CN109265921A - 一种聚合物纤维的表面改性方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种聚合物纤维的表面改性方法，涉及聚合物改性技术领域，利用电化学聚合处理的方法获得聚合物表面的改性，碳聚合物纤维的表面，不仅获得化学性质更加优良的聚合物表面，而且提高碳纤维和环氧树脂基体之间的相容性，不仅如此还大大提高碳纤维复合材料的力学性能，有效解决现有的聚合物纤维的表面改性以改变聚合物表面亲水亲油性能为主，而且一般方式是利用化学方法添加试剂反应生成新的基团进而改变化合物表面性质，化学反应效果对外部环境需求很高，控制难度大，而且碳纤维环脂符合材料具有良好的物理和化学性能，但是其表面的活性较低，和树脂的相容性能差的问题。

Description

一种聚合物纤维的表面改性方法
技术领域
本发明涉及纤维聚合物改性技术领域，具体为一种聚合物纤维的表面改性方法。
背景技术
碳纤维环脂符合材料具有良好的物理和化学性能，但是其表面的活性较低，和树脂的相容性能差，碳纤维增强环氧树脂复合材料的性能只依赖于碳纤维和树脂之间的界面相容性，为了改进其相容性需要对聚合物的纤维表面经行改性。针对这一问题，以H2SO4为电解质，丙烯酸和丙烯酰胺为单体，利用循环伏安法对碳纤维表面进行电化学聚合改性。循环次数、单体质量比、扫描速率、电解质类型和H2SO4的浓度对碳纤维表面的电化学聚合和改性碳纤维的电化学阻抗谱有明显的影响。改性技术，就是祛除掉一些以前不好的性质新增加一些新的有益的性质，聚合物改性技术就是现在在全世界非常受欢迎和流行的一种技术，因为随着工业技术的飞速发展，全世界逐渐提高了对工业产品的要求，不仅要求性能指标高，而且保护环境已经成为了生产和研发最主要的目的。而经过改性技术之后的聚合物，也将大的符合人们最初的预想，不仅生产成本低，而且性能也将非常好。
聚合物改性技术的要求也是非常高的，因为它要求再经过一定的改性流程之后，塑料产品能够达到钢材的性质，所以，这是一项非常艰难的任务，同时，在实现改性的过程中，也可能会需要用到很多不同的改性环节，比如说电，磁场等等，虽然这项技术艰难，但是如果实现的话，将会对世界工业的发展做出非常大的贡献。目前在市场上已出现了系列新型有机硅纯硅酮聚合物改性添加剂，使聚合物制品功能得到增强，帮助聚合物制品功能完美化，使制品具有抑烟、不产生可见烟尘、发烟量减少；有阻燃效果可达V-0级的良好阻燃功能；增加色母粒滑动性，润滑作用强，使制品表面光滑；可提高挤出性能，使挤出机任何部件在任何操作过程均不产生粘滞，不粘钻头；能助进色料分散、混合，使制品内部结构致密、均匀；提高制成品的的强度，耐冲击，好成型；能改进聚合物薄膜的润滑性、防止粉连；耐高温、耐磨、导电等功能。此类功能性助剂无毒、高效、多功能，性价比优于国内外同类传统产品。它的新发现备受国内外同行关注，表现出极其广阔的市场应用空间和发展前景
例如，申请号为201610964574.X的，名称为表面改性细纤维的发明专利。
该发明由一种织物浸泡在一个载体和一个抗紫外添加剂构成的混合物中，该织物由许多固有的阻燃纤维构成，该阻燃纤维在溶解具有载体的抗紫外添加剂中，以便抗紫外线添加剂被固有阻燃纤维更好的吸收；当暴露在紫外线辐射时，被吸入抗紫外添加剂的固有阻燃纤维，可显著地提高织物至少一个强度保留率与染色牢度。
但是，现有的聚合物纤维的表面改性仍然存在以下缺陷：
