[发明专利]一种树状磷腈接枝改性碳纤维及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种树状磷腈接枝改性碳纤维的制备方法，包括：1)对碳纤维表面进行氧化处理，得到表面氧化的碳纤维；2)将六氯环三磷腈接枝到表面氧化的碳纤维表面，得到六氯环三磷腈接枝改性的碳纤维；3)将一种双官能团化合物接枝到六氯环三磷腈接枝改性的碳纤维表面，得到1代磷腈改性碳纤维；4)用磷腈改性碳纤维替代步骤2)中的表面氧化的碳纤维，重复步骤2)、3)m次，得到m+1代磷腈改性碳纤维，m为正整数。上述制备方法将树状磷腈接枝到碳纤维表面，实现了碳纤维表面活性基团的调控，提高了碳纤维的表面化学活性。本发明还提供了一种上述制备方法制备得到的树状磷腈接枝改性碳纤维及其在制备复合材料中的应用。

技术领域

本发明涉及碳纤维改性技术领域，具体涉及一种树状磷腈接枝改性碳纤维及其制备方法和应用。

背景技术

碳纤维增强树脂基先进复合材料，具有轻质高强、可设计强、抗疲劳性优良等一系列优点。碳纤维增强树脂基先进复合材料，具有比强度高、比模量高、可设计性强等一系列优异的性能，在航空航天，交通运输及运动休闲领域应用广泛。

然而，碳纤维(CF)由于表面光滑、化学惰性等因素，与树脂基体匹配性较差，导致复合材料界面性能不理想。碳纤维常需要先进行表面处理，再与树脂基体复合，得到界面性能优良的复合材料。

化学接枝是碳纤维表面改性常用的方法之一，然而，目前的表面接枝方法存在活性基团接枝密度较低、接枝反应条件苛刻等缺陷。因此，本领域尚需要开发一种简单、高效的碳纤维表面接枝改性的方法。

公开号为CN102493184A的专利说明书公开了一种界面增强的碳纤维/聚己内酰胺复合材料及其制备方法，该制备方法，具体采用碳纤维通过与多官能团的六氯环三磷腈反应提高了纤维表面的反应活性点，在开环聚合过程中碳纤维表面原位接枝上聚己内酰胺，有效地提高碳纤维与基体聚己内酰胺的界面强度，解决了现有方法中碳纤维表面聚己内酰胺的接枝率低，复合材料界面性能改善程度低的缺陷。

公开号为CN103850123A的专利说明书公开了一种界面改性的碳纤维/聚丙烯复合材料及其制备方法，该制备方法通过在碳纤维表面接枝聚膦腈，获得了表面带有大量氨基的改性碳纤维，再将石墨烯和氨基化的碳纤维进行化学接枝反应，在碳纤维表面接枝上具有系列不同密度的石墨烯，能够有效的增加碳纤维表面的粗糙度、比表面积，使得碳纤维与树脂基体之间的界面机械啮合作用增强，此外石墨烯表面的活性基团与树脂基体可以形成化学键合，从而显著地提高碳纤维树脂基复合材料界面粘结强度。

上述两篇专利说明书均是以六氯环三磷腈和双官能团化合物为共聚单体，通过一步原位聚合，在碳纤维表面接枝交联结构的聚合物膜层，实现对碳纤维的表面改性，最终接枝到碳纤维表面的分子呈大网络交联结构，无法保证活性氨基或者活性羟基均在碳纤维最表层。图1为六氯环三磷腈与4,4-二氨基二苯醚共聚改性碳纤维的机理以及聚磷腈薄膜的表面结构示意图，上述两篇专利说明书的改性机理与图1类似。在聚合过程中，需要通过调控共聚物单体的配比，来使聚合薄膜的最表层尽量多的以活性氨基或者羟基存在。因为，碳纤维书树脂基体复合的时候，只有最表面的活性基团可以与树脂的环氧基团发生化学成键反应，达到增强界面性能的目的。但事实上，很难确保双官能团的活性基团总是存在于聚合物的外表面，而且，聚合物薄膜内存在大量的交联网络结构，使薄膜力学性能较脆，在应力作用下，容易破坏，界面失效往往提前发生于界面区域的薄膜上。

因此，需要研发一种将双官能团化合物接枝到纤维表面的方法，实现对碳纤维的表面化学活性基团调控，保证活性氨基或者活性羟基均在纤维最表层，使改性后的纤维界面增强效果明显，且界面失效主要发生树脂基体与碳纤维的界面区域。

发明内容

针对本领域存在的不足之处，本发明提供了一种树状磷腈接枝改性碳纤维的制备方法，通过反应条件温和的接枝方法，将树状磷腈接枝到碳纤维表面，引入大量的活性基团，提高了碳纤维的表面化学活性，提高了碳纤维与树脂基体之间的化学键合作用，进而提高了复合材料的界面性能。