專(zhuān)利名稱(chēng)：一種提高碳纖維復(fù)合材料界面性能的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種利用等離子體活化接枝馬來(lái)酸酐來(lái)提高碳纖維復(fù)合材料界面性能的制備方法，屬于碳纖維表面改性技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
碳纖維具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、導(dǎo)電、傳熱和熱膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)異性能，被廣泛應(yīng)用于纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料。碳纖維表面呈惰性，比表面積小，邊緣活性碳原子少，表面能低和樹(shù)脂浸潤(rùn)性及兩相界面粘結(jié)性差。因此，人們通過(guò)對(duì)碳纖維表面進(jìn)行改性以提高其纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的界面性能。碳纖維表面處理的方式有氣相氧化法、液相氧化法、陽(yáng)極氧化法、等離子體氧化法、表面涂層改性及復(fù)合表面處理法等。但上述方法存在著反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、反應(yīng)不完全、環(huán)保 性較差，較多程度上反應(yīng)得出的極性基團(tuán)不穩(wěn)定，會(huì)隨著時(shí)間消失或變異。等離子體氧化法是ー種快捷有效的表面處理方式，因此，需要一種較長(zhǎng)的聚合物與活性基團(tuán)接枝，以免活性基團(tuán)消失，同時(shí)接枝的聚合物鏈還需具有易與其他樹(shù)脂基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)的官能團(tuán)。馬來(lái)酸酐因其結(jié)構(gòu)中的不飽和雙鍵易于發(fā)生共聚反應(yīng)，活性強(qiáng)的酸酐基團(tuán)容易與氫基、羧基、氨基等官能團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，馬來(lái)酸酐接枝后可以使碳纖維表面引入的酸酐基團(tuán)與環(huán)氧基團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，提高纖維與聚合物基體間的粘合力，改善界面性能。因此，發(fā)展這種環(huán)保節(jié)能，操作方便，條件溫和，反應(yīng)迅速的等離子體活化接枝方法具有重大意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供ー種利用等離子體活化接枝馬來(lái)酸酐來(lái)提高碳纖維復(fù)合材料界面性能的制備方法，即通過(guò)等離子體技術(shù)活化碳纖維，進(jìn)一歩在高溫引發(fā)條件下使碳纖維產(chǎn)生接枝程度較高的活化碳纖維。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供了ー種提高碳纖維復(fù)合材料界面性能的制備方法，其特征在干，步驟為第一歩、等離子體活化的碳纖維的制備將純化過(guò)的碳纖維置于等離子反應(yīng)腔體中，向其內(nèi)通入氣壓為14. 5Pa，氣流量為3L/min的高純IS氣5min ;隨后,通入氣壓為14. 