CN103806281A

CN103806281A - 碳纤维表面接枝超支化聚甘油改善复合材料界面性能的方法

Info

Publication number: CN103806281A
Application number: CN201410071232.6A
Authority: CN
Inventors: 刘丽; 眭凯强; 张庆波; 刘迎迎; 谭磊
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2014-03-01
Filing date: 2014-03-01
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2034-03-01
Also published as: CN103806281B

Abstract

一种碳纤维表面接枝超支化聚甘油改善复合材料界面性能的方法，属于碳纤维表面改性领域。所述方法步骤如下：第一步将碳纤维酸氧化处理，第二步将氧化的碳纤维酰氯化处理，第三步将酰氯化处理的碳纤维接枝超支化聚甘油。由于超支化聚甘油具有大量的可反应性基团端羟基，当被接枝到碳纤维表面之后，碳纤维表面的极性可以大大增加，与树脂之间的浸润性提高，同时羟基可与环氧树脂之间反应，在界面形成化学键，这将大大增加复合材料的界面结合强度，改善复合材料的界面性能。

Description

碳纤维表面接枝超支化聚甘油改善复合材料界面性能的方法

技术领域

本发明属于碳纤维表面改性领域，涉及一种采用碳纤维表面接枝超支化聚甘油（HBPG）提高碳纤维复合材料界面性能的方法。

背景技术

碳纤维具有高比强度、高比模量、耐高温、抗腐蚀、抗蠕变性能好、导电、导热及热膨胀系数小等一系列优点，因而被广泛用于制备树脂基复合材料应用于航天航空、汽车和高档体育器材等一系列高精尖领域。但由于碳纤维表面光滑以及惰性，这导致碳纤维于基体之间界面结合性能不好，这降低了碳纤维复合材料的性能，所以在应用碳纤维制备复合材料之前应该对碳纤维表面改性提高复合材料界面性能。

当前对碳纤维的表面改性技术主要有等离子处理、化学接枝、氧化处理以及表面涂层法等，但是上述方法在碳纤维表面的增加的官能团比较少，对复合材料界面性能提高有限。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种碳纤维表面接枝超支化聚甘油改善复合材料界面性能的方法，即通过在碳纤维氧化处理之后接枝超支化聚甘油。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

第一步、碳纤维的氧化处理：

将碳纤维放入浓硫酸与浓硝酸的混酸溶液中进行氧化处理，接着将氧化处理的碳纤维采用蒸馏水抽提洗涤至中性，烘干；

本步骤中，所述混酸溶液中浓硫酸与浓硝酸的体积比为3:1；

本步骤中，所述氧化处理条件为：在60℃条件下氧化处理4h。

第二步、碳纤维的酰氯化处理：

将第一步得到的碳纤维在二氯亚砜溶液中进行酰氯化处理，接着将酰氯化处理的碳纤维烘干待用；

本步骤中，所述酰氯化处理条件为：76℃条件下酰氯化处理72h。

第三步、碳纤维接枝超支化聚甘油：

将第二步得到的碳纤维置于含有超支化聚甘油的N,N-二甲基甲酰胺溶液中进行接枝处理，接着对接枝处理的碳纤维采用丙酮抽提出来，烘干；

本步骤中，所述超支化聚甘油的质量浓度为0.5%；

本步骤中，所述接枝处理条件为：在100℃条件下接枝处理24h；

本步骤中，所述抽提时间为24h。

本发明中，所用原材料均为现有产品，例如超支化聚甘油由上海交大制得或购自于苏州海波特树脂科技有限公司。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：由于超支化聚甘油具有大量的可反应性基团端羟基，当被接枝到碳纤维表面之后，碳纤维表面的极性可以大大增加，与树脂之间的浸润性提高，同时羟基可与环氧树脂之间反应，在界面形成化学键，这将大大增加复合材料的界面结合强度，改善复合材料的界面性能。

附图说明

图1为碳纤维表面改性过程；

图2为改性前碳纤维SEM表面形貌；

图3为改性后碳纤维SEM表面形貌；

图4为碳纤维处理前后TG是失重图；

图5为处理碳纤维处理前后复合材料界面性能。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明提供了一种通过在碳纤维表面接枝超支化聚甘油的改善碳纤维复合材料界面性能的方法，其改性过程如图1所示，具体步骤如下：

