CN105542227A - 一种碳纤维增强体及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种碳纤维增强体的制备方法，其包括以下步骤：⑴提供一碳纤维，对所述碳纤维的表面进行氧化处理；⑵将该处理后的碳纤维与硅烷、耦合剂混合并反应，得到带有硅醇基团的碳纤维；以及⑶将所述带有硅醇基团的碳纤维加入氧化石墨烯混合液中，使氧化石墨烯接枝于所述带有硅醇基团的碳纤维的表面，得到碳纤维增强体。本发明还提供一种碳纤维增强体。

Description

一种碳纤维增强体及其制备方法
技术领域
本发明涉及碳纤维材料技术领域，尤其涉及一种对表面改性的碳纤维及其制备方法。
背景技术
碳纤维材料是由碳原子组成的超细纤维组成，其纤维直径从1纳米到100微米不等，其碳原子构成的碳原子层高度一致取向平行于碳纤维轴向方向。含有或部分含有碳纤维材料具有很高的强度且质量更轻。
碳纤维的应用必须要与树脂组成复合材料才能有效发挥其性能，这两种物质的物理化学性质完全不同。而纤维增强树脂基复合材料的界面是碳纤维与树脂之间的桥梁，是树脂基复合材料的重要组成部分，界面粘接的好坏直接影响着层间剪切、断裂、抗冲击等性能。然而，对于树脂基复合材料而言，由于界面上缺少化学键使得界面成为复合材料薄弱的环节。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种碳纤维增强体及其制备方法，所述碳纤维增强体中碳纤维的表面带有官能团。
本发明提供一种碳纤维增强体的制备方法，其包括以下步骤：
⑴提供一碳纤维，对所述碳纤维的表面进行氧化处理；
⑵将该处理后的碳纤维与硅烷、耦合剂混合并反应，得到带有硅醇基团的碳纤维；以及
⑶将所述带有硅醇基团的碳纤维加入氧化石墨烯混合液中，使氧化石墨烯接枝于所述带有硅醇基团的碳纤维的表面，得到碳纤维增强体。
本发明还提供一种采用上述制备方法得到的碳纤维增强体，其包括氧化石墨烯和碳纤维，所述氧化石墨烯接枝于碳纤维，所述碳纤维的表面带有硅醇基团。
与现有技术相比较，本发明提供的碳纤维增强体及其制备方法具有以下优点：
第一，通过硅烷、耦合剂与表面经过氧化处理的碳纤维进行反应，得到表面带有硅醇基团的碳纤维，该碳纤维表面的硅醇基团具有较大的活性而可与树脂表面的活性官能团在界面发生化学反应并形成化学键，该化学键可以显著提高碳纤维和树脂之间的粘结强度；
第二，由于氧化石墨烯的尺寸为纳米级或微米级，在碳纤维的表面接枝氧化石墨烯，可增加表面积，使得该碳纤维增强体与树脂之间的界面面积增大，大大增加界面的摩擦作用，从而显著提高该碳纤维增强体和树脂之间的粘结强度，而使该碳纤维增强体和树脂形成的复合材料具有优异的层间剪切、断裂、抗冲击等性能。
相对于现有的针对某种特定的环氧树脂碳纤维增强材料来设计的碳纤维材料而言，本申请所述碳纤维增强体中的碳纤维表面带有硅醇基团，并且在碳纤维的表面还接枝有氧化石墨烯，其具有优异的上浆能力而可适用于与各种不同的树脂(包括非环氧树脂类)复合而得到性能优异的复合材料。
本制备方法简单易行，易于操作，适合产业化。得到的所述碳纤维增强体，可与各类树脂复合，具有较好的应用前景。
附图说明
图1为碳纤维增强体的制备机理的示意图(1代表碳纤维，2代表该碳纤维的表面)。
如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
以下将对本发明提供的碳纤维增强体及其制备方法作进一步说明。
请参阅图1，本发明提供一种碳纤维增强体的制备方法，其包括以下步骤：
S1，提供一碳纤维1，对所述碳纤维1的表面2进行氧化处理；
S2，将该处理后的碳纤维与硅烷、耦合剂混合并反应，得到带有硅醇基团的碳纤维；以及
S3，将所述带有硅醇基团的碳纤维加入石墨烯溶液中，使氧化石墨烯接枝于所述带有硅醇基团的碳纤维的表面，得到碳纤维增强体。
