专利名称：一种功能化碳纤维的制备方法
技术领域：
本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种功能化碳纤维的制备方法。
背景技术：
碳纳米管(CNTs)自1991年被日本科学家Iijima发现以来，以其特有的力学性 能、电学性能、热学性能和化学性能引起了世界各国化学、物理、材料学界人士的极大关注， 在科学基础研究及应用研究中倍受青睐。虽然碳纳米管在制备质轻、高强度复合材料中具 有潜在的应用前景，但要将其真正变成现实，还有许多问题需要解决。碳纳米管的表面能较 高，容易发生团聚，使它在聚合物中难以均勻分散。如何均勻分散碳纳米管并增强碳纳米管 与基体材料界面间的结合作用，是提高复合材料各项性能的关键。碳纤维具有高比强度、高比模量、耐疲劳、抗蠕变和热膨胀系数小等一系列优异的 性能，使其成为近年来最重要的增强材料之一，己广泛用于航空航天、军事工业和体育运动 器材等领域。但是由于碳纤维表面惰性大、表面能低，有化学活性的官能团少，反应活性低， 与基体的粘结性差，复合材料界面中存在较多的缺陷，界面粘接强度低，复合材料界面性能 差的缺陷。另外，碳纤维复合材料在垂直纤维方向的力学性能差，使得碳纤维复合材料层间 强度低，影响了碳纤维复合材料整体性能的发挥，限制了材料在航空航天领域的应用。目前对碳纤维处理采用高温热处理、气相沉积、气相氧化、液相氧化、阳极氧化、化 学涂层、电聚合涂层和冷等技术方法，虽然这些方法在一定程度上提高了碳纤维的表面积， 增加了表面官能团的数量，改善了碳纤维与树脂的浸润性，在一定程度上提高了碳纤维复 合材料的层间强度；但这些方法同时使界面刚性增加，材料韧性降低，并未能改善纤维之间 及碳纤维层板之间树脂基体的性能，因此经以上方法处理过的碳纤维制成的复合材料的冲 击性能未得到很好的改善。表面带有碳纳米管的功能化碳纤维一方面可以在界面增加机械齿合的作用，显著 提高界面性能，另一方面还可以改善纤维间树脂基体的力学性能。同时经过化学修饰后的 碳纳米管和碳纤维与树脂基体通过共价键连接，应力传递能力高，可以显著改善两相之间 的相互作用和界面强度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种界面粘结牢固的表面接枝碳纳米管和二元胺或多元 胺的功能化碳纤维的制备方法。本发明提出的一种功能化碳纤维的制备方法，是将碳纳米管表面纯化，对纯化的 碳纳米管表面进行酸化后，引入具有特征结构的二元胺或多元胺，得到表面具有活性胺基 的接枝型碳纳米管，再将胺基化碳纳米管与表面酸化处理的碳纤维反应，得到的碳纤维表 面接枝有二元胺或多元胺和碳纳米管。其具体步骤如下
(1)称取0. 1 1 X IOg干燥的碳纳米管和10 1 X IO4HIL有机酸混合，在广120kHz超 声波或10 r/mirTlO6 r/min的离心速度搅拌下处理1 M小时，然后加热至20 150°C，反应1 48小时，经去离子水稀释洗涤，微孔滤膜抽滤，反复洗涤多次至滤液为中性，在温 度为25 150°C下真空干燥1 48小时，得到纯化的碳纳米管；
(2)将1 1X IO2g干燥的碳纤维和强氧化性酸1 1 X IO4HiL混合，在广120kHz超声 波下处理0. 1 12小时，然后加热到25 120°C，搅拌并回流反应0. 2 12小时，经去离 子水洗涤，滤纸抽滤，反复洗涤多次至滤液呈中性，在25 150°C温度下真空干燥1 48小 时，得到酸化的碳纤维；
