CN1851108A - 一种提高碳纤维表面活性的方法 - Google Patents

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Abstract

一种提高碳纤维表面活性的方法，涉及一种复合材料增强体的表面改性技术。本发明的目的是采用高锰酸钾/硫酸作为引发体系，在碳纤维表面接枝丙烯酸，引入活性官能团，改善碳纤维表面的惰性，具体方法为：1.采用丙烯酸和硫酸混合液为接枝液体，放入待改性的碳纤维，保证液体将碳纤维完全浸没；然后缓慢的加入高锰酸钾溶液，加入前后保持溶液不变色，进行接枝反应；2.将反应后的碳纤维从溶液中取出，用去离子水反复冲洗数次，再放入沸水中煮沸，烘干。本发明操作简单，成本低廉，且对环境无污染，便于工业化。经过本发明活化后的碳纤维表面O/C比未活化碳纤维表面O/C提高了10～32％，其环氧复合材料的层间剪切强度提高了5～18％。

Description

一种提高碳纤维表面活性的方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料增强体的表面改性技术，特别涉及一种通过诱导接枝提高碳纤维表面活性的方法。
背景技术
碳纤维作为一种高性能的纤维，它具有高比强度、高比模量、耐疲劳、抗蠕变和膨胀系数小等优点，使得它成为近年来最重要的增强材料，并在国民经济各个领域得到广泛应用。碳纤维作为复合材料增强体时，由于表面平滑，呈现化学惰性，与树脂基体浸润性差，导致界面粘合性能差，从而严重地影响了复合材料整体优异性能的发挥。因此，提高碳纤维表面活性已经成为研究先进复合材料的优先发展方向之一。
未经表面处理的碳纤维表面呈惰性，比表面积小，边缘活性碳原子少，表面能低，从而导致与增强基体的界面结合差。目前主要采用提高碳纤维表面活性的方法有氧化法、等离子处理、电沉积和电聚合法等。氧化法可以是气相氧化也可以是液相氧化，均能提高纤维表面的含氧官能团，但其氧化程度不易控制，容易伤及纤维的本体强度；等离体处理方法对纤维表面活化程度明显，但处理条件苛刻不易实现工业化；电聚合法则无法保证纤维表面均匀涂覆高聚物，且处理后纤维容易粘附在一起。
发明内容
本发明的目的是采用高锰酸钾/硫酸作为引发体系，在碳纤维表面接枝丙烯酸，引入活性官能团，改善碳纤维表面的惰性。改性后的碳纤维表面含氧官能团显著提高，表面活性明显增加，且纤维的本体强度不受影响。本发明操作简单，成本低廉，且对环境无污染，便于工业化。
本发明的上述目的通过如下技术方案得以实现：一、采用丙烯酸和硫酸混合液为接枝液体，放入待改性的碳纤维，保证液体将碳纤维完全浸没；然后缓慢的加入高锰酸钾溶液，加入前后保持溶液不变色，置于30～90℃的温度下进行接枝反应，反应时间约2～6小时；二：将反应后的碳纤维从溶液中取出，用去离子水反复冲洗数次，再放入沸水中煮沸3～10分钟，烘干。
丙烯酸是一种活性较强且含有双键和羧基的有机小分子，其双键结构有利于发生自由基接枝反应，其羧基则可以提高被接枝物的表面活性。高锰酸钾和硫酸发生反应，生成能形成自由基的MnO2( )，MnO2则进一步反应生成Mn4+、Mn3+、Mn2+和自由基(SO4 -·、·OH、C·)。这些自由基可以进攻碳纤维表面生成活性中心，同时与丙烯酸反应生成新的自由基，使丙烯酸在纤维表面发生接枝反应。本发明采用高锰酸钾/硫酸作为引发体系，在碳纤维表面接枝丙烯酸，引入活性官能团，改善碳纤维表面的惰性。改性后的碳纤维表面含氧官能团显著提高，表面活性明显增加，且纤维的本体强度不受影响。本发明操作简单，成本低廉，且对环境无污染，便于工业化。经过本发明活化后的碳纤维表面O/C比未活化碳纤维表面O/C提高了10～32％，其环氧复合材料的层间剪切强度提高了5～18％。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式按照如下方法提高碳纤维表面活性：
一、采用丙烯酸和硫酸混合液为接枝液体，通过加入高锰酸钾与硫酸反应生成二氧化锰引发丙烯酸与碳纤维接枝反应。具体操作方法是：将丙烯酸和硫酸的溶液混合后，放入待改性的碳纤维，保证液体将碳纤维完全浸没。然后缓慢的加入高锰酸钾溶液，加入前后保持溶液不变色，防止高锰酸钾过量。将放有碳纤维和反应液的容器置于30～90℃的温度下进行接枝反应，反应时间约2～6小时。
二：将反应后的碳纤维从溶液中取出，用去离子水反复冲洗数次，再放入沸水中煮沸3～10分钟，以去掉纤维表面的丙烯酸共聚物，之后将纤维取出放入烘箱中烘干以备使用。
本实施方式中，所述丙烯酸与硫酸的质量比在1000∶1～50∶1之间。其中丙烯酸的浓度为10～30wt％，硫酸的浓度为0.005～0.3mol/L。
本实施方式中，所述高锰酸钾水溶液的浓度为0.2～1wt％。
本实施方式中，所述接枝溶液与纤维质量比为100∶1～5∶1。
本实施方式中，所述硫酸与加入高锰酸钾的质量比在1∶1～10∶1之间。
具体实施方式二：取1000g的水放入2000mL的烧杯中，称取100g丙烯酸放入烧杯中，再加入1g的浓硫酸，混合均匀后放入50g的碳纤维，使液体将纤维完全浸没，放置约10min，称取0.8g的高锰酸钾溶于50g去离子水中，将配制好的高锰酸钾溶液逐滴加入到烧杯中，滴加过程中轻轻晃动烧杯使滴加的高锰酸钾迅速反应保持烧杯中溶液的无色透明。将烧杯放在恒温箱中保持温度70℃3个小时，取出烧杯将反应液倒出，用去离子水反复冲洗纤维3次，再加入去离子水煮沸5分钟。取出纤维放在105℃的烘箱中烘干1个小时。所得纤维比未处理的纤维表面氧含量提高了21％，所制备的环氧复合材料界面剪切强度提高了16％，达到92MPa。
具体实施方式三：取70g的水放入烧杯中，称取30g丙烯酸放入烧杯中，再加入1g的浓硫酸，混合均匀后放入10g的碳纤维，使液体将纤维完全浸没，放置约10min，称取0.6g的高锰酸钾溶于10g去离子水中，将配制好的高锰酸钾溶液逐滴加入到烧杯中，滴加过程中轻轻晃动烧杯使滴加的高锰酸钾迅速反应保持烧杯中溶液的无色透明。将烧杯放在恒温箱中保持温度60℃3个小时，取出烧杯将反应液倒出，用去离子水反复冲洗纤维3次，再加入去离子水煮沸5分钟。取出纤维放在105℃的烘箱中烘干半个小时。所得纤维比未处理的纤维表面氧含量提高了26％，所制备的环氧复合材料界面剪切强度提高了18％。
具体实施方式四：取500g的水放入杯中，称取100g丙烯酸放入烧杯中，再加入2g的浓硫酸，混合均匀后放入30g的碳纤维，使液体将纤维完全浸没，放置约8min，称取3g的高锰酸钾溶于30g去离子水中，将配制好的高锰酸钾溶液逐滴加入到烧杯中，滴加过程中轻轻晃动烧杯使滴加的高锰酸钾迅速反应保持烧杯中溶液的无色透明。将烧杯放在恒温箱中保持温度70℃3个小时，取出烧杯将反应液倒出，用去离子水反复冲洗纤维2次，再加入去离子水煮沸8分钟。取出纤维放在106℃的烘箱中烘干1个小时。所得纤维比未处理的纤维表面氧含量提高了23％，所制备的环氧复合材料界面剪切强度提高了15.8％。

