[发明专利]一种改性碳基纤维的制备方法及其复合材料

说明书

本发明涉及一种改性碳基纤维的制备方法及其复合材料，包括下述步骤：首先，将聚合单体与碳纳米管在溶剂中混合均匀，调整混合物的温度，使聚合单体在碳纳米管的表面发生聚合反应生成高分子化合物聚丙烯腈或芳香族聚酰胺，整体形成一种“核‑壳”结构；随后，提纯所得产物，调配出纺丝原液并进行纺丝，得到具有“核‑壳”结构的初生丝；初生丝依次经过洗净、牵伸、上油、干燥，最后收丝成卷；最后对收卷的纤维进行预氧化、碳化、石墨化，得到成品纤维。本发明的成品纤维所具有的独特的“核‑壳”结构可以有效的消除碳基纤维原本存在的皮芯结构，有效增强成品纤维的机械性能、导电性等。节省整体的制造时间，节能高效。

技术领域

本发明属于改性纤维领域，特别涉及一种用碳纳米管改性碳纤维及改性芳纶纤维的制备技术及其作为增强材料制得的复合材料。

背景技术

在现代科技发展日新月异的今天，先进复合材料，尤其是碳纤维基、芳纶纤维基复合材料的应用给人们的生产、生活带来了巨大的改变。碳纤维和芳纶纤维都是新兴的高科技特种纤维材料，具有强度高、模量高、密度小、耐高温、耐腐蚀、使用寿命长、可设计性强等优势。在航空航天、军工、运输机械、土木建筑、化学化工、体育娱乐等方面具有广泛的应用。然而由于目前的生产工艺等多方面因素导致其性能在理论与实际存在着巨大的差距，人们越来越追求更高性能的纤维材料。

碳纳米管是由呈六边形排列的碳原子构成的从单层到多层的同轴圆管，密度小，是具有大长径比、可以稳定存在并且具有一定刚性的一维体系，其独特的结构决定了它具有非常优异的物理(力学、电学、光学、热学等)和化学性质。碳纳米管是由sp²杂化形成的C-C共价键组成，缺陷少。理论计算和实验结果表明，C-C之间σ键的构成使得碳纳米管的拉伸强度可以高达100GPa，是钢的50倍左右，断裂伸长率高达15％-20％，结构完美的碳纳米管的杨氏模量更是高达1TPa以上，约为钢的5倍，这些性能都要远远高于目前的其他任何材料，碳纳米管因而被称为“超级纤维”。因此，用碳纳米管改性过的纤维，其性能会有显著的提升。

发明内容

为了进一步提高碳纤维、芳纶纤维的使用性能。本发明提供一种改性碳纤维、改性芳纶纤维的制备方法及其作为增强材料而制得的复合材料。

本发明的技术方案如下：

本发明的第一个方面，提供一种改性碳基纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1):将聚合单体与碳纳米管在溶剂中混合均匀，调整原材料体系的温度，使聚合单体在碳纳米管的表面发生聚合反应生成目标高分子化合物聚丙烯腈或芳香族聚酰胺，整体形成了一种“核-壳”结构，相当于是聚合物在碳纳米管的表面形成了一层包合物；

步骤(2):提纯具有“核-壳”结构的产物，调配出纺丝原液并进行纺丝，得到具有“核-壳”结构的初生丝，初生丝依次经过洗净、牵伸、上油、干燥，最后收丝成卷；

步骤(3):将步骤(2)处理过的纤维进行下述步骤：预氧化、碳化、石墨化；

最后得具有“核-壳”结构的改性碳基纤维。

步骤(1)中聚合单体是丙烯腈、衣康酸、甲基丙烯酸、丙烯酸、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、间苯二胺、间苯二甲酰氯、间苯二甲酸、对苯二胺、对苯二甲酰氯、对苯二甲酸、对氨基苯甲酰氯、对氨基苯甲酸中的一种或几种。

步骤(1)中聚合反应的时间是0.5-4小时。

步骤(1)中位于包合物中心的碳纳米管的长径比为1000:1以上，可以是单根碳纳米管也可以是多根碳纳米管聚集而成的碳纳米管束，可以根据最终希望得到的成品纤维的直径灵活选择。

步骤(1)中碳纳米管可以是不同直径、不同管壁数、不同手性、不同导电属性、不同制备方法得到的碳纳米管。

步骤(1)中碳纳米管是原生的结构无缺陷的碳纳米管或通过共价改性或非共价改性得到的碳纳米管。