碳纖維表面接枝超支化聚甘油改善復(fù)合材料界面性能的方法
【專利摘要】一種碳纖維表面接枝超支化聚甘油改善復(fù)合材料界面性能的方法，屬于碳纖維表面改性領(lǐng)域。所述方法步驟如下：第一步將碳纖維酸氧化處理，第二步將氧化的碳纖維酰氯化處理，第三步將酰氯化處理的碳纖維接枝超支化聚甘油。由于超支化聚甘油具有大量的可反應(yīng)性基團端羥基，當被接枝到碳纖維表面之后，碳纖維表面的極性可以大大增加，與樹脂之間的浸潤性提高，同時羥基可與環(huán)氧樹脂之間反應(yīng)，在界面形成化學(xué)鍵，這將大大增加復(fù)合材料的界面結(jié)合強度，改善復(fù)合材料的界面性能。
【專利說明】碳纖維表面接枝超支化聚甘油改善復(fù)合材料界面性能的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于碳纖維表面改性領(lǐng)域，涉及一種采用碳纖維表面接枝超支化聚甘油(HBPG)提高碳纖維復(fù)合材料界面性能的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]碳纖維具有高比強度、高比模量、耐高溫、抗腐蝕、抗蠕變性能好、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及熱膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)點，因而被廣泛用于制備樹脂基復(fù)合材料應(yīng)用于航天航空、汽車和高檔體育器材等一系列高精尖領(lǐng)域。但由于碳纖維表面光滑以及惰性，這導(dǎo)致碳纖維于基體之間界面結(jié)合性能不好，這降低了碳纖維復(fù)合材料的性能，所以在應(yīng)用碳纖維制備復(fù)合材料之前應(yīng)該對碳纖維表面改性提高復(fù)合材料界面性能。
[0003]當前對碳纖維的表面改性技術(shù)主要有等離子處理、化學(xué)接枝、氧化處理以及表面涂層法等，但是上述方法在碳纖維表面的增加的官能團比較少，對復(fù)合材料界面性能提高有限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種碳纖維表面接枝超支化聚甘油改善復(fù)合材料界面性能的方法，即通過在碳纖維氧化處理之后接枝超支化聚甘油。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
第一步、碳纖維的氧化處理:
將碳纖維放入濃硫酸與濃硝酸的混酸溶液中進行氧化處理，接著將氧化處理的碳纖維采用蒸餾水抽提洗滌至中性，烘干；
本步驟中，所述混酸溶液中濃硫酸與濃硝酸的體積比為3:1 ;
本步驟中，所述氧化處理條件為:在60°C條件下氧化處理4h。
[0006]第二步、碳纖維的酰氯化處理:
將第一步得到的碳纖維在二氯亞砜溶液中進行酰氯化處理，接著將酰氯化處理的碳纖維烘干待用；
本步驟中，所述酰氯化處理條件為:76°C條件下酰氯化處理72h。
[0007]第三步、碳纖維接枝超支化聚甘油:
將第二步得到的碳纖維置于含有超支化聚甘油的N，N-二甲基甲酰胺溶液中進行接枝處理，接著對接枝處理的碳纖維采用丙酮抽提出來，烘干；
本步驟中，所述超支化聚甘油的質(zhì)量濃度為0.5% ；
本步驟中，所述接枝處理條件為:在100°C條件下接枝處理24h ；
本步驟中，所述抽提時間為24h。
[0008]本發(fā)明中，所用原材料均為現(xiàn)有產(chǎn)品，例如超支化聚甘油由上海交大制得或購自于蘇州海波特樹脂科技有限公司。[0009]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:由于超支化聚甘油具有大量的可反應(yīng)性基團端羥基，當被接枝到碳纖維表面之后，碳纖維表面的極性可以大大增加，與樹脂之間的浸潤性提高，同時羥基可與環(huán)氧樹脂之間反應(yīng)，在界面形成化學(xué)鍵，這將大大增加復(fù)合材料的界面結(jié)合強度，改善復(fù)合材料的界面性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為碳纖維表面改性過程；
圖2為改性前碳纖維SEM表面形貌；
圖3為改性后碳纖維SEM表面形貌；
圖4為碳纖維處理前后TG是失重圖；
圖5為處理碳纖維處理前后復(fù)合材料界面性能。
【具體實施方式】
[0011]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本發(fā)明技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍中。
[0012]本發(fā)明提供了一種通過在碳纖維表面接枝超支化聚甘油的改善碳纖維復(fù)合材料界面性能的方法，其改性過程如圖1所示，具體步驟如下:
第一步、碳纖維的氧化處理:
配置體積比為濃硫酸:濃硝酸=3:1的混酸溶液，將碳纖維放入混酸溶液中在60°C條件下氧化處理4h，接著將氧化處理的碳纖維采用蒸餾水抽提洗滌至中性，烘干；
第二步、碳纖維的酰氯化處理:
