[发明专利]氧化石墨烯接枝表面改性碳纤维的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纤维的改性方法。

背景技术

碳纤维，顾名思义，它不仅具有碳材料的固有本征特性，又有兼具纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7-9倍，抗拉弹性模量为230～430Gpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000MPa/(g/cm³)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm³)左右，其比模量也比钢高。材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大。正是由于其出色的性能，其在航空、航天、汽车、运动等许多高新技术冷遇获得了广泛的应用。

然而，由于碳纤维是经过1300℃～1600℃高温碳化而制得的含碳量高达93％以上的新型碳材料，在高温惰性气体中碳化，随着非碳元素的逸走和碳的富集，使其表面活性降低，表面张力下降，与树脂基体浸润性变差。此外，为了提高碳纤维的拉伸强度需要尽可能减少表面缺陷，因此，其表面积也较小。这样平滑的表面与基体树脂之间的锚定效应也较差，导致复合材料的层间剪切强度降低，不能达到使用设计要求。因此，当采用碳纤维为增强材料制备复合材料时，碳纤维均要首先经过表面改性处理，以提高其与基体材料之间的界面结合。

发明内容

本发明为了解决现有碳纤维表面活性低，表面张力下降，与树脂基体浸润性变差，导致复合材料的层间剪切强度降低的技术问题，提供了一种氧化石墨烯接枝表面改性碳纤维的方法。

氧化石墨烯接枝表面改性碳纤维的方法按以下步骤进行：

一、石墨氧化：

将石墨加入到强氧化酸和硝酸盐的混合物中，冷却至-5℃～0℃，在50rpm～200rpm的速度下搅拌加入含钾强氧化剂，并继续搅拌4h～12h，得混合液，将混合液倒入10℃～50℃的水浴中，继续反应40min～60min，然后加入90℃～100℃热水，使体系沸腾并保持20min～40min，然后添加体积浓度为40％～60％的双氧水溶液，在100rpm～500rpm的速度下搅拌至完全溶解，然后采用超纯水洗涤3～6次，过滤至滤饼中无SO₄^2-，然后在-35℃下冷冻干燥，即得氧化石墨；

其中石墨与强氧化酸的质量比为1∶(0.025～5)；石墨与硝酸盐的质量比为1∶(0.2～8)；石墨与含钾强氧化剂的质量比为1∶(0.1～4)；石墨与双氧水的质量比为1∶(0.125～4)；

二、氧化石墨母液剥离：

将氧化石墨溶于溶剂中，并在超声波功率为100W～1000W的条件下超声震荡0.5h～12h，然后在离心机转数为3000rpm～10000rpm的条件下离心，在-35℃冷冻干燥，即得氧化石墨烯粉末；

三、氧化石墨烯功能化：将200ml THF溶液、8gNaBH₄和0.1g I₂加入到烧瓶中，搅拌溶解，再加入0.5g氧化石墨烯粉末反应2h，冷冻干燥24h，得到羧基氧化石墨烯；

称取0.0025g羧基氧化石墨烯和15ml蒸馏水加入到烧杯中，再加入5ml硅烷偶联剂KH-550，在75℃恒温水浴反应6h，然后以12000转/分的转速离心10min，倒掉上层清液，再加入四氢呋喃以12000转/分的转速离心10min，倒掉上层清液，收集氨基化的氧化石墨烯粘稠液并冷冻干燥，得到氨基化氧化石墨烯；

四、碳纤维的表面功能化：

将碳纤维缠在正方形玻璃框上，然后将正方形玻璃框浸入盛有混酸的烧杯中，所述混酸由浓硝酸与浓硫酸组成，其中浓硝酸与浓硫酸的体积比为3∶1，然后将烧杯置于磁力搅拌器上，常温反应8h，用去离子水洗涤至洗液为中性，然后在100℃真空干燥24h，即得酸氧化碳纤维；

将酸氧化碳纤维用玻璃纤维丝固定，然后将用玻璃纤维丝固定的酸氧化碳纤维、160ml氯化亚砜和20ml二甲基甲酰胺加入到三口烧瓶中，将三口烧瓶在70℃水浴条件下反应48h，用丙酮洗涤至洗液为中性，在70℃真空干燥24h，得到酰氯化碳纤维；

五、碳纤维表面氧化石墨烯处理：