(3)将步骤(1)中得到的纯化碳纳米管0.1 1 X IOg和强氧化性酸1 1 X IO3HiL混 合，在广120kHz超声波下处理0. 1 80小时，然后加热到25 120°C，搅拌并回流反应 1 80小时，经去离子水稀释洗涤，超微孔滤膜抽滤，反复洗涤多次至滤液呈中性，在25 200°C温度下真空干燥1 48小时，得到酸化的碳纳米管；
(4)将步骤(3)所得酸化的碳纳米管0.1 lXlOg、二元胺或多元胺1 lX103g、有 机溶剂1 1 X IO3HiL和缩合剂0. 1 1 X IOg混合，以广120kHz超声波处理0. 1 96小 时，在25 220°C温度下反应1 96小时，抽滤并反复洗涤，在25 200°C温度下真空干燥 1 48小时，得到胺基化的碳纳米管；
(5)将步骤(4)所得胺基化的碳纳米管0.1 1 X 10g、步骤( 所得的酸化碳纤维1 lX102g、有机溶剂1 lXl(fmL和缩合剂0. 1 IX IOg混合，以广120kHz超声波处理 0. 1 12小时，反应温度为25 220°C，反应0. 1 96小时后，往其中添加二元胺或多元 胺0. 1 1 X IO2g和缩合剂0 1 X IOg再反应1 96小时，抽滤并反复洗涤，在25 200°C 温度下真空干燥1 48小时，得到的碳纤维表面接枝有胺基和碳纳米管。本发明中，步骤(1)中所述碳纳米管为电弧放电、化学气相沉淀、模板法、太阳能 法或激光蒸发法中的任一种制备的单壁或多壁碳纳米管。本发明中，步骤(1)中所述有机酸为1 35%重量酸浓度的硝酸、1 55%重量酸 浓度的硫酸或1 50%重量酸浓度的盐酸中任一种或其混合液。本发明中，步骤O)中所述碳纤维为单向长纤维布、双向编织纤维布、三相编织纤 维布或无规短纤维中的任一种或其多种组合。本发明中，步骤O)、(3)中所述强氧化性酸为1 70%重量酸浓度硝酸、1 100%重量酸浓度硫酸、1 / 100 100 / 1摩尔比高锰酸钾和硫酸混合溶液、1 / 100 100 / 1摩尔比硝酸和硫酸混合溶液、1 / 100 100 / 1摩尔比高锰酸钾和硝酸混合溶液、 1 / 100 100 / 1摩尔比过氧化氢和硫酸混合液、1 / 100 100 / 1摩尔比过氧化氢和 盐酸混合液、1 / 100 100 / 1摩尔比过氧化氢和硝酸混合液或15 95%重量浓度过氧 化氢溶液中任一种或其多种组合。本发明中，步骤0)、(5)中所述二元胺为乙二胺、聚乙二胺、1，2-丙二胺、1，3-丙 二胺、1，2-丁二胺、1，3-丁二胺、1，6-己二胺、对苯二胺、环己二胺、间苯二胺、间苯二甲 胺、二胺基二苯基甲烷、孟烷二胺、二乙烯基丙胺、二胺基二苯基甲烷、氯化己二胺、氯化壬 二胺、氯化癸二胺、十二碳二元胺或十三碳二元胺中任一种；所述多元胺为三乙胺、丁三 胺、N-胺乙基哌嗪、双氰胺、己二酸二酰胼、N，N-二甲基二丙基三胺、五甲基二乙烯三胺、 N, N, N, N, N-五甲基二亚乙基三胺、四乙烯五胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、五乙烯六胺或六 乙烯七胺中任一种或其多种组合。