CN106192366B - 一种碳纤维表面接枝三嗪类树枝状分子的方法 - Google Patents

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Abstract

一种碳纤维表面接枝三嗪类树枝状分子的方法，它涉及一种碳纤维表面改性的方法。本发明的目的是要解决现有碳纤维表面改性的方法存在基团接枝到碳纤维上少及碳纤维本体强度损失大的问题。方法：一、碳纤维表面环氧涂层的去除；二、碳纤维的氧化；三、碳纤维的还原；四、碳纤维表面接枝三嗪类树枝状分子，得到表面接枝三代三嗪类树枝状分子的碳纤维。利用本发明的方法得到的表面接枝三代三嗪类树枝状分子的碳纤维的表面能由碳纤维原丝的38.9mN/m升高到接70mN/m～75mN/m，提高了80％～90％，界面剪切强度增加了60％～65％。本发明可获得一种碳纤维表面接枝三嗪类树枝状分子的方法。

Description

一种碳纤维表面接枝三嗪类树枝状分子的方法
技术领域
本发明涉及一种碳纤维表面改性的方法。
背景技术
纤维增强树脂基复合材料被广泛的应用于汽车、船舶、航空航天和机械制造等方面，这主要得益于碳纤维优异的机械性能，低密度，高比强和高比刚的特性。但是，未经处理的碳纤维表面惰性大，与树脂基体的界面结合较弱。而在碳纤维复合材料中，碳纤维与基体之间的界面起着至关重要的作用，良好的界面结合可以有效地传递载荷，从而提高材料的力学性能。因此，在对碳纤维复合材料性能的进一步追求中，增强体与基体之间的界面性能的提高成为复合材料性能提升的关键。
常用的碳纤维表面改性方法主要有化学气相沉积法、化学氧化及化学接枝等，这些方法都能不同程度地增加碳纤维的表面极性，比表面积以及粗糙度，提高其与树脂之间的界面性能，但往往由于纤维表面活性点较少，接枝到碳纤维上的基团更少，与树脂的结合强度无法保障；另外导致其本体强度的严重损失，并且操作繁琐，不易实施。因此，目前急需一种碳纤维表面改性技术，旨在碳纤维表面形成更多的活性点，并尽可能不破坏其本体结构来提高其与树脂的界面结合强度。
发明内容
本发明的目的是要解决现有碳纤维表面改性的方法存在基团接枝到碳纤维上少及碳纤维本体强度损失大的问题，而提供一种碳纤维表面接枝三嗪类树枝状分子的方法。
一种碳纤维表面接枝三嗪类树枝状分子的方法，具体是按以下步骤完成的：
一、碳纤维表面环氧涂层的去除：
将碳纤维束放入索氏提取器中，使用丙酮作为溶剂，加热丙酮至80℃～85℃，并在80℃～85℃下冷凝回流反应40h～70h；反应结束后冷却至室温，将碳纤维取出，再在70℃～90℃下干燥1h～3h，得到去除表面环氧涂层后的碳纤维束；
二、碳纤维的氧化：
①、在常温下配置过硫酸钾和硝酸银的混合溶液；
②、将去除表面环氧涂层后的碳纤维束浸入到过硫酸钾和硝酸银的混合溶液中，加热至60℃～80℃，再在温度为60℃～80℃下保持1h～2h，然后将去除表面环氧涂层后的碳纤维束从过硫酸钾和硝酸银的混合溶液中取出；
③、将碳纤维束置于蒸馏水中浸泡5～15min，再取出；
④、重复步骤二③3次～5次；
⑤、再将碳纤维束放入索氏提取器内，在90℃～100℃下以无水乙醇为提取剂进行索氏提取除杂2h～4h，得到清洗后的碳纤维束；将清洗后的碳纤维束置于70℃～90℃下干燥1h～3h，得到氧化后的碳纤维；
三、碳纤维的还原：
将氧化后的碳纤维浸入到LiAlH4-四氢呋喃的饱和溶液中，再在温度为60℃～80℃下加热回流1h～4h，取出后使用四氢呋喃清洗2次～4次，再使用质量分数为5％～10％的盐酸清洗2次～4次，最后使用蒸馏水清洗洗涤至清洗液为中性，再将碳纤维束在温度为90℃～110℃下干燥2h～4h，得到还原后的碳纤维；
四、碳纤维表面接枝三嗪类树枝状分子：