在步骤S1中，对所述碳纤维的表面进行氧化处理，使碳纤维的表面带有具有一定活性的官能团。所述官能团为羧基、羰基、羟基、胺基中的至少一个。可采用化学法、电化学法以及等离子处理法中的至少一种方法对所述碳纤维1的表面2进行氧化。具体的，所述碳纤维的表面不饱和碳原子可被氧化成胺基、羧基、羰基以及羟基等，该类官能团具有一定活性或者含有活性氢的官能团而使后续的碳纤维进行硅烷化反应。所述碳纤维的表面所带有的官能团的种类及数量取决于碳纤维氧化工艺选择及具体工艺参数。其中羧基、胺基以及羟基含有活性氢而更利于后续的硅烷化反应。
所述采用化学法对所述碳纤维进行氧化具体为：将所述碳纤维置于有氧环境下氧化，或者将所述碳纤维置于硝酸的环境下加热以对碳纤维的表面进行氧化。
所述采用电化学法对所述碳纤维进行氧化具体为：将所述碳纤维置于电解液中以对碳纤维的表面进行氧化。所述电解液中的电解质为KOH、H2SO4、HNO3、NaOH和铵盐中的至少一种。
所述采用等离子处理法对所述碳纤维进行氧化具体为：采用硝酸和硫酸的混合液对所述碳纤维进行等离子处理以对碳纤维的表面进行氧化。其中硝酸和硫酸的混合液中H2SO4与HNO3的体积比为3:1。该反应温度为室温～100℃，反应时间为10秒～2天。
在步骤S2中，通过将处理后的碳纤维与硅烷、耦合剂进行硅烷化反应，而使硅醇基团引入到所述碳纤维的表面。硅烷化反应具体的为：硅烷含有异氰酸基，该异氰酸基与碳纤维表面的羧基等官能团发生缩合等一系列反应，最终使硅醇基团引入到所述碳纤维的表面。其中碳纤维表面官能团的种类及数量比取决于碳纤维氧化工艺选择及具体工艺参数。
所述硅烷为(三甲氧基硅烷)丙基异氰酸酯、(三乙氧基硅烷)丙基异氰酸酯、(三乙氧基硅烷)丁酯异氰酸酯、(三乙氧基硅烷)异氰酸乙酯、(三乙氧基硅烷)异氰酸甲酯中的至少一种。
所所述耦合剂为氨基乙基硅烷、氨基丙基硅烷、甲基二甲氧基硅烷、三甲氧基硅烷、三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、氨基烃基硅烷中的至少一种。
在步骤S3中，通过将氧化石墨烯接枝于碳纤维的表面，可使该碳纤维增强体的表面积，而利于与树脂复合形成性能优异的复合材料。
所述氧化石墨烯混合液为将氧化石墨烯分散于水和/或有机溶剂而得到的混合物。所述氧化石墨烯混合液中，氧化石墨烯的质量分数为0.01wt％～5wt％。由于氧化石墨烯表面有大量的官能团，如羧基、羟基、环氧基，因而可容易的接枝于所述碳纤维的表面。
所述氧化石墨烯(简写为GO)为将石墨粉末经化学氧化及剥离后得到的产物。所述氧化石墨烯也可为市售的氧化石墨烯。所述氧化石墨烯可为微纳米级的二维材料。所述的氧化石墨烯可为单层石墨烯、多层石墨烯或者其混合物。所述石墨烯的厚度范围为0.35纳米～50微米。
本发明还提供一种碳纤维增强体，其包括氧化石墨烯和碳纤维。所述氧化石墨烯接枝于碳纤维，所述碳纤维的表面带有硅醇基团。
本发明提供的碳纤维增强体及其制备方法具有以下优点：
第一，通过硅烷、耦合剂与表面经过氧化处理的碳纤维进行反应，得到表面带有硅醇基团的碳纤维，该碳纤维表面的硅醇基团具有较大的活性而可与树脂表面的活性官能团在界面发生化学反应并形成化学键，该化学键可以显著提高碳纤维和树脂之间的粘结强度；
第二，由于氧化石墨烯的尺寸为纳米级或微米级，在碳纤维的表面接枝氧化石墨烯，可增加表面积，使得该碳纤维增强体与树脂之间的界面面积增大，大大增加界面的摩擦作用，从而显著提高该碳纤维增强体和树脂之间的粘结强度，而使该碳纤维增强体和树脂形成的复合材料具有优异的层间剪切、断裂、抗冲击等性能。
相对于现有的针对某种特定的环氧树脂碳纤维增强材料来设计的碳纤维材料而言，本申请所述碳纤维增强体中的碳纤维表面带有硅醇基团，并且在碳纤维的表面还接枝有氧化石墨烯，其具有优异的上浆能力而可适用于与各种不同的树脂(包括非环氧树脂类)复合而得到性能优异的复合材料。
