[发明专利]一种基于硫掺杂改性催化剂在PAN基碳纤维表面催化生长碳纳米管的工艺方法

说明书

本发明涉及一种基于硫掺杂改性催化剂在PAN基碳纤维表面催化生长碳纳米管的工艺方法，属于碳纤维表面改性领域。本发明的工艺方法包括以下步骤：步骤1：对PAN基碳纤维进行脱浆；步骤2：通过电化学阳极氧化法对脱浆碳纤维进行表面氧化处理；步骤3：配制摩尔比为5:2的六水硝酸钴与硫脲的乙醇溶液作为催化剂前驱体，将表面氧化后的碳纤维浸渍于前驱体中5～30min，后置于烘箱中烘干；步骤4：将碳纤维置于管式炉中，在氮气保护下以5～10℃/min升温至600～800℃后，通入流量比为4：1～1：1的H₂/C₂H₂混合气，保温5～20min，降温至室温后取出样品。本发明能改善碳纤维表面性能，提高纤维表面粗糙度，有效提高碳纤维增强复合材料的界面性能，并对碳纤维本体具有补强作用。

技术领域

本发明设计碳纤维表面改性处理领域，特别是指一种通过化学气相沉积法在碳纤维表面催化生长碳纳米管的工艺方法。

背景技术

碳纤维是一种含碳量在95％以上的高性能纤维材料，主要包括PAN(聚丙烯腈)基碳纤维、沥青基碳纤维和黏胶基碳纤维，其中PAN基碳纤维应用最为广泛。碳纤维具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳的特点，且具有优良的导电性和导热性，因此成为一种不可替代的国防民用工业支柱性材料。目前碳纤维通常是作为增强体，与其他基体材料一起制成碳纤维增强复合材料使用。碳纤维增强复合材料与纯金属材料相比具有更高的疲劳强度和刚度，与无机材料相比具有更高的韧性和更好的成型性能，与高分子材料相比具有更高的耐温性和耐候性，因此碳纤维增强复合材料在众多领域尤其是国防军工领域被广泛应用。然而，碳纤维表面光滑，极性官能团含量少。碳纤维的惰性表面致使碳纤维增强复合材料的界面性能较差，在载荷的作用下常会发生脱粘，拔出等界面破坏的现象，这阻碍了碳纤维增强复合材料的进一步应用推广以及力学性能的进一步提高。在碳纤维表面接枝碳纳米管，能够加强碳纤维与基体之间的机械啮合，并在碳纤维与树脂基体间形成应力缓冲层抑制应力集中的产生以及层间破坏现象的发生。

目前，与碳纤维表面接枝碳纳米管相关的技术大致可分为三类：化学接枝，物理沉积，原位生长。

张鉴炜等(碳纳米管化学接枝及其连续碳纤维复合材料力学性能研究[D].国防科学技术大学,2009.)采用化学接枝法在碳纤维表面接枝碳纳米管。通过接枝碳纳米管，碳纤维增强环氧树脂基复合材料的拉伸强度提高9.78％，复合材料的层间剪切强度提高了6.2％。

眭凯强等人(碳纤维电泳沉积碳纳米管对界面性能的影响[J].材料科学与工艺,2015,23(01):45-50.)通过电泳沉积法将羧基化的碳纳米管沉积到碳纤维表面，提高了碳纤维的表面粗糙度以及含氧官能团的含量，使复合材料的界面性能得到较大提高。

范汶鑫等(碳纤维表面生长碳纳米管及其增强复合材料性能的研究[J].功能材料,2015,46(20):20097-20101+20107.)利用化学气相沉积法在碳纤维表面原位合成碳纳米管。当碳纳米管接枝量在3.75％～15.4％时，复合材料的层间剪切强度也得到较大提高。

王兴辉等(碳纤维/碳布表面生长碳纳米管及其复合材料的研究[J].山东大学硕士论文2018年)采用电化学阳极氧化法对碳纤维表面处理，在碳纤维和碳布表面化学气相沉积(CVD)碳纳米管(CNTs)，探索了电化学处理工艺对催化剂加载及碳纤维复丝力学性能的影响，明确了CVD工艺对CNTs/碳纤维增强体的作用机制，实现了碳布表面CNTs的均匀生长。

利用现有技术在碳纤维表面接枝碳纳米管时，不可避免的会对碳纤维本体产生一定的损伤，导致碳纤维本体的拉伸强度降低，且工艺相对复杂不利于大批量生产。

发明内容