①、向干燥的反应瓶中加入四氢呋喃，再将还原后的碳纤维置于四氢呋喃中，再依次向四氢呋喃中加入三聚氰氯和N,N-二异丙基乙胺，再搅拌均匀，得到混合溶液；向反应瓶中通入氮气15min～30min，再在氮气气氛和温度为30℃～60℃下反应20h～40h；反应结束后将碳纤维取出，依次使用四氢呋喃、无水乙醇对碳纤维各清洗2次～6次，再在温度为70℃～90℃下干燥1h～3h，得到表面接枝三聚氰氯的碳纤维；
步骤四①中所述的反应瓶中还原后的碳纤维的质量与四氢呋喃的体积比为0.3g:(50mL～60mL)；
步骤四①中所述的还原后的碳纤维与三聚氰氯的质量比为0.3:(0.4～0.6)；
步骤四①中所述的还原后的碳纤维与N,N-二异丙基乙胺的质量比为0.3:(0.3～0.5)；
②、将表面接枝三聚氰氯的碳纤维浸入到异丙醇中，再依次向异丙醇中加入对苯二胺和N,N-二异丙基乙胺，再在温度为60℃～90℃反应20h～40h；反应结束后将表面接枝三聚氰氯的碳纤维取出，依次使用异丙醇、无水乙醇对表面接枝三聚氰氯的碳纤维各清洗2次～6次，再在温度为70℃～90℃下干燥1h～3h，得到表面接枝一代三嗪类树枝状分子的碳纤维，记作CF-G1；
步骤四②中所述的表面接枝三聚氰氯的碳纤维的质量与异丙醇的体积比为0.3g:(50mL～60mL)；
步骤四②中所述的表面接枝三聚氰氯的碳纤维与对苯二胺的质量比为0.3:(0.2～0.4)；
步骤四②中所述的表面接枝三聚氰氯的碳纤维与N,N-二异丙基乙胺的质量比为0.3:(0.3～0.5)；
③、将CF-G1代替还原后的碳纤维重复步骤四①至步骤四②的步骤，得到表面接枝二代三嗪类树枝状分子的碳纤维，记作CF-G2；
④、将CF-G2代替还原后的碳纤维重复步骤四①至步骤四②的步骤，得到表面接枝三代三嗪类树枝状分子的碳纤维，记作CF-G3，即完成碳纤维表面接枝三嗪类树枝状分子的方法。
本发明的优点：
一、本发明中三聚氰氯的三个氯原子由于反应活性不同，可以通过温度控制取代次序且反应温度较低，从而可以保证反应的顺利进行，降低交联现象发生的概率，且不会对纤维本体造成损害；
二、本发明可以显著增加碳纤维表面活性基团的含量，解决现有碳纤维表面改性的方法存在的基团接枝到碳纤维上少的问题；同时，由于树枝状分子的支化结构，在碳纤维表面形成类似的“网状保护层”，防止处理过程中碳纤维本体强度的损失；
三、利用本发明一种碳纤维表面接枝三嗪类树枝状分子的方法得到的表面接枝三代三嗪类树枝状分子的碳纤维的表面能由碳纤维原丝的38.9mN/m升高到接70mN/m～75mN/m，提高了80％～90％，界面剪切强度增加了60％～65％。
本发明可获得一种碳纤维表面接枝三嗪类树枝状分子的方法。
附图说明
图1为碳纤维的SEM图；
图2为实施例一步骤四②中得到的CF-G1的低倍SEM图；
图3为实施例一步骤四③中得到的CF-G2的低倍SEM图；
图4为实施例一步骤四④中得到的CF-G3的低倍SEM图；
图5为实施例一步骤四②中得到的CF-G1的高倍SEM图；
图6为实施例一步骤四③中得到的CF-G2的高倍SEM图；
图7为实施例一步骤四④中得到的CF-G3的高倍SEM图；
图8为实施例一中碳纤维接枝前后的界面剪切强度图；
图9为实施例二步骤四②中得到的CF-G1的低倍SEM图；
图10为实施例二步骤四③中得到的CF-G2的低倍SEM图；
图11为实施例二步骤四④中得到的CF-G3的低倍SEM图；
图12为实施例二中碳纤维接枝前后的界面剪切强度图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式是一种碳纤维表面接枝三嗪类树枝状分子的方法具体是按以下步骤完成的：
一、碳纤维表面环氧涂层的去除：
将碳纤维束放入索氏提取器中，使用丙酮作为溶剂，加热丙酮至80℃～85℃，并在80℃～85℃下冷凝回流反应40h～70h；反应结束后冷却至室温，将碳纤维取出，再在70℃～90℃下干燥1h～3h，得到去除表面环氧涂层后的碳纤维束；
二、碳纤维的氧化：
