[发明专利]表面改性碳纤维及其改性方法

说明书

本发明公开了表面改性碳纤维及其改性方法，其中改性碳纤维的方法包括：(1)对碳纤维表面进行除胶；(2)将步骤(1)得到的除胶后碳纤维与氧化剂接触进行氧化反应，以便得到氧化碳纤维；(3)以所述氧化碳纤维作为阴极、以石墨为阳极、以含有咪唑类离子液体、有机溶剂、缩合剂和导电剂的混合溶液为电解液进行电化学反应，以便在碳纤维表面共价接枝咪唑类离子。采用该方法得到的表面接枝咪唑类离子的碳纤维的界面剪切强度相较未改性碳纤维大幅度提升，从而拓展了其在复合材料领域的应用。

技术领域

本发明属于碳纤维领域，具体涉及一种表面改性碳纤维及其改性方法。

背景技术

作为现代最先进的复合材料之一，碳纤维复合材料不仅具有质轻、高比强、高比模等特点，而且还存在耐高温、抗蠕变、抗疲劳等优势，从而广泛地应用在生活生产、轨道交通、可再生能源、航空航天以及军事国防等领域。然而在复合材料形成时，因为碳纤维表面为石墨微晶结构，呈化学惰性，缺乏具有化学活性的基体，使得其与基体间的浸润性较差，也不能通过更多有效的化学键进行连接，从而无法使碳纤维树脂复合材料的优异性能得到充分发挥，这在一定程度上限制了复合材料性能的提升和应用的拓展。

近些年来，碳纤维表面改性研究有了更加全面的发展，目前有了化学接枝、等离子体处理、化学氧化等方式，这些方式虽然可以不同程度地提升碳纤维复合材料的界面性能，但往往工艺复杂，效率相对较低或者需要特殊的条件，也就进一步限制了其在连续化生产中的应用。

因此，现有碳纤维的改性方式亟待探究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种表面改性碳纤维及其改性方法，采用该方法得到的表面接枝咪唑类离子的碳纤维的界面剪切强度相较未改性碳纤维大幅度提升，从而拓展了其在复合材料领域的应用。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种改性碳纤维的方法。根据本发明的实施例，所述方法包括：(1)对碳纤维表面进行除胶；(2)将步骤(1)得到的除胶后碳纤维与氧化剂接触进行氧化反应，以便得到氧化碳纤维；(3)以所述氧化碳纤维作为阴极、以石墨为阳极、以含有咪唑类离子液体、有机溶剂、缩合剂和导电剂的混合溶液为电解液进行电化学反应，以便在碳纤维表面共价接枝咪唑类离子。

优选地，步骤(1)采用下列步骤进行：将所述碳纤维通过惰性气氛的连续化加热炉加热，其中，所述加热温度为300～600℃，时间为2～10min。

优选地，在步骤(2)中，所述氧化剂包括浓硝酸、浓硫酸和双氧水中的至少之一。

优选地，在步骤(2)中，所述氧化反应的温度为65～85℃，反应时间为3～6h。

优选地，在步骤(3)中，所述咪唑类离子液体的阴离子包括氯离子、溴离子、四氟硼酸根离子和六氟磷酸根离子中的至少之一。

优选地，在步骤(3)中，所述有机溶剂包括二甲基甲酰胺、四氢呋喃、四氯化碳中的至少之一。

优选地，在步骤(3)中，所述缩合剂包括HATU、DCC/DMAP中的至少之一。

优选地，在步骤(3)中，所述导电剂包括氯化钾、氯化钠、硫酸钾中的至少之一。

优选地，在步骤(3)中，所述氧化碳纤维质量与所述咪唑类离子液体的质量比为(0.3g～0.5g)：(0.5g～15g)。

优选地，在步骤(3)中，所述咪唑类离子液体的质量与所述有机溶剂的体积比为(0.5g～15g)：(45mL～80mL)。

优选地，在步骤(3)中，所述咪唑类离子液体质量与所述缩合剂的质量比为(0.5g～15g)：(3mg～10mg)。

优选地，在步骤(3)中，所述导电剂的质量与所述有机溶剂的体积比为(8mg～15mg)：(45mL～80mL)。