一种碳纤维表面化学接枝氧化石墨烯的方法

文档序号:9485816阅读:1482来源:国知局
一种碳纤维表面化学接枝氧化石墨烯的方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种碳纤维表面改性的方法。
【背景技术】
[0002] 碳纤维(carbonfiber,简称CF),是一种含碳量在95%W上的高强度、高模量纤 维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆搁而成,经碳化及 石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维具有许多优良性能,碳纤维的轴向强度和模量 高,密度低、比性能高,无蠕变,非氧化环境下耐超高溫,耐疲劳性好,比热及导电性介于非 金属和金属之间,热膨胀系数小且具有各向异性,耐腐蚀性好,X射线透过性好等。但是, 由于碳纤维表面惰性大、表面能低,缺乏有化学活性的官能团,反应活性低,与基体的粘结 性差,界面中存在较多的缺陷,直接影响了复合材料的力学性能,限制了碳纤维高性能的发 挥。因此需要对碳纤维表面进行改性处理,W提高其对基体的浸润性和粘结性,改善界面性 能,进而提高复合材料的力学性能和热稳定性,运对复合材料领域有十分重要的意义。

【发明内容】

[0003] 本发明是要解决目前碳纤维表面惰性大、表面能低及力学、热学性能较差的技术 问题,提供一种碳纤维表面化学接枝氧化石墨締的方法。
[0004] 本发明碳纤维表面化学接枝氧化石墨締的方法,按W下步骤进行: 阳0化]一、义用改良Hummer'S方法制备氧化石墨締:
[0006] a、冰水浴条件下,依次将石墨粉、质量浓度为98 %的浓H2SO4、NaN〇3和KMnO4加入 圆底烧瓶中揽拌,升溫至35°C,反应化后,降溫,放入冰水浴中,再向圆底烧瓶中加质量浓 度为98%的浓&5〇4和画11〇4,升溫至35°(:,反应12}1;其中,所述的石墨粉与第一次加入的 质量浓度为98%的浓H2SO4的质量比为1:40~50 ;所述的石墨粉与NaNO3的质量比为2:1 ; 所述的石墨粉与第一次加入的KMn〇4的质量为1:3 ;所述的石墨粉与第二次加入的质量浓 度为98%的浓H2SO4的质量比为1:8~11 ;所述的石墨粉与第二次加入的KMnO4的质量为 1:1 ~1. 5 ; 阳007] b、停止反应,向圆底烧瓶中加入冰水,揽拌,倒入大烧杯中,滴加&〇2至溶液颜色 由黑褐色变为亮黄色,用体积浓度为5%的肥1和去离子水反复洗涂至中性,冷冻干燥,得 到氧化石墨締;
[0008] 二、碳纤维的氧化处理:
[0009] 将碳纤维在索氏提取器中W丙酬为溶剂,在70°C冷凝回流4化后干燥,将干燥后 的碳纤维加入到质量分数为69 %的浓硝酸中,然后在油浴锅中逐步升溫至80~100°C,反 应3~4h,将所得产物水洗至中性后,真空干燥,得到酸化的碳纤维;其中,所述的碳纤维的 质量与丙酬的体积比为lg:4~8mL;所述的碳纤维的质量与质量分数为69%的浓硝酸的体 积比为Ig:4~8血;
[0010] Ξ、碳纤维表面修饰氨基化处理:
[0011] a、在圆底烧瓶中加入质量分数为95 %的乙醇溶液,揽拌,调节抑值至4~5 ;其 中,所述乙醇溶液的体积与步骤二得到的酸化的碳纤维的质量比为ImL: 1~3mg;
[0012] b、将步骤Ξa圆底烧瓶中的溶液加热至60°C,加入3-氨基丙基Ξ乙氧基硅烷 (KH-550),水解lOmin后,将步骤二得到的酸化的碳纤维放入圆底烧瓶中,揽拌,反应12h, 之后用去离子水洗涂,真空干燥,得到氨基化的碳纤维;其中,所述3-氨基丙基Ξ乙氧基娃 烧与步骤二得到的酸化碳纤维的质量比为1:1~4 ;
