[发明专利]二氧化硅微球改性多尺度杂化碳纤维及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种二氧化硅微球改性多尺度杂化碳纤维及其制备方法和在制备复合材料中的应用，所述制备方法包括步骤：(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所述的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)将六氯环三磷腈与聚乙烯亚胺在六氯环三磷腈接枝改性的碳纤维表面进行原位聚合反应，得到表面带有正电荷的聚磷腈涂层改性碳纤维；(4)将带有正电荷的聚磷腈涂层改性碳纤维浸渍于纳米二氧化硅微球胶体溶液中，带负电荷的纳米二氧化硅微球通过静电吸附作用附着于聚磷腈涂层改性碳纤维表面，得到二氧化硅微球改性多尺度杂化碳纤维。

技术领域

本发明涉及碳纤维表面改性技术领域，具体涉及一种二氧化硅微球改性多尺度杂化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。而且，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。

碳纤维由于表面光滑、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。目前已经发展了很多方法来对碳纤维进行表面改性处理，显著改善了碳纤维增强树脂基复合材料的界面性能。

然而，通常发生的情况是在界面性能获得极大改善的同时，降低了复合材料的层间韧性，而在实际应用中，层间断裂韧性对复合材料的综合力学性能至关重要。

为了提高复合材料的层间韧性，人们通过将纳米管、石墨烯等纳米填料引入碳纤维表面构筑微纳多尺度杂化碳纤维增强材料，强韧化了碳纤维复合材料的界面相。

目前多尺度杂化改性，往往是通过化学接枝将纳米管、石墨烯等纳米增强颗粒接枝到碳纤维表面，过程较为繁琐，且反应条件往往较为苛刻，对碳纤维本体强度造成一定程度的影响。

因此，本领域尚需要开发一种简单、高效的多尺度杂化碳纤维表面改性的方法，以提高进一步制得的复合材料界面黏结强度的同时，改善界面断裂韧性。

发明内容

针对本领域存在的不足之处，本发明提供了一种二氧化硅微球改性多尺度杂化碳纤维的制备方法，具体为一种基于带有正电荷和柔性链段聚磷腈涂层原位聚合后通过静电吸附作用改性碳纤维表界面的改性方法，该方法通过反应条件温和的原位聚合方法，将带有正电荷和柔性链段聚磷腈涂层引入到碳纤维表面，改善了碳纤维的表面物理化学性能，进一步通过静电吸附作用，将带有负电荷的纳米二氧化硅增强微球吸附到碳纤维表面，构筑微纳多尺度杂化碳纤维，纳米二氧化硅微球和高分子柔性链段的引入，改善了复合材料的界面结合强度和断裂韧性。

一种二氧化硅微球改性多尺度杂化碳纤维的制备方法，其特征在于，包括步骤：

(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所述的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)将六氯环三磷腈与聚乙烯亚胺在六氯环三磷腈接枝改性的碳纤维表面进行原位聚合反应，得到表面带有正电荷的聚磷腈涂层改性碳纤维；

(4)将聚磷腈涂层改性碳纤维浸渍于纳米二氧化硅微球胶体溶液中，带负电荷的纳米二氧化硅微球通过静电吸附作用附着于聚磷腈涂层改性碳纤维表面，得到二氧化硅微球改性多尺度杂化碳纤维。

本发明以六氯环三磷腈与聚乙烯亚胺(PEI)为共聚单体，通过简单的原位共聚反应，将带有正电荷和柔性链段的聚磷腈涂层引入到碳纤维表面，使得碳纤维表面正电荷附着更加牢固、分布更加均匀，从而更有利于进一步通过静电吸附作用吸附纳米二氧化硅微球，对后续制得的复合材料的界面结合强度和断裂韧性起到更好的增强改善作用。

所述的六氯环三磷腈的分子式如下式(I)所示：