[发明专利]一种基于高分子胺类凹凸结构改性碳纤维及其制备方法

说明书

一种基于高分子胺类凹凸结构改性碳纤维的制备方法，该方法包括：对碳纤维依次进行去剂、硝酸氧化和氯化亚砜酰氯化处理，然后配制高分子胺类分散液，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周期性间隙的模具，用真空抽滤法将高分子胺类分散液沉积在碳纤维丝束表面，再将沉积有高分子胺类分散液的碳纤维丝束翻转180°，同样上述步骤在碳纤维丝束另一面沉积分散液，真空烘干得到一种基于高分子胺类凹凸结构改性碳纤维。本发明首次在碳纤维圆周表面构筑凹凸结构，且该方法简单、反应条件温和、无毒、环保、低成本和高效，制备的高分子胺类凹凸结构改性的碳纤维使复合材料的界面粘结强度提高了25.6％～83.6％。

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，具体涉及一种基于高分子胺类凹凸结构改性碳纤维及其制备方法。

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、高比强度和模量、耐高温等优越性能，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。然而碳纤维表面能低且呈化学惰性，导致复合材料界面粘结性较差，不利于复合材料综合性能的发挥。因此，通过对碳纤维表面改性，进而增强复合材料的界面性能，一直是复合材料研究领域的热点。目前，常见的碳纤维表面改性方法有等离子体处理、辐照处理、氧化、化学接枝、上浆法、层层自组装、化学气相沉积等，大部分方法在提高表面活性的同时伴随着碳纤维强度的降低，且大部分方法工艺复杂、反应条件苛刻、有毒、高成本，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。

表面具有凹凸结构的材料非常有利于增大其与其他材料的摩擦作用，若将其应用与复合材料界面将很有希望提高界面的粘结强度。然而，表面凹凸结构多见于平面材料，对于具有曲面或不规则表面的材料应用较少，主要是因为其较差的加工性能。因此，如何在具有圆周结构的碳纤维表面实现凹凸结构的构筑是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于高分子胺类凹凸结构改性碳纤维及其制备方法，该方法使碳纤维的圆周表面产生均匀分布的凹凸结构，且制备方法简单、绿色环保、高效和低成本。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

(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分别在浓酸和氯化亚砜中处理，然后用去离子水清洗干净并真空干燥；

(3)将高分子胺类分散在有机溶剂中，搅拌使其分散均匀，得到质量分数为0.5％～10％的高分子胺类分散液；

(4)将步骤(2)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周期性间隙的模具，然后真空抽滤高分子胺类分散液使其沉积在碳纤维丝束表面；接着将沉积有高分子胺类分散液的碳纤维丝束翻转180°，沿垂直于碳纤维轴向的方向放置具有周期性间隙的模具，再真空抽滤高分子胺类分散液使其沉积在碳纤维丝束另一表面；真空干燥后得到基于高分子胺类凹凸结构改性碳纤维。

所述步骤(1)的碳纤维为长碳纤维。

所述步骤(1)的冷凝回流温度为80～100℃，时间为12～48h。

所述步骤(2)的浓酸是硝酸、硫酸或王水，浓酸处理温度为80～100℃，时间为3～8h；氯化亚砜处理温度为70～90℃，时间为12～48h。

所述步骤(3)的高分子胺类是双端带氨基的高分子胺类或多氨基高分子胺类。

所述双端带氨基的高分子胺类是聚醚胺、聚多巴胺、聚乙烯亚胺、聚丙烯亚胺、三聚氰胺、聚酰胺-胺型树枝状高分子、超支化聚酰胺或端氨基超支化聚合物。