[0013] 四、碳纤维表面化学接枝氧化石墨締:
[0014] 将步骤一得到的氧化石墨締加入到二甲基甲酯胺(DM巧中,超声2. 5~3.化,揽 拌,依次加入4-二甲氨基化晚(DMAP)、二环己基碳二亚胺值CC)和步骤Ξ得到的氨基化的 碳纤维,常溫反应2地,之后用去离子水洗涂,真空干燥,得到化学接枝后的碳纤维;其中步 骤一得到的氧化石墨締的质量与二甲基甲酯胺的体积比为0. 1~〇.5mg:lmU步骤一得到 的氧化石墨締与步骤Ξ得到的氨基化的碳纤维质量比为1:10~40,4-二甲氨基化晚与步 骤Ξ得到的氨基化的碳纤维质量比为0. 5~2:1,二环己基碳二亚胺与步骤Ξ得到的氨基 化的碳纤维质量比为1~3:1。
[0015] 本发明包括W下有益效果:
[0016] 本发明方法采用化学接枝的方法,将氧化石墨締接枝到碳纤维表面;未经处理的 碳纤维表面惰性大,与基体的界面结合较弱,从而影响了碳纤维复合材料优异性能的充分 发挥。
[0017] 从接枝前后碳纤维的沈Μ图可W看出,接枝氧化石墨締后的碳纤维表面粗糖度显 著增加,进而提高其表面浸润性和粘结性,从而改善碳纤维复合材料的界面粘接质量。
[0018] 纳米拉伸实验结果显示:接枝氧化石墨締后的碳纤维的强度和初性显著提高,强 度比碳纤维原丝提高20 %~25 %、初性比碳纤维原丝提高35 %~40 %,有利于增强复合材 料中基体与增强体之间的传递效应,改善界面性能、阻止材料破坏,进而提高复合材料的力 学性能。
[0019] 纤维表面接枝氧化石墨締后,碳纤维表面会包覆多层氧化石墨締(SEM图),不仅 有利于碳纤维与基体的结合,而且在高溫下多层氧化石墨締对碳纤维有一定的保护作用, 从而提高复合材料的热稳定性。
【附图说明】
[0020] 图1为碳纤维原丝沈Μ;
[0021] 图2为碳纤维酸化后的沈Μ;
[0022] 图3为试验一得到的碳纤维接枝石墨締的SEM;
[0023] 图4为试验一碳纤维不同处理阶段的应力-应变曲线;其中,1为CF-C00H的应 力-应变曲线;2为CF的应力-应变曲线;3为CF-g-GO的应力-应变曲线;
[0024] 图5为试验二得到的碳纤维接枝石墨締的SEM; 阳0巧]图6为试验二碳纤维不同处理阶段的应力-应变曲线;其中,1为CF-C00H的应 力-应变曲线;2为CF的应力-应变曲线;3为CF-g-GO的应力-应变曲线。
【具体实施方式】
[00%] 本发明技术方案不局限于w下所列举【具体实施方式】,还包括各【具体实施方式】间的 任意组合。
[0027]
【具体实施方式】一:本实施方式碳纤维表面化学接枝氧化石墨締的方法,按W下步 骤进行:
[002引一、采用改良Hummer'S方法制备氧化石墨締:
[0029] a、冰水浴条件下,依次将石墨粉、质量浓度为98 %的浓H2SO4、NaN〇3和KMnO4加入 圆底烧瓶中揽拌,升溫至35°C,反应化后,降溫,放入冰水浴中,再向圆底烧瓶中加质量浓 度为98 %的浓H2SO4和KMnO4,升溫至35°C,反应12h;
[0030] b、停止反应,向圆底烧瓶中加入冰水,揽拌,倒入大烧杯中,滴加H2O2至溶液颜色 由黑褐色变为亮黄色,用体积浓度为5%的肥1和去离子水反复洗涂至中性,冷冻干燥,得 到氧化石墨締;
[0031] 二、碳纤维的氧化处理: 阳0巧将碳纤维在索氏提取器中W丙酬为溶剂,在70°C冷凝回流4化后干燥,将干燥后 的碳纤维加入到质量分数为69 %的浓硝酸中,然后在油浴锅中逐步升溫至80~100°C,反 应3~地,将所得产物水洗至中性后,真空干燥,得到酸化的碳纤维;
[0033] Ξ、碳纤维表面修饰氨基化处理:
[0034] 曰、在圆底烧瓶中加入质量分数为95 %的乙醇溶液,揽拌,调节抑值至4~5 ;其 中,所述乙醇溶液的体积与步骤二得到的酸化的碳纤维的质量比为ImL: 1~3mg;
