[发明专利]一种表面构筑超支化结构的碳纤维改性方法

摘要

一种表面构筑超支化结构的碳纤维改性方法，它涉及一种碳纤维的改性方法。本发明的目的是要解决现有碳纤维复合材料的界面剪切强度和层间剪切强度均低的问题。方法：一、合成八氯丙基POSS；二、碳纤维的抽提处理；三、氧化；四、碳纤维表面接枝己二胺；五、三次接枝POSS‑NH₂，得到接枝三代支化结构的碳纤维。本发明制备的接枝三代支化结构的碳纤维相对于碳纤维及碳纤维环氧树脂复合材料，IFSS和ILSS提高明显，分别为83.6％～87.9％和75％～83.7％。本发明适用于对碳纤维表面进行改性。

主权项

1.一种表面构筑超支化结构的碳纤维改性方法，其特征在于一种表面构筑超支化结构的碳纤维改性方法是按以下步骤完成的：一、合成八氯丙基POSS：①、将甲醇、质量分数为37％的盐酸和γ‑氯丙基三甲氧基硅烷混合，得到混合溶液；将混合溶液加热至40℃～60℃，再在温度为40℃～60℃和搅拌速度为300r/min～400r/min下搅拌反应24h～36h，得到反应液Ⅰ；步骤一①中所述的质量分数为37％的盐酸与甲醇的体积比为(15～20):(400～500)；步骤一①中所述的γ‑氯丙基三甲氧基硅烷与甲醇的体积比为(20～30):(400～500)；②、以甲醇为溶剂，将反应液Ⅰ在室温下水解缩合反应15d～20d，再进行抽滤，得到固体物质；使用甲醇对固体物质清洗3次～5次，再使用正己烷对甲醇清洗后的固体物质重结晶2次～4次，得到白色粉末；③、将白色粉末在温度为80℃～90℃的真空干燥箱中干燥24h～36h，得到八氯丙基POSS；二、碳纤维的抽提处理：①、将碳纤维放入装有丙酮的索氏提取器中，再将丙酮加热至75℃～85℃，丙酮不断蒸出并在索氏提取器中冷凝，使碳纤维表面的杂质在蒸馏的丙酮中不断得到清洗，清洗时间为2h～8h，再将碳纤维取出，得到去除表面杂质的碳纤维；②、将去除表面杂质的碳纤维放入超临界装置中，再在温度为350℃～370℃和压强为8MPa～14MPa的超临界丙酮‑水体系中浸泡20min～30min，利用超临界丙酮‑水体系去除碳纤维表面的环氧涂层，得到去除环氧涂层的碳纤维；步骤二②中所述的超临界丙酮‑水体系中丙酮与水的体积比为5:1；③、将去除环氧涂层的碳纤维放入装有丙酮的索氏提取器中，再将丙酮加热至75℃～85℃，再在温度为75℃～85℃的丙酮中清洗碳纤维2h～4h，最后将碳纤维取出，置于温度为70℃～80℃的烘箱中干燥2h～4h，得到抽提处理后的碳纤维；三、氧化：①、将抽提处理后的碳纤维浸入到过硫酸钾/硝酸银混合水溶液中，加热至60℃～80℃，再在温度为60℃～80℃的条件下恒温1h～2h，得到氧化后的碳纤维；所述的过硫酸钾/硝酸银混合水溶液中过硫酸钾的浓度为0.1mol/L～0.2mol/L；所述的过硫酸钾/硝酸银混合水溶液中硝酸银的浓度为0.0001mol/L～0.05mol/L；步骤三①中所述的抽提处理后的碳纤维的质量与过硫酸钾/硝酸银混合水溶液的体积比为(0.3g～0.5g):(30mL～50mL)；②、室温条件下将步骤三①得到的氧化后的碳纤维在蒸馏水中浸泡5min～10min，将经蒸馏水中浸泡后的碳纤维取出，弃除蒸馏水；步骤三②中所述的氧化后的碳纤维的质量与蒸馏水的体积比为(0.3g～0.5g):(300mL～500mL)；③、重复步骤三②3次～5次，得到蒸馏水清洗后的氧化碳纤维；④、将步骤三③得到的蒸馏水清洗后的氧化碳纤维在温度为70℃～80℃的条件下干燥2h～4h，得到干燥后的氧化碳纤维；⑤、将步骤三④得到的干燥后的氧化碳纤维置于装有无水乙醇的索氏提取器中，在温度为90℃～100℃的条件下使用无水乙醇清洗氧化碳纤维，清洗时间为2h～4h，得到无水乙醇清洗的氧化的碳纤维；⑥、将步骤三⑤得到的无水乙醇清洗的氧化的碳纤维在温度为70℃～80℃的条件下干燥2h～4h，得到干燥的氧化碳纤维；四、碳纤维表面接枝己二胺：将干燥的氧化碳纤维和己二胺加入到N,N‑二甲基甲酰胺中，再加入二环己基碳二亚胺，再在搅拌速度为300r/min～400r/min和温度为130℃～150℃下搅拌反应40h～50h，得到反应产物Ⅰ；首先使用无水乙醇对反应产物Ⅰ清洗3次～5次，再使用蒸馏水对反应产物Ⅰ清洗3次～5次，最后将反应产物Ⅰ放入温度为80℃～90℃的真空干燥箱中真空干燥12h～36h，得到表面接枝己二胺的碳纤维，记为CF‑G‑NH2；步骤四中所述的干燥的氧化碳纤维的质量与N,N‑二甲基甲酰胺的体积比为(0.3g～0.5g):(50mL～60