[发明专利]一种改性碳纤维的方法

说明书

本发明公开了一种改性碳纤维的方法，其特征在于：首先，采用超临界CO₂对CF表面处理，其次，采用硝酸溶液对清洗后CF的氧化处理，最后，在氧化后的CF表面接枝含有氨基基团的乙二胺得到改性碳纤维。(1)超临界CO₂是一种物理清洗方式，既能够有效的清洗CF表面浆料，又能够较小程度上对CF强度造成损伤。(2)硝酸溶液氧化经过超临界CO₂流体清洗后的CF表面，能够有效的增加纤维表面粗糙度和活性官能团，有利于表面接枝。(3)乙二胺对氧化后CF进行表面接枝，即可以通过表面接枝修复缺陷提高纤维单丝强度，又能提高CF/环氧复合材料界面性能。

技术领域

本发明涉及一种改性碳纤维的方法，具体涉及碳纤维改性领域。

背景技术

碳纤维(CF)是含碳量在90％以上的纤维状碳材料，其表面碳原子呈六元环蜂窝状，结构稳定，自出世之后被誉为材料之王，是三大高性能纤维(芳纶纤维、CF和高密度聚乙烯)之一。CF按来源可分为聚丙烯腈CF、沥青基CF、粘胶基CF和木质素CF，其中聚丙烯腈CF由于生产工艺简单、性能优良，应用广泛。

聚丙烯腈CF的生产厂家主要以日本东丽、东邦和三菱为主，约占世界CF市场份额的50％以上，其生产的CF无论是数量还是质量上一直在世界上遥遥领先，日本东丽公司更是生产高性能CF的领头羊。可喜的是近几年中国的CF在中科院院士师昌绪先生等人带领下，从零突破，生产工艺也在飞速发展。

现在市场上应用于军工及生活的CF原丝直径约为7μm，密度为1.79g/m3，不到钢的1/4，表面碳原子呈六元环蜂窝状结构，因此CF具有良好的化学稳定性；单丝拉伸强度在3,500MPa以上，约为钢的7～9倍，目前在航空航天、汽车交通、风力发电等多个领域。全球的CF需求量预计会从2015年的5,800吨增长到2020年的10,000吨。CF在出厂时都会在表面上涂覆一层以环氧树脂为主要原料的上浆剂，上浆剂的主要目的是防止CF成品在运输过程中产生毛丝现象，使CF易成束。在CF与树脂基基体复合形成的界面体中，环氧树脂上浆剂并不能有效提供良好的界面啮合力。CF表面的环氧树脂浆料对于实验室的研究和分析来说都是不利的因素。另外，未经处理的CF表面粗糙度低，缺少活性官能团无法与树脂基基体形成良好的界面。鉴于此CF的表面改性一直收到人们的广泛关注。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：解决未经处理的CF表面粗糙度低，缺少活性官能团无法与树脂基基体形成良好的界面的技术问题。

本发明的技术方案是：一种改性碳纤维的方法，首先，采用超临界CO₂对CF表面处理，其次，采用硝酸溶液对清洗后CF的氧化处理，最后，在氧化后的CF表面接枝含有氨基基团的乙二胺得到改性碳纤维。

所述的超临界CO₂对CF表面处理的方法：将CF置于超临界萃取仪反应釜中，加入丙酮，闭合反应釜，超临界CO₂流体的临界温度点是45-50℃，临界压强是14-20MPa，处理时间为30-40min。

优选的超临界CO₂流体的临界温度点是45℃，临界压强是14MPa，处理时间为40min。

所述的对清洗后CF的氧化处理：将装有搅拌器、冷凝管、温度计的三口烧瓶固定在油浴锅中，往烧瓶中加入硝酸溶液和已经过超临界流体清洗后的CF，将温度升到60-70℃，反应3-4h后取出CF，并用丙酮清洗表面，放入烘箱烘干。

优选的，反应温度为70℃，反应时间为4h。

所述的氧化后的CF表面接枝含有氨基基团的乙二胺的方法：将装有搅拌器、冷凝管、温度计的三口烧瓶固定在油浴锅中，往烧瓶中加入100ml的乙二胺溶液和已经过超临界流体清洗后的CF，将温度升到60-70℃，反应5-6h后取出CF，并用丙酮清洗表面，放入烘箱烘干。

优选的，反应温度为70℃，反应时间为5h。