本發(fā)明屬于碳纖維改性，具體涉及一種改性碳纖維及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、碳纖維具有高比強(qiáng)度、高比模量、低熱膨脹系數(shù)以及高導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性等優(yōu)異的性能，一般用作先進(jìn)復(fù)合材料的增強(qiáng)體。碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料具有成型周期短、易加工、力學(xué)性能優(yōu)良和可回收等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸成為碳纖維復(fù)合材料的研究熱點(diǎn)之一。

2、然而，由于碳纖維表面呈現(xiàn)出化學(xué)惰性，在制備碳纖維/尼龍66（cf/pa66）復(fù)合材料時(shí)，cf與pa66樹脂之間的浸潤(rùn)性不佳，在使用過程中容易在界面薄弱處產(chǎn)生脫粘，這將會(huì)影響cf/pa66復(fù)合材料的力學(xué)性能。因此，需要通過對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理，進(jìn)一步提高cf/pa66復(fù)合材料的界面粘結(jié)強(qiáng)度，從而改善其力學(xué)性能。

3、專利申請(qǐng)cn103409985a公開了一種碳納米管負(fù)載碳纖維的制備方法，包括以下步驟：

4、（1）碳納米管的氧化處理；（2）碳納米管表面接枝處理；將氧化處理的碳納米管以及3-氨丙基三乙氧基硅烷偶聯(lián)劑加入到乙醇溶液中，攪拌處理，抽濾，干燥，得到接枝處理碳納米管；（3）碳纖維的氧化處理；（4）碳納米管負(fù)載碳纖維處理；將碳纖維和碳納米管加入到丙酮溶液中進(jìn)行超聲分散，滴加堿液至溶液為透明，取出碳納米管負(fù)載碳纖維，干燥，得到碳納米管負(fù)載碳纖維。該專利的制備方法需要先在碳納米管表面接枝3-氨丙基三乙氧基硅烷，并烘干，得到改性后的碳納米管，再在此基礎(chǔ)上接枝到碳纖維表面。然而該專利的制備方法卻存在諸多問題，例如制備過程周期較長(zhǎng)，且在接枝過程中使用了丙酮、koh等藥品，強(qiáng)酸強(qiáng)堿會(huì)對(duì)碳纖維本身強(qiáng)度造成不同程度的損害。

5、因此，有必要提出一種新的改性碳纖維制備方法，以期解決上述改性碳纖維制備過程中的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，提出一種改性碳纖維及其制備方法和應(yīng)用。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案：

3、一種碳纖維改性方法，將預(yù)氧化碳纖維、乙醇、kh550、pvp、碳材混合均勻至kh550、pvp、碳材聚集在預(yù)氧化碳纖維表面后，先固液分離（目的是防止下一步混合過程中聚集在預(yù)氧化碳纖維表面的kh550、pvp、碳材脫落），再向液體中加入水并混合均勻，再固液混合，再于50-80℃下加熱30-75min（在此過程中kh550發(fā)生水解反應(yīng)），再去除物理吸附在預(yù)氧化碳纖維表面的碳材（超聲30-75min、清洗、60-90℃下干燥）得到改性碳纖維，其中，預(yù)氧化碳纖維為經(jīng)過氧化處理的碳纖維，碳材為羧基化wmcnts或氧化石墨烯。

4、作為優(yōu)選的技術(shù)方案：

5、如上所述的一種碳纖維改性方法，乙醇與kh550體積比為5-10:1，碳材的質(zhì)量與乙醇、kh550、pvp、碳材的總體積之比為1-5mg:1ml，pvp的質(zhì)量與乙醇、kh550、pvp、碳材的總體積之比為2-8mg:1ml，預(yù)氧化碳纖維與碳材的質(zhì)量比為2-8:1。

6、如上所述的一種碳纖維改性方法，將預(yù)氧化碳纖維、乙醇、kh550、pvp、碳材混合均勻至kh550、pvp、碳材聚集在預(yù)氧化碳纖維表面是指將預(yù)氧化碳纖維加入乙醇、kh550、pvp、碳材的混合物中，先超聲30-75min，再于50-80℃下加熱30-75min。

