一种利用芳基重氮盐体系对碳纤维表面改性的方法技术

一种利用芳基重氮盐体系对碳纤维表面改性的方法，它涉及一种对碳纤维表面改性的方法。本发明专利技术为了解决目前的碳纤维表面改性的方法生产效率低、易污染、成本高和同时纤维强度损失较大的技术问题。本发明专利技术的方法：一、清洗；二、芳基重氮接枝反应。本发明专利技术方法简单易行、价格低廉，环保无污染，适用于大批量生产。本发明专利技术可应用于军事及民用工业等领域。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】，它涉及一种对碳纤维表面改性的方法。本专利技术为了解决目前的碳纤维表面改性的方法生产效率低、易污染、成本高和同时纤维强度损失较大的技术问题。本专利技术的方法：一、清洗；二、芳基重氮接枝反应。本专利技术方法简单易行、价格低廉，环保无污染，适用于大批量生产。本专利技术可应用于军事及民用工业等领域。【专利说明】
:本专利技术涉及一种对碳纤维表面改性的方法。
技术介绍
:碳纤维是目前最常用的高性能树脂基复合材料增强体之一，具有低密度，高比强度、高比模量、耐高温、耐化学腐蚀、优良的导热和导电性能以及热膨胀系数小等优点。碳纤维复合材料也因其轻质和强度高等优势而被广泛应用于军事及民用工业等领域，更因为航空航天领域的辉煌业绩，为世人所瞩目。未经处理的碳纤维表面具有乱层石墨结构，其所形成的特殊物理化学环境导致碳纤维表面呈惰性，缺乏活性官能团，表面能较低，使其与聚合物基体间的界面粘结强度通常较弱，将直接影响复合材料整体性能的发挥。目前，碳纤维表面改性的方法主要包括液相氧化法、气相氧化法、等离子氧化、接枝、高能射线辐照法以及气相沉积法等。氧化法通常会对碳纤维的表面和近表面造成严重的破坏，导致纤维单丝拉伸强度出现较大的损失；气相沉积法速度较慢，反应源易燃、易爆、有毒；接枝改性方法通常需要先通过氧化等方法生成活性基团，再通过其他方法进一步改性，步骤相对繁琐，效率不高，且经常用到一些有机溶剂，对环境有一定的污染。
技术实现思路
:本专利技术为了解决目前的碳纤维表面改性的方法生产效率低、易污染、成本高和同时纤维强度损失较大的问题，而提供。本专利技术的具体是按以下步骤进行:一、清洗:①以丙酮为提取液，在温度为75 V?85°C的条件下对碳纤维束进行索氏提取除杂，索氏提取时间为2h?8h，得到干净的碳纤维；②将步骤一①得到的干净的碳纤维置于超临界丙酮-水体系中浸泡20min?30min，得到去除环氧涂层后的碳纤维；；所述的超临界丙酮-水体系是在温度为350°C?370°C和压强为8MPa?14MPa的条件下；所述超临界丙酮-水体系中由水和丙酮混合而成，其中所述的水与丙酮的体积比为1: (4?6);③以丙酮为提取液，在温度为75V?85°C的条件下对步骤一②得到的去除环氧涂层后的碳纤维进行索氏提取，索氏提取时间为2h?8h，取出后置于温度为70°C?80°C的条件下干燥2h?4h，得到干燥清洗后的碳纤维；二、芳基重氮接枝反应:①将步骤一③得到的干燥清洗后的碳纤维缠绕在玻璃片上，然后将缠有清洗后碳纤维的玻璃片放入到三口烧瓶中，向三口烧瓶中倒入水/对苯二胺混合液使得将缠有清洗后碳纤维的玻璃片完全浸入到水/对苯二胺混合液中，且缠有清洗后碳纤维的玻璃片利用其长度水平卡在三口烧瓶中并置于磁性转子上面，在磁性搅拌的条件下进行搅拌加热，从室温加热至温度为70°C?90°C为止，在温度为70V?90°C和磁性搅拌的条件下逐滴加入亚硝酸异戊酯，滴加完成后继续在温度为70°C?90°C和磁性搅拌的条件下搅拌12h，得到含有杂质的苯胺官能化的碳纤维；所述的水/对苯二胺混合液中对苯二胺的物质的量与水的体积比为lmmol: (7mL?8mL);所述的亚硝酸异戍酯与水/对苯二胺混合液中对苯二胺的物质的量的比为1: (1.5?2.5);②将步骤二①得到的含有杂质的苯胺官能化的碳纤维取出后完全浸入DMF中，DMF由无色变成深紫色，用DMF多次洗涤步骤二①得到的含有杂质的苯胺官能化的碳纤维至DMF无色，得到DMF清洗的苯胺官能化碳纤维；③将步骤二②得到的DMF清洗的苯胺官能化碳纤维在温度为75°C?80°C的条件下干燥2h?4h，得到干燥的苯胺官能化碳纤维。本专利技术的原理是通过芳香胺和亚硝酸化合物反应产生的具有超强反应活性的芳基重氮盐对碳纤维的碳碳双键进行进攻，使芳基重氮盐共价连接到碳纤维表面，以实现特定基团的共价官能化。本专利技术利用在温度为350°C?370°C和压强为8MPa?14MPa的条件下超临界丙酮-水体系进行抽提，去除了碳纤维表面的环氧涂层，保证了后续接枝处理是直接发生碳纤维本体表面。本专利技术的优点在于克服了现有方法生产效率较低、污染较高等缺点，而采用化学接枝的方法实现苯胺基团在碳纤维表面的均匀、牢固的覆盖。大部分重氮盐反应所用反应介质为有机溶剂，本专利技术采用水作为唯一反应介质，可以有效减小对环境的污染，更由于反应时间相对于其他碳纤维接枝反应明显缩短，所以进一步降低了生产成本。此方法简单易行、价格低廉，适用于大批量生产。本方法可以提高碳纤维表面的粗糙度，增加碳纤维表面活性官能团数量，从而通过锚定作用和化学键作用提高碳纤维增强复合材料的界面性能。经过苯胺接枝改性后的碳纤维复合材料界面剪切强度较未处理可提高73%，同时改性后碳纤维的拉伸强度只损失1.02%。【专利附图】【附图说明】图1为试验一的利用芳基重氮盐体系对碳纤维表面改性的方法的流程图；图2为红外光谱图，曲线a是试验一步骤③得到的干燥清洗后碳纤维的红外光谱图，图2中曲线b是试验一步骤二④中得到的干燥的苯胺接枝的碳纤维的红外光谱图，其中峰I的波数为3737cm-l，峰2的波数为1512cm_l，峰3的波数为1458cm_l，峰4的波数为879cm-1 ；图3是界面剪切强度柱形图，I是试验一步骤一③中得到的干燥清洗后碳纤维的界面剪切强度柱形图，2是试验一步骤二④得到的干燥的苯胺接枝的碳纤维的界面剪切强度柱形图；图4是单丝拉伸强度柱形图，I是试验一步骤一③中得到的干燥清洗后碳纤维的单丝拉伸强度柱形图，2是试验一步骤二④得到的干燥的苯胺接枝的碳纤维的单丝拉伸强度柱形图。【具体实施方式】【具体实施方式】一:本实施方式中具体是按以下步骤进行:一、清洗:①以丙酮为提取液，在温度为75 V?85°C的条件下对碳纤维束进行索氏提取除杂，索氏提取时间为2h?8h，得到干净的碳纤维；②将步骤一①得到的干净的碳纤维置于超临界丙酮-水体系中浸泡20min?30min，得到去除环氧涂层后的碳纤维；；所述的超临界丙酮-水体系是在温度为350°C?370°C和压强为8MPa?14MPa的条件下；所述超临界丙酮-水体系中由水和丙酮混合而成，其中所述的水与丙酮的体积比为1:(4?6);③以丙酮为提取液，在温度为75V?85°C的条件下对步骤一②得到的去除环氧涂层后的碳纤维进行索氏提取，索氏提取时间为2