[发明专利]一种蔗糖炭化改性碳纤维的制备方法及其应用

说明书

本发明涉及一种蔗糖炭化改性碳纤维的制备方法,包括以下步骤：将蔗糖溶解于乙酸乙酯中，所述蔗糖与所述乙酸乙酯的重量百分比为2‑3:3‑5，搅拌后制得预浸溶液，浸入碳纤维，超声分散5‑10min后取出干燥，再将其置于管式炉中进行高温炭化，选择空气气氛，升温速度5‑10℃/min，升温至290‑300℃，保温30‑90s后快速冷却至室温，即得蔗糖炭化改性碳纤维。本发明在不损伤碳纤维表面的基础上，增加了其表面粗糙程度，提高了其界面剪切强度，同时保证了其具有良好的柔韧性和加工性能。蔗糖炭化改性碳纤维应用于复合材料中，提高碳纤维与基体的浸润性和粘接性，可有效提高复合材料界面剪切强度、层间剪切强度以及抗冲击性能。

技术领域

本发明涉及一种蔗糖炭化改性碳纤维的制备方法及其应用。

背景技术

目前，要提高增强碳纤维与树脂基体的界面性能，一是从化学作用方面考虑，在碳纤维表面引入羰基、羧基或羟基等活性官能团，以提高树脂对纤维表面的润湿性及化学作用；二是从物理方面考虑，提高纤维表面粗糙度，增大纤维比表面积，增加纤维与树脂之间的机械啮合作用力；三是除去纤维表面一些无定形碳的弱界面层，减少碳纤维复合材料中的缺陷。较为常用的改性方法为化学改性法，其改性的效率较高，效果也比较明显，但是这种改性往往较难控制改性程度，容易在改性过程中对碳纤维内部造成损伤，导致纤维自身强度的下降。物理改性方法是新型改性手段所较多采用的方法，采用物理方法对纤维的本体伤害较小，但其需要较高端复杂的改性设备，制约了该方法的使用发展。目前所有的碳纤维改性技术都旨在增强碳纤维与树脂基体的界面强度来提高复合材料的性能。无论是哪种改性方法中，都或多或少存在着消耗能源较大，改性过程复杂，对碳纤维本体造成损伤等不足。

碳纤维的表面改性方法已得到广泛的研究，但改性的对象多是通用碳纤维，此类碳纤维在出厂时均经过了表面处理并且表面含有一定量的上浆剂，在碳纤维表面改性之前，通常的做法是采用丙酮浸泡或萃取的方法先除胶，此时的碳纤维表面性能与刚从高碳炉出来的碳纤维表面性能差异大，再进行表面处理其研究结果并不能代表真实的处理效果。另外，大部分实验室中的表面处理方法虽能够使碳纤维表面活性官能团增多、润湿性改善、机械啮合作用提高，但却忽略了上浆剂的作用。干燥状态下的碳纤维有很强的静电存在，静电会使纤维产生毛丝、断丝现象，不利于深加工。基于以上原因，研究一种使得各方面更加平衡的碳纤维表面改性技术是目前碳纤维应用的重要研究方向。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种蔗糖炭化改性碳纤维的制备方法，该方法在不损伤碳纤维表面的基础上，增加了其表面粗糙程度，提高了其界面剪切强度，同时保证了其具有良好的柔韧性和加工性能。蔗糖炭化改性碳纤维应用于复合材料中，提高碳纤维与基体的浸润性和粘接性，可有效提高复合材料界面剪切强度、层间剪切强度以及抗冲击性能。

本发明的技术方案如下：

一种蔗糖炭化改性碳纤维的制备方法，包括以下步骤：

S1.将蔗糖研磨至粉末状，干燥后溶解于乙酸乙酯中，所述蔗糖与所述乙酸乙酯的重量百分比为2-3:3-5，搅拌后制得预浸溶液；

S2.将碳纤维浸入所述预浸溶液中，在超声分散机中分散5-10min后，取出干燥；

S3.将步骤S2中得到的沉积蔗糖后的碳纤维，置于管式炉中进行高温炭化，选择空气气氛，升温速度5-10℃/min，升温至290-300℃，保温30-90s后快速冷却至室温，即得蔗糖炭化改性碳纤维。

进一步的，所述碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维。

进一步的，所述碳纤维单丝的拉伸强度为3500-3540MPa, 拉伸模量为230-240GPa,延伸率为1.5-1.8%，密度为1.76-2.5g/cm³。

进一步的，其特征在于，步骤S2中的干燥温度为50-60℃，干燥时间为1-2h。