[发明专利]一种一维纳米材料/高分子胺类首尾交替排列改性碳纤维的制备方法

说明书

一种一维纳米材料/高分子胺类首尾交替排列改性碳纤维的制备方法。该方法包括：对碳纤维进行去剂和硝酸氧化处理，然后配制一维纳米材料分散液和高分子胺类分散液，将碳纤维丝束均匀铺放在滤膜上，并在垂直于碳纤维轴向的方向放置具有等间隙等间隔的模具，采用真空抽滤法将一维纳米材料和高分子胺类分散液沉积在碳纤维丝束表面，后将碳纤维丝束翻转180°，同样采用真空抽滤法将一维纳米材料和高分子胺类分散液沉积在碳纤维丝束的另一面，得到种一维纳米材料/高分子胺类首尾交替排列改性的碳纤维。本发明的制备方法首次在碳纤维圆周表面构筑一维纳米材料和高分子胺类首尾交替排列的间隔结构，使复合材料界面粘结强度提高43.3％～110.5％。

技术领域

本发明属于材料的表面与界面改性应用技术领域，具体涉及一种一维纳米材料/高分子胺类首尾交替排列改性碳纤维的制备方法。

背景技术

近些年，我国不断推崇节能减排政策，因此轻质高强的复合材料具有不可估量的发展潜力，是未来材料发展的重要方向。目前，碳纤维增强树脂基复合材料因其轻质、强度高、模量高、耐疲劳好、抗蠕变等优越性能，且其带来的节能减排长远效益是其他材料无法替代的，成为研究的热点，在空航天、交通运输、桥梁建筑、高压容器等领域有巨大的应用市场。碳纤维复合材料的力学性能与碳纤维和树脂基体的界面粘结强度紧密相关，但碳纤维表面的惰性、非极性、与树脂粘合度差等问题限制了其性能的发挥。

为增加碳纤维的表面能使其与基体树脂间更好的结合，国内外研究学者对于碳纤维表面修饰的研究非常多，但目前的方法存在效率低、反应条件苛刻、有机试剂污染、高成本等问题，与国家绿色节能减排的政策相矛盾。因此，寻找一种简便、绿色环保、高效、低成本的碳纤维表面改性方法以提高碳纤维树脂基复合材料的界面性能十分重要。

一维纳米材料，如碳纳米管、纳米纤维素、二氧化锌纳米线等具有优异的力学、热学和电学性能，被广泛用作增强体来修饰碳纤维以提高纤维与树脂的界面粘结强度，但纳米材料表面缺少活性官能团和易团聚的问题又限制了复合材料界面性能的提升。高分子胺类由于其分子结构中含有氨基官能团，可以与环氧树脂产生共价键连接以促进应力传递，弥补纳米材料表面确实活性官能团的弊端。因此，将一维纳米材料和高分子胺类相结合以提高复合材料界面粘结强度是一种可行的解决策略。

发明内容

本发明旨在提供一种一维纳米材料/高分子胺类首尾交替排列改性碳纤维的制备方法，该方法可在碳纤维表面首尾交替排列一维纳米材料和高分子胺类，产生强弱搭配的化学和物理相互作用，使复合材料界面粘结强度提高。此外，该方法具有简便、绿色环保、高效和低成本的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

1)将碳纤维丝束在丙酮溶液中冷凝回流，然后用去离子水清洗干净并真空干燥；

2)将步骤1)处理得到的碳纤维丝束在浓酸中处理后用去离子水清洗干净并在真空干燥；

3)将一维纳米材料分散在水或有机溶剂中，磁力搅拌使其分散均匀，得到质量分数为0.01％～5％的一维纳米材料分散液；

4)将高分子胺类分散在有机溶剂中，磁力搅拌使其分散均匀，得到质量分数为0.1％～5％的高分子胺类分散液；

5)将步骤2)处理得到的碳纤维丝束均匀铺放在滤膜上，沿垂直于碳纤维轴向的方向放置具有等间隙等间隔的模具，真空抽滤一维纳米材料分散液，抽滤后移动模具使一维纳米材料和高分子胺首尾相接排列，然后再抽滤高分子胺类分散液；将抽滤过的碳纤维丝束翻转180°，沿垂直于碳纤维轴向的方向放置具有等间隙等间隔的模具，真空抽滤一维纳米材料分散液，抽滤后移动模具使一维纳米材料和高分子胺首尾相接排列，然后再抽滤高分子胺类分散液，干燥后得到一维纳米材料/高分子胺类首尾交替排列改性的碳纤维；