本发明中，步骤0)、(5)中所述的有机溶剂为苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯、丁基甲苯、全氯乙烯、三氯乙烯、乙烯基甲苯、乙烯乙二醇醚、二氯甲烷、二硫化碳、磷酸三邻甲酚、 甲醇、乙醇、异丙醇、环己烷、环己酮、甲苯环己酮、乙醚、环氧丙烷、丙酮、甲基丁酮、甲基异 丁酮、乙二醇单甲醚、乙二醇单乙醚、乙二醇单丁醚、乙腈、吡啶、氯苯、二氯苯、二氯甲烷、三 氯甲烷、四氯化碳、三氯乙烯、四氯乙烯、三氯丙烷、二氯乙烷、N，N-二甲基甲酰胺、二甲基亚 砜、二氧六环或四氢呋喃中的任一种或其多种组合。本发明中，步骤0)、(5)中缩合剂为N，N’ - 二环己基碳二亚胺、N，N’ - 二异丙基 碳二亚胺或1-乙基-3- 二甲胺丙基碳二亚胺中的任一种或其多种组合。本发明中，步骤(5)中所述得到的碳纤维表面接枝有胺基和碳纳米管，是功能化 的碳纤维表面接枝有二元胺或多元胺和碳纳米管。本发明提供的制备方法简单易行，所得的是功能化的碳纤维表面接枝有二元胺或 多元胺和碳纳米管。碳纳米管表面的胺基通过与碳纤维表面的羧基反应，使碳纳米管接枝 到碳纤维表面，再在反应体系中加入二元胺或多元胺与碳纤维表面的羧基反应，得到功能 化碳纤维表面接枝有碳纳米管。经本发明功能化的碳纤维可以显著提高基体树脂与碳纤维 之间的界面强度，使复合材料具有很好的层间剪切强度。因此，本发明具有重要的科学技术 价值和实际应用价值。
图1为实施例1中给出的碳纤维表面接枝有碳纳米管的扫描电镜图。图2为实施例1中碳纳米管XPS图。图3为实施例5中给出的三乙烯四胺修饰的碳纳米管透射电镜图。
具体实施例方式下面的实施例是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的范围。实施例1 以电弧放电法制备的多壁碳纳米管(0D<8nm)和碳纤维为最初原料，多 壁碳纳米管经过纯化、酸化和胺基化后与酸化的碳纤维反应，反应一定时间后，再往体系中 加入癸二胺，使碳纤维表面未完全与胺基化的碳纳米管反应的羧基充分胺基化，得到的碳 纤维表面接枝有碳纳米管和癸二胺。步骤(1)在已装有搅拌器的250mL单颈圆底烧瓶中，加入1. Ig经干燥的多壁碳 纳米管原料和100mL、20%硝酸溶液，在IkHz超声波下处理M小时，然后加热至20°C，反应 48小时，用ΨΟ. 45ΜΠ1聚偏四氟乙烯微滤膜抽滤，用去离子水洗涤3-10次至中性，25°C下真 空干燥M小时后，得到纯化的多壁碳纳米管；
步骤O)在已装有搅拌器的250mL单颈圆底烧瓶中，加入经干燥的碳纤维20g和 100mL、60%重量浓度浓硝酸，经120kHz超声波处理0. 1小时后加热到25°C，搅拌并回流下 反应12小时，经滤纸抽滤，用去离子水反复洗涤3-10次至中性，150°C下真空干燥48小时 后，得到酸化的碳纤维；
步骤(3)在已装有搅拌器的250mL单颈圆底烧瓶中，加入步骤(1)中得到的纯化的多 壁碳纳米管原料Ig和100mL、60%重量浓度浓硝酸，经120kHz超声波处理1小时后加热到 25°C，搅拌并回流下反应48小时，用Ψ 1.2Mffl聚偏四氟乙烯超滤膜抽滤，用去离子水反复洗 涤3-10次至中性，80°C真空干燥48小时后，得到酸化的多壁碳纳米管；步骤在已装有搅拌器的250mL三颈圆底烧瓶中，加入步骤(3)所得酸化的碳纳米 管lg、癸二胺10g，、丙酮IOOmL和N，N-二环己基碳二亚胺10g，用IOOkHz超声波处理M 小时后，在50°C下搅拌反应1小时，抽滤除去未反应物和反应副产物，反复用去离子水洗涤 3-10次后，80°C真空干燥48小时，得到表面带有胺基的多壁碳纳米管；