5Pa,氣流量為30ml/min的純氧氣5min ;于功率IlOW下放電處理90s，得等離子體活化的碳纖維；第二步、馬來(lái)酸酐ニ甲苯溶液的配制將馬來(lái)酸酐在60°C水浴下溶解于ニ甲苯中，得馬來(lái)酸酐ニ甲苯溶液，其中，馬來(lái)酸酐與ニ甲苯混合的質(zhì)量體積比為(3_7)g O. IL ；第三步、活化碳纖維超聲浸潤(rùn)將經(jīng)第一歩所得的等離子體活化的碳纖維加入第二步所得的馬來(lái)酸酐ニ甲苯溶液中并超聲30min后得產(chǎn)物，其中，等離子體活化的碳纖維的加入量與馬來(lái)酸酐ニ甲苯溶液的質(zhì)量體積比為(5-10) g O. IL ；
第四步、馬來(lái)酸酐接枝取錫箔紙將第三步所得的產(chǎn)物包裹，于溫度為170_180°C下高溫烘箱中，反應(yīng)3-7min,得馬來(lái)酸酐接枝于等離子體活化的碳纖維粗品；第五步、馬來(lái)酸酐接枝于等離子體活化的碳纖維粗品的純化將第四步得到的馬來(lái)酸酐接枝于等離子體活化的碳纖維粗品加入沉淀劑丙酮中靜置24小時(shí)，傾去溶劑，再用ニ甲苯溶解，溶解后又傾入丙酮中沉淀，重復(fù)2次；隨后，先在紅外燈下使大部分溶劑揮發(fā)后，在50°C下真空干燥至恒重，干燥后的產(chǎn)物即為碳纖維接枝馬來(lái)酸酐產(chǎn)品。·本發(fā)明是一種通過(guò)用氬氧混合氣體等離子體處理碳纖維，使其表面產(chǎn)生含氧活化物，進(jìn)ー步在高溫引發(fā)下使活化自由基引發(fā)馬來(lái)酸酐在碳纖維表面發(fā)生聚合反應(yīng)，在碳纖維表面生成具有一定鏈長(zhǎng)的酸酐基團(tuán)的方法。由于該法較之于常溫等離子體接枝馬來(lái)酸酐的方法具有反應(yīng)時(shí)間短，反應(yīng)完全，接枝率高。在高溫引發(fā)接枝馬來(lái)酸酐反應(yīng)中，篩選較好的接枝條件使碳纖維表面進(jìn)ー步為更多的馬來(lái)酸酐分子所包覆，更均勻的接枝于碳纖維表面。碳纖維表面的含氧自由基在高溫引發(fā)接枝條件下極大程度地提高了馬來(lái)酸酐在碳纖維表面的接枝，其接枝率最高達(dá)18%，從而使碳纖維表面生成具有一定鏈長(zhǎng)的酸酐基團(tuán)。具體而言一、本發(fā)明通過(guò)氬氧混合氣體等離子體處理碳纖維表面形成的自由基，提高了其與馬來(lái)酸酐聚合反應(yīng)速度和程度；ニ、本發(fā)明通過(guò)高溫引發(fā)加快了反應(yīng)速度，接枝反應(yīng)時(shí)間僅3-7min即可獲得表面包覆均勻、接枝率高且含有一定數(shù)量酸酐基團(tuán)的接枝碳纖維，能更好地與環(huán)氧樹(shù)脂反應(yīng)，提高其復(fù)合材料的界面性能；三、本發(fā)明節(jié)能，環(huán)保，處理方便。


圖I為未經(jīng)處理的碳纖維的掃描電鏡照片；圖2為實(shí)施例I的馬來(lái)酸酐接枝于等離子體活化的碳纖維的掃描電鏡照片；圖3為實(shí)施例I的馬來(lái)酸酐接枝于等離子體活化的碳纖維的X射線(xiàn)光電子能譜；圖4為實(shí)施例I的馬來(lái)酸酐接枝于等離子體活化的碳纖維的紅外光譜譜圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明更明顯易懂，茲以?xún)?yōu)選實(shí)施例，并配合附圖作詳細(xì)說(shuō)明如下。實(shí)施例I本發(fā)明提供了ー種提高碳纖維復(fù)合材料界面性能的制備方法，其步驟為第一歩、等離子體活化的碳纖維的制備將2g純化過(guò)的碳纖維置于等離子反應(yīng)腔體中，向其內(nèi)通入氣壓為14. 5Pa，氣流量為3L/min的高純IS氣5min ;隨后,通入氣壓為14. 