本制备方法简单易行，易于操作，适合产业化。得到的所述碳纤维增强体，可与各类树脂复合，具有较好的应用前景。
以下，将结合具体的实施例进一步说明。
实施例1
(1)采用硝酸和硫酸的混合液对碳纤维进行等离子处理以对碳纤维的表面进行氧化，而使碳纤维的表面带有胺基，其中硝酸和硫酸的混合液中H2SO4与HNO3的体积比为3:1，反应温度为90℃左右，反应时间为10分钟～15分钟。
(2)把处理后的碳纤维放入(三甲氧基硅烷)丙基异氰酸酯溶液中，并加入耦合剂氨基乙基硅烷，加热超声以催化反应速度，而将硅醇基团引入到碳纤维的表面。
(3)将氧化石墨烯加入丙酮溶液中，超声处理30min，得到氧化石墨烯混合液，然后将带有硅醇基团的碳纤维加入氧化石墨烯混合液，在100℃条件下反应12h后过滤，过滤后的碳纤维用丙酮和去离子水交替洗涤5次，在50℃真空条件下烘干2h，即得到碳纤维增强体。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种碳纤维增强体的制备方法，其包括以下步骤：
⑴提供一碳纤维，对所述碳纤维的表面进行氧化处理；
⑵将该处理后的碳纤维与硅烷、耦合剂混合并反应，得到带有硅醇基团的碳纤维；以及
⑶将所述带有硅醇基团的碳纤维加入氧化石墨烯混合液中，使氧化石墨烯接枝于所述带有硅醇基团的碳纤维的表面，得到碳纤维增强体。
2.如权利要求1所述的碳纤维增强体的制备方法，其特征在于，在步骤⑴中对所述碳纤维的表面进行氧化处理，使碳纤维的表面带有官能团，所述官能团为羧基、羰基、羟基、胺基中的至少一个。
3.如权利要求2所述的碳纤维增强体的制备方法，其特征在于，在步骤⑴中采用化学法、电化学法以及等离子处理法中的至少一种方法对所述碳纤维的表面进行氧化。
4.如权利要求3所述的碳纤维增强体的制备方法，其特征在于，所述采用化学法对所述碳纤维进行氧化具体为：将所述碳纤维置于有氧环境下氧化或者将所述碳纤维置于硝酸的环境下加热以对碳纤维的表面进行氧化。
5.如权利要求3所述的碳纤维增强体的制备方法，其特征在于，所述采用电化学法对所述碳纤维进行氧化具体为：将所述碳纤维置于电解液中以对碳纤维的表面进行氧化，所述电解液中的电解质为KOH、H2SO4、HNO3、NaOH和铵盐中的至少一种。
6.如权利要求3所述的碳纤维增强体的制备方法，其特征在于，所述采用等离子处理法对所述碳纤维进行氧化具体为：采用硝酸和硫酸的混合液对所述碳纤维进行等离子处理以对碳纤维的表面进行氧化，其中硝酸和硫酸的混合液中H2SO4与HNO3的体积比为3:1，反应温度为室温～100℃，反应时间为10秒～2天。
7.如权利要求1所述的碳纤维增强体的制备方法，其特征在于，在步骤⑵中所述硅烷为(三甲氧基硅烷)丙基异氰酸酯、(三乙氧基硅烷)丙基异氰酸酯、(三乙氧基硅烷)丁酯异氰酸酯、(三乙氧基硅烷)异氰酸乙酯、(三乙氧基硅烷)异氰酸甲酯中的至少一种。
8.如权利要求1所述的碳纤维增强体的制备方法，其特征在于，在步骤⑵中所述耦合剂为氨基乙基硅烷、氨基丙基硅烷、甲基二甲氧基硅烷、三甲氧基硅烷、三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、氨基烃基硅烷中的至少一种。
9.如权利要求1所述的碳纤维增强体的制备方法，其特征在于，在步骤⑶中所述氧化石墨烯混合液为将氧化石墨烯分散于水和/或有机溶剂而得到的混合物，所述石墨烯溶液中的氧化石墨烯的质量分数为0.01wt％～5wt％。
10.一种采用如权利要求1～9任一项所述制备方法得到的碳纤维增强体，其特征在于，其包括氧化石墨烯和碳纤维，所述氧化石墨烯接枝于碳纤维，所述碳纤维的表面带有硅醇基团。
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