步骤(5)在已装有搅拌器的500mL三颈圆底烧瓶中，加入步骤(4)胺基化的碳纳米管 lg、步骤(2)酸化的碳纤维20g、丙酮IOOmL和N，N-二环己基碳二亚胺10g，加热并搅拌，用 60kHz超声波处理0. 1小时后，在25°C下反应96小时后，往烧瓶中添加癸二胺2g和N，N- 二 环己基碳二亚胺Ig再反应48小时，抽滤并反复洗涤，在70°C下真空干燥M小时，得到的碳 纤维表面接枝有碳纳米管和癸二胺；
图1给出了碳纤维表面接枝有碳纳米管和癸二胺的扫描电镜图。图2给出的XPS数据可以得出多壁碳纳米管表面胺基含量为5. 6%。实施例2 以化学气相沉积法制备的单壁碳纳米管(0D<8nm)为最初原料，单壁碳 纳米管经过纯化、酸化和胺基化后与酸化的碳纤维反应，反应一定时间后，再往体系中加入 己二胺，使碳纤维表面未完全与胺基化的碳纳米管反应的羧基充分胺基化，得到的碳纤维 表面接枝有碳纳米管和己二胺。步骤(1)在已装有磁力搅拌转子的500mL单颈圆底烧瓶中，加入3. Ig经干燥的 单壁碳纳米管原料，250mL、20%重量浓度的硫酸，用120kHz超声波处理12小时，然后加热 至180°C，反应48小时，用Ψ0. SMffl聚偏四氟乙烯微滤膜抽滤，用去离子水反复洗涤至中性， 100°C真空干燥M小时后，得到纯化的碳纳米管；
步骤O)在已装有搅拌器的500mL单颈圆底烧瓶中，加入经干燥的碳纤维30g和 300mL、60%重量浓度浓硝酸，经120kHz超声波处理0. 1小时后加热到120°C，搅拌并回流 下反应3小时，经滤纸抽滤，用去离子水反复洗涤3-10次至中性，150°C下真空干燥48小时 后，得到酸化的碳纤维；
步骤⑶在已装有磁力搅拌转子的500mL单颈圆底烧瓶中，加入步骤⑴中得到的纯 化的单壁碳纳米管原料3g和200mL、98%浓硫酸溶液，经70kHz超声波处理2小时后加热到 80°C，搅拌并回流下反应80小时，用Ψ .2μπι聚偏四氟乙烯超滤膜抽滤，用去离子水反复洗 涤3-10次至中性，100°C真空干燥M小时后，得到酸化的单壁碳纳米管；
步骤在已装有磁力搅拌转子的500mL三颈圆底烧瓶中，加入步骤(3)所得酸化的 单壁碳纳米管3g、己二胺20g、N, N- 二甲基甲酰胺20g和和N，N- 二环己基碳二亚胺2g，经 IkHz超声波处理96小时后，在120°C下反应12小时，抽滤除去未反应物和反应副产物，反 复用去离子水洗涤后，100°C真空干燥1小时，得到表面带有胺基的单壁碳纳米管；
步骤(5)在已装有磁力搅拌转子的500mL三颈圆底烧瓶中，加入步骤(4)胺基化的单 壁碳纳米管3g、步骤⑵酸化的碳纤维30g、N，N- 二甲基甲酰胺20g和N，N- 二环己基碳二 亚胺3g，加热并搅拌，用IOOkHz超声波处理1小时后，在120°C下反应12小时后，往烧杯中 添加己二胺5g和N，N- 二环己基碳二亚胺2g再反应M小时，抽滤并反复洗涤多次，在70°C 下真空36小时，得到的碳纤维表面接枝有碳纳米管和己二胺。XPS结果表明单壁碳纳米管表面胺基含量为6. 4%。实施例3 以激光蒸发法制备的单壁碳纳米管(0D<8nm)为最初原料，单壁碳纳米 管经过纯化、酸化和胺基化后与酸化的碳纤维反应，反应一定时间后，再往体系中加入乙二
7胺，使碳纤维表面未完全与胺基化的碳纳米管反应的羧基充分胺基化，得到的碳纤维表面 接枝有碳纳米管和乙二胺。步骤(1)在已装有磁力搅拌转子的IOOOmL单颈圆底烧瓶中，加入IOg单壁碳纳 米管原料和250mL、20%重量浓度硫酸溶液，用120kHz超声波处理80小时，然后加热并在 150°C下搅拌并回流，反应48小时，用Ψ0. SMffl聚偏四氟乙烯微滤膜抽滤，用去离子水反复 洗涤2-10次至中性，100°C真空干燥48小时后得到纯化的单壁碳纳米管；
