CN115216970B - 一种碳纤维的表面处理方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种碳纤维的表面处理方法及应用，使用聚醚砜和羧基化碳纳米管的材料组合对碳纤维进行表面处理。本发明把聚醚砜作为上浆剂，同时用聚醚砜和羧基化碳纳米管对碳纤维进行表面结构调控。经过聚醚砜和羧基化碳纳米管处理的碳纤维，与聚醚醚酮制备成复合材料时，可较大地提升碳纤维聚醚醚酮复合材料的界面强度。不仅如此，使用被聚醚砜和羧基化碳纳米管的材料组合处理过的碳纤维制备的复合材料比裸碳纤维对应的复合材料显示出了更高的弯曲强度，弯曲强度提高了80％以上。这说明聚醚砜和羧基化碳纳米管的材料组合对碳纤维的表面结构调控不仅提高了复合材料的界面结合强度，也提高了复合材料的抗弯性能。

Description

一种碳纤维的表面处理方法及应用
技术领域
本发明涉及高分子复合材料领域，尤其涉及一种碳纤维的表面处理方法及应用。
背景技术
碳纤维复合材料是一种高性能材料，具有良好的机械性能。碳纤维增强高分子复合材料的高分子基体可以分为两种类型，一种类型是热固性高分子，一种类型是热塑性高分子。其中，热固性复合材料的加工对很多方面都有比较高的要求，主要体现在对原材料的运输和对加工工艺的准备。例如，在很多加工热固性高分子复合材料的时候应用到热压罐，而热压罐会使加工过程变得复杂；另外，成型时间特别长也限制了加工热固性高分子复合材料的速度。同时，热固性复合材料也具有不少的缺点，例如高的加工成本，较差的抗冲击性能，损伤容限也比较低，而且热固性复合材料比较难回收也是一个巨大的问题。与热固性复合材料相比，热塑性复合材料在这些方面都有一定优势，因此近年来逐步受到重视。
近些年来，一些高性能、高熔点的特种工程塑料的生产技术不断成熟。常见的高熔点特种工程高分子主要包括五类高分子，聚醚醚酮(PEEK)是其中的一类。聚醚醚酮高分子是一种具有优良性能的高分子材料，在特种工程塑料的家族中，聚醚醚酮在耐高温性能、机械力学性能、自润滑性能、耐化学腐蚀性能、阻燃性能、耐剥离性能、耐辐射性能、绝缘性能、耐水解性能方面都比较良好。通过将聚醚醚酮高分子和碳纤维进行复合，可以制备得到优秀的复合材料。然而，聚醚醚酮的分子链表现出比较大的刚性，不易和其它材料产生良好的结合。同时，未被调控的碳纤维的表面非常光滑，光滑的碳纤维表面和刚性的聚醚醚酮分子链使碳纤维和聚醚醚酮的界面结合强度比较低。
目前，对高性能碳纤维进行表面处理的方法主要有以下几种：对高性能碳纤维进行表面腐蚀，让碳纤维表面更加粗糙；让活性基团在高性能碳纤维表面的含量更高；让一些官能团在碳纤维表面出现，这些官能团可以和高分子发生化学反应。然而，400℃左右的加工温度使许多处理碳纤维的方法失效。相对于表面氧化法、等离子体处理法等方法，上浆剂法不会对纤维自身强度产生负面影响。然而，现有的耐高温上浆剂例如聚酰亚胺(PI)和聚醚酰亚胺(PEI)对碳纤维的结构调控效果并不理想。
因此，现有技术还有待改进。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种碳纤维的表面处理方法及应用，旨在解决现有技术中上浆剂对碳纤维表面结构调控不理想、碳纤维复合材料的界面强度低的问题。
