[发明专利]一种对碳纤维进行表面改性的方法

说明书

技术领域

本发明属于表面改性技术领域，涉及一种对碳纤维进行表面改性的方法，其核心是使用含儿茶酚结构的物质作为表面改性剂，在一定条件下包覆于碳纤维表面，进而改变碳纤维表面特性的方法。使用含儿茶酚结构的物质进行表面改性后，还可根据需要进一步利用其它化学物质进一步对碳纤维进行表面改性。该改性方法的特点操作简便、效果显著，且通过简单的操作便能针对特定基体进行有效改性，在碳纤维复合材料等领域具有广阔的应用前景。

背景技术

碳纤维作为一种高性能的纤维，其优异性能主要表现为：比强度、比模量高的力学性能；抗疲劳、蠕变；耐高温；热膨胀系数小的热力学性能；耐腐蚀的化学性能；良好导电性的电性能等；这些优越性能是其它材料不能比拟的。碳纤维既作为结构材料承载负荷，又可作为功能材料发挥作用，因此，在很多领域得到广泛应用。

碳纤维既可以单独使用，也可以作为增强体，以复合材料作为主要应用形式，是先进复合材料理想的增强体之一。在复合材料中加入碳纤维，可以大大提高产品强度、减轻结构质量、延长使用寿命和增加安全可靠性。碳纤维复合材料被广泛应用于航空航天飞行器、风力发电设备、汽车结构件及文体器材如滑雪板、球拍等。

众所周知，复合材料是一种多相材料，一般有两种或两种以上的组分，且其不同组元之间有着明显界面的材料。在纤维增强基体复合材料中，影响材料力学性能的主要有三种因素：纤维、基体、纤维和基体之间的界面。其中，界面指跟基体有着明显区别，具有一定的厚度，增强体与基体相接触的一个新相。界面是连接基体与增强体之间的纽带，也是传递外加载荷及其他信息的桥梁，其结构直接影响材料松弛应力的能力及损伤破坏的方式，对复合材料的强度、刚性、韧性等力学性能有举足轻重的影响。

然而，碳纤维表面是无极性、高惰性、高结晶的石墨片层结构，导致其与绝大部分聚合物基体的润湿性和相容性较差，不能形成有效的界面粘结，直接对复合材料的各项性能造成影响。为了提高碳纤维与基体的界面粘结性，往往需要对碳纤维进行表面处理。

目前，碳纤维的表面处理方法主要有：氧化处理、等离子体处理、化学接枝处理、上浆处理等。但这些传统的表面处理方法具有明显的优缺点。比如化学处理方法，能增加碳纤维表面的活性基团，从而增强与基体的相互作用；但却往往会对碳纤维造成损伤，降低其强度。物理上浆方法，能防止碳纤维在运输、加工过程发生起毛开叉，对其力学性能无影响，甚至会有所提高；但是，上浆法往往无法使碳纤维形成与基体强的化学相互作用。因此，通过一种高效简单的碳纤维表面改性方法，既能保留其本身强度，又能增加其表面活性，对制备碳纤维复合材料和碳纤维功能材料都具有重要的意义。

发明内容

本发明涉及一种高效的碳纤维改性方法，其核心是使用含儿茶酚结构的物质作为表面改性剂，在一定条件下包覆于碳纤维表面，进而改变碳纤维表面特性的方法。使用含儿茶酚结构的物质进行表面改性后，还可根据需要进一步利用其它化学物质进一步对碳纤维进行表面改性。

本发明中的含儿茶酚结构的改性剂，可以是多巴胺的盐酸盐，也可以是其他具有邻二酚结构的儿茶酚小分子衍生物，如肾上腺素、绿原酸等。儿茶酚结构在碱性条件下(或者加热条件)被空气中的氧气氧化成醌式结构，同时，苯环结构形成自由基，并发生自聚，包覆在碳纤维表面。一般是将碳纤维置于含儿茶酚类物质(可以是单独一种，也可以是多种含儿茶酚类物质的混合物)的溶液中，在任何能使含儿茶酚类物质发生聚合的条件下，使之发生聚合反应包覆在碳纤维表面，从而改变碳纤维的表面性能。由于含儿茶酚类物质聚合后通常为亲水性，因此，通过含儿茶酚类物质改性可使碳纤维表面亲水性提高。

儿茶酚结构在碱性条件下被氧化成醌式结构，容易同氨基或巯基发生麦克尔加成或席夫碱反应，因此，沉积包覆地碳纤维表面的儿茶酚类聚合物可以与十八胺、聚乙烯亚胺等带有氨基的化合物以及十二烷基硫醇等带有巯基的化合物反应，进一步改变碳纤维的表面性能。即可以在利用含儿茶酚类物质改性的基础上，以上述包覆在碳纤维表面聚含儿茶酚类物质为平台，利用其它化学物质进一步进行改性。如碳纤维用含儿茶酚类物质改性后，进一步与含长脂肪链的有机胺、有机硫醇等反应，可以使碳纤维表面呈现亲油性，也可以通过引入特定功能的基团或物质，赋予碳纤维各种特殊功能，抗菌、发光等。