步骤O)在已装有搅拌器的IOOOmL单颈圆底烧瓶中，加入经干燥的碳纤维IOOg和 300mL、60%重量浓度浓硝酸，加入经120kHz超声波处理0. 5小时后加热到35°C，搅拌并回 流下反应12小时，经滤纸抽滤，用去离子水反复洗涤3-10次至中性，120°C下真空干燥48 小时后，得到酸化的碳纤维；
步骤(3)在装有磁力搅拌转子的IOOOmL单颈圆底烧瓶中，加入步骤(1)纯化的单壁 碳纳米管9. Sg和250mL、体积比为3 1的浓硝酸和浓硫酸混合液，经120kHz超声波处理80 小时后加热到^°C，搅拌并回流下反应1小时，用Ψ1. 2Mm聚偏四氟乙烯超滤膜抽滤，用去 离子水反复洗涤至中性，65°C真空干燥48小时后，得到酸化的单壁碳纳米管；
步骤(4)在装有磁力搅拌转子的IOOOmL三颈圆底烧瓶中，加入步骤(3)所得酸化的 碳纳米管9. 7g、乙二胺100g、丙酮600mL和N，N’-二异丙基碳二亚胺IOgJS 120Hz超声波 处理10小时后，加热到55°C，搅拌并回流下反应96小时，抽滤并反复洗涤除多次后，100°C 真空干燥50小时，得到胺基化的单壁碳纳米管；
步骤(5)在已装有搅拌器的IOOOmL三颈圆底烧瓶中，加入步骤(4)所得的胺基化单 壁碳纳米管9. 6g、步骤(2)酸化的碳纤维100g、丙酮600mL和N，N’ - 二异丙基碳二亚胺 10g，加热并搅拌，用60kHz超声波处理0. 1小时后，在55°C下反应8小时后，再往烧瓶中添 加乙二胺IOg和N，N’_ 二异丙基碳二亚胺IOg再反应72小时，抽滤并反复洗涤，在70°C下 真空干燥48小时，得到的碳纤维表面接枝有碳纳米管和乙二胺。XPS分析结果表明单壁碳纳米管表面胺基含量为6. 9%。实施例4 以激光蒸发法制备的单壁碳纳米管(0D<8nm)为最初原料，单壁碳纳米 管经过纯化、酸化和胺基化后与酸化的碳纤维反应，反应一定时间后，再往体系中加入四乙 烯五胺，使碳纤维表面未完全与胺基化的碳纳米管反应的羧基充分胺基化，得到的碳纤维 表面接有多壁碳纳米管和四乙烯五胺。步骤(1)在已装有磁力搅拌转子的500mL单颈圆底烧瓶中，加入2. Ig单壁碳纳 米管原料，200mL、20%重量浓度的硫酸，用120kHz超声波处理10小时，然后加热至100°C， 反应48小时，用Ψ0. SMffl聚偏四氟乙烯微滤膜抽滤，用去离子水反复洗涤至中性，100°C真 空干燥M小时后，得到纯化的碳纳米管；
步骤O)在已装有磁力搅拌转子的500mL单颈圆底烧瓶中，加入经干燥的碳纤维50g 和1001^、60%重量浓度浓硝酸，经120kHz超声波处理0. 1小时后加热到45°C，搅拌并回流 下反应12小时，经滤纸抽滤，用去离子水反复洗涤3-10次至中性，150°C下真空干燥48小 时后，得到酸化的碳纤维；
步骤(3)在已装有磁力搅拌转子的500mL单颈圆底烧瓶中，加入步骤(1)所得酸化的 碳纳米管2g和100mL、60%重量浓度浓硝酸，经120kHz超声波处理1小时后加热到65°C，搅 拌并回流下反应M小时，用Ψ1. 2Mm聚偏四氟乙烯超滤膜抽滤，用去离子水反复洗涤3-10次至中性，70°C真空干燥48小时后，得到酸化的单壁碳纳米管；
