[发明专利]一种石墨烯改性碳纤维上浆剂及其制备方法

说明书

本发明提供了一种石墨烯改性碳纤维上浆剂及其制备方法，可以提高石墨烯在上浆剂中的分散性，解决碳纤维与树脂之间界面结合力低的问题。该石墨烯改性碳纤维上浆剂包含以下重量份数的组分：固态环氧树脂0.2～20份、液态环氧树脂0.2～20份、非离子表面活性剂0.01～10份、超支化改性石墨烯0.002～0.1份、离子表面活性剂0.01～30份、水30～80份。

【技术领域】

本发明属于复合材料技术领域，特别涉及一种含有功能化石墨烯的乳液型碳纤维上浆剂及其制备方法。

【背景技术】

碳纤维具有优异的高比强、高比模量、耐高温等特点，作为热固或者热塑性树脂基体复合材料的增强材料，广泛应用于航空航天、医疗器械、汽车、体育用品等领域。但是，碳纤维表面呈惰性，缺少活性官能团，这造成纤维与树脂界面结合力不强，界面性能不理想，限制了碳纤维增强复合材料的应用。

为提高纤维与树脂之间的界面性能，通常采用氧化、等离子处理、化学接枝、涂覆、上浆等方法对碳纤维进行表面处理。由于上浆处理可以有效的提高纤维的耐磨性和集束性，增加纤维的表面粗糙度以及浸润性，且操作简单、成本较低、便于工业化生产，已成为碳纤维生产过程中不可或缺的一步。

工业用上浆剂分为溶剂型上浆剂和乳液型上浆剂两种。溶剂型上浆剂是指将树脂溶于丙酮等有机溶剂配置而成，然而由于大量有机溶剂的使用，上浆剂成本高、易造成环境污染，正逐渐被乳液型上浆剂取代。乳液型上浆剂的主要成分为主体树脂、水、非离子表面活性剂以及其他助剂。乳液型上浆剂采用水作为分散介质，可以有效纤维与树脂基体的浸润性，不仅环保而且加工性能好，在目前的碳纤维生产过程中获得广泛的应用。为进一步提高碳纤维与树脂基体之间的界面作用，多种纳米粒子以不同方法被引入界面层。相比于化学接枝、气相沉淀等方法，通过上浆处理将纳米粒子引入碳纤维/树脂基体界面，操作简单，易于实现工业化，具有更广泛的应用前景。

中国科学院山西煤炭化学研究所的杨禹等人采用纳米粒子SiO₂对乳液型碳纤维上浆剂进行改性处理。结果显示，SiO₂的加入提高了碳纤维上浆后的表面能，增强了纤维与树脂之间的机械锚定作用，使界面结合更加紧密，IFSS提高了79％；但是，SiO₂粒子与环氧树脂相容性较差，容易团聚，影响上浆剂的稳定性，采用硅烷偶联剂虽然可以解决二氧化硅团聚的问题，但是硅烷偶联剂本身耐热性能不佳，会影响上浆剂的耐热性能。

哈尔滨工业大学的吴广顺等人将硅烷偶联剂3-氨丙基三乙氧基硅烷处理的多壁碳纳米管通过上浆剂引入碳纤维表面。扫面电子显微镜(SEM)观察显示，多壁碳纳米管在碳纤维表面均匀分布，纤维表面粗糙度具有明显提升。与未改性处理纤维相比，多壁碳纳米管含量为0.5％的上浆剂处理的碳纤维复合材料层间剪切强度增加了46.5％，冲击韧性增加了31.12％，但该研究采用溶剂型上浆剂，易造成环境污染。

石墨烯因其独特的物理化学性能，特别是在碳纤维表面或者基体树脂中只需少量添加即可大幅度提高树脂基体的韧性，改善纤维与树脂的界面性能，引起广泛关注。石墨烯引入复合材料界面，可以有效的转移材料所受的弯曲及剪切裂纹，对于纤维与树脂之间的界面剪切强度具有显著提高。但是，石墨烯在水中的分散稳定性较差，不经过改性处理枝接加到上浆剂中容易发生团聚使性能下降，因此目前石墨烯的引入多采用化学接枝、气相沉积等方法，无法通过乳液型上浆剂引入碳纤维表面。

【发明内容】

为了解决石墨烯通过上浆法对碳纤维进行表面处理的技术问题，本发明提供了一种石墨烯改性碳纤维上浆剂及其制备方法，可以提高石墨烯在上浆剂中的分散性，解决碳纤维与树脂之间界面结合力低的问题。

本发明的技术方案是：