氧化石墨烯改性碳纤维及其制备和应用、具有界面光热自修复功能的复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了氧化石墨烯改性碳纤维及其制备和应用、具有界面光热自修复功能的复合材料及其制备方法，属于材料改性技术领域。本发明专利技术通过化学接枝方法将氧化石墨烯和Diels

【技术实现步骤摘要】
氧化石墨烯改性碳纤维及其制备和应用、具有界面光热自修复功能的复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于材料改性
，具体涉及氧化石墨烯改性碳纤维及其制备和应用、具有界面光热自修复功能的复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]碳纤维是一种新型无机纤维材料，具有较高的比强度和比刚度、耐高温、耐腐蚀和热膨胀系数小等特点，被广泛用作树脂基复合材料的增强纤维。在碳纤维和基体之间的界面区域，称为界面相，其主要功能是维持应力从聚合物基体转移到增强材料，并确保复合材料的耐久性。然而，应力集中和微裂纹的形成通常发生在这一区域，并且易于扩展，导致复合材料的失效。因此，如何避免或修复这些微裂纹就显得尤为重要。
[0003]目前对于复合材料的自修复可分为微胶囊型、中空纤维型和动态共价键等修复方法，其中微胶囊和中空纤维型自修复是将修复剂注入微胶囊或中空纤维中，当微裂纹产生时，使微胶囊或中空纤维中的修复剂流出，从而实现自修复，但是由于修复剂的含量有限，因而上述方法难以实现多次修复。例如Autonomic Healing ofCarbonFiber/Epoxy Interfaces(Amanda R.Jones，Alicia Cintora，Scott R.White，Nancy R.Sottos；ACS Applied Materials&Interfaces 6033
‑
6039)中在碳纤维表面引入含有修复剂的微胶囊，最高修复效率可达91％，但是只能实现单次修复。而在所报道的动态共价键(例如，二硫化物、酰腙、酯、脲、Diels
‑
Alder键)中，Diels
‑
Alder反应具有高选择性、高效率、反应条件温和、无需催化剂且热可逆等特点，得到了非常广泛的研究，并且已经设计出了多种利用Diels
‑
Alder反应来实现界面自修复的复合材料。然而他们大多利用传统加热的方法来诱导实现修复，例如Self
‑
healable interfaces based on thermo
‑
reversible Diels
–
Alder reactions in carbon fiberreinforced composites(W.Zhang，J.Duchet，J.F.G
é
rard；Journal of Colloid and Interface Science Volume 430，15September 2014，Pages61
‑
68)中在碳纤维表面引入马来酰亚胺基团，与呋喃官能化的环氧树脂制备成界面含Diels
‑
Alder结构的界面自修复复合材料，通过整体加热的方法实现界面自修复。这种方法通常需要对复合材料整体加热，因而操作非常不方便，特别是对于一些复合材料制备的大型构件。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供氧化石墨烯改性碳纤维及其制备和应用、具有界面光热自修复功能的复合材料及其制备方法，本专利技术提供的改性碳纤维制备的复合材料在确保能够实现多次修复的前提下还可以实现精准修复，且修复过程简单、方便。
[0005]本专利技术提供了一种改性碳纤维，包括碳纤维和通过硅烷偶联剂与所述碳纤维连接的氧化石墨烯；所述改性碳纤维含有Diels
‑
Alder结构；
[0006]所述Diels
‑
Alder结构由双马来酰亚胺类化合物与接枝于碳纤维表面的呋喃类化
合物发生Diels
‑
Alder加成反应得到。
[0007]优选的，所述双马来酰亚胺类化合物包括N,N'
‑
(4,4'
‑
亚甲基二苯基)双马来酰亚胺、1,4
‑
双(马来酰亚胺基)丁烷和1,2
‑
二(马来酰亚胺)乙烷中的一种。
[0008]本专利技术还提供了上述方案所述改性碳纤维的制备方法，包括以下步骤：