步骤在已装有磁力搅拌转子的500mL三颈圆底烧瓶中，加入步骤(3)所得酸化的 碳纳米管2g和四乙烯五胺10g、丙酮IOOmL和N，N-二环己基碳二亚胺2g，用IkHz超声波 处理96小时后，在55°C下反应12小时，抽滤除去未反应物和反应副产物，反复用去离子水 洗涤后，200°C真空干燥1小时，得到表面带有胺基的单壁碳纳米管；
步骤(5)在已装有磁力搅拌转子的500mL三颈圆底烧瓶中，加入步骤(4)胺基化的碳 纳米管2g、步骤(2)酸化的碳纤维40g、丙酮300mL、N, N- 二环己基碳二亚胺2g加热并搅 拌，用IOOkHz超声波处理反应0. 1小时后，再加入四乙烯五胺2g，在40°C下反应64小时， 抽滤并反复洗涤，在70°C下真空干燥M小时，得到的碳纤维表面接枝有碳纳米管和四乙烯 五胺。XPS结果表明碳纳米管表面胺基含量为7. 4%。实施例5 以电弧放电法制备的多壁碳纳米管(0D<8nm)和碳纤维为最初原料，多 壁碳纳米管经过纯化、酸化和胺基化后与酸化的碳纤维反应，反应一定时间后，再往体系中 加入三乙烯四胺，使碳纤维表面未完全与胺基化的碳纳米管反应的羧基充分胺基化，得到 的碳纤维表面接有多壁碳纳米管和三乙烯四胺。步骤(1)在已装有搅拌器的250mL单颈圆底烧瓶中，加入1. Ig经干燥的多壁碳 纳米管原料和100mL、20%硝酸溶液，在120kHz超声波下处理12小时，然后加热至60°C，反 应48小时，用Ψ 0. SMffl聚偏四氟乙烯微滤膜抽滤，用去离子水洗涤3-10次至中性，85°C下 真空干燥M小时后，得到纯化的多壁碳纳米管；
步骤O)在已装有搅拌器的250mL单颈圆底烧瓶中，加入经干燥的碳纤维25g和 120mL、60%重量浓度浓硝酸，加入经120kHz超声波处理12小时后加热到25°C，搅拌并回流 下反应1小时，经滤纸抽滤，用去离子水反复洗涤3-10次至中性，150°C下真空干燥48小时 后，得到酸化的碳纤维；
步骤(3)在已装有搅拌器的250mL单颈圆底烧瓶中，加入步骤(1)中得到的纯化的多 壁碳纳米管Ig和120mL、98%浓硫酸溶液，经60kHz超声波处理1小时后加热到65°C，搅拌 并回流下反应M小时，用Ψ 1.2Mm聚偏四氟乙烯超滤膜抽滤，用去离子水反复洗涤3-10次 至中性，80°C真空干燥48小时后，得到酸化的多壁碳纳米管；
步骤在已装有搅拌器的250mL三颈圆底烧瓶中，加入步骤(3)所得酸化的碳纳米 管lg、三乙烯四胺10g、丙酮IOOmL和N，N，- 二异丙基碳二亚胺lg，经IOOkHz超声波处理 1小时后，在50°C下搅拌反应0. 5小时，抽滤除去未反应物和反应副产物，反复用去离子水 洗涤3-10次后，80°C真空干燥M小时，得到表面带有胺基的多壁碳纳米管；
步骤(5)在已装有搅拌器的500mL三颈圆底烧瓶中，加入步骤(4)胺基化的多壁碳纳 米管Ig步骤(2)酸化的碳纤维25g、丙酮IOOmL和N，N’ - 二异丙基碳二亚胺2g，加热并搅 拌，用IkHz超声波处理2小时后，在70°C下反应12小时后，再往烧瓶中添加三乙烯四胺2g 和N，N’_ 二异丙基碳二亚胺Ig再反应48小时，抽滤并反复洗涤，在70°C下真空干燥M小 时，得到的碳纤维表面接枝有碳纳米管和三乙烯四胺。XPS结果表明多壁碳纳米管表面胺基含量为7. 2%。图3给出了三乙烯四胺修饰的碳纳米管透射电镜图。上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般 原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本 领域技术人员根据本发明的揭示，对本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围 之内。