h?8h，取出后置于温度为70°C?80°C的条件下干燥2h?4h，得到干燥清洗后的碳纤维；二、芳基重氮接枝反应:①将步骤一③得到的干燥清洗后的碳纤维缠绕在玻璃片上，然后将缠有清洗后碳纤维的玻璃片放入到三口烧瓶中，向三口烧瓶中倒入水/对苯二胺混合液使得将缠有清洗后碳纤维的玻璃片完全浸入到水/对苯二胺混合液中，且缠有清洗后碳纤维的玻璃片利用其长度水平卡在三口烧瓶中并置于磁性转子上面，在磁性搅拌的条件下进行搅拌加热，从室温加热至温度为70V?90°C为止，在温度为70°C?90°C和磁性搅拌的条件下逐滴加入亚硝酸异戊酯，滴加完成后继续在温度为70°C?90°C和磁性搅拌的条件下搅拌12h，得到含有杂质的苯胺官能化的碳纤维；所述的水/对苯二胺混合液中对苯二胺的物质的量与水的体积比为lmmol: (7mL?8mL);所述的亚硝酸异戍酯与水/对苯二胺混合液本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用芳基重氮盐体系对碳纤维表面改性的方法，其特征在于利用芳基重氮盐体系对碳纤维表面改性的方法具体是按以下步骤进行：一、清洗：①以丙酮为提取液，在温度为75℃～85℃的条件下对碳纤维束进行索氏提取除杂，索氏提取时间为2h～8h，得到干净的碳纤维；②将步骤一①得到的干净的碳纤维置于超临界丙酮‑水体系中浸泡20min～30min，得到去除环氧涂层后的碳纤维；所述的超临界丙酮‑水体系是在温度为350℃～370℃和压强为8MPa～14MPa的条件下；所述超临界丙酮‑水体系中由水和丙酮混合而成，其中所述的水与丙酮的体积比为1：(4～6)；③以丙酮为提取液，在温度为75℃～85℃的条件下对步骤一②得到的去除环氧涂层后的碳纤维进行索氏提取，索氏提取时间为2h～8h，取出后置于温度为70℃～80℃的条件下干燥2h～4h，得到干燥清洗后的碳纤维；二、芳基重氮接枝反应：①将步骤一③得到的干燥清洗后的碳纤维缠绕在玻璃片上，然后将缠有清洗后碳纤维的玻璃片放入到三口烧瓶中，向三口烧瓶中倒入水/对苯二胺混合液使得将缠有清洗后碳纤维的玻璃片完全浸入到水/对苯二胺混合液中，且缠有清洗后碳纤维的玻璃片利用其长度水平卡在三口烧瓶中并置于磁性转子上面，在磁性搅拌的条件下进行搅拌加热，从室温加热至温度为70℃～90℃为止，在温度为70℃～90℃和磁性搅拌的条件下逐滴加入亚硝酸异戊酯，滴加完成后继续在温度为70℃～90℃和磁性搅拌的条件下搅拌12h，得到含有杂质的苯胺官能化的碳纤维；所述的水/对苯二胺混合液中对苯二胺的物质的量与水的体积比为1mmol:(7mL～8mL)；所述的亚硝酸异戊酯与水/对苯二胺混合液中对苯二胺的物质的量的比为1:(1.5～2.5)；②将步骤二①得到的含有杂质的苯胺官能化的碳纤维取出后完全浸入DMF中，DMF由无色变成深紫色，用DMF多次洗涤步骤二①得到的含有杂质的苯胺官能化的碳纤维至DMF无色，得到DMF清洗的苯胺官能化碳纤维；③将步骤二②得到的DMF清洗的苯胺官能化碳纤维在温度为75℃～80℃的条件下干燥2h～4h，得到干燥的苯胺官能化碳纤维。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孟令辉，王宇威，樊丽权，于佳立，戚美微，马丽春，黄玉东，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23