氧化石墨烯量子点为涂层的碳纤维表面处理法及复合材料制造技术

本发明专利技术提供了一种氧化石墨烯量子点为涂层的碳纤维表面处理法及复合材料。该处理方法为：将含有氧化石墨烯量子点的有机溶液或水溶液，通过喷涂和/或浸渍的方法处理碳纤维，然后干燥处理，直接得到或再经过热处理定型后得到表面具有均匀的氧化石墨烯量子点涂层的碳纤维复合材料。该复合材料由上述方法制备得到，其为至少以氧化石墨烯量子点作为涂层直接与碳纤维表面相接触构成的复合材料。本发明专利技术提供的氧化石墨烯量子点为涂层的碳纤维表面处理方法及制备得到的复合材料，可大大提高碳纤维增强树脂基复合材料的力学性能，以及碳纤维自身的力学性能；具有成本低、生产设备简单、制备过程简易、耗能低、生产效率高、无污染、可工业化量产等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于纳米材料
，涉及一种碳纤维的表面处理及其在复合材料中的应用，具体涉及一种氧化石墨烯量子点为涂层的碳纤维表面处理方法及制备的复合材料。
技术介绍
碳纤维是含碳量高于90％的无机高分子纤维。其中含碳量高于99％的称石墨纤维。碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。碳纤维各层面间的间距约为0.339nm到0.342nm，各平行层面间的各个碳原子，排列不如石墨那样规整，层与层之间依靠范德华力连接在一起。碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，在国防军工和民用方面都是重要材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。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温，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。良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等。碳纤维按原料来源可分为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维、酚醛基碳纤维、气相生长碳纤维；按性能可分为通用型、高强型、中模高强型、高模型和超高模型碳纤维；按状态分为长丝、短纤维和短切纤维；按力学性能分为通用型和高性能型。用量最大的是聚丙烯腈(PAN)基碳纤维，市场上90％以上碳纤维以PAN基碳纤维为主。然而，现有碳纤维产品的强度与弹性模量的实际值与理论值存在很大差距，以拉伸强度为例，一般仅为理论值的3～5％。导致这种现象的根本原因是碳纤维普遍存在结构缺陷，特别如聚丙烯腈基碳纤维因其原丝以溶液纺丝法制备，纤维在凝固成形的同时伴随溶剂的逸出，最终制得的碳纤维结构缺陷尤为严重。碳纤维的结构缺陷包括内部缺陷(如空洞)和表面缺陷(如凹陷和裂纹)，而表面缺陷是造成强度下降的主要因素，其权重甚至可达90％。经原丝、预氧化、碳化和/或石墨化后的碳纤维表面呈化学惰性，导致碳纤维增强树脂基复合材料中碳纤维与树脂基体之间的界面粘合力较弱。对碳纤维进行表面处理可以较好解决表面惰性问题。传统的碳纤维表面处理方法主要有气相氧化、液相氧化和电化学氧化三类。气相氧化法是将碳纤维暴露在气相氧化剂(如空气、二氧化碳、臭氧等)中，在加温、加催化剂等特殊条件下使其表面氧化形成一些含氧活性基团；液相氧化法是采用液相介质对碳纤维表面进行氧化的方法，常用的液相介质有浓硝酸、浓硫酸、高锰酸钾等强氧化剂；电化学氧化法是将碳纤维作为阳极置于电解质溶液中，通过产生的活性氧来进行氧化反应而导入极性基团。所有这些氧化处理方法都是减量处理，即碳纤维在氧化刻蚀作用下，被剥离、粗化，进而导致碳纤维力学性能下降。表面涂层是近年来发展起来的避免碳纤维被过度氧化的一种新型的表面处理方法，主要是通过物理或化学的方法在碳纤维表面形成一层与纤维和树脂热膨胀系数匹配性好、既能润湿碳纤维又能润湿树脂基体，从而达到改善碳纤维/树脂界面性能的目的。氧化石墨烯量子点(Grapheneoxidequantumdot，GOQD)是碳基面尺度小于100nm，并在其边缘有大量含氧和/或含氮官能团，并接近单原子层厚度的结构物，因而被认为是一种准零维的纳米材料。GOQD在水和强极性有机溶剂中有极好的分散性能，其由于存在强的静电排斥作用在溶液中可保持长期的稳定性而不发生沉降。其相比片径尺寸通常在微米级的、二维纳米材料氧化石墨烯(Grapheneoxide，GO)，具有更小的片径、更为丰富的活性官能团、更好的水溶性、渗透性和分散成膜能力。CN102206919A中通过浸渍法在碳纤维表面涂敷了石墨烯或氧化石墨烯等，碳纤维复合材料的界面剪切强度(IFSS)和纤维复合材料层间剪切强度(ILSS)有所提高，但由于石墨烯或氧化石墨烯片径尺度大、活性官能团数量少、分散差、成膜不均匀等问题，使得其与碳纤维与之间结合力弱，因而在复合材料受力时容易脱落，导致复合材料中界面粘合性能难以有效提高。