本发明属于短切碳纤维的改性领域，具体涉及一种聚苯胺包覆改性短切碳纤维的方法。
背景技术：
短切纤维及其增强复合材料具有耐高温、耐腐蚀、质量轻和机械强度高等优点而得到越来越广泛的应用。虽然其具有优良的综合性能，但由于其表面光滑无活性官能团、表面能低、与非极性物质难以浸润等缺点，限制了短切纤维高性能的充分发挥，特别是在增强复合材料方面，其与聚合物基体粘结性能差，导致短切纤维增强的复合材料在使用过程中易发生脱胶和树脂基体开裂等问题。因此，探索寻找一种短切纤维的改性方法，增强其反应活性，是目前急需研究的方向之一，且改性的短切纤维对后期纤维增强复合材料的力学性能提升具有重大的意义。
目前纤维的改性主要指对纤维表面的处理，如清除表面杂质；增加纤维表面的沟槽或微孔结构，进而增加表面能；引进活性官能团，增加其反应活性。目前使用较多的纤维处理方法主要包括：氧化处理、涂覆处理、射线、激光、等离子体处理等方法。氧化处理主要包括采用气相氧化（空气、二氧化碳、臭氧、水蒸气、氧气）、液相氧化（硝酸、高锰酸钾、次氯酸钠、双氧水、过硫酸铵）及电化学氧化改善纤维表面的状态，增加含氧官能团的数量，提高亲水性，有利于分散性能的提高及与树脂基体的粘合。气相氧化法的优点是氧化时所需设备简单，反应时间短，但该方法的缺点是随着氧化处理时间的延长和温度的升高，纤维强度会有所损失，同时，由于氧化反应较激烈，反应条件难以控制，反应温度得不到精确控制。相比气相氧化，液相氧化法更温和，不会使纤维表面形成过度的凹坑和裂解等现象，但是存在氧化性液体不易从纤维表面彻底清除等问题。电化学氧化反应条件缓和，处理时间短，而且可以通过控制电解温度、电流密度、电解质质量分数等工艺条件实现对氧化程度的精确控制，使纤维氧化更均匀；经氧化后含氧官能团和含氮官能团数量明显增加，提高了纤维与水的浸润，可以认为是目前最具有价值的方法，但此过程并不经济且很难适用于大规模的工业化生产，且氧化处理不仅会造成环境污染，还会损害纤维自身的力学性能。此外，表面处理也包括采用表面涂层的办法，比如偶联剂涂层和聚合物涂层，主要通过电化学沉积与化学镀、气相沉积、表面电聚合及溶胶－凝胶法等途径来实现。但由于短切纤维表面的官能团数量及种类较少，只用偶联剂处理的效果并不理想，不但要控制涂层的厚度，还需要借助氧化处理及后期分散剂的分散作用，过程相对复杂。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种聚苯胺包覆改性短切碳纤维的方法，从而克服现有技术中短切碳纤维分散性差和反应活性低、粘结性低造成的与树脂基体结合强度弱的缺陷。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
聚苯胺包覆改性短切碳纤维的方法，包括以下步骤：
（1）、将短切碳纤维浸泡于浓度为30~50g/l的过硫酸铵水溶液中，超声处理1~4h，得到预氧化的短切碳纤维悬浮液；该步骤中，每1l过硫酸铵水溶液中加入短切碳纤维8~15g；
（2）、搅拌情况下，向上述悬浮液中先加入盐酸苯胺，再加入过硫酸铵和硫酸亚铁，然后控温在5~10℃反应10~16h；该步骤中，每1l悬浮液中分别加入盐酸苯胺0.1~0.5mol、过硫酸铵0.1~0.5mol、硫酸亚铁0.002~0.01mol；
（3）、用0.01~0.05mol/l的盐酸和丙酮交替洗涤产物，用蒸馏水冲洗至ph为7，过滤烘干，得到聚苯胺包覆改性的短切碳纤维。
较好地，所述短切碳纤维的长度为2~25mm。
较好地，所述超声的温度为40~80℃，超声功率为100~300w。
