碳纤维表面改性剂、改性碳纤维、复合材料以及它们的制备方法
【专利摘要】本发明提供一种碳纤维表面改性剂、改性碳纤维、复合材料以及它们的制备方法，碳纤维表面改性剂结构通式如式（I）所示：（I）式（I）中，R1、R2、R1'、R2'各自彼此独立地代表氢、羟基、或C1-C3的烷基；R3、R4各自彼此独立地代表C1-C18烷基、C1-C18烷氧基、羟基、氨基、卤素、氢、酰胺基、酯基、或硅氧基，且R3、R4不同时为氢；R5代表氢、羟基、氨基、卤素、或烷氧基。本发明的碳纤维表面改性剂拓展了碳纤维的应用领域，经改性过的碳纤维可广泛用于PA、ABS、PEEK、聚烯烃等热塑性树脂，制备力学性能优异的碳纤维树脂复合材料。
【专利说明】碳纤维表面改性剂、改性碳纤维、复合材料以及它们的制备方法
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明涉及一种改性剂，尤其涉及碳纤维表面改性剂及其制备方法、碳纤维表面改性剂制得的改性碳纤维及改性碳纤维制备方法、改性碳纤维与树脂制备的复合材料及复合材料的制备方法、以及复合材料的应用。
[0003]【背景技术】
[0004]碳纤维具有突出的力学性能，在复合材料中广泛使用碳纤维进行增强，近年来改善碳纤维与基体树脂间的界面性能成为研究的热点。碳纤维表面活性官能团少，与基体树脂复合时形成的有效化学键少、相容性差，导致碳纤维复合材料中易形成脆性界面层结构。为提高碳纤维与基体树脂间的界面性能，工业上通常对碳纤维表面进行氧化处理，赋予碳纤维表面羟基、羰基等活性含氧官能团，常见的有阳极氧化法、硝酸氧化法、高锰酸钾氧化法等，但这类方法容易损伤碳纤维表面，破坏其力学性能。为了不损伤纤维表面提高碳纤维与基体树脂界面性能，中国专利申请CN1944783A使用聚合物接枝技术对碳纳米纤维表面改性，使纤维表面富有多种活性官能团，但是，这种方法工艺复杂，条件苛刻，生产运行成本高，在一定程度上限制了工业化生产。
[0005]
【发明内容】
[0006]鉴于以上所述，本发明有必要提供一种可改善碳纤维表面活性的碳纤维表面改性剂。
[0007]本发明所采用的技术方案是，一种碳纤维表面改性剂，其结构通式如式(I)所示:
【权利要求】
1.一种碳纤维表面改性剂，其结构通式如式(工)所示:
2.一种碳纤维表面改性剂，其结构式中包括一个腔体，腔体为碳、氮、氢、以及和/或氧共12个原子构成，腔体内有取代基团R5与氨基官能团，所述R5包括氢、羟基、氨基、卤素或烷氧基，所述R5和氨基与碳纤维表面的含氧羧基、醛基、酮基、羟基官能团发生化学反应或形成氢键，使得碳纤维表面改性剂通过化学键吸附在碳纤维表面。
3.根据权利要求2所述的碳纤维表面改性剂，其特征在于:所述结构式如式(I)所示:
4.根据权利要求1或3所述的碳纤维表面改性剂，其特征在于:所述RpRylV、R2’各自独立地选择甲基、乙基或氢。
5.根据权利要求1或3所述的碳纤维表面改性剂，其特征在于:所述R5选自羟基。
6.根据权利要求1或3所述的碳纤维表面改性剂，其特征在于:所述C1-C18烷基指具有1-18个碳原子的直链或支链的烷基。
7.根据权利要求6所述的碳纤维表面改性剂，其特征在于:所述&-(:18烷基选则十四烷基或十八烷基。
8.根据权利要求1或3所述的碳纤维表面改性剂，其特征在于:所述C1-C18烷氧基是指具有1-18个碳原子的直链或支链的烷氧基。
9.根据权利要求8所述的碳纤维表面改性剂，其特征在于:所述C1-C18烷氧基选则丙氧基、2-乙基-己氧基、或癸氧基。
10.根据权利要求1或3所述的碳纤维表面改性剂，其特征在于:所述卤素包括氟、氯、溴或碘原子。
11.根据权利要求1或3所述的碳纤维表面改性剂，其特征在于:所述酰胺基分子式为-(CH2)nCONH-R, η取1_15的任意整数，R是C1-C18的直链或支链的烷基、或氢。
12.根据权利要求1或3所述的碳纤维表面改性剂，其特征在于:所述酯基的分子式为-(CH2)nCO2-R, η取1-15的整数，R是C1-C18的直链或支链的烷基。
13.根据权利要求1或3所述的碳纤维表面改性剂，其特征在于:所述氨基包括-NH2、-NHRp -NR1R2，其中R1、R2各自彼此独立地代表C1-C18烷基及其衍生物。
14.根据权利要求1或3所述的碳纤维表面改性剂，其特征在于:所述R3、R4彼此独立地选自十四烷基、十八烷基、乙酰胺基、丙酰胺基、乙酸基甲酯、乙醇基乙酯、丙氧基、(2-乙基)_己氧基、癸氧基、Ar, Ar- _.-2-甲氧基-乙基氣基、Ar, Ar- _二乙羟基氣基，-NH2、羟基、氧、三甲基硅氧基、叔丁基二甲基硅氧基、-(CH2)3Si (OCH3) 3、- (CH2)2OSi (CH3)2C(CH3) 3、或-(CH2)6Si (CH3) 20-CH3。