本发明的技术方案如下：
一种碳纤维的表面处理方法，其中，使用聚醚砜和羧基化碳纳米管的材料组合对碳纤维进行表面处理。
所述的碳纤维的表面处理方法，其中，所述材料组合中，聚醚砜和羧基化碳纳米管的配比为：羧基化碳纳米管相对于聚醚砜的质量分数为0.4％-0.5％。
所述的碳纤维的表面处理方法，其中，将所述材料组合配制成溶液，所述溶液中聚醚砜的浓度为14-16mg/ml。
所述的碳纤维的表面处理方法，其中，包括步骤：
提供碳纤维，用丙酮对所述碳纤维进行去浆处理；
将经过去浆处理的碳纤维放置在真空烘箱中进行第一次烘干；
配制米氏酸溶液，并用所述米氏酸溶液对第一次烘干后的碳纤维进行一次浸泡，将清洗后的碳纤维在真空烘箱中进行第二次烘干；
配制聚醚砜和羧基化碳纳米管的材料组合的溶液，并用所述材料组合的溶液对第二次烘干后的碳纤维进行二次浸泡，之后将二次浸泡后的碳纤维放置在真空烘箱中进行第三次烘干；
将第三次烘干后的碳纤维和聚醚醚酮薄膜放置在模具中，加工后得到碳纤维聚醚醚酮复合材料。
所述的碳纤维的表面处理方法，其中，所述米氏酸溶液的溶剂是乙醇，浓度为18-22mg/ml。
所述的碳纤维的表面处理方法，其中，配制聚醚砜和羧基化碳纳米管的材料组合的溶液具体为：用N-甲基吡咯烷酮作为溶剂，将聚醚砜的浓度调节为14-16mg/ml，将羧基化碳纳米管相对于聚醚砜的质量分数调节为0.4％-0.5％，配制得到所述材料组合的溶液。
所述的碳纤维的表面处理方法，其中，将第三次烘干后的碳纤维和聚醚醚酮薄膜放置在模具中，采用热压成型工艺进行加工。
所述的碳纤维的表面处理方法，其中，第一次烘干的条件为真空烘箱中110-130℃烘干10-14小时；第二次烘干的条件为真空烘箱中110-130℃烘干10-14小时；第三次烘干的条件为真空烘箱中90-110℃烘干8-12小时。
所述的碳纤维的表面处理方法，其中，一次浸泡的条件为温度20-25℃，浸泡时间1-2小时；二次浸泡的条件为温度70-80℃，浸泡时间1-2小时。
一种碳纤维的表面处理方法的应用，其中，将如上任一所述的方法应用于对碳纤维进行表面结构调控。
有益效果：本发明提供了一种碳纤维的表面处理方法及应用，使用聚醚砜和羧基化碳纳米管的材料组合对碳纤维进行表面处理。本发明把聚醚砜作为上浆剂，同时用聚醚砜和羧基化碳纳米管对碳纤维进行表面结构调控。经过聚醚砜和羧基化碳纳米管处理的碳纤维，与聚醚醚酮制备成复合材料时，可较大地提升碳纤维聚醚醚酮复合材料的界面强度。聚醚砜高分子的分子链上面的砜基会和碳纳米管的羧基产生氢键作用，碳纳米管上面的羧基会和聚醚醚酮高分子的分子链上面的酮基产生氢键作用。同时，碳纳米管可以增加碳纤维表面的粗糙度，碳纳米管还会限制聚醚醚酮高分子在碳纤维表面的移动，还可以增强聚醚醚酮高分子与碳纤维的结合。聚醚砜高分子的分子链中的苯环可以和聚醚醚酮高分子的分子链中的苯环产生ΠΠ共轭效应，共轭效应会使聚醚砜与聚醚醚酮之间的结合变得更强。碳纳米管与聚醚醚酮高分子之间产生的氢键作用，以及聚醚砜高分子与聚醚醚酮高分子之间的ΠΠ共轭效应都可以限制聚醚醚酮高分子的移动，都可以使聚醚醚酮更加难地与碳纤维发生脱粘，最终提升了碳纤维聚醚醚酮复合材料的界面结合强度。不仅如此，使用被聚醚砜和羧基化碳纳米管的材料组合处理过的碳纤维制备的复合材料比裸碳纤维对应的复合材料显示出了更高的弯曲强度，弯曲强度提高了80％以上。这说明聚醚砜和羧基化碳纳米管的材料组合对碳纤维的表面结构调控不仅提高了复合材料的界面结合强度，也提高了复合材料的抗弯性能。
