一种凯夫拉纤维表面修饰氧化石墨烯的制备方法与流程

本发明涉及复合材料领域，具体是涉及一种凯夫拉纤维表面修饰氧化石墨烯的制备方法。

背景技术：

1、凯夫拉纤维是一种由美国杜邦公司研制的聚对苯二甲酰对苯二胺高性能纤维，并以“kevlar”(凯芙拉)作为其商标。凯夫拉纤维强度大、模量高、耐高温、化学介质腐蚀，主要用于防弹服、纺织防酸碱面料、耐火面料、工业阻燃隔热保温型材料、多元功能性新型复合材料等领域。但是凯夫拉纤维表面没有活性官能团，性能稳定，结构光滑，与基体结合性能较差，限制了复合材料力学性能和机械性能的进一步提高。

2、凯夫拉纤维具有的耐高低温性、耐辐射性能和高强高模等优异性能，可用其制作纤维复合材料，从而应用在耐高低温和耐辐射等应用领域，比较有代表性的就是国防和航空航天领域。凯夫拉纤维在高温下可稳定存在数小时，可用其制作火箭的零部件和航空航天器的一些零部件，用来应对外太空的苛刻温度环境，俄国的利尔索特公司将凯夫拉纤维与其它金属线一起制成了轻质耐热电缆屏蔽护套来应用在特种用途飞机上。

3、氧化石墨烯表面的极性官能团作用，从而很容易与极性有机分子和聚合物形成纳米复合材料。氧化石墨烯的层状蜂窝状结构使其继承了石墨烯的高强力学性能。氧化石墨烯的二维平面内，与含氧基团相连的碳原子由sp2杂化转变为sp3杂化。氧化石墨烯基本保持了石墨烯的蜂巢晶格紧密排列构成的二维结构，但在石墨烯的二维平面上连有大量含氧官能团，这些官能团包括分布于二维平面内的羟基(–oh)、环氧基(-c-o-c-)，以及分布于片层边缘的羧基(-cooh)和羰基(c＝o)。

4、同时复合材料的性能不仅仅取决于其基体材料的性能，同时也很大程度的取决于各个组分之间的界面结合情况。复合材料的界面是增强相和基体相之间的中间桥梁，也是能量和信息的传递者，良好的界面结合性可以有效的传递载荷从而提高复合材料的力学性能。因此充分利用良好界面效应的优越性，提高凯夫拉纤维表面的粗糙度和比表面积，提高凯夫拉纤维与基体材料的界面结合性能，可以很大程度的提高复合材料的力学性能和机械性能。

技术实现思路

1、本发明所要解决的问题是弥补凯夫拉纤维表面结构稳定，与基体结合性能较差，制备出一种氧化石墨烯改性过的凯夫拉纤维，提高凯夫拉纤维与基体树脂的界面结合性能，从而进一步提高复合材料的力学性能和机械性能。

2、本发明的目的及解决其技术问题是采用如下技术方案来实现的。

3、(1)对凯夫拉纤维进行清洗；(2)将清洁处理过的凯夫拉纤维表面接枝酰氯官能团；(3)将石墨以改进的hummers法制备氧化石墨烯；(4)制备含有氨基官能团的氧化石墨烯；(5)将表面修饰有酰氯官能团的凯夫拉纤维与含有氨基官能团的氧化石墨烯反应，获得氧化石墨烯化学修饰的凯夫拉纤维。

4、所述的凯夫拉纤维是一种高强高模且表面惰性的有机合成纤维，其形式可以是连续长纤维，也可以是短切纤维。

5、所述的凯夫拉纤维表面接枝酰氯官能团的方法为：将处理干净的凯夫拉纤维依次经过0.5mol/l氢氧化钾溶液处理10min，0.5mol/l醋酸溶液反应处理5min，n,n'–二甲基甲酰胺体积分数为1～2vol.％的氯化亚砜溶液处理12h，得到表面接枝酰氯官能团的凯夫拉纤维。

6、步骤(3)的具体操作为：将石墨粉、硝酸钠和高锰酸钾按照质量比为2:1:3～6的比例依次加入并均匀分散到浓硫酸中，室温条件下搅拌反应3h后，升温至95℃充分搅拌反应1h，随后用蠕动泵加入体积分数为8vol.％的双氧水溶液，然后离心清洗、去离子水透析处理和真空冷冻干燥处理得到氧化石墨烯。

7、步骤(4)的具体操作为：将氧化石墨烯均匀分散到n-甲基吡咯烷酮中，加入4,4′–二氨基二苯醚，在氮气氛围下，制备氨基官能化氧化石墨烯，反应温度为60℃，反应时间为2h。

