CN110004707A - 一种含碳纳米材料的上浆剂表面改性碳纤维的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种含碳纳米材料上浆剂表面改性碳纤维的方法采用石墨烯和碳纳米管为上浆剂材料，对碳纤维进行表面改性，具体包括碳纤维的表面处理、GnP‑CNTs上浆剂的配置、GnP‑CNTs上浆剂表面改性的碳纤维步骤。本发明将碳纳米管和石墨烯这两种具有优良的力学性能和大比表面积的纳米材料加入了上浆剂中，将石墨烯和碳纳米管均匀沉积在碳纤维表面上。表面改性后碳纤维力学性能得到明显提高，当上浆时间达到30s时，表面改性后的CF单丝拉伸强度与去浆CF相比提高了20.7%，能够解决碳纤维增强复合材料界面断裂韧性差、界面强度低的问题。

Description

一种含碳纳米材料的上浆剂表面改性碳纤维的方法
技术领域
本发明涉及一种含碳纳米材料的上浆剂表面改性碳纤维的方法，具体属于复合材料表面改性技术领域。
技术背景
碳纤维被称为“新材料之王”，是一种强度比钢铁高，密度却比铝低的高性能纤维，广泛应用于航空、航天和国防军工业等多领域，但是由于碳纤维表面能低，与树脂浸润性差导致界面性能下降，制约了碳纤维优异性能的发挥，所以需要对碳纤维进行表面处理。由于石墨烯具有独特的电学、光学、力学及热学性能，基于石墨烯的功能型与结构型，纳米复合材料成为了石墨烯诸多应用研究中的重要组成部分。碳纳米管（CNTs）也具有良好的物理化学及力学性能，并由于其纳米尺度的优势，将CNTs加入上浆剂中，再均匀的涂覆在纤维表面，使其摩擦强度增大，与基体机械啮合能力提高，复合材料的性界面性能随之也得到增加。目前已知的对碳纤维表面改性的方法有化学气相沉积法（CVD）、电聚合法、化学接枝法、上浆法。上浆法相比其他处理方法，具有操作简单、连续性好、成本低、易于工业化生产的特点。利用电化学阳极氧化法改性碳纤维表面的做法存在一定的危险性，工艺条件苛刻，不利于工业化应用。另外，采用循环伏安法，以丙烯酸等为聚合单体对碳纤维进行了电聚合改性，改性工序也比较繁杂，且电聚合液不太稳定，不便连续操作。
发明内容
本发明的目的是提供一种碳纳米材料的上浆剂表面改性碳纤维的方法，旨在解决碳纤维增强复合材料界面断裂韧性差、界面强度低的问题。
本发明一种含碳纳米材料上浆剂表面改性碳纤维的方法采用石墨烯（GnP ）和碳纳米管（CNTs）为上浆剂材料，对碳纤维进行表面改性，具体步骤如下：
步骤1：碳纤维的表面处理
用丙酮浸泡碳纤维（CF）2h，使其表面退去浆液，再经去离子水冲洗干净后放入真空干燥箱中干燥；
步骤2：GnP-CNTs上浆剂的配置
将环氧树脂E-51充分溶解于DMF中后，加入石墨烯（GnP ）和碳纳米管（CNTs）混合物，再加入固化剂三乙烯四胺（TETA），其后放入细胞粉碎机中超声分散2h，制得GnP-CNTs上浆剂；其中，环氧树脂E-51在DMF中的质量分数为0.5% 、石墨烯和碳纳米管的质量比为1∶4、环氧树脂E-51和三乙烯四胺的质量比为20∶1、石墨烯（GnP ）和碳纳米管（CNTs）的混合物在上浆剂中的质量分数为0.4%；
步骤3：GnP-CNTs上浆剂表面改性的碳纤维
将步骤1表面处理的碳纤维浸泡于GnP-CNTs上浆剂中，上浆处理10～60s后取出，刮去碳纤维表面上的残余液滴，其后置于真空干燥箱60℃烘干1 h，得到含碳纳米材料上浆剂表面改性的碳纤维。
所述的碳纤维为T300B。