现有的聚合物纤维的表面改性以改变聚合物表面亲水亲油性能为主，而且一般方式是利用化学方法添加试剂反应生成新的基团进而改变化合物表面性质，化学反应效果对外部环境需求很高，控制难度大，而且碳纤维环脂符合材料具有良好的物理和化学性能，但是其表面的活性较低，和树脂的相容性能差。
发明内容
为了克服现有技术方案的不足,本发明提供一种聚合物纤维的表面改性方法，能有效的解决背景技术提出的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种聚合物纤维的表面改性方法的方法，包括如下步骤：
S100、将未处理的碳纤维置于0.5mol/L的H2SO4溶液中进行浸泡前处理，处理的时间为12小时；
S200、用蒸馏水清洗干净碳纤维表面残留的H2SO4，最后置于烘箱中进行烘干，温度为70℃；
S300、将碳纤维单丝带固定在聚四氟乙烯取向框上然后浸入电解液中进行电化学聚合处理；
S400、电化学聚合处理后的碳纤维用蒸馏水清洗，除去表面残留的电解质和单体并在60℃条件下烘干；
S500、将碳纤维剪碎，并用高速万能粉碎机粉碎碳纤维，分散于丙酮中，在将环氧树脂和固化剂按照质量比溶解在丙酮中，并机械搅拌直至分散均匀；
S600、把分散均匀的碳纤维丙酮溶液加入到环氧树脂与固化剂的混合体系中，加热条件下机械搅拌1h；
S700、混有碳纤维的配胶倒入模具，放入烘箱固化，固化温度为100℃，固化时间1h。
进一步地，打碎后的碳纤维随后在丙酮溶液超声分散20分钟，保证充分分散。
进一步地，电化学聚合处理中电解液分别为0.1mol/L的H2SO4溶液，0.1mol/L的NaOH溶液和0.1mol/L的LiClO4溶液。
进一步地，聚合单体为丙烯酸与丙烯酰胺，丙烯酸与丙烯酰胺的质量比分别为1:1，2:1，3:1，1:2，1:3，1:4和4:1。
进一步地，电化学聚合处理中的的电压为-1V～1V。
进一步地，环氧树脂和固化剂按照质量比为5:3的比例配制。
进一步地，在电化学聚合处理中采用三电极系统，工作电极为碳纤维，辅助电极为金属铂电极，参比电极为饱和甘汞电极。
进一步地，电化学聚合处理中的工作的碳纤维极总表面积为1cm2。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明利用电化学聚合处理碳聚合物纤维的表面，不仅获得化学性质更加优良的聚合物表面，而且提高碳纤维和环氧树脂基体之间的相容性，不仅如此还大大提高碳纤维复合材料的力学性能，有效解决背景技术中提出的问题。
附图说明
图1为本发明整体系统流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
如图1所示，本发明提供了一种聚合物纤维的表面改性方法包括如下步骤：
S100、将未处理的碳纤维置于0.5mol/L的H2SO4溶液中进行浸泡前处理，处理的时间为12小时；
S200、用蒸馏水清洗干净碳纤维表面残留的H2SO4，最后置于烘箱中进行烘干，温度为70℃；
S300、将碳纤维单丝带固定在聚四氟乙烯取向框上然后浸入电解液中进行电化学聚合处理；
S400、电化学聚合处理后的碳纤维用蒸馏水清洗，除去表面残留的电解质和单体并在60℃条件下烘干；
S500、将碳纤维剪碎，并用高速万能粉碎机粉碎碳纤维，分散于丙酮中，在将环氧树脂和固化剂按照质量比溶解在丙酮中，并机械搅拌直至分散均匀；
S600、把分散均匀的碳纤维丙酮溶液加入到环氧树脂与固化剂的混合体系中，加热条件下机械搅拌1h；
S700、混有碳纤维的配胶倒入模具，放入烘箱固化，固化温度为100℃，固化时间1h。