①、在常温下配置过硫酸钾和硝酸银的混合溶液；
②、将去除表面环氧涂层后的碳纤维束浸入到过硫酸钾和硝酸银的混合溶液中，加热至60℃～80℃，再在温度为60℃～80℃下保持1h～2h，然后将去除表面环氧涂层后的碳纤维束从过硫酸钾和硝酸银的混合溶液中取出；
③、将碳纤维束置于蒸馏水中浸泡5～15min，再取出；
④、重复步骤二③3次～5次；
⑤、再将碳纤维束放入索氏提取器内，在90℃～100℃下以无水乙醇为提取剂进行索氏提取除杂2h～4h，得到清洗后的碳纤维束；将清洗后的碳纤维束置于70℃～90℃下干燥1h～3h，得到氧化后的碳纤维；
三、碳纤维的还原：
将氧化后的碳纤维浸入到LiAlH4-四氢呋喃的饱和溶液中，再在温度为60℃～80℃下加热回流1h～4h，取出后使用四氢呋喃清洗2次～4次，再使用质量分数为5％～10％的盐酸清洗2次～4次，最后使用蒸馏水清洗洗涤至清洗液为中性，再将碳纤维束在温度为90℃～110℃下干燥2h～4h，得到还原后的碳纤维；
四、碳纤维表面接枝三嗪类树枝状分子：
①、向干燥的反应瓶中加入四氢呋喃，再将还原后的碳纤维置于四氢呋喃中，再依次向四氢呋喃中加入三聚氰氯和N,N-二异丙基乙胺，再搅拌均匀，得到混合溶液；向反应瓶中通入氮气15min～30min，再在氮气气氛和温度为30℃～60℃下反应20h～40h；反应结束后将碳纤维取出，依次使用四氢呋喃、无水乙醇对碳纤维各清洗2次～6次，再在温度为70℃～90℃下干燥1h～3h，得到表面接枝三聚氰氯的碳纤维；
步骤四①中所述的反应瓶中还原后的碳纤维的质量与四氢呋喃的体积比为0.3g:(50mL～60mL)；
步骤四①中所述的还原后的碳纤维与三聚氰氯的质量比为0.3:(0.4～0.6)；
步骤四①中所述的还原后的碳纤维与N,N-二异丙基乙胺的质量比为0.3:(0.3～0.5)；
②、将表面接枝三聚氰氯的碳纤维浸入到异丙醇中，再依次向异丙醇中加入对苯二胺和N,N-二异丙基乙胺，再在温度为60℃～90℃反应20h～40h；反应结束后将表面接枝三聚氰氯的碳纤维取出，依次使用异丙醇、无水乙醇对表面接枝三聚氰氯的碳纤维各清洗2次～6次，再在温度为70℃～90℃下干燥1h～3h，得到表面接枝一代三嗪类树枝状分子的碳纤维，记作CF-G1；
步骤四②中所述的表面接枝三聚氰氯的碳纤维的质量与异丙醇的体积比为0.3g:(50mL～60mL)；
步骤四②中所述的表面接枝三聚氰氯的碳纤维与对苯二胺的质量比为0.3:(0.2～0.4)；
步骤四②中所述的表面接枝三聚氰氯的碳纤维与N,N-二异丙基乙胺的质量比为0.3:(0.3～0.5)；
③、将CF-G1代替还原后的碳纤维重复步骤四①至步骤四②的步骤，得到表面接枝二代三嗪类树枝状分子的碳纤维，记作CF-G2；
④、将CF-G2代替还原后的碳纤维重复步骤四①至步骤四②的步骤，得到表面接枝三代三嗪类树枝状分子的碳纤维，记作CF-G3，即完成碳纤维表面接枝三嗪类树枝状分子的方法。
本实施方式步骤四①的反应路线为：
反应机理为：
将经过还原处理得到的还原后的碳纤维与三聚氰氯反应，其中，N,N-二异丙基乙胺作为脱氯剂，使还原后的碳纤维与三聚氰氯反应，脱去氯化氢，保证反应能够顺利进行。
本实施方式步骤四②的反应路线为：
反应机理为：
表面接枝三聚氰氯的碳纤维与对苯二胺反应，得到表面接枝一代三嗪类树枝状分子的碳纤维，其中，N,N-二异丙基乙胺作为脱氯剂，使反应能够顺利进行。
本实施方式步骤四③的反应路线为：
本实施方式步骤四④的反应路线为：
本实施方式的优点：
一、本实施方式可以显著增加碳纤维表面活性基团的含量，解决现有碳纤维表面改性的方法存在的基团接枝到碳纤维上少的问题；同时，由于树枝状分子的支化结构，在碳纤维表面形成类似的“网状保护层”，防止处理过程中碳纤维本体强度的损失；
