[发明专利]一种接枝纳米纤维增强碳纤维纸及其制备方法

说明书

本发明公开了一种接枝纳米纤维增强碳纤维纸及其制备方法，属于纸基复合材料技术领域。本发明对碳纤维进行丙酮预处理，采用静电纺丝的方法将热稳定的聚丙烯腈(PAN)纳米纤维接枝到碳纤维上，进行包覆层，然后通过二甲基甲酰胺(DMF)溶剂蒸气和热处理进一步将纳米纤维均匀的接枝到碳纤维表面，然后再通过造纸的制备方法湿法成形、热压相结合的方法制备接枝纳米纤维增强碳纤维纸本发明方法通过接枝纳米纤维，增加了碳纤维与纳米纤维之间的相互作用，二者的界面剪切强度(IFSS)提升了48％，所制备的接枝PAN纳米纤维的碳纤维纸，具有优异的处理、化学性能、电热性能等，其用作碳纤维复合材料具备优异的界面剪切强度。

技术领域

本发明涉及一种接枝纳米纤维增强碳纤维纸及其制备方法，属于纸基复合材料技术领域。

背景技术

碳纤维具有密度低、比性能高、非氧化环境下耐超高温、热膨胀系数小且具有各向异性、耐腐蚀性好、良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等一系列优异特性，常被加工成各种功能材料，在军事及民用方面都有广泛的应用。碳纤维功能纸就是其中之一，可用作发热材料、电磁屏蔽材料、防静电包装材料及燃料电池用气体扩散层材料等，应用领域十分广阔。

但是，由于C-C间以非极性共价键相连接，呈乱层石墨结构，导致碳纤维表面光滑，呈现化学惰性，表面能低，缺乏有化学活性的官能团，反应活性低，与基体的黏结性差，界面中存在较多的缺陷，不易被水润湿，在水中易絮聚，分散性能差等问题，直接影响了复合材料的力学性能，限制了碳纤维高性能的发挥，此外，与植物纤维比较，碳纤维之间不会形成氢键结合，纤维间无结合强度，难以成形和抄纸。

为了增强纤维与基体之间的相互作用，人们提出并实现了几种方法，其中许多方法在工业规模中得到了广泛的应用。例如，航空航天工业的一种常见做法是对碳纤维表面进行氧化处理，去除弱粘结涂层，将纤维表面进行化学功能化，在环氧树脂固化过程中，官能团将与环氧树脂基体形成化学/物理键，从而改善界面剪切强度(IFSS，interfacialshear strength)；此外，纤维表面的氧化处理可以改善纤维的表面粗糙度，并通过机械联锁改善IFSS。另一种增强纤维-基体相互作用的方法是在碳纤维表面生长或附着高宽比和表面/体积比的纳米晶须。制备杂化纤维的另一种方法是电泳(EP)，这种方法允许在碳纤维上沉积一系列纳米增强材料，如碳纳米管、碳纳米管和石墨纳米粒，尽管这种方法对纤维基体IFSS有明显的改善，但碳纤维在电泳液中的电场暴露导致纤维表面损伤，导致纤维强度下降15～40％。

如何使碳纤维在水相中均匀分散及提高纤维表面结合强度和树脂间的相互作用，是湿法抄造碳纤维功能纸的关键。CN 105603805 A公开了一种聚酰亚胺基碳纤维纸的制备方法，通过将碳纤维、分散剂混合疏解搅拌，在成型器上成形，浸渍稀释过的聚酰亚胺树脂，热压得到聚酰亚胺基碳纤维纸，该制备方法得到的碳纤维纸匀度差、强度低、纤维与树脂之间结合力差，各项性能较低。CN 103451989 A公开了一种电热耐高温碳纤维纸的制备方法，其制备方法是将两种长度不同的碳纤维跟间位芳纶浆粕混抄，得到碳纤维纸，该制备方法得到的碳纤维纸匀度差。CN 103382675 A公开了一种电热高温纤维纸的制备方法，其制备方法是将碳纤维、木浆、硅烷偶联剂、分散剂、填料等混抄成纸，得到的纤维纸含有较多的植物纤维，碳化后碳含量偏低，导电性差。

发明内容

[技术问题]

为了解决现有技术的碳纤维纸的匀度差、强度低、导电性差等问题。

[技术方案]

本发明提出了一种新的复合材料概念，即在碳纤维上沉积热稳定的聚合物纳米纤维，其中纳米纤维与纤维之间的相互作用是通过纳米纤维暴露于聚合物溶剂的蒸气和低于300℃的温度来控制的，以避免碳纤维的热降解。本发明以PAN原丝为原料，经氧化稳定化、碳化、石墨化和后处理制得的聚丙烯腈(PAN)基碳纤维，因其含碳量在90％以上且具有类似微晶化的多环芳香族的结构特征，使它成为了一种耐热性好、质量轻、抗拉强度高和杨氏模量高的高性能纤维。