附图说明
图1为本发明实施例提供的碳纤维的表面处理方法的机理示意图。
图2为本发明实施例提供的复合材料的脆断截面扫描电子显微镜结果示意图。
图3为本发明实施例提供的复合材料的弯曲强度结果示意图。
具体实施方式
本发明提供一种碳纤维的表面处理方法及应用，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供一种碳纤维的表面处理方法，使用聚醚砜和羧基化碳纳米管的材料组合对碳纤维进行表面处理。
对于碳纤维和聚醚醚酮体系，现有的处理碳纤维的技术对复合材料界面强度的提升比较有限。而碳纤维聚醚醚酮复合材料中，界面结合强度直接影响复合材料的机械性能。聚醚砜具有良好的粘接性能和耐高温性能，本发明把聚醚砜(PES)作为上浆剂，同时用聚醚砜和羧基化碳纳米管对碳纤维进行表面结构调控。经过聚醚砜和羧基化碳纳米管处理的碳纤维，与聚醚醚酮制备成复合材料时，可较大地提升碳纤维聚醚醚酮复合材料的界面强度。上述反应的机理如图1所示。聚醚砜高分子的分子链上面的砜基会和碳纳米管的羧基产生氢键作用，碳纳米管上面的羧基会和聚醚醚酮高分子的分子链上面的酮基产生氢键作用。同时，碳纳米管可以增加碳纤维表面的粗糙度，碳纳米管还会限制聚醚醚酮高分子在碳纤维表面的移动，还可以增强聚醚醚酮高分子与碳纤维的结合。聚醚砜高分子的分子链中的苯环可以和聚醚醚酮高分子的分子链中的苯环产生ΠΠ共轭效应，共轭效应会使聚醚砜与聚醚醚酮之间的结合变得更强。碳纳米管与聚醚醚酮高分子之间产生的氢键作用，以及聚醚砜高分子与聚醚醚酮高分子之间的ΠΠ共轭效应都可以限制聚醚醚酮高分子的移动，都可以使聚醚醚酮更加难地与碳纤维发生脱粘，最终提升了碳纤维聚醚醚酮复合材料的界面结合强度。
在一些实施方式中，所述材料组合中，聚醚砜和羧基化碳纳米管的配比为：羧基化碳纳米管相对于聚醚砜的质量分数为0.4％-0.5％。羧基化碳纳米管相对于聚醚砜的相对质量分数太高时，羧基化碳纳米管会在碳纤维表面发生团聚，团聚的羧基化碳纳米管对碳纤维的改性效果不理想。相对质量分数太低，羧基化碳纳米管对碳纤维的改性效果不理想。优选的，羧基化碳纳米管相对于聚醚砜的质量分数为0.45％。
在一些实施方式中，将所述材料组合配制成溶液，所述溶液中聚醚砜的浓度为14-16mg/ml。浓度太高时，聚醚砜会在碳纤维表面发生富集。浓度太低时，聚醚砜对碳纤维的改性效果不理想。优选的，聚醚砜的浓度为15mg/ml。
在一些实施方式中，所述的碳纤维的表面处理方法包括以下步骤：
S10、提供碳纤维，用丙酮对所述碳纤维进行去浆处理；
S20、将经过去浆处理的碳纤维放置在真空烘箱中进行第一次烘干；
S30、配制米氏酸溶液，并用所述米氏酸溶液对第一次烘干后的碳纤维进行一次浸泡，将清洗后的碳纤维在真空烘箱中进行第二次烘干；
S40、配制聚醚砜和羧基化碳纳米管的材料组合的溶液，并用所述材料组合的溶液对第二次烘干后的碳纤维进行二次浸泡，之后将二次浸泡后的碳纤维放置在真空烘箱中进行第三次烘干；
S50、将第三次烘干后的碳纤维和聚醚醚酮薄膜放置在模具中，加工后得到碳纤维聚醚醚酮复合材料。
