[发明专利]含烷基化石墨烯的耐高温碳纤维上浆剂、制备方法与应用

说明书

本发明涉及复合材料领域，公开了一种含烷基化石墨烯的耐高温碳纤维上浆剂、制备方法与应用，该上浆剂按总质量分数100％计，包括0.1‑10％热塑性树脂、0.001‑0.1％烷基化石墨烯和90‑99％有机溶剂。其中烷基化石墨烯通过烷基胺对氧化石墨烯改性得到，能够在有机溶剂中稳定分散。该上浆剂的制备方法为将烷基化石墨烯分散至热塑性树脂溶液中所得。本发明的烷基化石墨烯改性上浆剂应用于碳纤维增强聚芳醚酮树脂复合材料，不仅提高了树脂基体与碳纤维表面的相容性，而且对复合材料界面进行了增强增韧，提高了复合材料的界面性能，进而可提高复合材料综合性能。

技术领域

本发明涉及复合材料领域，具体涉及一种含烷基化石墨烯的耐高温碳纤维上浆剂、制备方法与应用。

背景技术

碳纤维具有轻质、高强、高模、耐高温等特点，经常作为树脂基复合材料的增强体，广泛应用于航空航天、汽车、医疗器械等领域。由于碳纤维表面呈化学惰性，缺少活性官能团，造成碳纤维与树脂基体间的界面结合较弱，界面性能较差，限制了碳纤维复合材料的应用。为了提高纤维与树脂间的界面粘结性能，通常采用氧化、化学接枝、等离子体处理、涂覆、上浆等方法对碳纤维进行表面改性处理。

上浆处理是一种成本较低、操作简单、可工业化的表面改性方式，可以保护纤维表面，提高纤维的集束性，增加纤维对树脂的浸润性等，已经成为碳纤维生产过程中的关键步骤。碳纤维上浆剂大致上可以分为溶液型和乳液型两种，溶液型上浆剂是通过将环氧树脂、聚丙烯酸酯、聚氨酯等溶于乙醇、丙酮等有机溶剂中配制而成，通过溶剂的挥发在碳纤维表面包覆一层薄薄的树脂，起到保护碳纤维和增加纤维与树脂基体相互粘合的作用。乳液型上浆剂的主要成分为各种树脂，在乳化剂的辅助作用下经高速搅拌而成。由于乳化剂的存在，乳液的表面张力小，对纤维的浸润性好，但这种上浆剂也存在缺点，由于需要使用大量的乳化剂，其本质也是一种表面活性剂，故使碳纤维表面容易吸附水分；另外，低分子量的表面活性剂也会影响纤维与树脂之间的粘结性。

为了进一步提高碳纤维与树脂基体之间的界面相互作用，将纳米粒子引入到界面层是一个可行的方案。相比于化学接枝、气相沉积等方法，通过上浆处理将纳米粒子引入到碳纤维/树脂基体的界面，具有操作简单、可工业化的优势，但是纳米粒子能否在上浆剂中的稳定分散，是提高碳纤维复合材料界面性能的关键。

张志谦等人在环氧/纳米SiO₂杂化浆料的制备及其对碳纤维复合材料性能的影响中公开了(航空材料学报,2005,25(2),44-48.)先用溶胶-凝胶法制备nano-SiO₂先驱体，再用改性的环氧树脂对nano-SiO₂进行原位改性后分散到丙酮中，制备成上浆剂对碳纤维进行上浆处理。结果表明，上浆后CF增强环氧复合材料的层间剪切强度提高了11％，抗冲击性能也得到了提高。