專利名稱：一種提高碳纖維表面活性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料增強(qiáng)體的表面改性技術(shù)，特別涉及一種通過誘導(dǎo)接枝提高碳纖維表面活性的方法。
背景技術(shù)：
碳纖維作為一種高性能的纖維，它具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐疲勞、抗蠕變和膨脹系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，使得它成為近年來最重要的增強(qiáng)材料，并在國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。碳纖維作為復(fù)合材料增強(qiáng)體時(shí)，由于表面平滑，呈現(xiàn)化學(xué)惰性，與樹脂基體浸潤性差，導(dǎo)致界面粘合性能差，從而嚴(yán)重地影響了復(fù)合材料整體優(yōu)異性能的發(fā)揮。因此，提高碳纖維表面活性已經(jīng)成為研究先進(jìn)復(fù)合材料的優(yōu)先發(fā)展方向之一。
未經(jīng)表面處理的碳纖維表面呈惰性，比表面積小，邊緣活性碳原子少，表面能低，從而導(dǎo)致與增強(qiáng)基體的界面結(jié)合差。目前主要采用提高碳纖維表面活性的方法有氧化法、等離子處理、電沉積和電聚合法等。氧化法可以是氣相氧化也可以是液相氧化，均能提高纖維表面的含氧官能團(tuán)，但其氧化程度不易控制，容易傷及纖維的本體強(qiáng)度；等離體處理方法對纖維表面活化程度明顯，但處理?xiàng)l件苛刻不易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化；電聚合法則無法保證纖維表面均勻涂覆高聚物，且處理后纖維容易粘附在一起。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是采用高錳酸鉀/硫酸作為引發(fā)體系，在碳纖維表面接枝丙烯酸，引入活性官能團(tuán)，改善碳纖維表面的惰性。改性后的碳纖維表面含氧官能團(tuán)顯著提高，表面活性明顯增加，且纖維的本體強(qiáng)度不受影響。本發(fā)明操作簡單，成本低廉，且對環(huán)境無污染，便于工業(yè)化。
本發(fā)明的上述目的通過如下技術(shù)方案得以實(shí)現(xiàn)一、采用丙烯酸和硫酸混合液為接枝液體，放入待改性的碳纖維，保證液體將碳纖維完全浸沒；然后緩慢的加入高錳酸鉀溶液，加入前后保持溶液不變色，置于30～90℃的溫度下進(jìn)行接枝反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間約2～6小時(shí)；二將反應(yīng)后的碳纖維從溶液中取出，用去離子水反復(fù)沖洗數(shù)次，再放入沸水中煮沸3～10分鐘，烘干。
丙烯酸是一種活性較強(qiáng)且含有雙鍵和羧基的有機(jī)小分子，其雙鍵結(jié)構(gòu)有利于發(fā)生自由基接枝反應(yīng)，其羧基則可以提高被接枝物的表面活性。高錳酸鉀和硫酸發(fā)生反應(yīng)，生成能形成自由基的MnO2()，MnO2則進(jìn)一步反應(yīng)生成Mn4+、Mn3+、Mn2+和自由基(SO4-·、·OH、C·)。這些自由基可以進(jìn)攻碳纖維表面生成活性中心，同時(shí)與丙烯酸反應(yīng)生成新的自由基，使丙烯酸在纖維表面發(fā)生接枝反應(yīng)。本發(fā)明采用高錳酸鉀/硫酸作為引發(fā)體系，在碳纖維表面接枝丙烯酸，引入活性官能團(tuán)，改善碳纖維表面的惰性。改性后的碳纖維表面含氧官能團(tuán)顯著提高，表面活性明顯增加，且纖維的本體強(qiáng)度不受影響。本發(fā)明操作簡單，成本低廉，且對環(huán)境無污染，便于工業(yè)化。經(jīng)過本發(fā)明活化后的碳纖維表面O/C比未活化碳纖維表面O/C提高了10～32％，其環(huán)氧復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度提高了5～18％。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式按照如下方法提高碳纖維表面活性一、采用丙烯酸和硫酸混合液為接枝液體，通過加入高錳酸鉀與硫酸反應(yīng)生成二氧化錳引發(fā)丙烯酸與碳纖維接枝反應(yīng)。具體操作方法是將丙烯酸和硫酸的溶液混合后，放入待改性的碳纖維，保證液體將碳纖維完全浸沒。然后緩慢的加入高錳酸鉀溶液，加入前后保持溶液不變色，防止高錳酸鉀過量。將放有碳纖維和反應(yīng)液的容器置于30～90℃的溫度下進(jìn)行接枝反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間約2～6小時(shí)。
二將反應(yīng)后的碳纖維從溶液中取出，用去離子水反復(fù)沖洗數(shù)次，再放入沸水中煮沸3～10分鐘，以去掉纖維表面的丙烯酸共聚物，之后將纖維取出放入烘箱中烘干以備使用。
本實(shí)施方式中，所述丙烯酸與硫酸的質(zhì)量比在1000∶1～50∶1之間。其中丙烯酸的濃度為10～30wt％，硫酸的濃度為0.005～0.3mol/L。
本實(shí)施方式中，所述高錳酸鉀水溶液的濃度為0.2～1wt％。
本實(shí)施方式中，所述接枝溶液與纖維質(zhì)量比為100∶1～5∶1。
本實(shí)施方式中，所述硫酸與加入高錳酸鉀的質(zhì)量比在1∶1～10∶1之間。
具體實(shí)施例方式
