[发明专利]一种改性碳纤维及其与尼龙6复合材料的制备

说明书

本发明公开了一种改性碳纤维，其特征在于：首先，索氏提取器蒸汽分子预处理法处理碳纤维，然后电泳沉积壳聚糖修饰碳纤维而得，所述的蒸汽分子为丙酮和浓硝酸。(1)提出了一种新的预处理方法——索氏提取器蒸汽分子预处理法，与传统的溶剂浸泡处理相比，降低了对CF本体性能造成的损伤，又可以对CF表面进行均匀有效的清洗和氧化处理。(2)在电泳沉积过程中，带正电的壳聚糖分子对CF进行修饰，增加CF表面化学活性和石墨层的无序程度，增大表面粗糙度，改善CF与PA6的界面相容性和结合性，提高CF/PA6复合材料的耐湿热性能和力学性能。

技术领域

本发明涉及一种炭纤维改性及改性炭纤维与尼龙6的复合材料的制备方法，具体为炭纤维改性研究领域。

背景技术

从几何角度来看，碳纤维(CF)单丝大致属于一种圆柱体，其结构和性质都显示出沿轴方向中心对称性。CF不仅在力学方面具有高强度和高模量的特性，还具有高导热和导电性，优异的耐腐蚀性，低线性热膨胀系数和低密度等优异性能，奠定了其作为增强相填充在基体材料中增强复合材料的力学和耐湿热性能。目前CF复合材料已经被广泛应用于一些前沿领域，比如汽车、运动器材、轮船、航空航天领域等。复合材料性能的好坏主要取决于CF与基体之间界面粘结性，界面发挥桥梁的作用连接CF和基体材料。然而，CF表面的碳原子活性较低，活性官能团种类和含量较少，整体表现为化学惰性，导致其与基体材料之间不容易形成化学键合，缺少化学键的存在，CF与基体之间的界面结合强度较弱，因此界面之间仅仅依赖物理吸附力不能达到工程应用的标准。

在大多数CF表面修饰的研究中，通常未对CF进行表面预处理或只是做简单的清洗处理。预处理包含清洗和氧化处理，其工艺不当可能会导致CF表面清洗和氧化不彻底、不均匀等现象的发生，甚至出现刻蚀现象对纤维造成二次损伤，大大降低了其本体性能，也会影响修饰CF表面的效果。

CF表面清洗的方法主要包含丙酮清洗法、酸刻蚀法和高温烧蚀法等，其中最常用的是丙酮清洗法，直接将CF放入丙酮溶液中浸泡24-48h，反应周期较长且不能彻底清除表面的商业上浆剂，通过添加超声辅助和超临界装置可以缩短清洗时间，但会导致CF单丝拉伸强度下降，且操作工艺复杂。酸刻蚀法是将CF 放入酸溶液中浸泡，利用酸腐蚀原理去除CF表面的商业上浆剂，但可控性较差容易破坏CF的本体性能。高温烧蚀是在隔绝空气的升温状态下，通过热分解反应去除CF表面的商业上浆剂，但是处理后CF变脆，单丝拉伸强度下降明显，并且容易在纤维表面生成弱连接的碳碳键。清洗后CF表面的含氧活性官能团种类和含量缺失，不能有效的与含活性羟基和氨基的修饰物通过化学键合的方式接合，降低了修饰物改性CF表面的效果。因此，在清洗之后修饰之前对CF进行氧化预处理，可以有效在纤维表面引入羟基和羧基，提高纤维表面的化学活性。

对CF表面预处理之后，进一步对CF表面进行修饰，修饰CF的方法主要分为化学和物理修饰法，其中包括：(1)化学接枝，(2)电泳沉积，等离子体和物理施胶等修饰方法。

商业CF表面的活性官能团较少，表现为化学惰性，难于与PA6基体以化学键合的方式结合，导致CF表面与PA6基体的润湿性和结合性较差，制约了CF/PA6 复合材料的应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：通过不同的处理方式及修饰方法对CF表面进行有效的修饰，(1)增加CF表面含氧活性官能团的种类和含量，提高纤维表面的化学活性，(2)增大CF的表面粗糙度和表面积，(3)探究修饰处理对CF 表面无序程度的影响，(4)提高CF和PA6的界面相容性和粘结力，改善CF/PA6 复合材料的耐湿热和力学性能。

本发明的技术方案是：一种改性碳纤维，首先，索氏提取器蒸汽分子预处理法处理碳纤维，然后电泳沉积壳聚糖修饰碳纤维而得，所述的蒸汽分子为丙酮和浓硝酸；先使用丙酮蒸汽分子预处理后，再用浓硝酸蒸汽分子预处理。