[發明專利]改性碳纖維、改性碳纖維增強環氧樹脂復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202010579327.4
• 申請日: 2020-06-23
• 公開（公告）號: CN111719311B
• 公開（公告）日: 2021-05-11
• 發明（設計）人: 楊沖沖;朱丹丹;孔思予;王新瑞;肖偉;鄭震;王新靈
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: D06M13/335
• 分類號: D06M13/335;D06M15/61;D06M14/36;C08J5/06;C08L63/00;C08K9/04;C08K7/06;D06M101/40
• 代理公司: 上海智晟知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31313
• 代理人: 林高鋒

本申請涉及一種改性碳纖維、制備該改性碳纖維的方法、具有界面自修復性能的改性碳纖維增強環氧樹脂復合材料以及制備該改性碳纖維增強環氧樹脂復合材料的方法。本文所述的改性碳纖維增強環氧樹脂復合材料具有修復條件簡便、易實現，修復成本較低，可多次修復等優點，可有效延長碳纖維增強環氧樹脂復合材料的使用壽命。

技術領域

本發明涉及復合材料技術領域，具體涉及一種改性碳纖維、制備該改性碳纖維的方法、具有界面自修復性能的改性碳纖維增強環氧樹脂復合材料以及制備該改性碳纖維增強環氧樹脂復合材料的方法。

背景技術

碳纖維增強環氧樹脂復合材料具有比強度高、抗疲勞、比模量高、耐化學腐蝕、可設計性強、熱膨脹系數小、結構尺寸穩定等優點。作為一種新型的高性能復合材料，碳纖維增強環氧樹脂復合材料可以滿足特殊領域對重量、強度、剛度、耐疲勞性、尺寸穩定性等的嚴格要求。目前碳纖維增強環氧樹脂復合材料已廣泛應用于航空航天、汽車、交通、能源、建筑、醫療器械、電子電器等領域。作為一種兩相復合材料，碳纖維和環氧樹脂之間存在著數量及面積龐大的界面相。界面相直接關系到材料內部應力、電、磁、熱等的傳遞和擴散，對復合材料的整體性能起著重要、甚至決定性的作用。

碳纖維增強環氧樹脂復合材料在長期服役過程中，受服役條件影響，易發生內部分層等不同形式的破壞。這些破壞大多起源于材料界面結構處產生的微裂紋。這些界面微裂紋的生長、擴展和匯合將導致復合材料機械、導電、導熱、電磁屏蔽等性能的下降，進而影響復合材料的服役壽命。因此，界面微裂紋的修復、微裂紋生長的抑制已成為復合材料應用過程中亟待解決的問題。

近年來，國內外研究人員已經就碳纖維復合材料界面微裂紋的修復從不同角度展開了研究。公開號為CN103113745A的中國專利申請披露了將金納米粒子引入碳纖維/聚醚砜復合材料界面，利用金納米粒子的離子體子共振效應對復合材料界面進行修復。然而該修復方法是以特定波長、光強的光為驅動，顯然對大尺寸復合材料內部存在的界面微裂紋的修復效果將無能為力。然而，國內對碳纖維復合材料界面微裂紋修復的研究少見報道。

發明內容

本申請之目的在于提供一種可用于制備具有界面自修復性能的碳纖維增強環氧樹脂的改性碳纖維，從而解決上述技術問題。

本申請之目的還在于提供一種制備如上所述的改性碳纖維的方法。

本申請之目的還在于提供一種具有界面自修復性能的改性碳纖維增強環氧樹脂復合材料。

本申請之目的還在于提供一種制備如上所述的改性碳纖維增強環氧樹脂復合材料的方法。

具體來說，本申請通過碳纖維表面改性的方法將熱可逆的Diels-Alder共價鍵引入碳纖維增強環氧樹脂復合材料界面區域，制備出具有界面自修復性能的碳纖維增強環氧樹脂復合材料。本發明以多巴胺、聚乙烯亞胺、呋喃酰氯、雙馬來酰亞胺為原料，制備得到接枝雙馬來酰亞胺環的碳纖維，然后將碳纖維與2-呋喃甲酰胺、環氧樹脂復合制備得到具有界面自修復性能的碳纖維增強環氧樹脂復合材料，并通過兩步加熱過程實現界面微裂紋的自修復。本發明要解決傳統碳纖維增強環氧樹脂基復合材料界面微裂紋擴展導致材料性能下降、甚至失效的問題，具有修復條件簡便、易實現，修復成本較低，可多次修復等優點，可有效延長碳纖維增強環氧樹脂復合材料的使用壽命。

為了解決上述技術問題，本申請提供以下技術方案。

在第一方面中，本申請提供一種制備改性碳纖維的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：

S1：將碳纖維在第一混合溶液中于室溫下浸泡18-30小時，干燥后得到胺基功能化的碳纖維，其中所述第一混合溶液通過混合緩沖溶液、多巴胺和聚乙烯亞胺得到；

S2：將所述胺基功能化的碳纖維預先在第二混合溶液中浸泡，然后向第二混合溶液中滴加含酰氯基團的雙烯體的無水溶液，在30～60℃的溫度下持續反應6～12小時，干燥后得到接枝雙烯體的碳纖維，其中所述第二混合溶液通過混合無水溶劑、縛酸劑和催化劑得到；