权利要求
1.一种功能化碳纤维的制备方法，其特征在于具体步骤如下(1)称取0.1 1 X IOg干燥的碳纳米管和10 1 X IO4HIL有机酸混合，在广120kHz超 声波或10 r/mirTlO6 r/min的离心速度搅拌下处理1 M小时，然后加热至20 150°C， 反应1 48小时，经去离子水稀释洗涤，微孔滤膜抽滤，反复洗涤多次至滤液为中性，在温 度为25 150°C下真空干燥1 48小时，得到纯化的碳纳米管；(2)将1 1X IO2g干燥的碳纤维和强氧化性酸1 1 X IO4HiL混合，在广120kHz超声 波下处理0. 1 12小时，然后加热到25 120°C，搅拌并回流反应0. 2 12小时，经去离 子水洗涤，滤纸抽滤，反复洗涤多次至滤液呈中性，在25 150°C温度下真空干燥1 48小 时，得到酸化的碳纤维；(3)将步骤(1)中得到的纯化碳纳米管0.1 1 X IOg和强氧化性酸1 1 X IO3HiL混 合，在广120kHz超声波下处理0. 1 80小时，然后加热到25 120°C，搅拌并回流反应 1 80小时，经去离子水稀释洗涤，超微孔滤膜抽滤，反复洗涤多次至滤液呈中性，在25 200°C温度下真空干燥1 48小时，得到酸化的碳纳米管；(4)将步骤(3)所得酸化的碳纳米管0.1 lXlOg、二元胺或多元胺1 lX103g、有 机溶剂1 1 X IO3HiL和缩合剂0. 1 1 X IOg混合，以广120kHz超声波处理0. 1 96小 时，在25 220°C温度下反应1 96小时后，抽滤并反复洗涤，在25 200°C温度下真空干 燥1 48小时，得到胺化的碳纳米管；(5)将步骤(4)所得胺基化的碳纳米管0.1 lXlOg、步骤( 所得的酸化碳纤维 1 1 X 102g、有机溶剂1 1 X 103mL和缩合剂0. 1 1 X IOg混合，以广120kHz超声波处 理0. 1 12小时，在温度为25 220°C下反应0. 1 96小时后，往其中添加二元胺或多元 胺0. 1 1 X IO2g和缩合剂O 1 X IOg再反应1 96小时，抽滤并反复洗涤，在25 200°C 温度下真空干燥1 48小时，得到的碳纤维表面接枝有胺基和碳纳米管。
2.根据权利要求1所述的一种功能化碳纤维的制备方法，其特征在于步骤(1)中所述 碳纳米管包括化学气相沉积法、电弧放电法、太阳能法、模板法或激光蒸发法中的任一种制 备的单壁或多壁碳纳米管或其以任意比例混合的混合物。
3.根据权利要求1所述的一种功能化碳纤维的制备方法，其特征在于步骤(1)中所述 有机酸为1 35%重量酸浓度的硝酸、1 55%重量酸浓度的硫酸或1 50%重量酸浓度 的盐酸中任一种或其多种混合液。
4.根据权利要求1所述的一种功能化碳纤维的制备方法，其特征在于步骤(2)中所述 碳纤维为单向长纤维布、双向编织纤维布、三相编织纤维布或无规短纤维中的任一种或其 多种组合。
5.根据权利要求1所述的一种功能化碳纤维的制备方法，其特征在于步骤O)、(3) 中所述强氧化性酸为0. 1 70%重量酸浓度硝酸、1 100%重量酸浓度硫酸、1 / 100 100 / 1摩尔比高锰酸钾和硫酸混合溶液、1 / 100 100 / 1摩尔比硝酸和硫酸混合溶液、 1 / 100 100 / 1摩尔比高锰酸钾和硝酸混合溶液、1 / 100 100 / 1摩尔比过氧化氢 和硫酸混合液、1 / 100 100 / 1摩尔比过氧化氢和盐酸混合液、1 / 100 100 / 1摩 尔比过氧化氢和硝酸混合液或15 95%重量浓度过氧化氢溶液中任一种或其多种组合。
