[发明专利]一种胶体纳米粒子自组装修饰碳纤维、制备方法及碳纤维复合材料

说明书

本发明提供一种胶体纳米粒子自组装修饰碳纤维、制备方法及碳纤维复合材料，属于碳纤维表面处理技术领域。该方法先将碳纤维浸入聚电解质水溶液中进行处理得到修饰后带有电荷的碳纤维；采用水解法制备胶体；将修饰后带有电荷的碳纤维浸入胶体中处理，得到胶体纳米粒子自组装修饰的碳纤维。本发明还提供上述制备方法得到的胶体纳米粒子自组装修饰的碳纤维。本发明还提供一种碳纤维复合材料，包括上述胶体纳米粒子自组装修饰的碳纤维。本发明不仅增强碳纤维复合材料的界面性能，而且具有独特的简单性和灵活性，适合大规模工业化生产。

技术领域

本发明属于碳纤维表面处理技术领域，涉及一种胶体纳米粒子自组装修饰碳纤维、制备方法及碳纤维复合材料。

背景技术

碳纤维增强树脂基复合材料由于具有高强度和模量、抗磨损能力、耐腐蚀性和高承载能力等优点，被广泛应用于汽车应用、休闲运动和航空航天工业等各个领域。不可否认，碳纤维增强树脂基复合材料的性能在很大程度上受纤维/基体界面性能的控制，因为界面起到了中间桥梁的作用，良好的界面性能可以有效地将载荷从基体传递到纤维，并因此提升整个复合材料的机械性能。但是由于碳纤维高度结晶的石墨基面具有惰性结构和光滑表面，因此可能导致碳纤维与周围聚合物基体之间的相容性差和附着力弱，导致碳纤维增强树脂基复合材料的界面性能不理想，进而对碳纤维增强树脂基复合材料的机械性能产生负面影响。

为了克服这个问题，人们开发了一系列典型的传统表面改性方法来改善碳纤维增强树脂基复合材料的界面性能，如等离子体处理(CN101413210A)、化学接枝(CN107142730A)、高能辐射和化学气相沉积(CN1064095a)等，这些方法对纤维的处理在一定程度上改善了复合材料的界面结合，提高复合材料的力学性能。

与上述报道的方法相比，传统表面改性方法对设备要求高，能耗高。

发明内容

本发明的目的是提供一种胶体纳米粒子自组装修饰碳纤维、制备方法及碳纤维复合材料，本发明不仅增强碳纤维复合材料的界面性能，而且具有独特的简单性和灵活性，适合大规模工业化生产。

本发明首先提供一种胶体纳米粒子自组装修饰碳纤维的制备方法，该方法包括：

步骤一：将碳纤维浸入聚电解质水溶液中进行处理得到修饰后带有电荷的碳纤维；

步骤二：采用水解法制备胶体；

步骤三：将步骤一修饰后带有电荷的碳纤维浸入上述步骤二的胶体中处理，得到胶体纳米粒子自组装修饰的碳纤维。

优选的是，所述的聚电解质为聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚苯乙烯磺酸、聚乙烯磺酸、聚乙烯磷酸、聚乙烯亚胺、聚乙烯胺或聚乙烯吡啶。

优选的是，所述的聚电解质浓度为0.1-10wt％。

优选的是，所述的步骤一的处理温度为25-90℃，处理时间为0.1-24h。

优选的是，所述的步骤二具体为：将胶粒分散到蒸馏水中，在25-100℃持续搅拌0.1-24h，得到胶体。

优选的是，所述的胶粒为带正电的金属氢氧化物、金属氧化物、带负电的非金属硫化物、金属硫化物或非金属含氧酸的胶体粒子。

优选的是，所述的带正电的金属氢氧化物为Sn(OH)₄、Fe(OH)₃、Al(OH)₃或Cr(OH)₃；

所述的金属氧化物为H₂TiO₃、Fe₂O₃、ZrO₂或Th₂O₃；