mL)；步骤四中所述的己二胺的质量与N,N‑二甲基甲酰胺的体积比为(1.0g～3.0g):(50mL～60mL)；步骤四中所述的二环己基碳二亚胺的质量与N,N‑二甲基甲酰胺的体积比为(0.01g～0.05g):(50mL～60mL)；五、三次接枝POSS‑NH2:①、将八氯丙基POSS和表面接枝己二胺的碳纤维加入到N,N‑二甲基甲酰胺中，再升温至80℃～100℃，再在温度为80℃～100℃下回流反应5h～7h，得到反应产物Ⅱ；步骤五①中所述的八氯丙基POSS的质量与N,N‑二甲基甲酰胺的体积比为(0.5g～1.0g):(50mL～70mL)；步骤五①中所述的表面接枝己二胺的碳纤维的质量与N,N‑二甲基甲酰胺的体积比为(0.3g～0.5g):(50mL～70mL)；②、使用无水乙醇对反应产物Ⅱ清洗3次～5次，再放入温度为80℃～90℃的真空干燥箱中干燥12h～36h，得到干燥后的反应产物Ⅱ；③、将干燥后的反应产物Ⅱ加入到N,N‑二甲基甲酰胺中，再加入己二胺和三乙胺，再升温至80℃～100℃，再在温度为80℃～100℃下恒温反应4h～6h，得到反应产物Ⅲ；步骤五③中所述的干燥后的反应产物Ⅱ的质量与N,N‑二甲基甲酰胺的体积比为(0.3g～0.5g):(50mL～60mL)；步骤五③中所述的己二胺的质量与N,N‑二甲基甲酰胺的体积比为(0.6g～1.0g):(50mL～60mL)；步骤五③中所述的三乙胺与N,N‑二甲基甲酰胺的体积比为(5～10):(50～60)；④、使用无水乙醇对反应产物Ⅲ清洗3次～5次，再在温度为50℃～70℃的真空干燥箱中干燥5h～8h，得到接枝一代支化结构的碳纤维，记为CF‑G1‑POSS‑NH2；⑤、将八氯丙基POSS和接枝一代支化结构的碳纤维加入到N,N‑二甲基甲酰胺中，再升温至80℃～100℃，再在温度为80℃～100℃下回流反应5h～7h，得到反应产物Ⅳ；使用无水乙醇对反应产物Ⅳ清洗3次～5次，再放入温度为80℃～90℃的真空干燥箱中干燥12h～36h，得到干燥后的反应产物Ⅳ；步骤五⑤中所述的八氯丙基POSS的质量与N,N‑二甲基甲酰胺的体积比为(1.0g～2.0g):(50mL～70mL)；步骤五⑤中所述的接枝一代支化结构的碳纤维的质量与N,N‑二甲基甲酰胺的体积比为(0.3g～0.5g):(50mL～70mL)；⑥、将干燥后的反应产物Ⅳ加入到N,N‑二甲基甲酰胺中，再加入己二胺和三乙胺，再升温至80℃～100℃，再在温度为80℃～100℃下恒温反应4h～6h，得到反应产物Ⅴ；使用无水乙醇对反应产物Ⅴ清洗3次～5次，再在温度为50℃～70℃的真空干燥箱中干燥5h～8h，得到接枝二代支化结构的碳纤维，记为CF‑G2‑POSS‑NH2；步骤五⑥中所述的干燥后的反应产物Ⅳ的质量与N,N‑二甲基甲酰胺的体积比为(0.3g～0.5g):(50mL～60mL)；步骤五⑥中所述的己二胺的质量与N,N‑二甲基甲酰胺的体积比为(1.0g～1.5g):(50mL～60mL)；步骤五⑥中所述的三乙胺与N,N‑二甲基甲酰胺的体积比为(5～10):(50～60)；⑦、将八氯丙基POSS和接枝二代支化结构的碳纤维加入到N,N‑二甲基甲酰胺中，再升温至80℃～100℃，再在温度为80℃～100℃下回流反应5h～7h，得到反应产物Ⅵ；使用无水乙醇对反应产物Ⅵ清洗3次～5次，再放入温度为80℃～90℃的真空干燥箱中干燥12h～36h，得到干燥后的反应产物Ⅵ；步骤五⑦中所述的八氯丙基POSS的质量与N,N‑二甲基甲酰胺的体积比为(2.0g～3.0g):(50mL～70mL)；步骤五⑦中所述的接枝二代支化结构的碳纤维的质量与N,N‑二甲基甲酰胺的体积比为(0.3g～0.5g):(50mL～70mL)；⑧、将干燥后的反应产物Ⅵ加入到N,N‑二甲基甲酰胺中，再加入己二胺和三乙胺，再升温至80℃～100℃，再在温度为80℃～100℃下恒温反应4h～6h，得到反应产物Ⅶ；使用无水乙醇对反应产物Ⅶ清洗3次～5次，再在温度为50℃～70℃的真空干燥箱中干燥5h～8h，得到接枝三代支化结构的碳纤维，记为CF‑G3‑POSS‑NH2，即完成一种表面构筑超支化结构的碳纤维改性方法；步骤五⑧中所述的干燥后的反应产物Ⅵ的质量与N,N‑二甲基甲酰胺的体积比为(0.3g～0.5g):(50mL～60mL)；步骤五⑧中所述的己二胺的质量与N,N‑二甲基甲酰胺的体积比为(1.5g～2.0g):(50mL～60mL)；步骤五⑧中所述的三乙胺与N,N‑二甲基甲酰胺的体积比为(5～10):(50～60)。