將第一步得到的碳纖維在二氯亞砜溶液中76°C條件下酰氯化處理72h，接著將酰氯化處理的碳纖維烘干待用；
第三步、碳纖維接枝超支化聚甘油:
配置質(zhì)量濃度為0.5%的超支化聚甘油的N，N- 二甲基甲酰胺溶液，將第二步得到的碳纖維置于超支化聚甘油溶液中，在100°C條件下接枝處理24h，接著對接枝處理的碳纖維采用丙酮抽提出來，抽提時間為24h，烘干。
[0013]圖2和圖3兩張照片分別是碳纖維經(jīng)超支化聚甘油處理前后的SEM圖片。從圖可以看出，經(jīng)過表面處理之后，碳纖維表面有明顯的白色附著物，這說明超支化聚甘油已經(jīng)被成功接枝到碳纖維表面。
[0014]圖4為接枝前后的碳纖維在氮氣氛圍下的熱失重圖，從圖中可以看出，未經(jīng)接枝的碳纖維失重率為1.50%，接枝處理后碳纖維失重率為10.08%，這表明碳纖維表面的超支化聚甘油接枝率為8.58%。
[0015]表1、表2為碳纖維XPS表征結(jié)果。表I為碳纖維表面處理前后表面兀素含量,從表可以看出碳纖維表面處理后，其表面碳元素含量從84.82%下降到73.01%，氧元素含量從13.3%增加到24.2%，0/C從0.1568增加到0.3315。表2為碳纖維表面碳元素的化學(xué)鍵含
量，處理后，c-c、C-ο、C=O 和分
別由 70.3%,24.7%、2.7%、2.3%變?yōu)?59.5%,33.6%、4.4%、2.5%。從表 1、表 2 可以知道經(jīng)過表面處理之后碳纖維表面的含氧極性官能團數(shù)目大大增加，這將有利于改善復(fù)合材料的界面性能。
[0016]表3為碳纖維處理前后碳纖維前進角和表面能表征結(jié)果，從表3可以看出經(jīng)過接枝處理之后，碳纖維的表面能從18.54 !^.!11_2_增加到23.95 mj.m_2_，可以看出經(jīng)過表面處理之后，碳纖維的表面能有了較大幅度提高，這將有利于碳纖維于基體之間浸潤性的提高，有利于提聞復(fù)合材料的界面性能。
[0017]圖5為復(fù)合材料界面性能表征結(jié)果，改性前后，碳纖維復(fù)合材料的界面剪切強度和層間剪強度分別從59.86MPa和57.57MPa增加到110.16MPa和105.29MPa，增長幅度分別為84.03%和82.89%，可以看出改性后復(fù)合材料界面性能改善明顯。
[0018]表1碳纖維處理前后表面兀素含量表
【權(quán)利要求】
1.碳纖維表面接枝超支化聚甘油改善復(fù)合材料界面性能的方法，其特征在于所述方法步驟如下: 第一步、碳纖維的氧化處理: 將碳纖維放入濃硫酸與濃硝酸的混酸溶液中進行氧化處理，接著將氧化處理的碳纖維采用蒸餾水抽提洗滌至中性，烘干； 第二步、碳纖維的酰氯化處理: 將第一步得到的碳纖維在二氯亞砜溶液中進行酰氯化處理，接著將酰氯化處理的碳纖維烘干待用； 第三步、碳纖維接枝超支化聚甘油: 將第二步得到的碳纖維置于含有超支化聚甘油的N，N- 二甲基甲酰胺溶液中進行接枝處理，接著對接枝處理的碳纖維采用丙酮抽提出來，烘干。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維表面接枝超支化聚甘油改善復(fù)合材料界面性能的方法，其特征在于所述混酸溶液中濃硫酸與濃硝酸的體積比為3:1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維表面接枝超支化聚甘油改善復(fù)合材料界面性能的方法，其特征在于所述氧化處理條件為:在60°C條件下氧化處理4h。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維表面接枝超支化聚甘油改善復(fù)合材料界面性能的方法，其特征在于所述酰氯化處理條件為:76°C條件下酰氯化處理72h。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維表面接枝超支化聚甘油改善復(fù)合材料界面性能的方法，其特征在于所述含有超支化聚甘油的N，N-二甲基甲酰胺溶液中，超支化聚甘油的質(zhì)量濃度為0.5%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維表面接枝超支化聚甘油改善復(fù)合材料界面性能的方法，其特征在于所述接枝處理條件為:在100°C條件下接枝處理24h。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維表面接枝超支化聚甘油改善復(fù)合材料界面性能的方法，其特征在于所述抽提時間為24h。
【文檔編號】D06M11/64GK103806281SQ201410071232
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年3月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月1日
【發(fā)明者】劉麗, 眭凱強, 張慶波, 劉迎迎, 譚磊 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)