一種碳纖維增強體及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及碳纖維材料技術領域，尤其涉及一種對表面改性的碳纖維及其制備方法。
【背景技術】
[0002]碳纖維材料是由碳原子組成的超細纖維組成，其纖維直徑從I納米到100微米不等，其碳原子構成的碳原子層高度一致取向平行于碳纖維軸向方向。含有或部分含有碳纖維材料具有很高的強度且質量更輕。
[0003]碳纖維的應用必須要與樹脂組成復合材料才能有效發(fā)揮其性能，這兩種物質的物理化學性質完全不同。而纖維增強樹脂基復合材料的界面是碳纖維與樹脂之間的橋梁，是樹脂基復合材料的重要組成部分，界面粘接的好壞直接影響著層間剪切、斷裂、抗沖擊等性能。然而，對于樹脂基復合材料而言，由于界面上缺少化學鍵使得界面成為復合材料薄弱的環(huán)節(jié)。

【發(fā)明內容】

[0004]有鑒于此，確有必要提供一種碳纖維增強體及其制備方法，所述碳纖維增強體中碳纖維的表面帶有官能團。
[0005]本發(fā)明提供一種碳纖維增強體的制備方法，其包括以下步驟:
[0006]⑴提供一碳纖維，對所述碳纖維的表面進行氧化處理；
[0007]⑵將該處理后的碳纖維與硅烷、耦合劑混合并反應，得到帶有硅醇基團的碳纖維；以及
[0008]⑶將所述帶有硅醇基團的碳纖維加入氧化石墨烯混合液中，使氧化石墨烯接枝于所述帶有硅醇基團的碳纖維的表面，得到碳纖維增強體。
[0009]本發(fā)明還提供一種采用上述制備方法得到的碳纖維增強體，其包括氧化石墨烯和碳纖維，所述氧化石墨烯接枝于碳纖維，所述碳纖維的表面帶有硅醇基團。
[0010]與現有技術相比較，本發(fā)明提供的碳纖維增強體及其制備方法具有以下優(yōu)點:
[0011]第一，通過硅烷、耦合劑與表面經過氧化處理的碳纖維進行反應，得到表面帶有硅醇基團的碳纖維，該碳纖維表面的硅醇基團具有較大的活性而可與樹脂表面的活性官能團在界面發(fā)生化學反應并形成化學鍵，該化學鍵可以顯著提高碳纖維和樹脂之間的粘結強度；
[0012]第二，由于氧化石墨烯的尺寸為納米級或微米級，在碳纖維的表面接枝氧化石墨烯，可增加表面積，使得該碳纖維增強體與樹脂之間的界面面積增大，大大增加界面的摩擦作用，從而顯著提高該碳纖維增強體和樹脂之間的粘結強度，而使該碳纖維增強體和樹脂形成的復合材料具有優(yōu)異的層間剪切、斷裂、抗沖擊等性能。
[0013]相對于現有的針對某種特定的環(huán)氧樹脂碳纖維增強材料來設計的碳纖維材料而言，本申請所述碳纖維增強體中的碳纖維表面帶有硅醇基團，并且在碳纖維的表面還接枝有氧化石墨烯，其具有優(yōu)異的上漿能力而可適用于與各種不同的樹脂(包括非環(huán)氧樹脂類)復合而得到性能優(yōu)異的復合材料。
[0014]本制備方法簡單易行，易于操作，適合產業(yè)化。得到的所述碳纖維增強體，可與各類樹脂復合，具有較好的應用前景。
【附圖說明】
[0015]圖1為碳纖維增強體的制備機理的示意圖(I代表碳纖維，2代表該碳纖維的表面)。
[0016]如下具體實施例將結合上述附圖進一步說明本發(fā)明。
【具體實施方式】
[0017]以下將對本發(fā)明提供的碳纖維增強體及其制備方法作進一步說明。
