[發明專利]一種石墨烯和碳納米管原位生長共修飾增韌碳纖維的制備方法

有效

• 申請號: 201911135796.0
• 申請日: 2019-11-19
• 公開（公告）號: CN110886089B
• 公開（公告）日: 2022-01-07
• 發明（設計）人: 汪訓國;張羽豐;李孫平;周燚平
• 申請（專利權）人: 杭州超探新材料科技有限公司
• 主分類號: D06M11/65
• 分類號: D06M11/65;D06M11/55;D06M11/74;D06M101/40
• 代理公司: 杭州知見專利代理有限公司 33295
• 代理人: 趙越劍

本發明公開了一種石墨烯和碳納米管原位生長共修飾增韌碳纖維的制備方法，包括以下步驟：（1）碳纖維超聲清洗；（2）碳纖維預氧化；（3）預氧化的碳纖維表面生長多孔石墨烯，得表面生長多孔石墨烯的碳纖維；（4）表面生長多孔石墨烯的碳纖維表面原位生長碳納米管，得到石墨烯/碳納米管共修飾增韌碳纖維材料。本發明通過在碳纖維表面刻蝕生長多孔石墨烯，一方面為碳納米管的生長提供了活性位點，解決了碳纖維表面活性位點少，不易于生長碳納米管的難題，一方面也提高了纖維力學性能。

技術領域

本發明涉及碳纖維生產技術領域，特別涉及一種石墨烯和碳納米管原位生長共修飾增韌碳纖維的制備方法。

背景技術

碳纖維是由碳元素組成的一種特種纖維。具有耐高溫、抗摩擦、導電、導熱及耐腐蝕等特性，是復合材料理想的增強體。但是碳纖維表面屬于石墨亂層結構，微晶有序取向，惰性大，不易與樹脂基體結合，導致其增強復合材料的界面粘結性能差，難以實現碳纖維增強相的增強作用。另一方面，由于環氧固化過程中形成的高度交聯三維網狀結構基體的固有脆性，導致其存在韌性不足，剪切強度低，易斷裂，易分層以及抗沖擊損傷能力較低等問題，一直阻礙著高性能碳纖維復合材料的應用。因此，對碳纖維進行適當的表面改性，增加纖維的比表面積、粗糙度和引入活性官能團，改善碳纖維復合材料的分層抵抗能力和剪切斷裂韌性具有非常重要的意義。

傳統的碳纖維改性方法，如在表面包覆氧化石墨烯、石墨烯、碳納米管等，其主要工藝手段有溶液浸漬法、表面涂層法、電泳沉積法、化學氣相沉積法等。

①傳統碳纖維表面潤濕性差，不易與樹脂基體結合以及剪切強度等力學性能不足；

②碳纖維表面活性位點較少，不易于碳納米管的生長，需要進行表面處理；

③碳纖維表面生長碳納米管常用的溶液浸漬法、表面涂層法等方法中，存在的主要問題是：催化劑顆粒向碳纖維內部擴散，破壞了碳纖維表面的微晶結構，是缺陷增大增多，導致力學強度降低；另外，兩者之間為物理結合，結合力較小，易脫落，同時應力傳遞能力較弱，對碳纖維力學性能改善效果有限。

CN 103225203 A公開了一種碳纖維- 氧化石墨烯- 碳納米管多尺度增強體的制備方法，碳纖維表面經氧化石墨烯涂覆改性后原位生長碳納米管，制備多尺度增強體。其存在的不足之處在于：氧化石墨烯通過浸漬法包覆在碳纖維上再生長碳納米管，這樣氧化石墨烯與碳纖維的結合力較弱，導致氧化石墨烯和碳納米管易脫落；其采用加工氧化石墨烯后再表面生長碳納米管，這樣的方式碳納米管生長的活性位點少，不利于碳納米管的生長。通過在硝酸鎳溶液中浸泡加載碳納米管生長的催化劑，而會導致催化劑滲入碳纖維材料導致強度降低。

發明內容

本發明的目的在于提供一種石墨烯和碳納米管原位生長共修飾增韌碳纖維的制備方法。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種石墨烯和碳納米管原位生長共修飾增韌碳纖維的制備方法，包括以下步驟：

（1）碳纖維依次在水、丙酮、異丙醇、乙醇中超聲清洗；

（2）將超聲清洗后的碳纖維在硝酸和硫酸的混合溶液中浸漬0.5-1小時預氧化，清洗、烘干后得到預氧化的碳纖維；

（3）將所得的預氧化的碳纖維卷繞固定在石墨支架上，放入化學氣相沉積反應爐，在Ar氛圍保護下加熱到800-1000℃，按一定流速通入H₂進行表面刻蝕，刻蝕時間為5-10min，在Ar氛圍下冷卻，得到表面生長多孔石墨烯的碳纖維；

（4）表面生長多孔石墨烯的碳纖維在化學氣相沉積反應爐中加熱到700-800℃，將預先配置好的碳納米管合成前驅體有機溶液通過霧化器從化學氣相沉積反應爐腔體上方進料，以Ar和H₂的混合氣為載氣，反應爐腔體溫度控制在700-800℃進料反應30-90 min，在生長多孔石墨烯的碳纖維表面生長碳納米管，冷卻后制備得到石墨烯/碳納米管共修飾增韌碳纖維材料。