在一些实施方式中，步骤S10中，将碳纤维放置在容积500ml的高压反应釜内衬中，向内衬中倒入400ml丙酮；之后将高压反应釜放置在烘箱中，把烘箱的温度调节为80℃，让丙酮在80℃的温度下对碳纤维进行去浆处理。
在一些实施方式中，步骤S20中，第一次烘干的条件为真空烘箱中110-130℃烘干10-14小时。优选的，在120℃的条件下烘干12小时。
在一些实施方式中，步骤S30中，所述米氏酸溶液的溶剂是乙醇，浓度为18-22mg/ml。米氏酸的浓度过低时，米氏酸对碳纤维的处理效果不理想。米氏酸的浓度过高时，米氏酸对碳纤维的处理效果不会随着浓度增加而一直增加。优选的，所述米氏酸溶液的浓度为20mg/ml。
在一些实施方式中，步骤S30中，一次浸泡的条件为温度20-25℃，浸泡时间1-2小时。温度过低时，米氏酸对碳纤维的处理效果不理想。温度过高时，溶剂乙醇比较容易挥发。优选的，将浸泡的温度控制在25℃，浸泡的时间控制在2小时。
在一些实施方式中，步骤S30中，一次浸泡之后还包括用去离子水清洗一次浸泡后的碳纤维5次。
在一些实施方式中，步骤S30中，第二次烘干的条件为真空烘箱中110-130℃烘干10-14小时。优选的，在120℃的条件下烘干10小时。
在一些实施方式中，步骤S40中，配制聚醚砜和羧基化碳纳米管的材料组合的溶液具体为：用N-甲基吡咯烷酮(NMP)作为溶剂，将聚醚砜的浓度调节为14-16mg/ml，将羧基化碳纳米管相对于聚醚砜的质量分数调节为0.4％-0.5％，配制得到所述材料组合的溶液。优选的，将聚醚砜的浓度调节为15mg/ml，把羧基化碳纳米管相对于聚醚砜的质量分数调节为0.45％。
在一些实施方式中，步骤S40中，二次浸泡的条件为温度70-80℃，浸泡时间1-2小时。浸泡温度过高时，溶剂容易挥发。浸泡温度过低时，材料组合对碳纤维的改性效果不理想。优选的，将浸泡的温度控制在80℃，浸泡的时间控制在2小时。
在一些实施方式中，步骤S40中，第三次烘干的条件为真空烘箱中90-110℃烘干8-12小时。烘干温度过高时，聚醚砜会在碳纤维表面富集。烘干温度过低时，烘干时间比较长。优选的，100℃烘干10小时。
在一些实施方式中，步骤S40中，碳纤维进行二次浸泡之前，还包括步骤：把碳纤维裁剪为合适的尺寸。例如，可以裁剪的尺寸长是84mm，尺寸的宽是64mm。碳纤维布的层的数量是7。
在一些实施方式中，步骤S50中，将第三次烘干后的碳纤维和聚醚醚酮薄膜放置在模具中，采用热压成型工艺进行加工。
在一些实施方式中，步骤S50中，所述碳纤维聚醚醚酮复合材料中，碳纤维体积分数为35-40％。
在一些实施方式中，步骤S50之后，还包括将所述碳纤维聚醚醚酮复合材料制备成测试样品，并对所述样品进行弯曲强度测试。
本发明实施例还提供一种碳纤维的表面处理方法的应用，将如上任一所述的方法应用于对碳纤维进行表面结构调控。
在一些实施方式中，采用本发明实施例提供的方法对碳纤维进行表面结构调控，可以使复合材料的弯曲强度提高80％以上。
下面通过具体实施例对本发明一种碳纤维的表面处理方法及应用做进一步的解释说明：
实施例1对碳纤维进行表面处理