本发明的有益效果：本发明将碳纳米管和石墨烯这两种具有优良的力学性能和大比表面积的纳米材料加入了上浆剂中，利用上浆法同时将石墨烯和碳纳米管均匀沉积在碳纤维表面上。本发明与化学气相沉积法相比，上浆方式操作简单，易于工业化生产；与电聚合改性法相比，上浆操作简单、连续性好。通过本发明方法的表面改性，碳纤维的力学性能得到明显提高，当上浆时间达到30s时，表面改性后的CF单丝拉伸强度与去浆CF相比提高了20.7%，能够解决碳纤维增强复合材料界面断裂韧性差、界面强度低的问题。
附图说明
图1为本发明步骤1去浆后的CF的SEM图；
图2为本发明GnP-CNTs上浆剂表面改性CF的SEM图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。
实施例1
取12段T300B碳纤维（每段15 cm），先用丙酮浸泡2 h，然后用去离子水冲洗干净再真空干燥后取出备用。控制环氧树脂E-51在DMF中的质量分数为0.5% ，将E-51加入到DMF中，配合磁力搅拌器搅拌至E51完全溶解，然后加入称量好的GnP、 CNTs 和TETA，最后将烧杯置于超声波细胞粉碎机中超声2h, 制得质量分数为0.4%的GnP-CNTs上浆剂。上浆剂中 GnP 与CNTs 质量比为 1∶4，E51和TETA的质量比为 20∶1。将GnP-CNTs 上浆剂倒入到铝盒中，然后将上述备用的CF 置于GnP-CNTs上浆剂中完全浸没，10 s后取出刮去纤维上残余液滴，最后将CF固定在铝盒两端置于真空干燥箱60℃烘干1 h取出，得到改性的CF。
实施例2
取12段T300B碳纤维（每段15 cm），先用丙酮浸泡2 h，然后用去离子水冲洗干净再真空干燥后取出备用。控制环氧树脂E-51在DMF中的质量分数为0.5% ，将E-51加入到DMF中，配合磁力搅拌器搅拌至E51完全溶解，然后加入称量好的GnP、 CNTs 和TETA，最后将烧杯置于超声波细胞粉碎机中超声2h, 配制出质量分数为0.4%的GnP-CNTs上浆剂。上浆剂中 GnP与CNTs 质量比为 1∶4，E51和TETA的质量比为 20∶1；将配制好的GnP-CNTs上浆剂倒入到铝盒中，然后将备用的CF置于GnP-CNTs上浆剂中完全浸没 ，20 s后取出刮去纤维上残余液滴，最后将 CF 固定在铝盒两端置于真空干燥箱 60℃烘干 1 h取出，得到改性的CF。
实施例3
取12段T300B碳纤维（每段15 cm），先用丙酮浸泡2 h，然后用去离子水冲洗干净再真空干燥后取出备用。控制环氧树脂E-51在DMF中的质量分数为0.5% ，将E-51加入到DMF中，配合磁力搅拌器搅拌至E51完全溶解，然后加入称量好的GnP、 CNTs 和TETA，最后将烧杯置于超声波细胞粉碎机中超声2h, 制得质量分数为0.4%的GnP-CNTs上浆剂。上浆剂中 GnP 与CNTs 质量比为 1∶4，E51和TETA的质量比为 20∶1。将GnP-CNTs 上浆剂倒入到铝盒中，然后将上述备用的CF 置于GnP-CNTs上浆剂中完全浸没，30 s后取出刮去纤维上残余液滴，最后将CF固定在铝盒两端置于真空干燥箱60℃烘干1 h取出，得到改性的CF。
实施例4
取12段T300B碳纤维（每段15 cm），先用丙酮浸泡2 h，然后用去离子水冲洗干净再真空干燥后取出备用。控制环氧树脂E-51在DMF中的质量分数为0.5% ，将E-51加入到DMF中，配合磁力搅拌器搅拌至E51完全溶解，然后加入称量好的GnP、 CNTs 和TETA，最后将烧杯置于超声波细胞粉碎机中超声2h, 制得质量分数为0.4%的GnP-CNTs上浆剂。上浆剂中 GnP 与CNTs 质量比为 1∶4，E51和TETA的质量比为 20∶1。将GnP-CNTs 上浆剂倒入到铝盒中，然后将上述备用的CF 置于GnP-CNTs上浆剂中完全浸没，40 s后取出刮去纤维上残余液滴，最后将CF固定在铝盒两端置于真空干燥箱60℃烘干1 h取出，得到改性的CF。