第一步、碳纤维的氧化处理：

配置体积比为浓硫酸：浓硝酸=3:1的混酸溶液，将碳纤维放入混酸溶液中在60℃条件下氧化处理4h，接着将氧化处理的碳纤维采用蒸馏水抽提洗涤至中性，烘干；

第二步、碳纤维的酰氯化处理：

将第一步得到的碳纤维在二氯亚砜溶液中76℃条件下酰氯化处理72h，接着将酰氯化处理的碳纤维烘干待用；

第三步、碳纤维接枝超支化聚甘油：

配置质量浓度为0.5%的超支化聚甘油的N,N-二甲基甲酰胺溶液，将第二步得到的碳纤维置于超支化聚甘油溶液中，在100℃条件下接枝处理24h，接着对接枝处理的碳纤维采用丙酮抽提出来，抽提时间为24h，烘干。

图2和图3两张照片分别是碳纤维经超支化聚甘油处理前后的SEM图片。从图可以看出，经过表面处理之后，碳纤维表面有明显的白色附着物，这说明超支化聚甘油已经被成功接枝到碳纤维表面。

图4为接枝前后的碳纤维在氮气氛围下的热失重图，从图中可以看出，未经接枝的碳纤维失重率为1.50%，接枝处理后碳纤维失重率为10.08%，这表明碳纤维表面的超支化聚甘油接枝率为8.58%。

表1、表2为碳纤维XPS表征结果。表1为碳纤维表面处理前后表面元素含量，从表可以看出碳纤维表面处理后，其表面碳元素含量从84.82%下降到73.01%，氧元素含量从13.3%增加到24.2%，O/C从0.1568增加到0.3315。表2为碳纤维表面碳元素的化学键含量，处理后，C-C、C-O、C=O和

分别由70.3%、24.7%、2.7%、2.3%变为59.5%、33.6%、4.4%、2.5%。从表1、表2可以知道经过表面处理之后碳纤维表面的含氧极性官能团数目大大增加，这将有利于改善复合材料的界面性能。

表3为碳纤维处理前后碳纤维前进角和表面能表征结果，从表3可以看出经过接枝处理之后，碳纤维的表面能从18.54 mJ.m^-2-增加到23.95 mJ.m^-2-，可以看出经过表面处理之后，碳纤维的表面能有了较大幅度提高，这将有利于碳纤维于基体之间浸润性的提高，有利于提高复合材料的界面性能。

图5为复合材料界面性能表征结果，改性前后，碳纤维复合材料的界面剪切强度和层间剪强度分别从59.86MPa和57.57MPa增加到110.16MPa和105.29MPa，增长幅度分别为84.03% 和82.89%，可以看出改性后复合材料界面性能改善明显。

表1碳纤维处理前后表面元素含量表

表2碳纤维处理前后表面碳元素化学键含量表

表3碳纤维处理前后前进角及表面能表

Figure 2014100712326100002DEST_PATH_IMAGE008

Claims

1.碳纤维表面接枝超支化聚甘油改善复合材料界面性能的方法，其特征在于所述方法步骤如下：

第一步、碳纤维的氧化处理：

第二步、碳纤维的酰氯化处理：

第三步、碳纤维接枝超支化聚甘油：

将第二步得到的碳纤维置于含有超支化聚甘油的N,N-二甲基甲酰胺溶液中进行接枝处理，接着对接枝处理的碳纤维采用丙酮抽提出来，烘干。

2.根据权利要求1所述的碳纤维表面接枝超支化聚甘油改善复合材料界面性能的方法，其特征在于所述混酸溶液中浓硫酸与浓硝酸的体积比为3:1。

3.根据权利要求1所述的碳纤维表面接枝超支化聚甘油改善复合材料界面性能的方法，其特征在于所述氧化处理条件为：在60℃条件下氧化处理4h。

4.根据权利要求1所述的碳纤维表面接枝超支化聚甘油改善复合材料界面性能的方法，其特征在于所述酰氯化处理条件为：76℃条件下酰氯化处理72h。

5.根据权利要求1所述的碳纤维表面接枝超支化聚甘油改善复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，超支化聚甘油的质量浓度为0.5%。

6.根据权利要求1所述的碳纤维表面接枝超支化聚甘油改善复合材料界面性能的方法，其特征在于所述接枝处理条件为：在100℃条件下接枝处理24h。

7.根据权利要求1所述的碳纤维表面接枝超支化聚甘油改善复合材料界面性能的方法，其特征在于所述抽提时间为24h。