[發(fā)明專利]一種基于一維納米材料凹凸結(jié)構(gòu)改性碳纖維及其制備方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110810178.2
• 申請(qǐng)日: 2021-07-18
• 公開（公告）號(hào): CN113417135A
• 公開（公告）日: 2021-09-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 武清;白換換;葉紫怡;朱建鋒
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 陜西科技大學(xué)
• 主分類號(hào): D06M11/44
• 分類號(hào): D06M11/44;D06M11/46;D06M11/74;D06M11/79;D06M15/05;D06M101/40
• 代理公司: 西安眾和至成知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 61249
• 代理人: 張震國(guó)

一種基于一維納米材料凹凸結(jié)構(gòu)改性碳纖維的制備方法。該方法包括：1)對(duì)碳纖維進(jìn)行去劑處理；2)配置一維納米材料分散液；3)碳纖維表面凹凸結(jié)構(gòu)改性處理；將碳纖維絲束均勻鋪放在濾膜上，并在垂直于碳纖維軸向的方向放置具有周期性間隙的模具，采用真空抽濾法將一維納米材料沉積在碳纖維絲束表面，再將沉積有一維納米材料的碳纖維絲束翻轉(zhuǎn)180°，重復(fù)上述步驟將一維納米材料沉積在碳纖維絲束另一表面，真空烘干得到一種基于一維納米材料凹凸結(jié)構(gòu)改性的碳纖維。本發(fā)明首次在碳纖維圓周表面構(gòu)筑凹凸結(jié)構(gòu)，利用本發(fā)明制備的基于一維納米材料凹凸結(jié)構(gòu)改性的碳纖維可使復(fù)合材料的界面粘結(jié)強(qiáng)度提高36.6％～104.3％。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于材料的表面與界面改性方法技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于一維納米材料凹凸結(jié)構(gòu)改性碳纖維及其制備方法。

背景技術(shù)

碳纖維復(fù)合材料具有高比模量、高比強(qiáng)度和低質(zhì)量等優(yōu)良性能，使其在航空航天、體育、建筑和醫(yī)療等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。但碳纖維表面惰性、化學(xué)活性基團(tuán)極少，與基體的潤(rùn)濕性差，使復(fù)合材料界面粘結(jié)弱，從而限制了其高性能的發(fā)揮。因此，碳纖維表面改性對(duì)擴(kuò)大碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用廣度和深度具有重要意義。

表面具有凹凸結(jié)構(gòu)的材料非常有利于增大其與其他材料的摩擦作用，若將其應(yīng)用于復(fù)合材料界面將很有希望提高界面的粘結(jié)強(qiáng)度。然而，表面凹凸結(jié)構(gòu)多見于平面材料，對(duì)于具有曲面或不規(guī)則表面的材料則較為少見，主要源于其較差的加工性能。碳纖維為具有圓周結(jié)構(gòu)的表面，已有的激光刻蝕法和等離子體轟擊法可以實(shí)現(xiàn)碳纖維表面凹凸結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑，然而兩種方法都會(huì)在纖維表面引入缺陷而降低纖維強(qiáng)度。因此，尋找一種不會(huì)降低纖維強(qiáng)度且簡(jiǎn)便易行的碳纖維表面凹凸結(jié)構(gòu)構(gòu)筑方法十分必要。

發(fā)明內(nèi)容

為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明公開一種基于一維納米材料凹凸結(jié)構(gòu)改性碳纖維及其制備方法，該方法可使碳纖維的圓周表面產(chǎn)生均勻分布的凹凸結(jié)構(gòu)，且該方法具有簡(jiǎn)便、綠色環(huán)保、高效和低成本的優(yōu)點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

1)碳纖維表面去劑處理；將碳纖維絲束置于丙酮溶液中冷凝回流，然后用去離子水清洗干凈，真空干燥備用；

2)配制一維納米材料分散液；將一維納米材料分散在水或有機(jī)溶劑中，攪拌使其分散均勻，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01％～5％的一維納米材料分散液；

3)碳纖維表面凹凸結(jié)構(gòu)改性處理；將步驟1)處理得到的碳纖維絲束均勻鋪放在濾膜上，在碳纖維絲束上沿垂直于碳纖維軸向的方向放置具有周期性均勻間隙的模具，真空抽濾一維納米材料分散液使其沉積在碳纖維絲束表面；然后取出模具，將碳纖維絲束翻轉(zhuǎn)180°，沿垂直于碳纖維軸向的方向具有周期性均勻間隙的模具，再真空抽濾一維納米材料分散液使其沉積在碳纖維絲束另一表面，真空干燥后得到基于一維納米材料凹凸結(jié)構(gòu)改性的碳纖維。

所述步驟(1)的碳纖維為長(zhǎng)碳纖維。

所述步驟1)中冷凝回流的溫度為80～100℃，時(shí)間為12～48h。

所述步驟2)中一維納米材料選自納米管、納米線或晶須中的一種，且其長(zhǎng)徑比＞10，直徑為1～120nm。

所述納米管為碳納米管；所述納米線為納米纖維素、氧化鋅納米線或二氧化鈦納米線；所述晶須為二氧化硅晶須。

所述步驟2)中的有機(jī)溶劑為丙酮、乙醇、四氫呋喃、二甲基甲酰胺、二氯甲烷、二甲苯、苯酚或醋酸乙酯。

所述步驟2)中的攪拌為磁力攪拌，攪拌轉(zhuǎn)速為200～800rpm/min，攪拌時(shí)間為30～120min。

所述步驟3)中模具間隙的寬度為10～500μm，模具間隙寬度＞一維納米材料的長(zhǎng)度，模具間隙間隔10～500μm。

所述步驟3)真空抽濾按一維納米材料分散體積(ml):濾膜直徑(cm)＝(0.1～8):1。