[发明专利]一种碳纳米管负载碳纤维的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纳米管改性碳纤维的方法，属于无机粉体材料表面处理技术领域。

 

背景技术

碳纤维具有重量轻、纤度好、抗拉强度高、耐高温、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小等突出优点。它的密度不到钢的1/4，但抗拉强度却是钢的7~9倍，抗拉弹性模量也高于钢。由于其优异的性能，使其在航空、航天、汽车、运动、发电等许多高新技术领域得到了越来越广泛的应用。但是，未经处理的碳纤维因其表面光滑，且呈惰性，使其与树脂的界面结合力较弱，难以充分发挥碳纤维的增强作用。因此，制备复合材料前，通常要对碳纤维进行表面处理，以改善基与基体的界面粘结性能，从而有效的提高复合材料的界面力学性能。常用的碳纤维改性方法主要有化学气相沉积法、化学氧化法、涂层法和等离子处理法等，但传统碳纤维表面改性方法对工艺条件、技术设备要求苛刻，工艺时间长，成本高等缺陷。氧化碳纳米管具有良好的力学性能，分散性好，且表面含有大量的活性基团，但通过自组装作用，将其包覆于碳纤维表面却鲜有报道。

 

发明内容

本发明的目的是为了通过简单方法解决碳纤维表面光滑的问题，改变其表面惰性。将碳纳米管负载于碳纤维表面，可以同时增加碳纤维表面粗糙度和活性基团量，从而提高碳纤维与聚合物基体材料的界面结合性能，达到碳纤维增强复合材料的目的。

碳纳米管负载表面改性碳纤维的制备方法，按照下述步骤进行：

（1）碳纳米管的氧化处理

将多壁碳纳米管加入体积比为1：0~1：3的浓硝酸与浓硫酸的混合酸溶液中，置于20~50℃超声处理0.5~3h，再将分散后的碳纳米管酸液在50~90℃水浴中搅拌反应1~12h，反应结束后冷却至室温，抽滤，用去离子水洗涤直至中性，得到氧化处理碳纳米管；

（2）碳纳米管表面接枝处理

将氧化处理的碳纳米管以及占碳纳米管质量为1%~10%的3-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂加入到乙醇溶液中，在30~80℃下搅拌处理1~12h，抽滤，80~120℃下真空烘箱中干燥1~6h,得到接枝处理碳纳米管；

（3）碳纤维的氧化处理

将丙酮室温浸泡24h的的碳纤维加入到浓硝酸中，其中碳纤维与到浓硝酸的质量与体积比为1:10~1:100比例，在70℃~110℃油浴加热处理1~12h；反应结束后，静置至室温，过滤，用蒸馏水反复抽滤洗涤至中性，60~100℃下真空烘箱中干燥2~6h，得到氧化处理碳纤维。

（4）碳纳米管负载碳纤维处理

将碳纤维和占碳纤维质量的5%~50%碳纳米管加入到丙酮溶液中进行超声分散，滴加碱液至溶液为透明，取出碳纳米管负载碳纤维，60℃~100℃下真空烘箱干燥处理2~6h，得到碳纳米管负载碳纤维。

其中步骤（1）中多壁碳纳米管与强氧化性酸溶液的质量与体积比为1:10~1:100。

其中步骤（2）中3-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂用量占氧化处理的碳纳米管与质量的1%~10%。

其中步骤（3）中将表面去除上浆剂的碳纤维与强氧化性酸的质量与体积比为1:10~1:100。

其中步骤（4）中碳纳米管与碳纤维的质量为1:20~1:2。

其中步骤（4）中碱液为NaOH、KOH或Ca(OH)2溶液。

本发明通过简单的方法克服了现有碳纳米管-碳纤维增强材料制备中技术设备复杂、成本高和难以工业化生产等缺点。通的氧化碳纳米管在碳纤维表面均匀负载，一方面可以大大提高碳纤维表面的粗糙度，从而通过铆定作用提高碳纤维复合材料的界面强度，另一方面，氧化碳纳米管表面含有大量活性基团，可通过化学键作用提高复合材料的界面结合效果，在两方面共同作用下，提高复合的力学性能。当碳纤维含量仅为1.5%时，经过氧化碳纳米管负载后制备得到的碳纤维/环氧树脂复合材料的拉伸强度和拉伸模量分别增加了17.4%和40.8%。

 

附图说明

图1为实验一制备的经过氧化处理碳纤维SEM表面形貌图，

图2为实验一制备的表面负载碳纳米管的碳纤维SEM表面形貌图。

具体实施方式

实施例1

碳纳米管负载碳纤维的方法按以下步骤进行：

一 碳纳米管的氧化处理

将2g多壁碳纳米管加入200ml混酸（浓硝酸和浓硫酸体积比为1：3）溶液中，置于20℃超声处理1h,再将分散后的碳纳米管酸液在50℃水浴中搅拌反应4h，反应结束后冷却至室温，进行抽滤，用去离子水洗涤直至中性，得到氧化处理的碳纳米管。