实施例5
取12段T300B碳纤维（每段15 cm），先用丙酮浸泡2 h，然后用去离子水冲洗干净再真空干燥后取出备用。控制环氧树脂E-51在DMF中的质量分数为0.5% ，将E-51加入到DMF中，配合磁力搅拌器搅拌至E51完全溶解，然后加入称量好的GnP、 CNTs 和TETA，最后将烧杯置于超声波细胞粉碎机中超声2h, 制得质量分数为0.4%的GnP-CNTs上浆剂。上浆剂中 GnP 与CNTs 质量比为 1∶4，E51和TETA的质量比为 20∶1。将GnP-CNTs 上浆剂倒入到铝盒中，然后将上述备用的CF 置于GnP-CNTs上浆剂中完全浸没，50 s后取出刮去纤维上残余液滴，最后将CF固定在铝盒两端置于真空干燥箱60℃烘干1 h取出，得到改性的CF。
实施例6
取12段T300B碳纤维（每段15 cm），先用丙酮浸泡2 h，然后用去离子水冲洗干净再真空干燥后取出备用。控制环氧树脂E-51在DMF中的质量分数为0.5% ，将E-51加入到DMF中，配合磁力搅拌器搅拌至E51完全溶解，然后加入称量好的GnP、 CNTs 和TETA，最后将烧杯置于超声波细胞粉碎机中超声2h, 制得质量分数为0.4%的GnP-CNTs上浆剂。上浆剂中 GnP 与CNTs 质量比为 1∶4，E51和TETA的质量比为 20∶1。将GnP-CNTs 上浆剂倒入到铝盒中，然后将上述备用的CF 置于GnP-CNTs上浆剂中完全浸没，60 s后取出刮去纤维上残余液滴，最后将CF固定在铝盒两端置于真空干燥箱60℃烘干1 h取出，得到改性的CF。
实施例 1～实施例 6GnP-CNTs上浆剂改性后的CF性能测试
GnP-CNTs上浆剂改性CF单丝的拉伸性能测试数据见表1。
表1 不同上浆时间的改性CF单丝的拉伸强度一览表
纤维类型 拉伸强度（GPa） 提高（%）
去浆CF 2.90 -
上浆10s 3.04 4.8
上浆20s 3.20 10.3
上浆30s 3.50 20.7
上浆40s 3.46 19.3
上浆50s 3.31 14.1
上浆60s 3.29 13.4

Claims (2)

1.一种含碳纳米材料上浆剂表面改性碳纤维的方法，其特征在于：所述的方法采用石墨烯和碳纳米管为上浆剂材料，对碳纤维进行表面改性，具体步骤如下：
步骤1：碳纤维的表面处理
用丙酮浸泡碳纤维2h，使其表面退去浆液，再经去离子水冲洗干净后放入真空干燥箱中干燥；
步骤2：GnP-CNTs上浆剂的配置
将环氧树脂E-51充分溶解于DMF中后，加入石墨烯和碳纳米管混合物，再加入固化剂三乙烯四胺，其后放入细胞粉碎机中超声分散2h，制得GnP-CNTs上浆剂；其中，环氧树脂E-51在DMF中的质量分数为0.5% 、石墨烯和碳纳米管的质量比为1∶4、环氧树脂E-51和三乙烯四胺的质量比为20∶1、石墨烯和碳纳米管的混合物在上浆剂中的质量分数为0.4%；
步骤3：GnP-CNTs上浆剂表面改性的碳纤维
将步骤1表面处理的碳纤维浸泡于GnP-CNTs上浆剂中，上浆处理10～60s后取出，刮去碳纤维表面上的残余液滴，其后置于真空干燥箱60℃烘干1 h，得到含碳纳米材料上浆剂表面改性的碳纤维。
2.根据权利要求1所述的一种含碳纳米材料上浆剂表面改性碳纤维的方法，其特征在于：所述的碳纤维为T300B。
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