1、将碳纤维放置在容积为500ml的高压反应釜内衬中，向内衬中倒入400ml丙酮；之后将高压反应釜放置在烘箱中，把烘箱的温度调节为80℃，让丙酮在80℃的温度下对碳纤维进行去浆处理；
2、将步骤1中被去浆的碳纤维放置在真空烘箱中，把真空烘箱调节至120℃，烘干12小时；
3、配制浓度为20mg/ml的米氏酸溶液，溶液的溶剂是乙醇；用上述米氏酸溶液浸泡步骤2得到的碳纤维，溶液的温度控制在25℃，浸泡的时间控制在2小时；
4、用去离子水清洗步骤3得到的碳纤维5次，之后将碳纤维在真空烘箱中进行烘干；
5、把步骤4得到的碳纤维裁剪为一定的尺寸，尺寸的长是84mm，尺寸的宽是64mm，得到碳纤维布，所述碳纤维布的数量是7；
6、配制聚醚砜和羧基化碳纳米管的材料组合的溶液，其中，将聚醚砜的浓度调节为15mg/ml，将羧基化碳纳米管相对于聚醚砜的质量分数调节为0.45％，将NMP作为溶剂，溶剂的体积为90ml；
7、用步骤6配制的含材料组合的溶液对步骤5得到的碳纤维布进行浸泡，浸泡的时间控制为2h，浸泡的温度控制为80℃；
8、将步骤7得到的碳纤维布放置在真空烘箱中烘干，烘箱的温度设置为100℃，把烘干时间设置为10h。
9、将步骤8得到的碳纤维布和聚醚醚酮薄膜进行铺放，将铺放好的材料放置在模具中，使用热压成型工艺加工材料，得到碳纤维聚醚醚酮复合材料。
实施例2对碳纤维的表面结构调控提高了复合材料的界面结合强度
对实施例1得到的碳纤维聚醚醚酮复合材料进行扫描电子显微镜照射。复合材料的脆断截面图如图2所示，其中图A是裸碳纤维对应的复合材料的脆断截面扫描电子显微镜图，图B是被聚醚砜和羧基化碳纳米管的材料组合处理过的碳纤维对应的复合材料的脆断截面扫描电子显微镜图。
由图可知，裸碳纤维对应的复合材料的脆断面处的碳纤维被很少的聚醚醚酮高分子包覆，这个现象说明在裸碳纤维对应的复合材料中碳纤维和聚醚醚酮高分子的结合情况不理想。当碳纤维与聚醚醚酮高分子的结合强度比较差时，复合材料的力学性能也会比较低。而被处理的碳纤维对应的复合材料的脆断面处的碳纤维被很多聚醚醚酮高分子包覆，这个现象说明被处理的碳纤维对应的复合材料中的碳纤维与聚醚醚酮高分子的结合强度比较大。
实施例3对碳纤维的表面结构调控提高了复合材料的抗弯性能
将实施例1得到的碳纤维聚醚醚酮复合材料制备成测试样品，复合材料的碳纤维体积分数是39％。
对复合材料的弯曲强度进行测试，结果如图3所示。由图可知，使用被聚醚砜和羧基化碳纳米管的材料组合处理过的碳纤维制备的复合材料比裸碳纤维对应的复合材料显示出了更高的弯曲强度，弯曲强度提高了81％。这说明聚醚砜和羧基化碳纳米管的材料组合对碳纤维的表面结构调控不仅提高了复合材料的界面结合强度，也提高了复合材料的抗弯性能。
综上所述，本发明提供了一种碳纤维的表面处理方法及应用，使用聚醚砜和羧基化碳纳米管的材料组合对碳纤维进行表面处理。本发明把聚醚砜作为上浆剂，同时用聚醚砜和羧基化碳纳米管对碳纤维进行表面结构调控。经过聚醚砜和羧基化碳纳米管处理的碳纤维，与聚醚醚酮制备成复合材料时，可较大地提升碳纤维聚醚醚酮复合材料的界面强度。聚醚砜高分子的分子链上面的砜基会和碳纳米管的羧基产生氢键作用，碳纳米管上面的羧基会和聚醚醚酮高分子的分子链上面的酮基产生氢键作用。同时，碳纳米管可以增加碳纤维表面的粗糙度，碳纳米管还会限制聚醚醚酮高分子在碳纤维表面的移动，还可以增强聚醚醚酮高分子与碳纤维的结合。