二、利用本实施方式一种碳纤维表面接枝三嗪类树枝状分子的方法得到的表面接枝三代三嗪类树枝状分子的碳纤维的表面能由碳纤维原丝的38.9mN/m升高到接70mN/m～75mN/m，提高了80％～90％，界面剪切强度增加了60％～65％。
本实施方式可获得一种碳纤维表面接枝三嗪类树枝状分子的方法。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤二②中去除表面环氧涂层后的碳纤维束的质量与过硫酸钾和硝酸银的混合溶液的体积比为0.3g:35mL。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二的不同点是：步骤二①中所述的 过硫酸钾和硝酸银的混合溶液中过硫酸钾的浓度为0.1mol/L～0.2mol/L，硝酸银的浓度为0.001mol/L～0.005mol/L。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一的不同点是：步骤三中氧化后的碳纤维的质量与LiAlH4-四氢呋喃的饱和溶液的体积比为0.3g:50mL。其他与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一的不同点是：步骤四①中向干燥的反应瓶中加入四氢呋喃，再将还原后的碳纤维置于四氢呋喃中，再依次向四氢呋喃中加入三聚氰氯和N,N-二异丙基乙胺，再搅拌均匀，得到混合溶液；向反应瓶中通入氮气20min，再在氮气气氛和温度为40℃下反应24h；反应结束后将碳纤维取出，依次使用四氢呋喃、无水乙醇对碳纤维各清洗3次，再在温度为80℃下干燥2h，得到表面接枝三聚氰氯的碳纤维。其他与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一的不同点是：步骤四①中所述的还原后的碳纤维与三聚氰氯的质量比为0.3:0.45。其他与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一的不同点是：步骤四①中所述的还原后的碳纤维与N,N-二异丙基乙胺的质量比为0.3:0.35。其他与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一的不同点是：步骤四②中将表面接枝三聚氰氯的碳纤维浸入到异丙醇中，再依次向异丙醇中加入对苯二胺和N,N-二异丙基乙胺，再在温度为70℃反应24h；反应结束后将表面接枝三聚氰氯的碳纤维取出，依次使用异丙醇、无水乙醇对表面接枝三聚氰氯的碳纤维各清洗3次，再在温度为80℃下干燥2h，得到表面接枝一代三嗪类树枝状分子的碳纤维，记作CF-G1。其他与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一的不同点是：步骤四②中所述的表面接枝三聚氰氯的碳纤维与对苯二胺的质量比为1:1。其他与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一的不同点是：步骤四②中所述的表面接枝三聚氰氯的碳纤维与N,N-二异丙基乙胺的质量比为0.3:0.35。其他与具体实施方式一至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：一种碳纤维表面接枝三嗪类树枝状分子的方法，具体是按以下步骤完成的：
一、碳纤维表面环氧涂层的去除：
将0.3g碳纤维束放入索氏提取器中，使用丙酮作为溶剂，加热丙酮至80℃，并在80℃下冷凝回流反应48h；反应结束后冷却至室温，将碳纤维取出，再在80℃下干燥2h，得到去除表面环氧涂层后的碳纤维束；
二、碳纤维的氧化：
①、在常温下配置35mL过硫酸钾和硝酸银的混合溶液；
步骤二①中所述的过硫酸钾和硝酸银的混合溶液中过硫酸钾的浓度为0.1mol/L，硝酸银的浓度为0.001mol/L；
