[发明专利]一种界面增强的碳纤维/聚己内酰胺复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于高分子材料领域，具体地属于复合材料界面改性领域，更具体地涉及一种界面增强的碳纤维/聚己内酰胺复合材料及其制备方法。

背景技术

聚己内酰胺，也称聚酰胺6(尼龙6)，是一种重要的热塑性工程塑料，但其吸湿性大，制品尺寸稳定性差，强度与硬度也远远不如金属，为了克服这些缺点，早在70年代以前，人们就采用碳纤维对其进行增强改性，制得的碳纤维增强聚酰胺复合材料强度与刚性明显提高，高温蠕变小，热稳定性显著提高，尺寸精度好，耐磨，阻尼性优良。因此，碳纤维增强聚酰胺6复合材料在汽车工业、体育用品、纺织机械等领域已得到广泛应用。

但是碳纤维表面惰性大、表面能低、具有化学活性的官能团少，和树脂之间的浸润性及两相界面粘结性差，复合材料界面存在较多的缺陷，界面粘结强度低，直接影响复合材料纤维与基体之间的应力传递与分散，因此碳纤维的高性能不能充分的发挥，限制了复合材料在性能要求更高领域的应用。

为了改善碳纤维增强树脂基复合材料的界面性能，目前碳纤维处理主要采用氧化处理、高能射线、激光、偶联剂处理、等离子体处理、涂层处理、化学接枝等技术方法。其中化学接枝法，由于纤维和基体树脂之间形成化学键合而具有良好的界面粘结有助于极大的改善复合材料性能。但是由于碳纤维表面可反应官能团含量少，纤维表面的接枝率较低，复合材料的拉伸强度和弯曲强度改善程度非常有限。而过度的预处理以提高纤维表面的可反应性官能团羟基和羧基，势必会导致碳纤维本体性能的下降，最终影响复合材料的整体性能。

因此，迫切需要开发一种界面增强的碳纤维/聚己内酰胺复合材料制备方法。

发明内容

本发明目的是提供一种界面增强的碳纤维/聚己内酰胺复合材料的制备方法。

本发明另一目的是提供一种新型界面增强的碳纤维/聚己内酰胺复合材料及其制品。

本发明第一方面提供了一种碳纤维表面处理方法，包括步骤：

(i)于惰性溶剂中，在缚酸剂存在下，将碳纤维与六氯环三磷腈反应，从而形成在碳纤维表面经六氯环三磷腈修饰的碳纤维；

在另一优选例中，所述缚酸剂选自下组：三乙胺、磷酸钾、碳酸钾、碳酸钠、碳酸铯、氢化钠、或氢氧化钠。

在另一优选例中，所述反应温度为60～110℃。

在另一优选例中，所述反应时间为12～24小时。

在另一优选例中，所述惰性溶剂选自下组：四氢呋喃、乙腈、丙酮、乙醚、或甲苯。

(ii)将步骤(i)得到的经修饰的碳纤维与己内酰胺单体反应，从而形成表面接枝有己内酰胺单体的碳纤维。

在另一优选例中，所述接枝反应温度为60～110℃；

在另一优选例中，所述接枝反应时间为12～24小时；

在另一优选例中，步骤(i)中所述的碳纤维是预先经表面氧化处理的碳纤维。

在另一优选例中，所述氧化处理包括步骤：将碳纤维原丝与氧化剂反应，从而形成表面经氧化处理的碳纤维。

在另一优选例中，所述氧化剂选自下组：质量浓度为60％硝酸、质量浓度为98％硫酸、或其组合、或Fenton氧化试剂；

在另一优选例中，所述的Fenton氧化试剂为七水合硫酸亚铁(FeSO₄·7H₂O)和30wt％双氧水(H₂O₂)按照摩尔比Fe²⁺∶H₂O₂为1∶40混合配制。

在另一优选例中，所述氧化反应条件为80～100℃、或波长254nm的紫外灯照射；

在另一优选例中，所述氧化反应时间为2～4小时。

本发明第二方面提供了一种界面增强的碳纤维/聚己内酰胺复合材料的制备方法，包括步骤：

(i)于惰性溶剂中，在缚酸剂存在下，将碳纤维与六氯环三磷腈反应，从而形成在碳纤维表面经六氯环三磷腈修饰的碳纤维；

(ii)将步骤(i)得到的经修饰的碳纤维与己内酰胺单体反应，从而形成表面接枝有己内酰胺单体的碳纤维；

(iii)将步骤(ii)得到的表面接枝己内酰胺单体的碳纤维与己内酰胺单体、引发剂和活化剂进行开环聚合反应，从而形成界面增强的碳纤维/聚己内酰胺复合材料。

在另一优选例中，所述开环聚合反应温度为140～160℃；

在另一优选例中，所述开环聚合反应时间为5～60min；

在另一优选例中，所述的引发剂选自下组：己内酰胺钠、己内酰胺溴化镁、或氢氧化钠。