15.根据权利要求1或3所述的碳纤维表面改性剂，其特征在于:所述改性碳纤维改进
16.根据权利要求1或3所述的碳纤维表面改性剂，其特征在于:所述改性碳纤维改进 剂结构式如式(Cl)所示:
17.根据权利要求1或3所述的碳纤维表面改性剂，其特征在于:所述改性碳纤维改进 剂结构式如式(C2)所示:
18.根据权利要求1或3所述的碳纤维表面改性剂，其特征在于:所述改性碳纤维改进
剂结构式如式(C3)所示:
19.一种权利要求1-14任意一项所述的碳纤维表面改性剂的制备方法，包括如下步骤: 提供组分A和组分B:
其中组分A为乙二胺衍生物，其结构式为
20.根据权利要求19所述的碳纤维表面改性剂的制备方法，其特征在于:所述还原反应后的产物再经萃取，干燥，溶液旋蒸，得到碳纤维表面改性剂。
21.根据权利要求19所述的碳纤维表面改性剂的制备方法，其特征在于:所述组分A为:1，1- 二甲基-1，2- 二胺，所述组分B为3，5- 二羟基水杨醛。
22.根据权利要求19所述的碳纤维表面改性剂的制备方法，其特征在于:所述组分A为:1，1- 二甲基-1，2- 二胺，所述组分B为4，6- 二丙氧基水杨醛。
23.根据权利要求19所述的碳纤维表面改性剂的制备方法，其特征在于:所述组分A为:1，1，2，2-四甲基-1，2- 二胺，所述组分B为4- 二丁氨基水杨醛。
24.一种改性碳纤维，通过碳纤维表面改性剂与碳纤维制备，所述碳纤维表面改性剂的结构通式如式(I)所示:
25.一种改性碳纤维的制备方法，由权利要求1-14任意一项所述的碳纤维表面改性剂与碳纤维制成，包括如下步骤: 碳纤维表面改性剂溶解至有机溶剂或水中形成改性剂溶液，浓度为1.2-2.4wt%, 将碳纤维置入改性剂溶液内进行浸润，碳纤维与改性剂反应； 取出、烘干后，得到改性碳纤维。
26.—种改性碳纤维,其特征在于:根据权利要求25所述的碳纤维表面改性剂的制备方法制得。
27.一种复合材料，通过碳纤维表面改性剂与碳纤维制得改性碳纤维，改性碳纤维与树脂制得，所述碳纤维表面改性剂的 结构通式如式(I )所示:
28.根据权利要求27所述的复合材料，其特征在于:所述复合材料通过结构式如Cl所示的碳纤维改性剂与T700碳纤维、PA6、以及助剂制得，Cl结构式如下:
29.根据权利要求27所述的复合材料，其特征在于:所述复合材料通过结构式如C2所示的碳纤维改性剂、T700碳纤维、PEEK、以及助剂制得，C2结构式如下:
30.根据权利要求27所述的复合材料，其特征在于:所述复合材料通过结构式如C3所示的碳纤维改性剂、T700碳纤维，ABS、以及助剂制得，C3结构式如下所示:
31.一种复合材料，包括以下重量百分比的组分， 改性碳纤维:l_40wt% ； 热塑性树脂基体:60-95wt% ； 助剂:0-15wt% ； 其中，改性碳纤维由碳纤维改性剂对碳纤维表面改性制得，所述碳纤维表面改性剂的结构通式如下式(I)所示:
32.根据权利要求31所述的复合材料，其特征在于:所述的树脂基体包括:PC、POM；PE、PP、ABS、SAN、PS、PA、PBT、PET、PPO、LCP、TPU ;PPSU、PPA、PEEK、PE1、PPS、PSU、或 PI。
33.根据权利要求31所述的复合材料，其特征在于:所述的助剂包含:阻燃剂、增韧剂、导电剂、抗氧化剂、光稳定剂、润滑剂、着色剂、成核剂、抗静电剂，或填料。
34.一种权利要求31-33任意一项所述的复合材料的制备方法，包括如下步骤: 提供如下重量百分比的组分， 改性碳纤维:l_40wt% ； 热塑性树脂基体:60-95wt% ；以及 助剂:0-15wt% ； 将组分改性碳纤维、树脂基体以及助剂通过挤出机混合并挤出成型。
35.一种根据权利要求1-14任意一项所述的复合材料应用于制作航空航天器材、交通运输器材、运动器材、土木建筑材料、日常生活以及医疗器材的用途。
【文档编号】C07C209/48GK103451931SQ201210180638
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2012年6月4日 优先权日:2012年6月4日
【发明者】谢怀玉, 宋威, 黄险波, 蔡彤旻, 曾祥斌, 辛伟, 马雷 申请人:金发科技股份有限公司, 上海金发科技发展有限公司