聚醚砜高分子的分子链中的苯环可以和聚醚醚酮高分子的分子链中的苯环产生ΠΠ共轭效应，共轭效应会使聚醚砜与聚醚醚酮之间的结合变得更强。碳纳米管与聚醚醚酮高分子之间产生的氢键作用，以及聚醚砜高分子与聚醚醚酮高分子之间的ΠΠ共轭效应都可以限制聚醚醚酮高分子的移动，都可以使聚醚醚酮更加难地与碳纤维发生脱粘，最终提升了碳纤维聚醚醚酮复合材料的界面结合强度。不仅如此，使用被聚醚砜和羧基化碳纳米管的材料组合处理过的碳纤维制备的复合材料比裸碳纤维对应的复合材料显示出了更高的弯曲强度，弯曲强度提高了80％以上。这说明聚醚砜和羧基化碳纳米管的材料组合对碳纤维的表面结构调控不仅提高了复合材料的界面结合强度，也提高了复合材料的抗弯性能。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于碳纤维聚醚醚酮复合材料的碳纤维的表面处理方法，其特征在于，使用聚醚砜和羧基化碳纳米管的材料组合对碳纤维进行表面处理，所述材料组合中，聚醚砜和羧基化碳纳米管的配比为：羧基化碳纳米管相对于聚醚砜的质量分数为0.4%-0.5%；
所述的碳纤维的表面处理方法包括步骤：
提供碳纤维，用丙酮对所述碳纤维进行去浆处理；
将经过去浆处理的碳纤维放置在真空烘箱中进行第一次烘干；
配制米氏酸溶液，并用所述米氏酸溶液对第一次烘干后的碳纤维进行一次浸泡，将碳纤维在真空烘箱中进行第二次烘干；
配制聚醚砜和羧基化碳纳米管的材料组合的溶液，并用所述材料组合的溶液对第二次烘干后的碳纤维进行二次浸泡，之后将二次浸泡后的碳纤维放置在真空烘箱中进行第三次烘干；
所述碳纤维聚醚醚酮复合材料为将第三次烘干后的碳纤维和聚醚醚酮薄膜放置在模具中加工后得到。
2.根据权利要求1所述的碳纤维的表面处理方法，其特征在于，将所述材料组合配制成溶液，材料组合配制成的溶液中聚醚砜的浓度为14-16mg/ml。
3.根据权利要求1所述的碳纤维的表面处理方法，其特征在于，所述米氏酸溶液的溶剂是乙醇，浓度为18-22mg/ml。
4.根据权利要求1所述的碳纤维的表面处理方法，其特征在于，配制聚醚砜和羧基化碳纳米管的材料组合的溶液具体为：用N-甲基吡咯烷酮作为溶剂，将聚醚砜的浓度调节为14-16mg/ml，将羧基化碳纳米管相对于聚醚砜的质量分数调节为0.4%-0.5%，配制得到所述材料组合的溶液。
5.根据权利要求1所述的碳纤维的表面处理方法，其特征在于，将第三次烘干后的碳纤维和聚醚醚酮薄膜放置在模具中，采用热压成型工艺进行加工。
6.根据权利要求1所述的碳纤维的表面处理方法，其特征在于，第一次烘干的条件为真空烘箱中110-130℃烘干10-14小时；第二次烘干的条件为真空烘箱中110-130℃烘干10-14小时；第三次烘干的条件为真空烘箱中90-110℃烘干8-12小时。
7.根据权利要求1所述的碳纤维的表面处理方法，其特征在于，一次浸泡的条件为温度20-25℃，浸泡时间1-2小时；二次浸泡的条件为温度70-80℃，浸泡时间1-2小时。
8.一种碳纤维的表面处理方法的应用，其特征在于，将如权利要求1-7任一所述的方法应用于对碳纤维进行表面结构调控。
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