7、如上所述的一種碳纖維改性方法，水的體積與預(yù)氧化碳纖維、乙醇、kh550、pvp、碳材的總體積之比為1:0.5-2。

8、如上所述的一種碳纖維改性方法，向液體中加入水并混合均勻是指向液體中加入水后超聲30-75min。

9、如上所述的一種碳纖維改性方法，預(yù)氧化碳纖維的制備過程為：首先將碳纖維加入k2s2o8（即過硫酸鉀）/agno3（即硝酸銀）水溶液中于60-100℃下水浴加熱45-75min，k2s2o8/agno3水溶液由k2s2o8、agno3和水組成，然后取出，水洗，最后加入乙醇中于90-120℃下回流加熱3-5h，取出，干燥，即得預(yù)氧化碳纖維，其中，回流是為了洗干凈碳纖維，乙醇的用量能完全洗滌碳纖維即可。

10、如上所述的一種碳纖維改性方法，k2s2o8/agno3水溶液中，k2s2o8與agno3質(zhì)量比為15:1-20:1，k2s2o8的濃度為0.05-0.1mol/l；碳纖維與k2s2o8/agno3水溶液的質(zhì)量比為1:10-40。

11、一種改性碳纖維，采用如上任一項(xiàng)所述的一種碳纖維改性方法制得，改性碳纖維的單絲拉伸斷裂強(qiáng)度為5.0-5.3gpa，未處理的碳纖維的單絲拉伸斷裂強(qiáng)度為5.4-5.6gpa，改性碳纖維與pa66樹脂的微脫粘強(qiáng)度為58-61mpa。

12、如上所述的一種改性碳纖維的應(yīng)用，用于與pa66樹脂復(fù)合制備復(fù)合材料。

13、發(fā)明原理：

14、本發(fā)明利用pvp可以簡(jiǎn)化碳纖維-kh550-碳材的接枝過程，縮短試驗(yàn)周期，并且發(fā)明全過程未使用強(qiáng)酸強(qiáng)堿物質(zhì)，對(duì)碳纖維本身強(qiáng)度影響較小，且能夠較好的提高碳纖維/pa66復(fù)合材料的界面剪切性能。pvp的作用包括：①pvp分子上的疏水基團(tuán)能夠與碳材、預(yù)氧化碳纖維表面上的疏水基團(tuán)相互吸引，使pvp吸附在碳材與預(yù)氧化碳纖維表面，其空間位阻效應(yīng)可以克服預(yù)氧化碳纖維與碳材之間的范德華力，使碳材更加接近預(yù)氧化碳纖維表面，為其后續(xù)運(yùn)用kh550接枝提供條件。②pvp接枝碳材到預(yù)氧化碳纖維表面，在后續(xù)應(yīng)用過程中，pa66樹脂的酰胺基團(tuán)與預(yù)氧化碳纖維表面的pvp和碳材產(chǎn)生極性作用，使得改性碳纖維與pa66的微脫粘強(qiáng)度較高。

15、有益效果：

16、本發(fā)明將羧基化wmcnts或氧化石墨烯化學(xué)接枝在碳纖維表面，使得碳纖維表面粗糙度增加，極性基團(tuán)增多，接觸角減小，表面能增大，可以改善碳纖維-熱塑性樹脂界面，使碳纖維在樹脂基體中的錨固作用得到增強(qiáng)，提高了粘結(jié)性能，大大提高了總拉拔功率和剪切粘結(jié)強(qiáng)度。

17、本發(fā)明的制備方法未涉及強(qiáng)酸強(qiáng)堿環(huán)境，對(duì)纖維單絲本身強(qiáng)度的損害非常小。

18、本發(fā)明的制備方法流程簡(jiǎn)單周期短，有利于提高工業(yè)生產(chǎn)效率，適合于長(zhǎng)連續(xù)碳纖維的工業(yè)加工。