[0018]請參閱圖1，本發(fā)明提供一種碳纖維增強體的制備方法，其包括以下步驟:
[0019]SI，提供一碳纖維I，對所述碳纖維I的表面2進行氧化處理；
[0020]S2，將該處理后的碳纖維與硅烷、耦合劑混合并反應，得到帶有硅醇基團的碳纖維；以及
[0021]S3，將所述帶有硅醇基團的碳纖維加入石墨烯溶液中，使氧化石墨烯接枝于所述帶有硅醇基團的碳纖維的表面，得到碳纖維增強體。
[0022]在步驟SI中，對所述碳纖維的表面進行氧化處理，使碳纖維的表面帶有具有一定活性的官能團。所述官能團為羧基、羰基、羥基、胺基中的至少一個?？刹捎没瘜W法、電化學法以及等離子處理法中的至少一種方法對所述碳纖維I的表面2進行氧化。具體的，所述碳纖維的表面不飽和碳原子可被氧化成胺基、羧基、羰基以及羥基等，該類官能團具有一定活性或者含有活性氫的官能團而使后續(xù)的碳纖維進行硅烷化反應。所述碳纖維的表面所帶有的官能團的種類及數量取決于碳纖維氧化工藝選擇及具體工藝參數。其中羧基、胺基以及羥基含有活性氫而更利于后續(xù)的硅烷化反應。
[0023]所述采用化學法對所述碳纖維進行氧化具體為:將所述碳纖維置于有氧環(huán)境下氧化，或者將所述碳纖維置于硝酸的環(huán)境下加熱以對碳纖維的表面進行氧化。
[0024]所述采用電化學法對所述碳纖維進行氧化具體為:將所述碳纖維置于電解液中以對碳纖維的表面進行氧化。所述電解液中的電解質為KOH、H2SO4、HNO3、NaOH和銨鹽中的至少一種。
[0025]所述采用等離子處理法對所述碳纖維進行氧化具體為:采用硝酸和硫酸的混合液對所述碳纖維進行等離子處理以對碳纖維的表面進行氧化。其中硝酸和硫酸的混合液中H2SO4與HNO3的體積比為3:1 ο該反應溫度為室溫?100°C，反應時間為10秒?2天。
[0026]在步驟S2中，通過將處理后的碳纖維與硅烷、耦合劑進行硅烷化反應，而使硅醇基團引入到所述碳纖維的表面。硅烷化反應具體的為:硅烷含有異氰酸基，該異氰酸基與碳纖維表面的羧基等官能團發(fā)生縮合等一系列反應，最終使硅醇基團引入到所述碳纖維的表面。其中碳纖維表面官能團的種類及數量比取決于碳纖維氧化工藝選擇及具體工藝參數。
[0027]所述硅烷為(三甲氧基硅烷)丙基異氰酸酯、(三乙氧基硅烷)丙基異氰酸酯、(三乙氧基硅烷)丁酯異氰酸酯、(三乙氧基硅烷)異氰酸乙酯、(三乙氧基硅烷)異氰酸甲酯中的至少一種。
[0028]所所述耦合劑為氨基乙基硅烷、氨基丙基硅烷、甲基二甲氧基硅烷、三甲氧基硅燒、二乙氧基娃燒、乙稀基二甲氧基娃燒、氣基經基娃燒中的至少一種O
[0029]在步驟S3中，通過將氧化石墨烯接枝于碳纖維的表面，可使該碳纖維增強體的表面積，而利于與樹脂復合形成性能優(yōu)異的復合材料。
[0030]所述氧化石墨烯混合液為將氧化石墨烯分散于水和/或有機溶劑而得到的混合物。所述氧化石墨稀混合液中，氧化石墨稀的質量分數為0.0lwt%?5wt% O由于氧化石墨烯表面有大量的官能團，如羧基、羥基、環(huán)氧基，因而可容易的接枝于所述碳纖維的表面。
[0031]所述氧化石墨烯(簡寫為G0)為將石墨粉末經化學氧化及剝離后得到的產物。所述氧化石墨烯也可為市售的氧化石墨烯。所述氧化石墨烯可為微納米級的二維材料。所述的氧化石墨烯可為單層石墨烯、多層石墨烯或者