本发明提供一种高度分散性的短切碳纤维的改性方法，本发明利用过硫酸铵在超声作用下先对碳纤维进行预氧化处理，之后将预氧化处理的碳纤维表面包覆聚苯胺，实现对纤维的改性以及分散性的提高。在过硫酸铵和超声协同作用下，超声能够促进过硫酸铵的化学氧化作用，且超声波的“空化效应”使得碳纤维和过硫酸铵溶液的界面处产生高速的微射流和冲击波，使碳纤维表面被刻蚀和剥离，同时能使纤维表面的-oh、c-o和c-o-c等含氧官能团含量增加，表面极性增强，为下一步纤维表面包覆聚苯胺提供了有利条件，增大了包覆的接触面积；而且利用过硫酸铵和硫酸亚铁作为引发剂包覆聚苯胺，利用少量的铁离子使过硫酸铵显著活化，加速其分解产生很强的硫酸根自由基，从而加速氧化苯胺为阳离子自由基，随着更多活性中心的生成，使苯胺的转化率大大升高，大大缩短了包覆的周期。另外，过硫酸铵同时作为氧化剂和引发剂，氧化之后少了洗涤和干燥的步骤，简化了改性工艺流程。碳纤维经过聚苯胺包覆改性处理，对后期的分散大有裨益，同时提高了改性碳纤维与基体树脂间的润湿性和反应性，使二者间结合更牢固，有利于碳纤维增强复合材料力学性能的提升。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步解释说明，但本发明的保护范围并不局限于此。
实施例1
聚苯胺包覆改性短切碳纤维的方法，包括以下步骤：
（1）、将10g长度为10mm的短切碳纤维浸泡于1l浓度为30g/l的过硫酸铵水溶液中，置于超声波清洗装置中超声2h，超声功率为300w，温度为70℃，得到预氧化的短切碳纤维悬浮液；
（2）、搅拌情况下，每1l上述悬浮液中先加入0.2mol盐酸苯胺，再加入0.2mol过硫酸铵和0.002mol硫酸亚铁，然后控温在5℃反应16h；
（3）、用0.01mol/l盐酸和丙酮交替洗涤产物，用蒸馏水冲洗至ph为7，过滤烘干，得到聚苯胺包覆改性的短切碳纤维。
实施例2
聚苯胺包覆改性短切碳纤维的方法，包括以下步骤：
（1）、将8g长度为5mm的短切碳纤维浸泡于1l浓度为40g/l的过硫酸铵水溶液中，置于超声波清洗装置中超声3h，超声功率为200w，温度为60℃，得到预氧化的短切碳纤维悬浮液；
（2）、在搅拌情况下，每1l上述悬浮液中先加入0.15mol盐酸苯胺，再加入0.15mol过硫酸铵和0.005mol硫酸亚铁，然后控温在7℃反应12h；
（3）、用0.03mol/l盐酸和丙酮交替洗涤产物，用蒸馏水冲洗至ph为7，过滤烘干，得到聚苯胺包覆改性的短切碳纤维。
实施例3
聚苯胺包覆改性短切碳纤维的方法，包括以下步骤：
（1）、将12g长度为15mm的短切碳纤维浸泡于1l浓度为50g/l的过硫酸铵水溶液中，置于超声波清洗装置中超声4h，超声功率为100w，温度为40℃，得到预氧化的短切碳纤维悬浮液；
（2）、在搅拌情况下，每1l上述悬浮液中先加入0.3mol盐酸苯胺，再加入0.3mol过硫酸铵和0.0075mol硫酸亚铁，然后控温在10℃反应10h；
（3）、用0.05mol/l盐酸和丙酮交替洗涤产物，用蒸馏水冲洗至ph为7，过滤烘干，得到聚苯胺包覆改性的短切碳纤维。
对照例1
与实施例1的不同之处在于，步骤（1）只添加过硫酸铵，没有超声，即过程为：将10g长度为10mm的短切碳纤维浸泡于1l浓度为30g/l的过硫酸铵水溶液中2h，得到预氧化的短切碳纤维悬浮液。
对照例2
与实施例1的不同之处在于：步骤（1）中，超声功率为50w。
对照例3
与实施例1的不同之处在于：步骤（1）中，超声功率为500w。
分散性试验
将经过上述实施例以及对照例改性的短切碳纤维分别取2g分散于40ml水中，室温下超声分散30min后静止，观察其分散状态，观察结果如下表。
由表中结果可知，超声与否及超声功率严重影响最终改性的短切碳纤维的分散性：超声的分散效果明显优于不超声；另外，超声功率过低或者过高时，也会降低改性后短切碳纤维在水中的分散效果。在过硫酸铵和超声的协同作用下，且当超声的功率在100~300w时，才能保证改性后短切碳纤维在水中具有优异的分散效果。