CN103243544A中通过在含有氧化石墨烯的水溶液中对碳纤维进行阳极电泳沉积，在碳纤维上得到氧化石墨烯涂层来实现复合材料力学性能的提高，但该方法操作复杂、耗时长，碳纤维作为阳极不可避免地被氧化刻蚀破坏，此外，也存在着大片径氧化石墨烯自身所带来的限制。鉴于氧化石墨烯量子点，尤其是以碳纤维为原料制备的氧化石墨烯量子点，其具有纳米级片径、丰富的活性官能团、极强的水溶性和渗透性、与碳纤维高度的相容成膜能力，将其均匀涂覆在碳纤维表面，其可以渗入碳纤维表面的凹陷和裂纹等缺陷处，除了实现修复表面缺陷的功能外，还可直接在表面均匀地引入丰富的活性官能团，增强碳纤维与树脂之间的界面粘合性能，其不仅可以提高碳纤维自身的力学性能，还可进一步大大提高碳纤维增强树脂基复合材料的力学性能，对碳纤维及其增强树脂基复合材料工业的发展具有重要意义。综上所述，研发一种氧化石墨烯量子点为涂层的碳纤维表面处理方法及制备的复合材料，仍是碳纤维的表面处理及其在复合材料的应用
中急需解决的关键问题。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术的目的在于提供一种氧化石墨烯量子点为涂层的碳纤维表面处理方法及制备的复合材料。采用本专利技术的氧化石墨烯量子点在碳纤维表面具有高度的相容成膜能力，其通过渗入碳纤维表面的凹陷和裂纹等缺陷处，从而能够实现修复表面缺陷的功能；其纳米级片径、丰富的活性官能团、极强的水溶性和渗透性，还可以实现均匀涂覆在碳纤维表面，从而直接在表面均匀地引入丰富的活性官能团。为达到上述目的，本专利技术首先提供了一种氧化石墨烯量子点为涂层的碳纤维表面处理方法，其包括以下步骤：将含有氧化石墨烯量子点的有机溶液或水溶液，通过喷涂和/或浸渍的方法处理碳纤维，然后干燥处理，直接得到或再经过热处理定型后得到表面具有均匀的氧化石墨烯量子点涂层的碳纤维复合材料。在上述的处理方法中，优选地，所选用的氧化石墨烯量子点的片层直径为1-100nm，片层厚度为0.34-2nm，碳与氧和/或氮的原子比1:1-2:1(即碳原子数：氧和/或氮原子数)；更优选地，所述的氧化石墨烯量子点是通过电化学切割碳纤维端面而制备得到的。氧化石墨烯量子点的三维尺度越小、含氧和/或含氮官能团的数量越多，对于消除碳纤维表面的凹陷、裂纹等缺陷和增强碳纤维与树脂之间的界面粘合性能越为有利。此外，如果氧化石墨烯量子点能取自于碳纤维，而后通过恰当的表面处理方法再回到碳纤维表面上，基于同性相容原理，可以得到最优的上述性能。在上述的处理方法中，优选地，所述的有机溶液中的有机溶剂包括乙二醇、二甘醇、乙二胺、N-2-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺和二甲基亚砜等中的一种或几种的组合。在上述的处理方法中，优选地，所述的含有氧化石墨烯量子点的有机溶液或水溶液中的氧化石墨烯量子点的浓度为0.01-10mg/mL。在上述的方法中，优选地，所述的通过电化学切割碳纤维端面制备氧化石墨烯量子点可以具体包括以下步骤：将一丝束状碳纤维(单丝或多丝)作为阳极，将一惰性电极作为阴极，分别与直流电源的正极、负极相连接；将所述惰性电极浸(半浸或全浸)于一电解质溶液中；碳纤维阳极的工作面由整齐的丝束尖端面组成，在通电前将碳纤维尖端面与所述电解质溶液液面平行相本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氧化石墨烯量子点为涂层的碳纤维表面处理方法，其包括以下步骤：将含有氧化石墨烯量子点的有机溶液或水溶液，通过喷涂和/或浸渍的方法处理碳纤维，然后干燥处理，直接得到或再经过热处理定型后得到表面具有均匀的氧化石墨烯量子点涂层的碳纤维复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种氧化石墨烯量子点为涂层的碳纤维表面处理方法，其包括以下步骤：将含有氧化石墨烯量子点的有机溶液或水溶液，通过喷涂和/或浸渍的方法处理碳纤维，然后干燥处理，直接得到或再经过热处理定型后得到表面具有均匀的氧化石墨烯量子点涂层的碳纤维复合材料。2.根据权利要求1所述的处理方法，其中，所述的氧化石墨烯量子点的片层直径为1-100nm，片层厚度为0.34-2nm，碳与氧和/或氮的原子比1:1-2:1；优选地，所述的氧化石墨烯量子点是通过电化学切割碳纤维端面而制备得到的。3.根据权利要求1所述的处理方法，其中，所述的有机溶液中的有机溶剂包括乙二醇、二甘醇、乙二胺、N-2-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺和二甲基亚砜中的一种或几种的组合；所述的含有氧化石墨烯量子点的有机溶液或水溶液中的氧化石墨烯量子点的浓度为0.01-10mg/mL。4.根据权利要求1所述的处理方法，其中，所述的碳纤维是碳化后和/或石墨化后再经过或未经过氧化处理的碳纤维；优选地，所述的碳纤维是碳化后和/或石墨化后未经过氧化处理的碳纤维。5.根据权利要求4所述的处理方法，其中，所述的碳纤维经过的氧化处理的方法包括气相氧化、液相氧化、电化学氧化和等离子体氧化中的一种或几种的组合。6.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐海波，
申请(专利权)人：徐海波，
类型：发明
国别省市：山东;37