5Pa,氣流量為30ml/min的純氧氣5min ；于功率IlOW下放電處理90s，得等離子體活化的碳纖維；第二步、馬來(lái)酸酐ニ甲苯溶液的配制將7g馬來(lái)酸酐在60°C水浴下溶解于IOOml ニ甲苯中，得馬來(lái)酸酐ニ甲苯溶液；第三步、活化碳纖維超聲浸潤(rùn)將經(jīng)第一歩所得的等離子體活化的碳纖維加入第二步所得的馬來(lái)酸酐ニ甲苯溶液中并超聲30min后得產(chǎn)物；第四步、馬來(lái)酸酐接枝取錫箔紙將第三步所得的產(chǎn)物包裏，于溫度為170°C下高溫烘箱中，反應(yīng)7min后冷卻，得馬來(lái)酸酐接枝于等離子體活化的碳纖維粗品；第五步、馬來(lái)酸酐接枝于等離子體活化的碳纖維粗品的純化將第四步得到的馬來(lái)酸酐接枝于等離子體活化的碳纖維粗品加入沉淀劑丙酮中靜置24小時(shí)，傾去溶劑，再用ニ甲苯溶解，溶解后又傾入丙酮中沉淀，重復(fù)2次；隨后，先在紅外燈下使大部分溶劑揮發(fā)后，在50°C下真空干燥至恒重，干燥后的產(chǎn)物即為碳纖維接枝 馬來(lái)酸酐產(chǎn)品。采用下述方法測(cè)試碳纖維接枝馬來(lái)酸酐產(chǎn)品的接枝率將碳纖維接枝馬來(lái)酸酐樣品溶于ニ甲苯中，并將溶液加熱回流I小時(shí)后冷卻，カロ入濃度為ION的IOOmlKOH-こ醇溶液繼續(xù)回流，至充分反應(yīng)，冷卻后用濃度為ION的鹽酸-異丙醇溶液進(jìn)行反滴，指示劑為酚酞，當(dāng)反滴27ml時(shí)，酚酞變?yōu)榧t色。通過(guò)計(jì)算可知碳纖維表面的接枝率為18%，其復(fù)合材料的界面強(qiáng)力(IFSS)為69. IMPa0圖I為未經(jīng)等離子化處理前的碳纖維的掃描電鏡照片，圖2為實(shí)施例I的馬來(lái)酸酐接枝于等離子體活化的碳纖維的掃描電鏡照片。由圖I、圖2掃描電鏡照片對(duì)比可以看出，馬來(lái)酸酐接枝于等離子體活化的的碳纖維表面變粗糙且有聚合物顆粒存在，說(shuō)明碳纖維表面接枝了聚合物。圖3為馬來(lái)酸酐接枝于等離子體活化的碳纖維的X射線(xiàn)光電子能譜。由圖3的X射線(xiàn)能譜譜圖表明，馬來(lái)酸酐接枝于等離子體活化的碳纖維在533電子伏出現(xiàn)氧元素，此為羥基氧，證明馬來(lái)酸酐接枝到了碳纖維表面上。圖4為馬來(lái)酸酐接枝于等離子體活化的碳纖維的紅外光譜譜圖。由圖4紅外光譜譜圖可以看出，在譜圖中1780cm-l和1870cm-l波數(shù)處可觀察到聚馬來(lái)酸酐的輕基特征吸收峰，證明聚馬來(lái)酸酐接枝到了碳纖維上。實(shí)施例2將實(shí)施例I的第二步中的馬來(lái)酸酐用量改為5. 0g，其他條件和步驟與實(shí)施例I完全相同，采用與實(shí)施例I相同的方法，檢測(cè)得到所得產(chǎn)物的接枝率為10. 3%，其復(fù)合材料的界面強(qiáng)カ(IFSS)為55. 4MPa。實(shí)施例3將實(shí)施例I的第二步中的馬來(lái)酸酐用量改為3. 0g，其他條件和步驟與實(shí)施例I完全相同，采用與實(shí)施例I相同的方法，檢測(cè)得到所得產(chǎn)物的接枝率為6. 8%，其復(fù)合材料的界面強(qiáng)カ(IFSS)為45. 3MPa。實(shí)施例4將實(shí)施例I的第四步中的高溫烘箱的溫度改為180°C，其他條件和步驟與實(shí)施例I完全相同，采用與實(shí)施例I相同的方法，檢測(cè)得到所得產(chǎn)物的接枝率為11. 8%，其復(fù)合材料的界面強(qiáng)力(IFSS)為56. 2MPa。實(shí)施例5將實(shí)施例I的第四步中的高溫烘箱的反應(yīng)時(shí)間改為5min,其他條件和步驟與實(shí)施例I完全相同，采用與實(shí)施例I相同的方法，檢測(cè)得到所得產(chǎn)物的接枝率為9. 