【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及导电纤维表面改性，特别涉及一种在导电纤维表面快速构筑骨状多孔碳纳米管层的方法。
技术介绍
1、碳纤维增强聚合物复合材料(cfrps)因其优异的综合性能，特别是出色的结构设计性、轻质高强、结构功能一体化等特点，已被广泛应用于需要高强度重量比和刚度的高附加值商品中，如航空航天、武器装备、汽车、民用基础设施、体育用品等领域。
2、纤维增强体和基体之间的界面特征是影响cfrps整体性能的关键环节之一。例如，界面上的强粘合确保了从基体到纤维的良好应力传递，并导致整体强度的提高但韧性低，而界面上的弱粘合则允许能量耗散以及裂缝和缺陷周围的应力重新分配，从而导致复合材料韧性的提高但强度低。骨形纤维等结构可以同时提高复合材料的强度和韧性，已有的激光刻蚀法和等离子体轰击法可以实现骨形纤维结构的构筑，然而激光刻蚀法和等离子体轰击法都会在纤维表面引入缺陷而降低纤维强度(cn113417135a，一种基于一维纳米材料凹凸结构改性碳纤维及其制备方法)。碳纳米管常用在纤维增强树脂基复合材料中作为增强相，促进树脂基体与纤维之间的应力传递。常用的在纤维表面引入cnts的改性方法能提高纤维与树脂之间的界面性能，但往往导致其力学性能的较大损失，并且有污染环境，效率低，操作繁琐，不易工业化的缺点。近年来，有用电泳沉积的方法在纤维表面沉积碳纳米管，这种方法可以在提高碳纤维复合材料界面强度的同时使纤维的力学性能增强(jiang,etal.influence of carbon nanotube coatings on carbon fiber b
3、因此，目前急需一种新的碳纤维改性技术，即能在短时间内在碳纤维表面形成经过结构设计的碳纳米管层，可以在提高碳纤维复合材料界面性能的同时使纤维的力学性能增强。
技术实现思路
1、为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的是提供了一种在导电纤维表面快速构筑骨状多孔碳纳米管层的方法，利用间断电极板在纤维表面快速构筑了一层经设计的骨状多孔碳纳米管层，同时提高了碳纤维的力学性能和复合材料的界面性能，并且有望实现工业化。
2、为了达到上述目的，本专利技术采取的技术方案为：
3、一种在导电纤维表面快速构筑骨状多孔碳纳米管层的方法，包括以下步骤：
4、1)碳纳米管cnts的羧基化：将cnts浸入hno3/h2so4(1/3，v/v)的混合溶液中，并在大气温度下保持50-100℃磁力搅拌5-12小时，以去除杂质并在cnts的表面引入羧基；表面修饰后，用去离子水稀释混合物并通过薄膜过滤，然后用纯水反复清洗以达到中性ph值，并在50-100℃真空条件下干燥12-36小时；
5、2)碳纳米管溶液的制备：将步骤1)羧基化的碳纳米管和分散剂分散在溶剂中，利用超声清洗机超声1-3h形成分散均匀的碳纳米管溶液；
6、3)导电纤维去上浆剂：将导电纤维放入丙酮溶液中，在50-100℃恒温条件下反应12-36h，使用无水乙醇和去离子水交替清洗数次，再将洗涤后的导电纤维60-100℃干燥12-36h；
7、4)电泳液的配置：将金属盐加入到步骤2)制备的分散均匀碳纳米管溶液中，超声0.5-1h，金属离子会吸附在碳纳米管表面，从而使碳纳米管带正电，然后再用5000-10000r/min的速度离心10-30min；取上清液，作为电泳液；
8、5)电泳沉积骨状多孔碳纳米管层：骨状多孔碳纳米管层电泳沉积系统是在连续导电纤维束表面沉积骨状多孔碳纳米管层的反应发生装置，由电泳仪、电解槽、滚轴装置组成；滚轴装置放入电解槽中，连续的导电纤维束经过滚轴并入电泳液中，通过不锈钢电极板，再经过滚轴绕出电解槽，在电解槽中具有间断结构的不锈钢电极板作为正极与电泳仪的正极相连，间断间距为50-300μm，导电纤维作为负极与电泳仪的负极相连，两个不锈钢电极板的间距为1-2cm，加载电压为10-30v；在电场的作用下，吸附金属离子而带正电荷的碳纳米管会向与其带相反电荷的负电极移动，进而沉积在导电纤维表面；由于不锈钢电极板具有间断结构，导电纤维正对着不锈钢电极板的区域比其他区域沉积速度快；金属离子与电子和水反应生成金属氢氧化物，作为粘合剂粘接导电纤维和碳纳米管，导电纤维表面的水会电解生成氢气溢出，完成骨状多孔碳纳米管层的构筑；沉积时间为20-60s后，将具有骨状多孔碳纳米管层的导电纤维用乙醇与水分别反复清洗1-3min，即得到具有骨状多孔碳纳米管层的导电纤维。
9、所述步骤2)中分散剂为n,n-二甲基甲酰胺(dmf)、n-甲基吡咯烷酮(nmp)。
10、所述步骤2)中碳纳米管与分散剂的质量比为1：(0.1-0.3)。
11、所述步骤2)中碳纳米管的质量与溶剂的体积比是(0.1mg-1mg):1ml。
12、所述步骤3)中导电纤维为碳纤维、聚乙炔纤维或聚苯胺纤维。
13、所述步骤4)中金属盐为硝酸镁或氯化镁。
14、所述步骤4)中金属盐与碳纳米管的质量比为1：(0.1-0.5)。
15、本专利技术的有益效果为：
16、本专利技术是利用间断电极板在纤维表面快速构筑骨状多孔碳纳米管层的表面改性方法，解决了传统电泳沉积方法存在的电泳时间长的问题，传统方法需要1h左右，本专利技术缩短为20-60s；
17、传统电泳沉积导电纤维的界面剪切强度能提升10％左右，本专利技术能够提高30-70％，且可以同时提高50-130％界面断裂韧性，并且该方法还具有环保、危险性低，骨状间距可控等优点；
18、羧基化的碳纳米管会与树脂反应且会增加与基体的机械啮合作用，提高了纤维的表面能和润湿性，从而提高了复合材料的界面剪切强度；
19、沉积的骨状多孔碳纳米管层可以使裂纹偏转，可以增加能量耗散，此外金属氢氧化物的破裂可以进一步增加能量耗散，从而使复合材料的界面断裂韧性增加；同时，导电纤维表面沉积的骨状多孔碳纳米管层可以修复导电纤维表面的缺陷进而提高导电纤维的单丝拉伸强度。
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1.一种在导电纤维表面快速构筑骨状多孔碳纳米管层的方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤2)中分散剂为N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤2)中碳纳米管与分散剂的质量比为1：(0.1-0.3)。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤2)中碳纳米管的质量与溶剂的体积比是(0.1mg-1mg):1ml。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤3)中导电纤维为碳纤维、聚乙炔纤维或聚苯胺纤维。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤4)中金属盐为硝酸镁或氯化镁。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤4)中金属盐与碳纳米管的质量比为1：(0.1-0.5)。
8.根据权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：
【技术特征摘要】
1.一种在导电纤维表面快速构筑骨状多孔碳纳米管层的方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤2)中分散剂为n,n-二甲基甲酰胺(dmf)、n-甲基吡咯烷酮(nmp)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤2)中碳纳米管与分散剂的质量比为1：(0.1-0.3)。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤2)中碳纳米管的质量与溶剂的体积比是...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈小明，惠耀祖，王一杰，张江滨，张洁，温凯强，田洪淼，邵金友，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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