②、将0.3g去除表面环氧涂层后的碳纤维束浸入到35mL过硫酸钾和硝酸银的混合溶液中，加热至70℃，再在温度为70℃下保持1h，然后将去除表面环氧涂层后的碳纤维束从过硫酸钾和硝酸银的混合溶液中取出；
③、将碳纤维束置于蒸馏水中浸泡5min，再取出；
④、重复步骤二③3次；
⑤、再将碳纤维束放入索氏提取器内，在90℃下以无水乙醇为提取剂进行索氏提取除杂2h，得到清洗后的碳纤维束；将清洗后的碳纤维束置于80℃下干燥2h，得到氧化后的碳纤维；
三、碳纤维的还原：
将0.3g氧化后的碳纤维浸入到50mL LiAlH4-四氢呋喃的饱和溶液中，再在温度为70℃下加热回流4h，取出后使用四氢呋喃清洗3次，再使用质量分数为7％的盐酸清洗3次，最后使用蒸馏水清洗洗涤至清洗液为中性，再将碳纤维束在温度为100℃下干燥2h，得到还原后的碳纤维；
四、碳纤维表面接枝三嗪类树枝状分子：
①、向干燥的反应瓶中加入50mL四氢呋喃，再将0.3g还原后的碳纤维置于四氢呋喃中，再依次向四氢呋喃中加入0.45g三聚氰氯和0.35g N,N-二异丙基乙胺，再搅拌均匀，得到混合溶液；向反应瓶中通入氮气20min，再在氮气气氛和温度为40℃下反应24h；反应结束后将碳纤维取出，依次使用四氢呋喃、无水乙醇对碳纤维各清洗3次，再在温度为80℃下干燥2h，得到表面接枝三聚氰氯的碳纤维；
②、将0.3g表面接枝三聚氰氯的碳纤维浸入到50mL异丙醇中，再依次向异丙醇中加入0.3对苯二胺和0.35g N,N-二异丙基乙胺，再在温度为70℃反应24h；反应结束后将表面接枝三聚氰氯的碳纤维取出，依次使用异丙醇、无水乙醇对表面接枝三聚氰氯的碳纤维各清洗3次，再在温度为80℃下干燥2h，得到表面接枝一代三嗪类树枝状分子的碳纤维，记作CF-G1；
③、将CF-G1代替还原后的碳纤维重复步骤四①至步骤四②的步骤，得到表面接枝二代三嗪类树枝状分子的碳纤维，记作CF-G2；
④、将CF-G2代替还原后的碳纤维重复步骤四①至步骤四②的步骤，得到表面接枝三代三嗪类树枝状分子的碳纤维，记作CF-G3，即完成碳纤维表面接枝三嗪类树枝状分子的方法。
实施例一步骤一中未改性的碳纤维记作CF。
表1为实施例一中碳纤维接枝前后的元素含量变化。
表1
表1为实施例一中未改性的CF与改性后的CF-G1、CF-G2及CF～G3的XPS元素分析结果；从表1可知，接枝三嗪类树枝状分子后，随着接枝代数的增加，碳纤维表面氮元素的含量明显增加；接枝三代三嗪类树枝状分子后，碳纤维表面氮元素含量由未改性时的2.11％增加到18.31％，这主要是由于随着接枝反应的进行，表面接枝的三聚氰氯和对苯二胺含量大量的增加所引起的；同时，比较CF-Cl和CF-G1可知，接枝对苯二胺后，氯元素的含量明显下降，这是由于在碳纤维表面接枝的三聚氰氯与对苯二胺发生了化学反应，消耗了一部分氯原子；XPS分析中氮元素与氯元素含量的变化表明：在碳纤维表面成功接枝了多代树枝状分子，增加了表面的活性基团的含量，有利于界面性能的提高。
表2为接枝改性反应前后碳纤维的接触角和表面能的变化。
表2
从表2可知，随着接枝代数的增加，接枝三嗪类树枝状分子的碳纤维在水和二碘甲烷中的接触角都明显的降低，极性分量和色散分量相应的提高，表面能也大幅度提高，由未反应时的碳纤维的38.9mN/m升高到接枝三代三嗪类树枝状分子的碳纤维时的73.42mN/m，提高了88.7％；这说明在接枝三嗪类树枝状分子后，碳纤维表面的极性基团显著增加，从而极大的改善碳纤维表面的润湿性，提高碳纤维表面的活性。这将有助于最终复合材料的界面性能的提高。
图1为碳纤维的SEM图；
图2为实施例一步骤四②中得到的CF-G1的低倍SEM图；
图3为实施例一步骤四③中得到的CF-G2的低倍SEM图；
图4为实施例一步骤四④中得到的CF-G3的低倍SEM图；
图5为实施例一步骤四②中得到的CF-G1的高倍SEM图；
图6为实施例一步骤四③中得到的CF-G2的高倍SEM图；