技術(shù)特征：

1.一種碳纖維改性方法，其特征在于，將預(yù)氧化碳纖維、乙醇、kh550、pvp、碳材混合均勻至kh550、pvp、碳材聚集在預(yù)氧化碳纖維表面后，先固液分離，再向液體中加入水并混合均勻，再固液混合，再于50-80℃下加熱30-75min，再去除物理吸附在預(yù)氧化碳纖維表面的碳材得到改性碳纖維，其中，預(yù)氧化碳纖維為經(jīng)過氧化處理的碳纖維，碳材為羧基化wmcnts或氧化石墨烯。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳纖維改性方法，其特征在于，乙醇與kh550體積比為5-10:1，碳材的質(zhì)量與乙醇、kh550、pvp、碳材的總體積之比為1-5mg:1ml，pvp的質(zhì)量與乙醇、kh550、pvp、碳材的總體積之比為2-8mg:1ml，預(yù)氧化碳纖維與碳材的質(zhì)量比為2-8:1。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳纖維改性方法，其特征在于，將預(yù)氧化碳纖維、乙醇、kh550、pvp、碳材混合均勻至kh550、pvp、碳材聚集在預(yù)氧化碳纖維表面是指將預(yù)氧化碳纖維加入乙醇、kh550、pvp、碳材的混合物中，先超聲30-75min，再于50-80℃下加熱30-75min。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳纖維改性方法，其特征在于，水的體積與預(yù)氧化碳纖維、乙醇、kh550、pvp、碳材的總體積之比為1:0.5-2。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳纖維改性方法，其特征在于，向液體中加入水并混合均勻是指向液體中加入水后超聲30-75min。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳纖維改性方法，其特征在于，預(yù)氧化碳纖維的制備過程為：首先將碳纖維加入k2s2o8/agno3水溶液中于60-100℃下水浴加熱45-75min，k2s2o8/agno3水溶液由k2s2o8、agno3和水組成，然后取出，水洗，最后加入乙醇中于90-120℃下回流加熱3-5h，取出，干燥，即得預(yù)氧化碳纖維。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種碳纖維改性方法，其特征在于，k2s2o8/agno3水溶液中，k2s2o8與agno3質(zhì)量比為15:1-20:1，k2s2o8的濃度為0.05-0.1mol/l；碳纖維與k2s2o8/agno3水溶液的質(zhì)量比為1:10-40。

8.一種改性碳纖維，其特征在于，采用如權(quán)利要求1~7任一項(xiàng)所述的一種碳纖維改性方法制得，改性碳纖維的單絲拉伸斷裂強(qiáng)度為5.0-5.3gpa，改性碳纖維與pa66樹脂的微脫粘強(qiáng)度為58-61mpa。

9.如權(quán)利要求8所述的一種改性碳纖維的應(yīng)用，其特征在于，用于與pa66樹脂復(fù)合制備復(fù)合材料。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于碳纖維改性技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種改性碳纖維及其制備方法和應(yīng)用，制備方法為將預(yù)氧化碳纖維、乙醇、KH550、PVP、碳材混合均勻至KH550、PVP、碳材聚集在預(yù)氧化碳纖維表面后，先固液分離，再向液體中加入水并混合均勻，再固液混合，再于50?80℃下加熱30?75min，再去除物理吸附在預(yù)氧化碳纖維表面的碳材得到改性碳纖維；制得的改性碳纖維的單絲拉伸斷裂強(qiáng)度為5.0?5.3GPa，改性碳纖維與PA66樹脂的微脫粘強(qiáng)度為58?61MPa；應(yīng)用即將其與PA66樹脂復(fù)合制備復(fù)合材料。本發(fā)明的制備方法流程簡(jiǎn)單周期短，未涉及強(qiáng)酸強(qiáng)堿環(huán)境，對(duì)纖維單絲本身強(qiáng)度的損害非常小。

技術(shù)研發(fā)人員：陳惠芳,王衡,張美麗,邵琳雯,許子怡,鄒儒佳
受保護(hù)的技術(shù)使用者：東華大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/28