[发明专利]一种碳纤维表面的修饰方法

说明书

技术领域

      本发明涉及一种用于碳纤维表面处理的方法。 

背景技术

    碳纤维具有高比强度、高比模量、低密度、耐高温、耐疲劳、抗蠕变、易导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能，广泛应用于碳纤维增强树脂基复合材料。但碳纤维表面由乱层石墨结构组成，呈化学惰性，导致碳纤维增强树脂基复合材料中碳纤维与树脂基体之间的界面粘合力较弱。对碳纤维进行表面处理可以较好解决表面惰性问题。但是，碳纤维的表面处理尽管能在一定程度上提高碳纤维的表面化学活性，但缺由于表面氧化刻蚀造成碳纤维力学性能的明显下降。如能开发一种新型的基本不降低碳纤维力学性能的表面修饰处理方法，将可进一步大大提高碳纤维增强树脂基复合材料的力学性能。

    传统的碳纤维表面处理方法主要有气相氧化、液相氧化和电解氧化三类。气相氧化法是将碳纤维暴露在气相氧化剂（如空气、二氧化碳、臭氧等）中，在加温、加催化剂等特殊条件下使其表面氧化形成一些含氧活性基团；液相氧化法是采用液相介质对碳纤维表面进行氧化的方法，常用的液相介质有浓硝酸、浓硫酸、高锰酸钾等强氧化剂；电化学氧化法是将碳纤维作为阳极置于电解质溶液中，通过产生的活性氧来进行氧化反应而导入极性基团。所有这些氧化处理方法都是减量处理，即碳纤维在氧化刻蚀作用下，被剥离、粗化，进而导致碳纤维力学性能下降。表面涂层是近年来发展起来的避免碳纤维被过度氧化的一种新型的表面处理方法，主要是通过物理或化学的方法在碳纤维表面形成一层于纤维和树脂热膨胀系数匹配性好、既能润湿碳纤维有能润湿树脂基体，从而达到改善碳纤维/树脂界面性能的目的。氧化石墨烯被认为是一种有潜在应用价值的涂层剂，氧化石墨烯表面含有大量的含氧官能团、水溶性好、层片延展性好，在水中能很好的分散开来，极易成膜。CN201110102007中通过浸渍法在碳纤维表面涂敷了石墨烯或氧化石墨烯等，碳纤维复合材料的界面剪切强度（IFSS）和纤维复合材料层间剪切强度（ILSS）有所提高。但由于碳纤维与石墨烯或氧化石墨烯之间通过范德华力等物理作用力结合，因而在复合材料受力时容易脱落，导致复合材料中界面粘合性能难以有效提高。宋英等利用“Grafting-to”化学修饰法制备氧化石墨烯接枝国产碳纤维新型增强体，利用红外光谱、X 射线光电子能谱和原子力显微镜对样品的官能团和表面形貌进行表征；利用接触角测量、单丝拉伸方法研究了接枝前后纤维单丝的润湿性能及拉伸强度，并通过微脱粘法分析了其复合材料的界面剪切强度。结果表明氧化石墨烯的接枝修饰使国产碳纤维表面粗糙度提高了166%，表面能提高了46.3%，拉伸强度提高了7.8%，复合材料的界面剪切强度提高了111.7%（刘秀影，宋英，李存梅，王福平. 氧化石墨烯接枝碳纤维新型增强体的制备与表征. 无机材料学报 2007；27：2128-2132）。但这种方法的缺点在于工艺路线太长、使用试剂如丙酮、浓硝酸等环境不友好，难以推广到工业化生产领域。

鉴于氧化石墨烯良好的成膜性和水溶性，如能将氧化石墨烯通过电泳等电化学方法均匀涂覆到碳纤维表面，并施以特定的方法加强碳纤维与氧化石墨烯之间的相互作用力，将可在碳纤维表面直接引入丰富的含氧官能团，增强碳纤维与树脂之间的界面粘合性能，对碳纤维增强树脂基复合材料工业的发展具有重要意义。

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、无污染,可工业化的碳纤维表面处理方法。

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表面处理，使碳纤维表面均匀涂敷氧化石墨烯，同时利用适度热处理方法增强碳纤维与氧化石墨烯之间的相互作用力，该方法可在保持碳纤维表面基本完整的前提下提高碳纤维表面的含氧官能团含量。

本发明的碳纤维表面涂层石墨烯的方法是通过以下步骤实现的：

(1) 按浓度为0.01克/升-2克/升，将氧化石墨烯溶于水中，再用碱将水溶液的pH值调整到8.0-13.0，采用机械搅拌速率为20转/分钟-300转/分钟，机械搅拌的时间为1小时-60小时，或采用功率范围是30瓦特-300瓦特的超声波进行分散10分钟-10小时，得到氧化石墨烯水溶液；

(2) 将氧化石墨烯水溶液置于电解槽中，温度控制在20℃-80℃之间，以碳纤维作为电极的阳极材料，导电金属或石墨材料作为阴极材料，采用恒电位法或恒电流法对碳纤维电极施加电压或者电流；