图7为实施例一步骤四④中得到的CF-G3的高倍SEM图；
从图1至图7可知，未反应时，碳纤维表面比较光滑，整洁，仅有少量沿纤维轴向平行排列的浅沟槽，可能是碳纤维在生产过程中产生的；随着接枝代数的增加，表面接着三嗪类树枝状分子的碳纤维表面的粗糙度也随之增大，这意味着碳纤维表面成功的逐代接枝了三嗪类树枝状分子，且随着代数的增加树枝状分子在碳纤维的表面分布趋于均匀；三嗪类树枝状分子将作为一架桥梁将碳纤维和树脂连接起来，从而有利于两者之间界面结合强度的增强。
表3为碳纤维接枝改性前后的拉伸强度；
表3
从表3可知，接枝一代三嗪类树枝状分子后，拉伸强度由原丝的3.82GPa降到3.80GPa，损失0.52％，可忽略不计；然而，随着接枝代数的增加，拉伸强度则逐渐增大。这可能是由于接枝的三嗪类树枝状分子其支化结构在纤维表面形成“网状保护层”，从而有效保护了碳纤维防止其被拉断。
图8为实施例一中碳纤维接枝前后的界面剪切强度图；
从图8可知，接枝三嗪类树枝状分子后，随着代数的增加，碳纤维的界面剪切强度得到显著提高；接枝1～3代三嗪类树枝状分子的碳纤维其界面剪切强度比原丝分别提高了32.9％、48.6％和61.8％。这是因为碳纤维表面经接枝改性后极性基团增多，可以与树脂基体参加化学反应，三嗪类树枝状分子在碳纤维和树脂之间起到了一个桥梁的作用，从而使基体树脂与碳纤维达到良好的界面结合，所以界面强度有很大程度的提高。同时，由于树枝状分子的支化结构，增加了碳纤维与树脂间的机械锁合作用，从而也会使界面性能提高。
实施例二：一种碳纤维表面接枝三嗪类树枝状分子的方法，具体是按以下步骤完成的：
一、碳纤维表面环氧涂层的去除：
将0.3g碳纤维束放入索氏提取器中，使用丙酮作为溶剂，加热丙酮至85℃，并在85℃下冷凝回流反应60h；反应结束后冷却至室温，将碳纤维取出，再在80℃下干燥2h，得到去除表面环氧涂层后的碳纤维束；
二、碳纤维的氧化：
①、在常温下配置50mL过硫酸钾和硝酸银的混合溶液；
步骤二①中所述的过硫酸钾和硝酸银的混合溶液中过硫酸钾的浓度为0.1mol/L，硝酸银的浓度为0.005mol/L；
②、将0.3g去除表面环氧涂层后的碳纤维束浸入到50mL过硫酸钾和硝酸银的混合溶液中，加热至80℃，再在温度为80℃下保持2h，然后将去除表面环氧涂层后的碳纤维 束从过硫酸钾和硝酸银的混合溶液中取出；
③、将碳纤维束置于蒸馏水中浸泡10min，再取出；
④、重复步骤二③5次；
⑤、再将碳纤维束放入索氏提取器内，在95℃下以无水乙醇为提取剂进行索氏提取除杂3h，得到清洗后的碳纤维束；将清洗后的碳纤维束置于80℃下干燥2h，得到氧化后的碳纤维；
三、碳纤维的还原：
将0.3g氧化后的碳纤维浸入到60mL LiAlH4-四氢呋喃的饱和溶液中，再在温度为70℃下加热回流1h，取出后使用四氢呋喃清洗3次，再使用质量分数为7％的盐酸清洗3次，最后使用蒸馏水清洗洗涤至清洗液为中性，再将碳纤维束在温度为100℃下干燥2h，得到还原后的碳纤维；
四、碳纤维表面接枝三嗪类树枝状分子：
①、向干燥的反应瓶中加入60mL四氢呋喃，再将0.3g还原后的碳纤维置于60mL四氢呋喃中，再依次向四氢呋喃中加入0.6g三聚氰氯和0.42g N,N-二异丙基乙胺，再搅拌均匀，得到混合溶液；向反应瓶中通入氮气25min，再在氮气气氛和温度为50℃下反应36h；反应结束后将碳纤维取出，依次使用四氢呋喃、无水乙醇对碳纤维各清洗5次，再在温度为80℃下干燥2h，得到表面接枝三聚氰氯的碳纤维；
②、将0.3g表面接枝三聚氰氯的碳纤维浸入到60mL异丙醇中，再依次向异丙醇中加入0.35g对苯二胺和0.42g N,N-二异丙基乙胺，再在温度为80℃反应36h；反应结束后将表面接枝三聚氰氯的碳纤维取出，依次使用异丙醇、无水乙醇对表面接枝三聚氰氯的碳纤维各清洗5次，再在温度为80℃下干燥2h，得到表面接枝一代三嗪类树枝状分子的碳纤维，记作CF-G1；
