[发明专利]一种基于氧化石墨烯的碳纤维表面处理剂及其处理方法

说明书

一种基于氧化石墨烯的碳纤维表面处理剂及其处理方法，涉及碳纤维的表面处理。基于氧化石墨烯的碳纤维表面处理剂按质量比的组成为环氧树脂100、丙酮50～200、氧化石墨烯0.05～5。以碳纤维为原料，经过含有特定氧官能团含量和分散层数的氧化石墨烯的溶液型碳纤维表面处理剂二次上浆制得。在碳纤维原有上浆处理基础上，通过对碳纤维的表面进行类似二次上浆的表面处理方法，使碳纤维表面形成一层氧化石墨烯/环氧树脂处理剂层，达到增强碳纤维与树脂基体之间的界面粘结性能的目的，从而得到一种操作方便、设备简单、适合工业化生产的碳纤维表面处理方法与碳纤维及其制品。

技术领域

本发明涉及碳纤维的表面处理，尤其是涉及一种基于氧化石墨烯的碳纤维表面处理剂及其处理方法。

背景技术

碳纤维增强树脂基复合材料具有突出的轻质、高比强、高比刚及优异的疲劳强度、环境稳定性能，并拥有全新的整体设计、整体制造等技术优势等，备受国内外航空航天工业以及民用领域的青睐。然而由于碳纤维本身结构的原因，碳纤维的表面活性很低，与树脂基体之间形成的界面粘接较弱，这影响了碳纤维树脂基复合材料的整体力学性能，尤其是材料的层间韧性、横向拉伸性能和湿热性能。碳纤维在经过高温碳化或石墨化处理后，需要通过上浆工艺以增加其表面活性，改善碳纤维和树脂基体的界面粘接性能。然而，经过上浆处理后的碳纤维与树脂基体形成的界面依然是此类复合材料的弱点所在，尤其是国产碳纤维情况尤甚。因此在碳纤维的上浆处理基础上，对其进行进一步的表面处理，仍然是碳纤维树脂基复合材料的研究重点。

石墨烯具有独特的二维片层结构和突出的物理化学性能，基于石墨烯开展了碳纤维/石墨烯/树脂复合材料方面的众多相关研究，尤其是针对具有优异工艺性能和综合性能的环氧树脂基体。然而，由于石墨烯表面活性低，直接应用石墨烯于环氧树脂中[宣善勇等，中国发明专利，申请号201310413596.3]，会影响其在环氧树脂中的分散性，亦不利于和环氧树脂/碳纤维之间的相互连接。为了提高石墨烯和树脂基体、纤维之间的相互作用，通常需要对石墨烯进行接枝官能团处理[赵东林等，中国发明专利，申请号201610339876.8]，或者对碳纤维进行酸化等处理[杨桂生等，中国发明专利，申请号201310382688.X]，以增加石墨烯和树脂基体、碳纤维之间的相互反应活性。但这些方法因为需要对石墨烯或碳纤维进行活化处理，增加了工艺难度和成本。

氧化石墨烯是石墨烯家族中的重要一员，虽然不如石墨烯结构规整，力学性能较石墨烯稍低，但其结构中拥有数量不等的含氧基团，使其能与有机的树脂基体产生非常良好的物理吸附和化学反应。沈小军等[沈小军等，中国发明专利，申请号201710083562.0]利用氧化石墨烯自然沉降实现将其取向地分布于碳纤维与环氧树脂层之间，使氧化石墨烯在碳纤维表面形成了一层致密的氧化石墨烯隔离膜，从而获得一种取向氧化石墨烯改性碳纤维复合材料。但氧化石墨烯隔离膜与碳纤维之间单纯只靠物理吸附作用，环氧树脂无法浸润，会影响复合材料的整体力学性能。安加东等人[安加东等，中国发明专利，申请号201510523168.5]将碳纤维表面进行氨基化处理后，再接枝氧化石墨烯，以此来提高复合材料的整体力学性能。但此法因需对碳纤维进行氨基化、接枝氧化石墨烯等处理，增加工艺难度和成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于氧化石墨烯的碳纤维表面处理剂及其处理方法。

所述基于氧化石墨烯的碳纤维表面处理剂按质量比的组成为：环氧树脂100、丙酮50～200、氧化石墨烯0.05～5。

所述环氧树脂可选自单组份中高温树脂，室温储存时间≧6个月。

所述基于氧化石墨烯的碳纤维表面处理剂的处理方法，包括以下步骤：

1)制备碳纤维表面处理剂；

在步骤1)中，所述制备碳纤维表面处理剂的具体方法可为：