3%，其復(fù)合材料的界面強(qiáng)カ(IFSS)為52. 8MPa。實(shí)施例6將實(shí)施例I的第二步中的馬來(lái)酸酐用量改為5. 0g，將第四步中高溫烘箱的溫度 改為175°C，其反應(yīng)時(shí)間改為5min，其他條件和步驟與實(shí)施例I完全相同，采用與實(shí)施例I相同的方法，檢測(cè)得到所得產(chǎn)物的接枝率為13. 6%，其復(fù)合材料的界面強(qiáng)カ(IFSS)為57. 9MPa。
權(quán)利要求
1. ー種提高碳纖維復(fù)合材料界面性能的制備方法，其特征在干，步驟為 第一歩、等離子體活化的碳纖維的制備 將純化過(guò)的碳纖維置于等離子反應(yīng)腔體中，向其內(nèi)通入氣壓為14. 5Pa，氣流量為3L/min的高純氬氣5min ;隨后，通入氣壓為14. 5Pa，氣流量為30ml/min的純氧氣5min ;于功率IlOff下放電處理90s，得等離子體活化的碳纖維； 第二步、馬來(lái)酸酐ニ甲苯溶液的配制 將馬來(lái)酸酐在60°C水浴下溶解于ニ甲苯中，得馬來(lái)酸酐ニ甲苯溶液，其中，馬來(lái)酸酐與ニ甲苯混合的質(zhì)量體積比為(3_7)g O. IL ； 第三步、活化碳纖維超聲浸潤(rùn) 將經(jīng)第一歩所得的等離子體活化的碳纖維加入第二步所得的馬來(lái)酸酐ニ甲苯溶液中并超聲30min后得產(chǎn)物，其中，等離子體活化的碳纖維的加入量與馬來(lái)酸酐ニ甲苯溶液的質(zhì)量體積比為(5-10) g O. IL ； 第四步、馬來(lái)酸酐接枝 取錫箔紙將第三步所得的產(chǎn)物包裹，于溫度為170-180°C下高溫烘箱中，反應(yīng)3-7min，得馬來(lái)酸酐接枝于等離子體活化的碳纖維粗品； 第五步、馬來(lái)酸酐接枝于等離子體活化的碳纖維粗品的純化 將第四步得到的馬來(lái)酸酐接枝于等離子體活化的碳纖維粗品加入沉淀劑丙酮中靜置24小時(shí)，傾去溶劑，再用ニ甲苯溶解，溶解后又傾入丙酮中沉淀，重復(fù)2次；隨后，先在紅外燈下使大部分溶劑揮發(fā)后，在50°C下真空干燥至恒重，干燥后的產(chǎn)物即為碳纖維接枝馬來(lái)酸酐產(chǎn)品。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種提高碳纖維復(fù)合材料界面性能的制備方法，其特征在于，步驟為第一步、等離子體活化的碳纖維的制備；第二步、馬來(lái)酸酐二甲苯溶液的配制；第三步、活化碳纖維超聲浸潤(rùn)；第四步、馬來(lái)酸酐接枝；第五步、馬來(lái)酸酐接枝于等離子體活化的碳纖維粗品的純化。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是一、本發(fā)明通過(guò)氬氧混合氣體等離子體處理碳纖維表面形成的自由基，提高了其與馬來(lái)酸酐聚合反應(yīng)速度和程度；二、本發(fā)明通過(guò)高溫引發(fā)加快了反應(yīng)速度，接枝反應(yīng)時(shí)間僅3-7min即可獲得表面包覆均勻、接枝率高且含有一定數(shù)量酸酐基團(tuán)的接枝碳纖維，能更好地與環(huán)氧樹(shù)脂反應(yīng)，提高其復(fù)合材料的界面性能；三、本發(fā)明節(jié)能，環(huán)保，處理方便。
文檔編號(hào)D06M14/18GK102720061SQ20121022002
公開(kāi)日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月29日
發(fā)明者張煥俠, 李煒 申請(qǐng)人:東華大學(xué)