③、将CF-G1代替还原后的碳纤维重复步骤四①至步骤四②的步骤，得到表面接枝二代三嗪类树枝状分子的碳纤维，记作CF-G2；
④、将CF-G2代替还原后的碳纤维重复步骤四①至步骤四②的步骤，得到表面接枝三代三嗪类树枝状分子的碳纤维，记作CF-G3，即完成碳纤维表面接枝三嗪类树枝状分子的方法。
实施例二步骤一中未改性的碳纤维记作CF。
图9为实施例二步骤四②中得到的CF-G1的低倍SEM图；
图10为实施例二步骤四③中得到的CF-G2的低倍SEM图；
图11为实施例二步骤四④中得到的CF-G3的低倍SEM图；
从图9至图11可知，随着接枝代数的增加，表面粗糙度稍有增大，这表明实施例二中碳纤维表面逐代的接枝了三嗪类树枝状分子，但与例一相比，接枝量较少且表面粗糙度的增加程度较低，这将会使界面性能提高的幅度较例一低。
表4为实施例二中接枝改性反应前后碳纤维的接触角和表面能的变化。
表4
从表4可知，随着接枝代数的增加，接枝三嗪类树枝状分子的碳纤维在水和二碘甲烷中的接触角都明显的降低，极性分量和色散分量相应的提高，表面能也大幅度提高。但比较实施例一与例二可知，实施例二得到的接触角明显高于实施例一，所得的改性纤维表面的润湿性与例一相比较差。
图12为实施例二中碳纤维接枝前后的界面剪切强度图；
从图12可知，接枝三嗪类树枝状分子后，随着代数的增加，碳纤维的界面剪切强度也得到了提高；接枝1～3代三嗪类树枝状分子的碳纤维其界面剪切强度比原丝分别提高了27.33％、32.24％和45.1％。但与实施例一相比，其提高幅度较低，所得到的改性纤维其界面性能较差。

Claims (10)

1.一种碳纤维表面接枝三嗪类树枝状分子的方法，其特征在于一种碳纤维表面接枝三嗪类树枝状分子的方法具体是按以下步骤完成的：
一、碳纤维表面环氧涂层的去除：
将碳纤维束放入索氏提取器中，使用丙酮作为溶剂，加热丙酮至80℃～85℃，并在80℃～85℃下冷凝回流反应40h～70h；反应结束后冷却至室温，将碳纤维取出，再在70℃～90℃下干燥1h～3h，得到去除表面环氧涂层后的碳纤维束；
二、碳纤维的氧化：
①、在常温下配置过硫酸钾和硝酸银的混合溶液；
②、将去除表面环氧涂层后的碳纤维束浸入到过硫酸钾和硝酸银的混合溶液中，加热至60℃～80℃，再在温度为60℃～80℃下保持1h～2h，然后将去除表面环氧涂层后的碳纤维束从过硫酸钾和硝酸银的混合溶液中取出；
③、将碳纤维束置于蒸馏水中浸泡5～15min，再取出；
④、重复步骤二③3次～5次；
⑤、再将碳纤维束放入索氏提取器内，在90℃～100℃下以无水乙醇为提取剂进行索氏提取除杂2h～4h，得到清洗后的碳纤维束；将清洗后的碳纤维束置于70℃～90℃下干燥1h～3h，得到氧化后的碳纤维；
三、碳纤维的还原：
将氧化后的碳纤维浸入到LiAlH4-四氢呋喃的饱和溶液中，再在温度为60℃～80℃下加热回流1h～4h，取出后使用四氢呋喃清洗2次～4次，再使用质量分数为5％～10％的盐酸清洗2次～4次，最后使用蒸馏水清洗洗涤至清洗液为中性，再将碳纤维束在温度为90℃～110℃下干燥2h～4h，得到还原后的碳纤维；
四、碳纤维表面接枝三嗪类树枝状分子：
①、向干燥的反应瓶中加入四氢呋喃，再将还原后的碳纤维置于四氢呋喃中，再依次向四氢呋喃中加入三聚氰氯和N,N-二异丙基乙胺，再搅拌均匀，得到混合溶液；向反应瓶中通入氮气15min～30min，再在氮气气氛和温度为30℃～60℃下反应20h～40h；反应结束后将碳纤维取出，依次使用四氢呋喃、无水乙醇对碳纤维各清洗2次～6次，再在温度为70℃～90℃下干燥1h～3h，得到表面接枝三聚氰氯的碳纤维；
步骤四①中反应瓶中还原后的碳纤维的质量与四氢呋喃的体积比为0.3g:(50mL～60mL)；
步骤四①中所述的还原后的碳纤维与三聚氰氯的质量比为0.3:(0.4～0.6)；
