[发明专利]一种超临界条件下碳纤维表面接枝聚合物的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纤维表面改性的方法。

背景技术

碳纤维以及碳纤维复合材料在航空航天、国防军工、机械制造等领域有广泛的应用。在碳纤维复合材料中，碳纤维与基体之间的界面起着至关重要的作用，良好的界面结合可以有效地传递载荷，从而提高材料的力学性能。但是，未经处理的碳纤维表面惰性大，与树脂基体的界面结合较弱，从而影响了碳纤维复合材料优异性能的充分发挥。所以要对碳纤维进行表面处理，改善其复合材料的界面粘结质量，从而提高材料的界面力学性能。

常用的碳纤维表面改性方法主要有化学气相沉积法、化学氧化及化学接枝等，这些方法都能不同程度地增加碳纤维的表面极性，比表面积以及粗糙度，提高其与树脂之间的界面性能，但往往由于纤维表面活性点较少，接枝到碳纤维上的基团更少，并且明显分布不均匀，多为缠结状态，与树脂的结合强度无法保障；另外导致其本体强度的严重损失，并且操作繁琐，不易实施。因此，目前急需一种碳纤维表面改性技术，旨在碳纤维表面形成更多的活性点，并尽可能不破坏其本体结构来提高其与树脂的界面结合强度。

超临界流体技术作为一个新兴的研究方向，兼具气相高渗透、高扩散和液相密度大、溶解量大的优势。超临界流体还可以实现对碳纤维表面的刻蚀和清洗，去除涂层和消除纤维表面缺陷，增大比表面积，渗透能力强，能够更有效地润湿碳纤维的表面，并且具有很好的化学稳定性，如今已经涵盖了多个应用领域。目前超临界流体技术在复合材料方向的应用主要集中在材料的回收方面，在复合材料的制备和纤维表面改性方面仍属空白。采用超临界流体技术对碳纤维表面进行改性处理具有诸多的优势，开展这方面的研究工作具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是要解决现有碳纤维改性的表面接枝不均匀及纤维力学性能损失严重的问题，而提供一种在超临界流体中聚乙烯亚胺(PEI)接枝碳纤维表面的制备方法。

本发明超临界条件下碳纤维表面接枝聚合物的方法按下列步骤实现：

一、碳纤维的抽提处理：将碳纤维束放入索氏提取器中，加入丙酮后加热至丙酮的沸点以上，维持2～8h，得到清洗后的碳纤维，把清洗后的碳纤维放入超临界装置中，在温度为350～370℃，压强为8～14MPa的超临界丙酮-水体系中浸泡20～30min，得到去除环氧涂层的碳纤维，然后再次放入索氏提取器中，使用75～85℃的丙酮清洗碳纤维2～4h，取出碳纤维，干燥后得到抽提处理后的碳纤维；

二、碳纤维的氧化处理：在常温下将过硫酸钾和硝酸银溶于去离子水中，得到混合溶液，将步骤一抽提处理后的碳纤维放入混合溶液中，加热至60～80℃，恒温放置1～2h后取出碳纤维，在蒸馏水中反复浸泡3～5次，每次浸泡的时间为5～10min，然后置于70～80℃烘箱中干燥2～4h后再放入索氏提取器中，用90～100℃的无水乙醇清洗2～4h，取出碳纤维，干燥后得到氧化处理后的碳纤维；

三、碳纤维的酰氯化处理：在干燥的反应瓶中装入二氯亚砜和N,N-二甲基甲酰胺的混合反应液，放入步骤二得到的氧化处理后的碳纤维，然后加热至70～90℃，恒温反应40～50h后减压蒸除二氯亚砜，干燥后得到酰氯化处理后的碳纤维；

四、碳纤维在超临界甲醇中接枝PEI：在室温下量取40～60mL无水甲醇置入玻璃试管中，再用注射器量取5～10mL PEI注入到无水甲醇中，然后浸入酰氯化处理后的碳纤维，将试管缓慢放入不锈钢釜中，封闭不锈钢釜后用盐浴炉将不锈钢釜加热至230～250℃，压力控制在5～7MPa，从不锈钢釜放入盐浴炉时开始计时，接枝处理10～30min，然后冷却不锈钢釜，取出的碳纤维先用去离子水漂洗至滤液的PH＝7，再用无水乙醇漂洗，最后将漂洗后的碳纤维置入索氏提取装置中，加入丙酮回流20～30min，翻转以后再回流20～30min，干燥后得到聚乙烯亚胺接枝的碳纤维。

本发明采用超临界方法，将作为树脂交联剂和固化剂的多氨基聚合物聚乙烯亚胺(PEI)均匀接枝到3K碳纤维表面，表面接枝均匀，制备了一种不仅表面含有大量活性官能团并且易于与基体形成化学键的碳纤维，提高了复合材料界面结合性能。并使改性后的碳纤维的剪切强度提高到110MPa以上。

附图说明

图1为改性前的碳纤维(CF)的XPS全谱图；

图2为改性前的碳纤维(CF)的C1s分峰谱图；

图3为实施例一得到的聚乙烯亚胺接枝的碳纤维(CF-g-PEI)的XPS全谱图；

图4为实施例一得到的聚乙烯亚胺接枝的碳纤维(CF-g-PEI)的C1s分峰谱图；

图5为改性前的碳纤维(CF)的表面形貌图；