[发明专利]碳纤维增强聚合物复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了碳纤维增强聚合物复合材料及其制备方法。碳纤维增强聚合物复合材料可以通过用两亲性嵌段共聚物对碳纤维的表面改性，然后形成表面改性碳纤维与聚合物的复合材料来改进界面结合力。

技术领域

本发明涉及碳纤维增强聚合物复合材料及其制备方法。碳纤维增强聚合物复合材料可以通过用两亲性嵌段共聚物对碳纤维改性(例如对碳纤维的表面改性)，然后形成表面改性碳纤维与聚合物的复合材料来改进界面结合力。

背景技术

在汽车工业中进行着用以抑制CO₂的产生并提高燃油效率的持续研究。基于该目的，连续不断地尝试着用聚合物复合材料来替代车辆的金属部件。例如，碳纤维复合材料表现出优良的电学、热学和机械性能，因此被研究用于从车辆工业到航空航天的各种应用中。

使碳纤维经受最终加工，即称为“上浆(sizing)”的表面处理，从而防止纤维受摩擦损害，改进与热固性树脂的浸润性并减少制造过程中的表面孔隙。在上浆过程中，与热固性树脂(例如环氧树脂)的界面结合力可以得以改进，然而，由于与普通热塑性树脂(例如高疏水性聚合物)的相容性差，所以会无法获得机械性能等。因此，聚合物复合材料可以用玻璃纤维来增强。如此，可以容易地实现表面处理以及与大多数聚合物的相容性，以用于各种行业中，然而，碳纤维可能在高亲水性聚合物(例如尼龙)的应用上受限。

在现有技术中，公开了使用UV-臭氧进行表面处理的碳纤维，并且又利用界面结合剂使碳纤维的表面官能化以提高与树脂基质的结合强度。

此外，在现有技术中，可以用硝酸处理碳纤维，将硅烷基界面结合剂加入其中，然后可以将所得混合物与热塑性聚合物(例如聚丙烯)混合，以提高两种成分之间的结合强度。

同样地，在现有技术中，可以进行通过用酸或碱或者臭氧或者等离子体处理来除去附着于碳纤维表面的上浆剂的预处理，然后将碳纤维与聚合物混合，以提高碳纤维与聚合物之间的结合强度。然而，这种预处理步骤会非常危险，其消除了碳纤维的固有性能，并且在表面处理之后产生大量的废物。

公开于该背景部分的以上信息仅用于增强对本发明的背景的理解，因此其可以包含不构成已为该国家中本领域普通技术人员所知的现有技术的信息。

发明内容

在优选的方面中，提供一种用于制备碳纤维增强聚合物复合材料的方法以及碳纤维增强聚合物复合材料，其中所述方法能够在不进行预处理碳纤维的情况下改进碳纤维与聚合物之间的界面结合力，所述碳纤维增强聚合物复合材料可以具有显著改进的机械性能例如拉伸强度。

本发明的目的不限于上述那些。本发明的目的将从以下描述中清楚地得以理解，并且可以通过权利要求书中限定的手段及其组合来实现。

在一方面中，提供一种制备碳纤维增强聚合物复合材料的方法。该方法可以包括：i)用由下式1或2表示的嵌段共聚物对碳纤维改性，以及ii)将表面改性碳纤维与聚合物混合。

在某些实施方案中，式1为：

其中，在式1中，a为10至50的整数，并且b为满足a≤b≤50的整数；以及

R₁为C₁至C₂₀烷基例如甲基或乙基，并且n为1至10的整数，

在某些实施方案中，式2为：

其中，x为50至90的整数，y为满足10≤y≤x≤90的整数，并且n为1至10的整数。

优选地，碳纤维可以在其表面上具有至少一个环氧基团，或者可以在其表面上无环氧基团。

当碳纤维具有至少一个环氧基团时，以100重量份的环氧基团计，可以用约100重量份至500重量份的嵌段共聚物在碳纤维的表面上对碳纤维适当地改性。