[发明专利]一种在碳纤维表面制备水热碳层的方法及其应用

说明书

本发明公开了一种在碳纤维表面制备水热碳层的方法及其应用。所述的方法包括：采用水热法，使包含有碳纤维和0.01～10wt％碳源的水热反应液于150～300℃反应1～24h，从而在碳纤维表面原位生成连续的水热碳层。由所述方法获得的碳纤维材料包括碳纤维以及经原位连续生成而覆盖于所述碳纤维表面的水热碳层，所述水热碳层具有高比表面积、高粗糙度和大量的官能团，可广泛的应用于碳纤维复合材料制备、污水处理、贵重金属回收、金属离子吸附、锂离子电池电极制备或超级电容器材料制备等领域；并且本发明方法简单，原材料易得，非常适合工业化生产。

技术领域

本发明涉及一种碳纤维表面改性的方法，尤其涉及到一种采用水热反应在碳纤维表面生成水热碳层的方法及其应用，属于碳材料技术领域。

背景技术

碳纤维复合材料性能优异、应用广泛。碳纤维与母体材料之间的界面相互作用，对复合材料的性能起到决定作用。对碳纤维进行处理，提升其与母体的界面性能，是碳纤维复合材料制备工艺中不可或缺的环节。碳纤维的表面处理主要有三种方式：(1)电化学氧化、化学氧化、等离子蚀刻等等，增加碳纤维表面官能团。(2)CVD、电化学沉积及原位生长碳纳米管、石墨烯层，增加碳纤维表面积、增加粗糙度、增强界面层。(3)上浆，在表面形成聚合物过渡层，类似涂料与胶粘剂的底涂。有大量文献报道上浆后的碳纤维降低了碳纤维表面能、不利于复合材料母体(matrix)润湿，或降低了界面剪切强度(IFSS)。

但碳纤维的现有处理手段都存在相应缺陷，无法在低成本下同时实现增加官能团、增加界面粗糙度、增强碳纤维复合材料界面相互作用。水热碳化工艺主要用于制备不同粒径的碳球，由于其高比表面积和丰富的官能团，广泛的应用在锂离子电池电极材料、超级电容器材料、金属离子吸附材料。

但是现有水热碳化工艺还无法实现制备连续的水热碳层，因此，如何对碳纤维表面改性的方法进行优化，寻求一种能够实现在碳纤维表面连续生成水热碳层的新技术，已然成为业界研究人员长期以来一直努力的方向。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种在碳纤维表面制备水热碳层的方法及其应用，以克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种在碳纤维表面制备水热碳层的方法，其包括：

采用水热法，使包含有碳纤维和0.01～10wt％碳源的水热反应液于150～300℃反应1～24h，从而在碳纤维表面原位生成连续的水热碳层。

在一些实施方案中，所述水热反应液中碳源的含量为0.1～5wt％，优选为0.2～5wt％。

本发明实施例还提供了一种由前述方法制备的碳纤维材料。

在一些实施方案中，所述碳纤维材料包括碳纤维以及经原位连续生成而覆盖于所述碳纤维表面的水热碳层。

优选的，所述水热碳层的厚度不大于500nm，尤其优选为40～500nm。

本发明实施例还提供了前述的碳纤维材料于碳纤维复合材料制备、污水处理、贵重金属回收、金属离子吸附、锂离子电池电极制备或超级电容器材料制备领域中的应用。

与现有技术相比，本发明的优点至少在于：

本发明采用水热法，在碳纤维表面原位生成水热碳层，开辟了碳纤维表面处理的新方法，所获水热碳层具有高比表面积、高粗糙度和大量的官能团，可广泛的应用于碳纤维复合材料制备，提升界面性能，也可进一步提升比表面积与官能团度；作为吸附材料，兼具碳纤维的成型性能与水热碳的吸附性能，可应用于污水处理与贵金属回收，还可以应用于锂离子电池电极以及超级电容器材料制备等领域；并且本发明方法简单，原材料易得，非常适合工业化生产。

附图说明

图1是本发明中水热碳层在碳纤维表面的形成机理示意图。