Claims (6)

1、一种提高碳纤维表面活性的方法，其特征在于所述方法为：一、采用丙烯酸和硫酸混合液为接枝液体，放入待改性的碳纤维，保证液体将碳纤维完全浸没；然后缓慢的加入高锰酸钾溶液，加入前后保持溶液不变色，置于30～90℃的温度下进行接枝反应，反应时间为2～6小时；二：将反应后的碳纤维从溶液中取出，用去离子水反复冲洗数次，再放入沸水中煮沸3～10分钟，烘干。
2、根据权利要求1所述的一种提高碳纤维表面活性的方法，其特征在于所述丙烯酸与硫酸的质量比在1000∶1～50∶1之间。
3、根据权利要求1所述的一种提高碳纤维表面活性的方法，其特征在于所述丙烯酸的浓度为10～30wt％，硫酸的浓度为0.005～0.3mol/L。
4、根据权利要求1所述的一种提高碳纤维表面活性的方法，其特征在于所述高锰酸钾水溶液的浓度为0.2～1wt％。
5、根据权利要求1所述的一种提高碳纤维表面活性的方法，其特征在于所述接枝溶液与纤维质量比为100∶1～5∶1。
6、根据权利要求1所述的一种提高碳纤维表面活性的方法，其特征在于所述硫酸与加入高锰酸钾的质量比在1∶1～10∶1之间。
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