[发明专利]一种碳纤维表面原位生长聚合物粒子制备高性能复合材料的方法

说明书

本发明公开了一种碳纤维表面原位生长聚合物粒子制备高性能复合材料的方法。该方法是通过在室温下，在CF表面原位化学键接、生长聚合物粒子，对CF表面进行改性，从而提高CF与基材界面粘合力，提高复合材料性能。本发明中CF表面原位生长的粒子以化学键与CF相连，不易脱落；CF表面改性过程简单、快速且条件温和；不使用强酸或强氧化剂处理CF表面，对CF本身表面没有损伤；CF表面长出的粒子组成、尺寸、形貌、表面粗糙度和官能基团可调；调控反应组成和配比，可使聚合物粒子表面带有可进一步与基材树脂反应的功能基团，进一步提高CF与基材的界面性能。TFBT测试表明CF与基材树脂界面拉伸强度提高了76‑164％，单丝微滴脱粘法测定表明IFSS提高了40‑76％。

技术领域

本发明属于复合材料制备技术领域，特别涉及一种碳纤维表面原位生长聚合物粒子制备高性能复合材料的方法。

背景技术

碳纤维(CF)因其优异的比强度、比模量、耐腐蚀、吸能等特点，在航空航天、轨道交通、汽车等领域广泛应用[Garima Mittal,Kyong Y.Rhee,VesnaDavidHui.Reinforcements in multi-scale polymer composites:Processing,propertiesand applications[J].Composites Part B,2018,138:122-139]。

CF生产过程中，要经过预氧化、高温炭化和石墨化等过程，这使CF原丝表面呈现出化学惰性，表面自由能低；作为增强体制备复合材料时，CF与复合材料基体的相容性差，界面黏附力低，造成复合材料的界面剪切强度、层间剪切强度等性能较差；此外，几乎所有树脂材料对CF的浸润性都较差，限制了树脂在介观、微观等尺度对纤维的浸渍与包覆效果，降低了纤维增强树脂基复合材料的复合效率与质量，严重影响复合材料的力学性能和使用寿命[Pui-yan Hung,Kin-tak Lau,Bronwyn Fox,Nishar Hameed,Joong Hee Lee,DavidHui.Surface modification of carbon fibre using grapheneerelated materials formultifunctional composites[J].Composites Part B,2018,133:240-257]。

CF与基体材料的界面性质直接关系到载荷能否在基体与CF之间均匀、有效传递和分散，对复合材料的机械性能起至关重要的作用。为提高CF-基体间的界面相容性、实现载荷的有效传递、充分发挥CF高强、高模等优异特性、获得高性能复合材料，研究者们提出了许多对CF进行表面改性的方法，如：气相沉积法和氧化法、涂层法、等离子体法、微波辐射法等，所涉及方法可以是物理改性法或化学改性法，其中化学改性效果明显，化学改性研究主要涉及改变纤维表面化学组成和提高表面粗糙度。