[发明专利]一种碳纤维复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于功能材料技术领域，特别涉及一种碳纤维复合材料及其制备方法。

背景技术

碳纤维材料由于其高强度、高模量、低密度、抗腐蚀和抗疲劳等优异性能，被加入到环氧树脂、陶瓷和水泥基体中，能提高这些材料的抗裂和抗剪性能。特别是添加到水泥基体中，还可以吸收震动波，提高水泥建筑物的防震能力。此外，由于碳纤维具有导电性，将其加入到水泥基体中，能使水泥基体具有智能检测功能，能够扩大水泥混凝土材料的应用范围。

然而，碳纤维自身的憎水性，极大影响了它在基体中的分散性以及与基体材料的结合力，从而降低了增强功能。目前，主要通过加入分散剂，或者采用硝酸、硫酸氧化等一些化学处理法使碳纤维表面修饰上亲水官能团，以提高其在基体中的分散性以及与基体的微观结合力。但分散剂的加入会生成大量气泡，降低碳纤维水泥浆体的力学性能，必须加入消泡剂去除气泡，此工艺流程较为复杂，不利用规模化扩大应用。采用强酸处理则会一定程度上破坏碳纤维的表面结构，影响其力学性能。因此，在不破坏其表面结构的基础上开发一种工艺简单的改善碳纤维表面亲水性的处理方法，具有重要的理论研究和实际应用意义。

水热反应法具有简单易操作、成本低廉并且容易扩大规模等特点，经常被采用作为一些功能材料的表面处理方法。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种能够改善碳纤维表面亲水性的碳纤维复合材料及其制备方法，该制备方法不破坏碳纤维表面结构，且工艺简单。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的一个技术方案是：一种碳纤维复合材料，在碳纤维表面上修饰具有亲水基团的碳层。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的另一个技术方案是：上述碳纤维复合材料的制备方法，包括如下步骤：

一）先清洗去除短切碳纤维表面胶体，然后烘干；

二）将干燥后的碳纤维加入到反应釜中，然后向反应釜中加入糖类水溶液，搅拌以使碳纤维完全浸润至糖类水溶液中；

三）将反应釜密闭后加热，加热至设定温度后保持恒温，以使糖类物质水解缩聚在碳纤维表面形成碳层，然后自然冷却；

四）将冷却后反应釜中的碳纤维复合材料与糖类水溶液分离，经过清洗去除碳纤维复合材料表层的残余碳，烘干后即可得到表面包裹碳层的碳纤维复合材料产品。

所述步骤二）中的糖类水溶液为淀粉水溶液、蔗糖水溶液和葡萄糖水溶液中的任意一种。

所述步骤二）中的糖类水溶液的浓度为0.2～1.5M。

所述步骤三）中的设定温度为160～200℃。

所述步骤三），加热恒温时间为80～120min。

所述步骤一），用无水乙醇清洗短切碳纤维。

所述步骤二），反应釜为聚四氟乙烯压力反应釜。

所述步骤四），用水和无水乙醇多次洗涤碳纤维复合材料。

所述步骤四），碳纤维复合材料与糖类水溶液分离采用离心分离或抽滤分离，其中离心分离的转速为500～1500r/min。

本发明具有的优点和积极效果是：采用廉价、简单易操作的水热处理方式，得到碳层厚度可控的碳纤维复合碳层材料。碳纤维所修饰上的碳层材料，由于其是糖类水解缩聚而成，因而具有大量的亲水基团。此外，因为溶液体系反应的均相性，通过水热方式处理的碳纤维上包裹的碳层厚度均一，利于碳纤维在基体中的分散。所制备的碳纤维复合碳层材料可作为力学增强材料与其它基体材料进行复合。并且本发明操作简便、可控性好，具有广阔的应用前景。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例进行详细说明如下：

本发明的构思是：提供一种碳纤维复合材料，在碳纤维表面上修饰具有亲水基团的碳层。

碳纤维在温度适宜的水热体系下，其表面结构不会受到影响。通过糖类水解缩聚生成的碳层具有大量亲水基团，将其修饰在碳纤维表层，可提高碳纤维的亲水性以及与环氧树脂、陶瓷和水泥等基体的结合力。采用本发明所获得的碳纤维复合碳层材料的碳层厚度受碳纤维水热反应时间、温度以及糖类水溶液浓度所影响。

实施例1

首先将短切碳纤维加入无水乙醇中，清洗掉碳纤维表面胶体，在60℃烘箱中干燥3h。然后将干燥后的碳纤维加入到聚四氟乙烯压力反应釜中，向反应釜中加入浓度为0.2M的葡萄糖水溶液，搅拌30min，以使碳纤维完全浸润至葡萄糖水溶液中。