[发明专利]一种基于二维纳米材料改性碳纤维的制备方法

说明书

本发明公开了一种基于二维纳米材料改性碳纤维的制备方法，包括：首先对碳纤维进行去剂处理，其次配置二维纳米材料分散液，最后采用真空抽滤法将二维纳米材料分散液沉积在均匀铺放的碳纤维丝束表面，然后将沉积有二维纳米材料分散液的碳纤维丝束翻转180°，再次真空抽滤二维纳米材料分散液使其沉积在均匀铺放的碳纤维丝束另一表面，得到二维纳米材料改性的碳纤维。本发明的制备方法有效解决了现有碳纤维表面改性方法存在的降低纤维强度、工艺复杂、操作困难、污染环境、加工成本高等问题，制备的二维纳米材料改性的碳纤维使复合材料的界面粘结强度提高了12.3％～75.5％。

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，具体涉及一种基于二维纳米材料改性碳纤维的制备方法。

背景技术

二维纳米材料，是指外部尺寸在两个维度上小于100nm的物质，具有优异的电学、光学、热学和力学性能，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。目前常见的制备二维纳米材料修饰碳纤维的方法包括上浆法、化学接枝法、化学气相沉积法和电泳沉积等，然而上述大部分方法易引产生纤维表面缺陷而降低纤维强度，或存在着工艺复杂、操作困难、污染环境、加工成本高等问题。因此，寻找一种简便、绿色环保、高效、低成本的纤维表面改性方法显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于二维纳米材料改性碳纤维的制备方法，其工艺简单、绿色环保、低成本、而且制备的二维纳米材料改性的碳纤维使复合材料的界面粘结强度提高了12.3％～75.5％。

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，萃取后用去离子水清洗干净并真空干燥；

(2)将二维纳米材料分散在水或有机溶剂中，搅拌使其分散均匀，得到质量分数为0.01％～5％的二维纳米材料分散液；

(3)将步骤(1)处理得到的碳纤维丝束均匀铺放在滤膜上，真空抽滤二维纳米材料分散液使其沉积在均匀铺放的碳纤维丝束表面，然后将沉积有二维纳米材料分散液的碳纤维丝束翻转180°，再次真空抽滤二维纳米材料分散液使其沉积在均匀铺放的碳纤维丝束另一表面，真空干燥后得到二维纳米材料改性的碳纤维。

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)的二维纳米材料是石墨烯、氧化石墨烯、多孔氧化石墨烯、Mxenes、氢氧化镍纳米片或二硫化钼。

所述步骤(2)的有机溶剂是丙酮、乙醇、四氢呋喃、二甲基甲酰胺、二氯甲烷、二甲苯或醋酸乙酯。

所述步骤(2)的搅拌采用转速为200～800rpm/min的磁力搅拌，，搅拌时间为30～120min。

所述步骤(3)真空抽滤二维纳米材料分散液，抽滤二维纳米材料分散液体积(ml):滤膜直径(cm)＝(0.1～5):1。

所述步骤(1)和(3)的真空干燥是在真空干燥箱中干燥，其温度为40～80℃，时间为2～5h。与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

(1)采用真空抽滤法在圆周结构的碳纤维丝束表面实现二维纳米材料的均匀沉积，该方法设备简单、反应条件温和、无毒、环保、低成本和高效。

(2)二维纳米材料由于其结构的特殊性更容易贴合包覆圆周结构的碳纤维丝束，且二维纳米材料改性碳纤维相比未改性的碳纤维拥有更大的比表面积和化学修饰可能性，增加纤维与树脂的相互作用，提高浸润性。

(3)相比未改性碳纤维复合材料，二维纳米材料改性碳纤维复合材料界面粘结强度提高了12.3％～75.5％。

附图说明