本发明的碳纤维表面经过电化学改性后需要进行碳纤维表面结构表征与性能测试。采用三电极系统，在电化学工作站上进行循环伏安扫描。以丙烯酸与丙烯酰胺为单体，在三种电解质溶液中，分别循环10，20，30，40次，扫描速率分别为0.05V/s，0.1V/s和0.2V/s，研究循环次数，扫描速率，硫酸浓度，单体质量比和电解质类型对电化学聚合的影响。观察峰的位置，判断出现峰的原因，计算出阴，阳极峰电流的比值和阴，阳极峰电位的差值，判断是否为可逆电化学反应，同时观察峰的变化。
改性碳纤维增强复合材料的拉伸强度随着碳纤维含量的增加而提高，拉伸强度最大提高约40.7％。改性后碳纤维复合材料拉伸强度的增加主要是因为碳纤维表面上的官能团数目的增加，提高了碳纤维与环氧树脂的界面性能。同时，大量的丙烯酸－丙烯酰胺共聚物修饰在碳纤维表面相互缠结，形成类似网状交联结构，使碳纤维更容易的传递拉伸载荷，可防止拉断碳纤维，因此提高了碳纤维复合材料的拉伸强度。当碳纤维质量百分数从0.09％增加到0.45％时，改性碳纤维/环氧树脂复合材料的拉伸强度从28.175MPa增加到47.525MPa，与未经电化学聚合处理的碳纤维/环氧树脂复合材料相比表现出明显的增强效果。特别是碳纤维质量百分数为0.45％时，改性碳纤维/环氧树脂复合材料拉伸强度比未经处理的碳纤维/环氧树脂复合材料高出近1.36倍。因此，可以看出，碳纤维电化学改性可有效改善碳纤维和环氧树脂基体的界面作用。增加两者之间的结合力，提高碳纤维复合材料的拉伸强度。
如图1所示，打碎后的碳纤维随后在丙酮溶液超声分散20分钟，保证充分分散。首先打碎碳纤维增大反应面积，丙酮中利用超声波分散使得溶液变为水油乳液小颗粒，增强分散效果。
如图1所示，电化学聚合处理中电解液分别为0.1mol/L的H2SO4溶液，0.1mol/L的NaOH溶液和0.1mol/L的LiClO4溶液。
如图1所示，聚合单体为丙烯酸与丙烯酰胺，丙烯酸与丙烯酰胺的质量比分别为1:1，2:1，3:1，1:2，1:3，1:4和4:1。
如图1所示，电化学聚合处理中的的电压为-1V～1V。
如图1所示，环氧树脂和固化剂按照质量比为5:3的比例配制。
如图1所示，在电化学聚合处理中采用三电极系统，工作电极为碳纤维，辅助电极为金属铂电极，参比电极为饱和甘汞电极。
如图1所示，电化学聚合处理中的工作的碳纤维极总表面积为1cm2。
碳纤维和树脂基体界面的相互作用对碳纤维复合材料的力学性能(如层间剪切强度和拉伸强度)有很大的影响，提高碳纤维与树脂基体之间的界面相互作用的最简单的方法是碳纤维电化学聚合改性，以丙烯酸和双丙酮丙烯酰胺为单体进行电化学聚合改性碳纤维，发现丙烯酸或双丙酮丙烯酰胺的聚合物分子的一端与碳纤维表面进行物理结合，利用电化学聚合产生了抛锚效应，与此同时，双丙酮丙烯酰胺还可以在碳纤维表面生成接枝聚合物。通过研究发现碳纤维表面经电化学聚合处理后，生成的聚合物涂层与碳纤维表面间不仅有较弱的物理结合的部分，而且还存在化学键合。对双丙酮丙烯酰胺丙烯酸复合体系研究发现经过电化学聚合处理过的碳纤维制成的复合材料层板的ILSS分别由未经处理的45.5MPa提高到70.36MPa和81.24MPa，极大的提高了碳纤维复合材料的力学性能。