[0035] b、将步骤Ξa圆底烧瓶中的溶液加热至60°C,加入3-氨基丙基Ξ乙氧基硅烷,水 解lOmin后,将步骤二得到的酸化的碳纤维放入圆底烧瓶中,揽拌,反应12h,之后用去离子 水洗涂,真空干燥,得到氨基化的碳纤维;其中,所述3-氨基丙基Ξ乙氧基硅烷与步骤二得 到的酸化碳纤维的质量比为1:1~4 ;
[0036] 四、碳纤维表面化学接枝氧化石墨締:
[0037] 将步骤一得到的氧化石墨締加入到二甲基甲酯胺中,超声2. 5~3. 5h,揽拌,依次 加入4-二甲氨基化晚、二环己基碳二亚胺和步骤Ξ得到的氨基化的碳纤维,常溫反应2地, 之后用去离子水洗涂,真空干燥,得到化学接枝后的碳纤维。
【具体实施方式】 [0038] 二:本实施方式与一不同的是:步骤一a中所述的石 墨粉与第一次加入的质量浓度为98 %的浓H2SO4的质量比为1:40~50 ;所述的石墨粉与 NaN〇3的质量比为2:1 ;所述的石墨粉与第一次加入的KMnO4的质量为1: 3。其它与具体实 施方式一相同。
【具体实施方式】 [0039] Ξ:本实施方式与一或二不同的是:步骤一a中所述 的石墨粉与第二次加入的质量浓度为98%的浓H2SO4的质量比为1:8~11;所述的石墨粉 与第二次加入的KMn〇4的质量为1:1~1. 5。其它与一或二不相同。
【具体实施方式】 [0040] 四:本实施方式与一至Ξ之一不同的是:步骤二中所 述的碳纤维的质量与丙酬的体积比为lg:4~8mL。其它与一至Ξ之一相同。
【具体实施方式】 [0041] 五:本实施方式与一至四之一不同的是:步骤二中所 述的碳纤维的质量与质量分数为69%的浓硝酸的体积比为lg:4~8mL。其它与具体实施 方式一至四之一相同。
[0042]
【具体实施方式】六:本实施方式与【具体实施方式】一至五之一不同的是:步骤四中所 述步骤一得到的氧化石墨締的质量与二甲基甲酯胺的体积比为0. 1~0. 5mg:ImL。其它与
【具体实施方式】一至五之一相同。
【具体实施方式】 [0043] 屯:本实施方式与一至六之一不同的是:步骤四中所 述步骤一得到的氧化石墨締与步骤Ξ得到的氨基化的碳纤维的质量比为1:10~40。其它 与一至六之一相同。
【具体实施方式】 [0044] 八:本实施方式与一至六之一不同的是:步骤四中所 述步骤一得到的氧化石墨締与步骤Ξ得到的氨基化的碳纤维的质量比为1:20~30。其它 与一至六之一相同。
[0045]
【具体实施方式】九:本实施方式与【具体实施方式】一至八之一不同的是:步骤四中 4-二甲氨基化晚与步骤Ξ得到的氨基化的碳纤维的质量比为0. 5~2:1。其它与具体实施 方式一至八之一相同。
【具体实施方式】 [0046] 十:本实施方式与一至九之一不同的是:步骤四中二 环己基碳二亚胺与步骤Ξ得到的氨基化的碳纤维的质量比为1~3:1。其它与具体实施方 式一至九之一相同。
【具体实施方式】 [0047] 十一:本实施方式与一至九之一不同的是:步骤四中 二环己基碳二亚胺与步骤Ξ得到的氨基化的碳纤维的质量比为2:1。其它与 一至九之一相同。
[0048] 为验证本发明的有益效果,进行W下试验:
[0049] 试验一:本试验的碳纤维表面化学接枝氧化石墨締的方法是按W下步骤实现:
[0050] 一、义用改良Hummer'S方法制备氧化石墨締:
[0051] 曰、冰水浴条件下,依次将0.Olg的石墨粉、0. 4g的质量浓度为98%的浓H2SO4、 0. 005g的NaN〇3和0. 03g的KMnO4加入圆底烧瓶中揽拌,升溫至35°C,反应化后,降溫,放 入
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