[发明专利]等离子体改性碳纤维及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了等离子体改性碳纤维及其制备方法和应用，所述方法包括：(1)将碳纤维与含有双马来酰亚胺和/或马来酸酐的极性溶液混合，使得双马来酰亚胺和/或马来酸酐预接枝到所述碳纤维表面；(2)对步骤(1)得到的预接枝碳纤维进行等离子体处理，以便得到改性碳纤维。采用该方法可以制备得到表面能高的改性碳纤维，从而将其与树脂基体复合可以显著提高复合树脂的界面结合强度，进而提升其在复合材料中的使用效果，并且该方法还具有节能、环保、处理时间短、效率高的优势。

技术领域

本发明属于碳纤维领域，具体涉及一种等离子体改性碳纤维及其制备方法和应用。

背景技术

聚丙烯腈基碳纤维是一种碳元素质量在90％以上的无机纤维状材料，体密度仅为1.7-2.0g/cm³，但拉伸强度可达3.0-7.0GPa，拉伸模量可达200-680GPa，它还有耐高低温、耐腐蚀、耐疲劳、导电、传热、热膨胀系数小等一系列的优异性能，广泛地作为先进复合材料的增强材料。然而，碳纤维在碳化后表面变的光滑且具有石墨乱层结构，具有很强的化学惰性，在碳纤维与树脂基体复合使用的过程中，会因表面极性差、表面能低，造成界面结合能力不够。因此，对碳纤维进行表面处理就显得尤为重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种等离子体改性碳纤维及其制备方法和应用，采用该方法可以制备得到表面能高的改性碳纤维，从而将其与树脂基体复合可以显著提高复合树脂的界面结合强度，进而提升其在复合材料中的使用效果，并且该方法还具有节能、环保、处理时间短、效率高的优势。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种制备等离子体改性碳纤维的方法。根据本发明的实施例，所述方法包括：(1)将碳纤维与含有双马来酰亚胺和/或马来酸酐的极性溶液混合，使得双马来酰亚胺和/或马来酸酐预接枝到所述碳纤维表面；(2)对步骤(1)得到的预接枝碳纤维进行等离子体处理，以便得到改性碳纤维。

优选地，在步骤(1)中，所述含有双马来酰亚胺和/或马来酸酐的极性溶液的浓度为0.03～0.1mol/L。

优选地，在步骤(1)中，所述含有双马来酰亚胺和/或马来酸酐的极性溶液采用的溶剂为选自丙酮、DMF和NMP中的至少之一。

优选地，在步骤(1)中，将所述碳纤维与所述含有双马来酰亚胺和/或马来酸酐的极性溶液在40～60℃水浴中预接枝30～50min。

优选地，在步骤(2)中，所述等离子处理过程包括：在等离子体炬设备中先通入气体流量为20mL/min～30mL/min的空气，然后在电压为85V～95V，电流为2A～3A的条件下，将步骤(1)得到的预接枝碳纤维在等离子体炬火焰下1～2cm处处理1～20s。

优选地，上述方法进一步包括：对所述改性碳纤维进行清洗和干燥。

在本发明的第二个方面，本发明提出了一种改性碳纤维。根据本发明的实施例，所述改性碳纤维采用上述的方法制备得到。

在本发明的第三个方面，本发明提出了一种复合树脂。根据本发明的实施例，所述复合树脂采用上述的等离子体改性碳纤维与树脂基体复合而成。

与现有技术相比，本发明通过将碳纤维与含有双马来酰亚胺和/或马来酸酐的极性溶液混合，达到一个极性单体物理粘附在碳纤维表面，即有一部分双马来酰亚胺和/或马来酸酐单体上的基团会和碳纤维表面的羟基等基团结合，然后将预接枝碳纤维进行等离子体处理，让碳纤维表面产生的碳自由基、羧基自由基、氨基自由基等活性位点与被等离子体激发形成的双马来酰亚胺自由基或亚甲基自由基或双键自由基或羧基自由基等进行化学结合，即将双马来酰亚胺和/或马来酸酐接枝到碳纤维表面几纳米到几百纳米深处，即只改变碳纤维表面的物理和化学特性，不会使碳纤维本身的物理化学性能发生变化，使得得到的改性碳纤维具有较高的表面能，从而将其与树脂基体复合可以显著提高复合树脂的界面结合强度，进而提升其在复合材料中的使用效果，并且该方法还具有节能、环保、处理时间短、效率高的优势。

附图说明