[发明专利]碳纤维表面的电化学改性处理方法

说明书

技术领域

本发明属于碳纤维的表面处理领域，具体涉及一种碳纤维的电化学改性处理方法。

背景技术

自从1991年，Iijima报道发现碳纳米管以来，碳纳米管是纳米功能材料领域研究的热点。碳纳米管因其独特的结构、电学、光学、磁学性能和机械性能在许多领域具有广泛的应用前景。目前，将碳纳米管与传统的碳纤维材料相结合，可在保持传统碳纤维优异力学性能的同时，赋予其新的力学、光学、电学等性能，已成为目前国内外研究的热点。赵建国等人报道了利用热气相增长的方法在碳纤维表面生长碳纳米管的方法(“Growth of carbon nanotubes on thesurface of carbon fibers”，Carbon，Vol 46，365-389)。由于该方法需要使用高温和金属催化剂，导致碳纤维的力学性能显著下降，且工艺过程复杂，不易实现工业化。Thostenson等利用电泳沉积的方法在经环氧树脂上浆后的碳纤维表面沉积碳纳米管(”Carbon nanotube/carbon fiber hybrid multiscalecomposites”.J Appl Phys 2002；91：6034-7)。该方法要求碳纤维表面必须用环氧树脂上浆才可实现碳纳米管沉积，且沉积过程难以控制(例如，由于空间位置效应引起的沉积不均匀难以有效避免)，同样难以实现工业化。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种简单实用、可工业化的碳纤维表面的电化学改性处理方法。

本发明是利用电化学方法施加一电压，或者通入一定强度的电流对碳纤维材料进行改性处理，使碳纤维表面接枝羧基修饰后的碳纳米管，能在保持碳纤维自身的拉伸强度的同时实现碳纤维表面有效接枝碳纳米管。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

(1)碳纳米管的修饰：将碳纳米管采用硝酸、硫酸化学氧化方法或电化学方法进行修饰，具体地修饰方法见Ziegler KJ，Gu Z，Peng H，Flor EL，HaugeRH，Smalley RE.Controlled oxidative cutting of single-walled carbonnanotubes.J Am Chem Soc 2005，127(5)：1541-1547；Bahr JL，Yang J，Kosynkin DV，Bronikowski MJ，Smalley RE，Tour JM.Functionalization ofcarbon nanotubes by electrochemical reduction of aryl diazonium salts：a bucky paper electrode.J Am Chem Soc 2001，123(27)：6536-6542；

(2)将修饰后的碳纳米管溶于乙醇、乙腈、二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亚砜(DMSO)、四氢呋喃、啡啉、四氯化碳、啡啉、石油醚、丙酮、氯仿或水中，采用超声波或搅拌形成均匀分散的乳液或悬浊液，最好选择超声波分散方式，制备成含碳纳米管的浓度范围为0.01-10mg/mL的电解质溶液，最好是0.1-5mg/mL；浓度低于0.01mg/mL时，改性效果不佳；浓度高于10mg/mL时，碳纤维表面的改性难以有效控制；

当电解质溶液为水溶液时，水溶液的PH值应用碱溶液进行调整，电解质溶液的PH值应控制在6.0-12.0范围内，最好控制在6.5-10.0之间。PH值低于6.0时，改性效果不佳；PH值高于12.0时，碳纤维表面的碳纳米管接枝密度降低。

(3)在含碳纳米管电解质溶液中，以碳纤维作为阳极电极，导电金属或石墨材料作为阴极电极，电解质溶液温度控制在20-80℃之间，采用电化学方法对碳纤维电极施加电压或者电流，然后进行清洗并干燥。

所述含碳纳米管电解质溶液的温度最好控制在30-60℃之间。温度低于20℃时，改性效果不佳；温度高于80℃时，碳纤维表面的碳纳米管密改性难以有效控制。

所述的步骤(3)电化学方法为在两电极中，采用电化学仪器控制碳纤维电极上的电压和电流输出，包括恒电位法、循环伏安法或恒电流法。

所述的对碳纤维电极施加电压为0.5-10V恒电压，处理3分钟-3小时；或者施加电流为0.5-30mA，恒电流处理3分钟-3小时；或者采用循环伏安法使电压在0.3-5V之间，使用不同扫描速率处理碳纤维。

所述的步骤(3)的清洗和干燥是可先清洗后干燥，也可先干燥后清洗再干燥。

所述的碳纳米管可以是单壁、多壁碳纳米管或其混合物。