二取1000g的水放入2000mL的燒杯中，稱取100g丙烯酸放入燒杯中，再加入1g的濃硫酸，混合均勻后放入50g的碳纖維，使液體將纖維完全浸沒，放置約10min，稱取0.8g的高錳酸鉀溶于50g去離子水中，將配制好的高錳酸鉀溶液逐滴加入到燒杯中，滴加過程中輕輕晃動(dòng)燒杯使滴加的高錳酸鉀迅速反應(yīng)保持燒杯中溶液的無色透明。將燒杯放在恒溫箱中保持溫度70℃3個(gè)小時(shí)，取出燒杯將反應(yīng)液倒出，用去離子水反復(fù)沖洗纖維3次，再加入去離子水煮沸5分鐘。取出纖維放在105℃的烘箱中烘干1個(gè)小時(shí)。所得纖維比未處理的纖維表面氧含量提高了21％，所制備的環(huán)氧復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度提高了16％，達(dá)到92MPa。
具體實(shí)施例方式
三取70g的水放入燒杯中，稱取30g丙烯酸放入燒杯中，再加入1g的濃硫酸，混合均勻后放入10g的碳纖維，使液體將纖維完全浸沒，放置約10min，稱取0.6g的高錳酸鉀溶于10g去離子水中，將配制好的高錳酸鉀溶液逐滴加入到燒杯中，滴加過程中輕輕晃動(dòng)燒杯使滴加的高錳酸鉀迅速反應(yīng)保持燒杯中溶液的無色透明。將燒杯放在恒溫箱中保持溫度60℃3個(gè)小時(shí)，取出燒杯將反應(yīng)液倒出，用去離子水反復(fù)沖洗纖維3次，再加入去離子水煮沸5分鐘。取出纖維放在105℃的烘箱中烘干半個(gè)小時(shí)。所得纖維比未處理的纖維表面氧含量提高了26％，所制備的環(huán)氧復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度提高了18％。
具體實(shí)施例方式
四取500g的水放入杯中，稱取100g丙烯酸放入燒杯中，再加入2g的濃硫酸，混合均勻后放入30g的碳纖維，使液體將纖維完全浸沒，放置約8min，稱取3g的高錳酸鉀溶于30g去離子水中，將配制好的高錳酸鉀溶液逐滴加入到燒杯中，滴加過程中輕輕晃動(dòng)燒杯使滴加的高錳酸鉀迅速反應(yīng)保持燒杯中溶液的無色透明。將燒杯放在恒溫箱中保持溫度70℃3個(gè)小時(shí)，取出燒杯將反應(yīng)液倒出，用去離子水反復(fù)沖洗纖維2次，再加入去離子水煮沸8分鐘。取出纖維放在106℃的烘箱中烘干1個(gè)小時(shí)。所得纖維比未處理的纖維表面氧含量提高了23％，所制備的環(huán)氧復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度提高了15.8％。
權(quán)利要求
1.一種提高碳纖維表面活性的方法，其特征在于所述方法為一、采用丙烯酸和硫酸混合液為接枝液體，放入待改性的碳纖維，保證液體將碳纖維完全浸沒；然后緩慢的加入高錳酸鉀溶液，加入前后保持溶液不變色，置于30～90℃的溫度下進(jìn)行接枝反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間為2～6小時(shí)；二將反應(yīng)后的碳纖維從溶液中取出，用去離子水反復(fù)沖洗數(shù)次，再放入沸水中煮沸3～10分鐘，烘干。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高碳纖維表面活性的方法，其特征在于所述丙烯酸與硫酸的質(zhì)量比在1000∶1～50∶1之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高碳纖維表面活性的方法，其特征在于所述丙烯酸的濃度為10～30wt％，硫酸的濃度為0.005～0.3mol/L。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高碳纖維表面活性的方法，其特征在于所述高錳酸鉀水溶液的濃度為0.2～1wt％。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高碳纖維表面活性的方法，其特征在于所述接枝溶液與纖維質(zhì)量比為100∶1～5∶1。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高碳纖維表面活性的方法，其特征在于所述硫酸與加入高錳酸鉀的質(zhì)量比在1∶1～10∶1之間。
全文摘要
一種提高碳纖維表面活性的方法，涉及一種復(fù)合材料增強(qiáng)體的表面改性技術(shù)。本發(fā)明的目的是采用高錳酸鉀/硫酸作為引發(fā)體系，在碳纖維表面接枝丙烯酸，引入活性官能團(tuán)，改善碳纖維表面的惰性，具體方法為1.采用丙烯酸和硫酸混合液為接枝液體，放入待改性的碳纖維，保證液體將碳纖維完全浸沒；然后緩慢的加入高錳酸鉀溶液，加入前后保持溶液不變色，進(jìn)行接枝反應(yīng)；2.將反應(yīng)后的碳纖維從溶液中取出，用去離子水反復(fù)沖洗數(shù)次，再放入沸水中煮沸，烘干。本發(fā)明操作簡單，成本低廉，且對環(huán)境無污染，便于工業(yè)化。經(jīng)過本發(fā)明活化后的碳纖維表面O/C比未活化碳纖維表面O/C提高了10～32％，其環(huán)氧復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度提高了5～18％。
文檔編號D06M14/00GK1851108SQ200610010068
公開日2006年10月25日 申請日期2006年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月23日
發(fā)明者黃玉東, 徐志偉, 閔春英, 劉麗, 張春華, 劉立詢 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)