6.根据权利要求1所述的一种功能化碳纤维的制备方法，其特征在于步骤G)、(5) 中所述二元胺为乙二胺、聚乙二胺、1，2-丙二胺、1，3-丙二胺、1，2- 丁二胺、1，3 丁二胺、·1,6-己二胺、对苯二胺、环己二胺、间苯二胺、间苯二甲胺、二胺基二苯基甲烷、孟烷二胺、 二乙烯基丙胺、二胺基二苯基甲烷、氯化己二胺、氯化壬二胺、氯化癸二胺、十二碳二元胺或 十三碳二元胺中任一种；所述多元胺为三乙胺、丁三胺、N-胺乙基哌嗪、双氰胺、己二酸二 酰胼、N，N- 二甲基二丙基三胺、五甲基二乙烯三胺、N，N, N, N, N-五甲基二亚乙基三胺、四乙 烯五胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、五乙烯六胺或六乙烯七胺中任一种或其多种组合。
7.根据权利要求1所述的一种功能化碳纤维的制备方法，其特征在于步骤G)、(5)中 所述的有机溶剂为苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯、丁基甲苯、全氯乙烯、三氯乙烯、乙烯基甲苯、 乙烯乙二醇醚、二氯甲烷、二硫化碳、磷酸三邻甲酚、甲醇、乙醇、异丙醇、环己烷、环己酮、甲 苯环己酮、乙醚、环氧丙烷、丙酮、甲基丁酮、甲基异丁酮、乙二醇单甲醚、乙二醇单乙醚、乙 二醇单丁醚、乙腈、吡啶、氯苯、二氯苯、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳、三氯乙烯、四氯乙 烯、三氯丙烷、二氯乙烷、N，N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、二氧六环或四氢呋喃中的任一种 或其多种组合。
8.根据权利要求1所述的一种功能化碳纤维的制备方法，其特征在于步骤G)、(5)中 所述缩合剂为N，N’ - 二环己基碳二亚胺、N, N’ - 二异丙基碳二亚胺或1-乙基-3- 二甲胺 丙基碳二亚胺中的任一种或其多种组合。
9.根据权利要求1所述的一种功能化碳纤维的制备方法，其特征在于步骤(5)中所述 得到的碳纤维表面接枝有胺基和碳纳米管，是功能化的碳纤维表面接枝有二元胺或多元胺 和碳纳米管的碳纤维。
全文摘要
本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种功能化碳纤维的制备方法。本发明将碳纳米管经过羧基化功能化后，再在碳纳米管上引入二元胺或多元胺，得到表面胺基化的碳纳米管与表面经过羧基化的碳纤维反应，控制反应时间，再在碳纤维表面引入二元胺或多元胺，得到胺基化的碳纤维表面接枝有碳纳米管。本发明反应步骤简单可控，利用碳纳米管的强度和韧性强韧化碳纤维，改善碳纤维与树脂基体的粘结性能，提高复合材料的界面粘结强度。很好的解决了现有碳纤维处理方法处理后使碳纤维界面刚性增加、韧性降低的缺点。本发明制备的表面接枝碳纳米管的碳纤维拓宽了碳纤维的应用范围。
文档编号C08K7/06GK102108634SQ20111000023
公开日2011年6月29日 申请日期2011年1月4日 优先权日2011年1月4日
发明者王宗明, 邱军 申请人:同济大学