20.4％，指出上漿劑中含有的酯基與熱塑性基體發生了酯交換，形成了新的化學鍵合作用，從而提高了碳纖維與熱塑性樹脂的界面性能。但是該方法對碳纖維進行兩次上漿，上漿量高達5.2～7.5％，大大增加了碳纖維絲束間的集束性，不利于與熱塑性樹脂基體間的浸潤性；其次熱塑性上漿劑本身的可反應基團活性低，與碳纖維間的界面結合力弱，導致了該熱塑性上漿劑對碳纖維增強熱塑性樹脂界面性能提高較小。

Ma等人(Applied surface science:2016,379,199-205)將表面包覆熱固性環氧樹脂的碳纖維在200℃下真空處理2h，其增強環氧樹脂復合材料界面性能下降，這是由于真空熱處理碳纖維，促使碳纖維在與樹脂基體成型前，碳纖維上的上漿劑自身發生了交聯反應，從而減少了碳纖維與熱固性樹脂基體成型中的化學反應基團。這說明真空加熱處理會促使碳纖維上可反應基團的降低，更不利于與反應活性低的熱塑性樹脂基體界面結合。

對未上漿的碳纖維進行氧化熱處理，再應用于增強熱固性樹脂或熱塑性樹脂的研究已相當成熟。