以H2SO4为电解质，采用循环伏安法研究了丙烯酸/丙烯酰胺双组分系统在碳纤维表面的电化学聚合。随着循环次数的增加，碳纤维表面聚合物增多，聚合物薄膜的电化学性能更加稳定，当丙烯酸与丙烯酰胺的质量比为3:1时，电化学聚合效果更好。并且较低的扫描速度和较高的H+浓度也有利于电化学聚合。用LiClO4作电解质更有利于电化学聚合，其质量增加百分比为23.8％，远高于采用NaOH和H2SO4为电解质进行电化学聚合的质量增加百分比。丙烯酸与丙烯酰胺的质量比为3:1时，电化学聚合改性碳纤维的效果最好。碳纤维电化学聚合改性可以提高碳纤维和环氧树脂基体之间的相容性。进而提高碳纤维复合材料的力学性能，其中改性碳纤维/环氧树脂复合材料拉伸强度比未处理的碳纤维/环氧树脂复合材料大1.36倍，屈服强度大6.3倍，未改性的碳纤维/环氧树脂复合材料的断裂伸长率更大，这也与拉伸强度的测试结果相符合，即拉伸强度越大，断裂伸长率越小。
本发明的优点在于，本发明利用电化学聚合处理碳聚合物纤维的表面，不仅获得化学性质更加优良的聚合物表面，而且提高碳纤维和环氧树脂基体之间的相容性，不仅如此还大大提高碳纤维复合材料的力学性能。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (8)

1.一种聚合物纤维的表面改性方法的方法，其特征在于：包括如下步骤：
S100、将未处理的碳纤维置于0.5mol/L的H2SO4溶液中进行浸泡前处理，处理的时间为12小时；
S200、用蒸馏水清洗干净碳纤维表面残留的H2SO4，最后置于烘箱中进行烘干，温度为70℃；
S300、将碳纤维单丝带固定在聚四氟乙烯取向框上然后浸入电解液中进行电化学聚合处理；
S400、电化学聚合处理后的碳纤维用蒸馏水清洗，除去表面残留的电解质和单体并在60℃条件下烘干；
S500、将碳纤维剪碎，并用高速万能粉碎机粉碎碳纤维，分散于丙酮中，在将环氧树脂和固化剂按照质量比溶解在丙酮中，并机械搅拌直至分散均匀；
S600、把分散均匀的碳纤维丙酮溶液加入到环氧树脂与固化剂的混合体系中，加热条件下机械搅拌1h；
S700、混有碳纤维的配胶倒入模具，放入烘箱固化，固化温度为100℃，固化时间1h。
2.根据权利要求1所述的一种聚合物纤维的表面改性方法的方法，其特征在于：打碎后的碳纤维随后在丙酮溶液超声分散20分钟，保证充分分散。
3.根据权利要求1所述的一种聚合物纤维的表面改性方法的方法，其特征在于：电化学聚合处理中电解液分别为0.1mol/L的H2SO4溶液，0.1mol/L的NaOH溶液和0.1mol/L的LiClO4溶液。
4.根据权利要求1所述的一种聚合物纤维的表面改性方法的方法，其特征在于：聚合单体为丙烯酸与丙烯酰胺，丙烯酸与丙烯酰胺的质量比分别为1:1，2:1，3:1，1:2，1:3，1:4和4:1。
5.根据权利要求1所述的一种聚合物纤维的表面改性方法的方法，其特征在于：电化学聚合处理中的的电压为-1V～1V。
6.根据权利要求1所述的一种聚合物纤维的表面改性方法的方法，其特征在于：环氧树脂和固化剂按照质量比为5:3的比例配制。
7.根据权利要求1所述的一种聚合物纤维的表面改性方法的方法，其特征在于：在电化学聚合处理中采用三电极系统，工作电极为碳纤维，辅助电极为金属铂电极，参比电极为饱和甘汞电极。
8.根据权利要求7所述的一种聚合物纤维的表面改性方法的方法，其特征在于：电化学聚合处理中的工作的碳纤维极总表面积为1cm2。
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Pledgor: ANHUI HEBANG TEXTILE TECHNOLOGY Co.,Ltd.

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