[发明专利]一种基于一维纳米材料凹凸结构改性碳纤维及其制备方法

说明书

一种基于一维纳米材料凹凸结构改性碳纤维的制备方法。该方法包括：1)对碳纤维进行去剂处理；2)配置一维纳米材料分散液；3)碳纤维表面凹凸结构改性处理；将碳纤维丝束均匀铺放在滤膜上，并在垂直于碳纤维轴向的方向放置具有周期性间隙的模具，采用真空抽滤法将一维纳米材料沉积在碳纤维丝束表面，再将沉积有一维纳米材料的碳纤维丝束翻转180°，重复上述步骤将一维纳米材料沉积在碳纤维丝束另一表面，真空烘干得到一种基于一维纳米材料凹凸结构改性的碳纤维。本发明首次在碳纤维圆周表面构筑凹凸结构，利用本发明制备的基于一维纳米材料凹凸结构改性的碳纤维可使复合材料的界面粘结强度提高36.6％～104.3％。

技术领域

本发明属于材料的表面与界面改性方法技术领域，具体涉及一种基于一维纳米材料凹凸结构改性碳纤维及其制备方法。

背景技术

碳纤维复合材料具有高比模量、高比强度和低质量等优良性能，使其在航空航天、体育、建筑和医疗等领域有广泛的应用。但碳纤维表面惰性、化学活性基团极少，与基体的润湿性差，使复合材料界面粘结弱，从而限制了其高性能的发挥。因此，碳纤维表面改性对扩大碳纤维复合材料应用广度和深度具有重要意义。

表面具有凹凸结构的材料非常有利于增大其与其他材料的摩擦作用，若将其应用于复合材料界面将很有希望提高界面的粘结强度。然而，表面凹凸结构多见于平面材料，对于具有曲面或不规则表面的材料则较为少见，主要源于其较差的加工性能。碳纤维为具有圆周结构的表面，已有的激光刻蚀法和等离子体轰击法可以实现碳纤维表面凹凸结构的构筑，然而两种方法都会在纤维表面引入缺陷而降低纤维强度。因此，寻找一种不会降低纤维强度且简便易行的碳纤维表面凹凸结构构筑方法十分必要。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开一种基于一维纳米材料凹凸结构改性碳纤维及其制备方法，该方法可使碳纤维的圆周表面产生均匀分布的凹凸结构，且该方法具有简便、绿色环保、高效和低成本的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

1)碳纤维表面去剂处理；将碳纤维丝束置于丙酮溶液中冷凝回流，然后用去离子水清洗干净，真空干燥备用；

2)配制一维纳米材料分散液；将一维纳米材料分散在水或有机溶剂中，搅拌使其分散均匀，得到质量分数为0.01％～5％的一维纳米材料分散液；

3)碳纤维表面凹凸结构改性处理；将步骤1)处理得到的碳纤维丝束均匀铺放在滤膜上，在碳纤维丝束上沿垂直于碳纤维轴向的方向放置具有周期性均匀间隙的模具，真空抽滤一维纳米材料分散液使其沉积在碳纤维丝束表面；然后取出模具，将碳纤维丝束翻转180°，沿垂直于碳纤维轴向的方向具有周期性均匀间隙的模具，再真空抽滤一维纳米材料分散液使其沉积在碳纤维丝束另一表面，真空干燥后得到基于一维纳米材料凹凸结构改性的碳纤维。

所述步骤(1)的碳纤维为长碳纤维。

所述步骤1)中冷凝回流的温度为80～100℃，时间为12～48h。

所述步骤2)中一维纳米材料选自纳米管、纳米线或晶须中的一种，且其长径比＞10，直径为1～120nm。

所述纳米管为碳纳米管；所述纳米线为纳米纤维素、氧化锌纳米线或二氧化钛纳米线；所述晶须为二氧化硅晶须。

所述步骤2)中的有机溶剂为丙酮、乙醇、四氢呋喃、二甲基甲酰胺、二氯甲烷、二甲苯、苯酚或醋酸乙酯。

所述步骤2)中的搅拌为磁力搅拌，搅拌转速为200～800rpm/min，搅拌时间为30～120min。

所述步骤3)中模具间隙的宽度为10～500μm，模具间隙宽度＞一维纳米材料的长度，模具间隙间隔10～500μm。

所述步骤3)真空抽滤按一维纳米材料分散体积(ml):滤膜直径(cm)＝(0.1～8):1。