步骤四①中所述的还原后的碳纤维与N,N-二异丙基乙胺的质量比为0.3:(0.3～0.5)；
②、将表面接枝三聚氰氯的碳纤维浸入到异丙醇中，再依次向异丙醇中加入对苯二胺和N,N-二异丙基乙胺，再在温度为60℃～90℃反应20h～40h；反应结束后将表面接枝三聚氰氯的碳纤维取出，依次使用异丙醇、无水乙醇对表面接枝三聚氰氯的碳纤维各清洗2次～6次，再在温度为70℃～90℃下干燥1h～3h，得到表面接枝一代三嗪类树枝状分子的碳纤维，记作CF-G1；
步骤四②中所述的表面接枝三聚氰氯的碳纤维的质量与异丙醇的体积比为0.3g:(50mL～60mL)；
步骤四②中所述的表面接枝三聚氰氯的碳纤维与对苯二胺的质量比为0.3:(0.2～0.4)；
步骤四②中所述的表面接枝三聚氰氯的碳纤维与N,N-二异丙基乙胺的质量比为0.3:(0.3～0.5)；
③、将CF-G1代替还原后的碳纤维重复步骤四①至步骤四②的步骤，得到表面接枝二代三嗪类树枝状分子的碳纤维，记作CF-G2；
④、将CF-G2代替还原后的碳纤维重复步骤四①至步骤四②的步骤，得到表面接枝三代三嗪类树枝状分子的碳纤维，记作CF-G3，即完成碳纤维表面接枝三嗪类树枝状分子的方法。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维表面接枝三嗪类树枝状分子的方法，其特征在于步骤二②中去除表面环氧涂层后的碳纤维束的质量与过硫酸钾和硝酸银的混合溶液的体积比为0.3g:35mL。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维表面接枝三嗪类树枝状分子的方法，其特征在于步骤二①中所述的过硫酸钾和硝酸银的混合溶液中过硫酸钾的浓度为0.1mol/L～0.2mol/L，硝酸银的浓度为0.001mol/L～0.005mol/L。
4.根据权利要求1所述的一种碳纤维表面接枝三嗪类树枝状分子的方法，其特征在于步骤三中氧化后的碳纤维的质量与LiAlH4-四氢呋喃的饱和溶液的体积比为0.3g:50mL。
5.根据权利要求1所述的一种碳纤维表面接枝三嗪类树枝状分子的方法，其特征在于步骤四①中向干燥的反应瓶中加入四氢呋喃，再将还原后的碳纤维置于四氢呋喃中，再依次向四氢呋喃中加入三聚氰氯和N,N-二异丙基乙胺，再搅拌均匀，得到混合溶液；向反应瓶中通入氮气20min，再在氮气气氛和温度为40℃下反应24h；反应结束后将碳纤维取出，依次使用四氢呋喃、无水乙醇对碳纤维各清洗3次，再在温度为80℃下干燥2h，得到表面接枝三聚氰氯的碳纤维。
6.根据权利要求1所述的一种碳纤维表面接枝三嗪类树枝状分子的方法，其特征在于步骤四①中所述的还原后的碳纤维与三聚氰氯的质量比为0.3:0.45。
7.根据权利要求1所述的一种碳纤维表面接枝三嗪类树枝状分子的方法，其特征在于步骤四①中所述的还原后的碳纤维与N,N-二异丙基乙胺的质量比为0.3:0.35。
8.根据权利要求1所述的一种碳纤维表面接枝三嗪类树枝状分子的方法，其特征在于步骤四②中将表面接枝三聚氰氯的碳纤维浸入到异丙醇中，再依次向异丙醇中加入对苯二胺和N,N-二异丙基乙胺，再在温度为70℃反应24h；反应结束后将表面接枝三聚氰氯的碳纤维取出，依次使用异丙醇、无水乙醇对表面接枝三聚氰氯的碳纤维各清洗3次，再在温度为80℃下干燥2h，得到表面接枝一代三嗪类树枝状分子的碳纤维，记作CF-G1。
9.根据权利要求1所述的一种碳纤维表面接枝三嗪类树枝状分子的方法，其特征在于步骤四②中所述的表面接枝三聚氰氯的碳纤维与对苯二胺的质量比为1:1。
10.根据权利要求1所述的一种碳纤维表面接枝三嗪类树枝状分子的方法，其特征在于步骤四②中所述的表面接枝三聚氰氯的碳纤维与N,N-二异丙基乙胺的质量比为0.3:0.35。
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