[0009]将碳纤维与含氨基硅烷偶联剂进行第一接枝反应，得到氨基功能化碳纤维；
[0010]将氧化石墨烯与呋喃类化合物进行第二接枝反应，得到呋喃基功能化氧化石墨烯；
[0011]将所述呋喃基功能化氧化石墨烯与含环氧基硅烷偶联剂进行第三接枝反应，得到呋喃基
‑
环氧基功能化氧化石墨烯；
[0012]将所述呋喃基
‑
环氧基功能化氧化石墨烯与氨基功能化碳纤维进行开环反应，得到呋喃基
‑
氧化石墨烯修饰碳纤维；
[0013]将所述呋喃基
‑
氧化石墨烯修饰碳纤维与双马来酰亚胺类化合物进行Diels
‑
Alder加成反应，得到改性碳纤维。
[0014]优选的，所述呋喃基
‑
环氧基功能化氧化石墨烯与氨基功能化碳纤维的质量比为1：18～25。
[0015]优选的，所述呋喃基
‑
氧化石墨烯修饰碳纤维与双马来酰亚胺类化合物的质量比为1:2～5。
[0016]优选的，所述Diels
‑
Alder加成反应的温度为50～70℃，时间为12～24h。
[0017]本专利技术还提供了上述方案所述改性碳纤维或上述方案所述制备方法得到的改性碳纤维在复合材料中的应用；所述复合材料具有界面光热自修复功能。
[0018]本专利技术还提供了一种具有界面光热自修复功能的复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0019]将双马来酰亚胺类化合物和3,3'
‑
二烯丙基双酚A混合，进行聚合反应，得到树脂预聚体；
[0020]将所述树脂预聚体和改性碳纤维进行混合，加热固化，得到所述复合材料；
[0021]所述改性碳纤维为上述方案所述的改性碳纤维或上述方案所述制备方法得到的改性碳纤维。
[0022]本专利技术还提供了上述方案所述制备方法制备得到的具有界面光热自修复功能的复合材料，包括树脂和改性碳纤维；所述树脂由双马来酰亚胺类化合物和3,3'
‑
二烯丙基双酚A聚合得到。
[0023]本专利技术还提供了上述方案所述复合材料的修复方法，包括以下步骤：
[0024]至少将复合材料的待修复部位置于近红外光光源下进行辐照。
[0025]本专利技术提供了一种改性碳纤维，包括碳纤维和通过硅烷偶联剂与所述碳纤维连接的氧化石墨烯；所述改性碳纤维含有Diels
‑
Alder结构；所述Diels
‑
Alder结构由双马来酰亚胺类化合物与接枝于碳纤维表面的呋喃类化合物发生Diels
‑
Alder加成反应得到。本专利技术将氧化石墨烯和Diels
‑
Alder结构同时引入到碳纤维表面，重复利用氧化石墨烯优异的光热效应，在近红外光辐照下使改性碳纤维表面升温，引发Diels
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种改性碳纤维，其特征在于，包括碳纤维和通过硅烷偶联剂与所述碳纤维连接的氧化石墨烯；所述改性碳纤维含有Diels
‑
Alder结构；所述Diels
‑
Alder结构由双马来酰亚胺类化合物与接枝于碳纤维表面的呋喃类化合物发生Diels
‑
Alder加成反应得到。2.根据权利要求1所述的改性纤维，其特征在于，所述双马来酰亚胺类化合物包括N,N'
‑
(4,4'
‑
亚甲基二苯基)双马来酰亚胺、1,4
‑
双(马来酰亚胺基)丁烷和1,2
‑
二(马来酰亚胺)乙烷中的一种。3.权利要求1或2所述改性碳纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将碳纤维与含氨基硅烷偶联剂进行第一接枝反应，得到氨基功能化碳纤维；将氧化石墨烯与呋喃类化合物进行第二接枝反应，得到呋喃基功能化氧化石墨烯；将所述呋喃基功能化氧化石墨烯与含环氧基硅烷偶联剂进行第三接枝反应，得到呋喃基
‑
环氧基功能化氧化石墨烯；将所述呋喃基
‑
环氧基功能化氧化石墨烯与氨基功能化碳纤维进行开环反应，得到呋喃基
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氧化石墨烯修饰碳纤维；将所述呋喃基
‑
氧化石墨烯修饰碳纤维与双马来酰亚胺类化合物进行Diels
‑
Alder加成...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊磊，熊锟，刘芳，陈涛，
申请(专利权)人：南昌航空大学，
类型：发明
国别省市：