8、步骤(5)的具体操作为：将表面接枝酰氯官能团的凯夫拉纤维和氨基官能化氧化石墨烯按照质量比为50:1～2的比例均匀分散到氯化亚砜溶剂中，滴加n,n'–二甲基甲酰胺催化反应，制备氧化石墨烯化学修饰的凯夫拉纤维，反应温度为常温，反应时间为24h。

9、通过如上的方法就可以得到了被氧化石墨烯改性过的凯夫拉纤维，提高了凯夫拉纤维的表面粗糙度，改性后的凯夫拉纤维比表面积大幅度提高，同时提高了纤维与基体树脂的界面结合性能。

技术特征：

1.一种凯夫拉纤维表面化学修饰氧化石墨烯的制备方法，其特征在于：采用化学接枝法对凯夫拉纤维表面进行氧化石墨烯修饰，从而增强其表面粗糙程度、降低表面能、提高其亲水性和比表面积。

2.一种凯夫拉纤维表面化学修饰氧化石墨烯的制备方法，其特征在于：由以下步骤制备而成：(1)对凯夫拉纤维进行清洗；(2)将清洁处理过的凯夫拉纤维表面接枝酰氯官能团；(3)将石墨以改进的hummers法制备氧化石墨烯；(4)制备含有氨基官能团的氧化石墨烯；(5)将表面修饰有酰氯官能团的凯夫拉纤维与含有氨基官能团的氧化石墨烯反应，获得氧化石墨烯化学修饰的凯夫拉纤维。

3.如权利要求2所述的一种凯夫拉纤维表面化学修饰氧化石墨烯的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的凯夫拉纤维表面接枝酰氯官能团的方法为：将处理干净的凯夫拉纤维依次经过0.5mol/l氢氧化钾溶液处理10min，0.5mol/l醋酸溶液反应处理5min，n,n–二甲基甲酰胺的体积分数为1～5vol.％的氯化亚砜溶液处理12h，得到表面接枝酰氯官能团的凯夫拉纤维，反应温度为室温。

4.如权利要求2所述的一种凯夫拉纤维表面化学修饰氧化石墨烯的制备方法，其特征在于：步骤(3)的具体操作为：将石墨粉、硝酸钠和高锰酸钾按照质量比为2:1:3～6的比例依次加入并均匀分散到浓硫酸中，室温条件下搅拌反应3h后，升温至95℃充分搅拌反应1h，随后用蠕动泵加入体积分数为8vol.％的双氧水溶液，然后离心清洗、去离子水透析处理和真空冷冻干燥处理得到氧化石墨烯。

5.如权利要求2所述的一种凯夫拉纤维表面化学修饰氧化石墨烯的制备方法，其特征在于：步骤(4)的具体操作为：将氧化石墨烯均匀分散到n–甲基吡咯烷酮中，加入4,4′–二氨基二苯醚，在氮气氛围下，制备氨基官能团化的氧化石墨烯，反应温度为60℃，反应时间为2h。

6.如权利要求2所述的一种凯夫拉纤维表面化学修饰氧化石墨烯的制备方法，其特征在于：步骤(5)的具体操作为：将表面接枝酰氯官能团的凯夫拉纤维和氨基官能团化的氧化石墨烯按照质量比为50:1～2的比例均匀分散到氯化亚砜溶剂中，滴加二甲基甲酰胺催化反应，制备氧化石墨烯化学修饰的凯夫拉纤维，反应温度为室温，反应时间为24h。

技术总结
本发明公开了一种凯夫拉纤维表面修饰氧化石墨烯的制备方法，该方法的具体步骤为：将表面清洁处理的凯夫拉纤维依次经过氢氧化钾溶液、醋酸溶液、氯化亚砜和N,N‑二甲基甲酰胺混合液处理，得到表面含有酰氯官能团的凯夫拉纤维。将氧化石墨烯加入到N‑甲基吡咯烷酮中，滴加4,4′–二氨基二苯醚，在氮气氛围下，制备氨基官能团化的氧化石墨烯。将酰氯化的凯夫拉纤维均匀分散到氯化亚砜中，滴加N,N–二甲基甲酰胺，加入氨基官能化氧化石墨烯，超声分散后，反应得到氧化石墨烯化学修饰的凯夫拉纤维。本发明的方法可有效提高凯夫拉纤维的表面粗糙度、降低表面能、提高其亲水性和比表面积，有利于其应用于热塑性塑料的增强改性。

技术研发人员：汪晓东,闫东鹏,季生福
受保护的技术使用者：山东朋福新材料科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17