【技术实现步骤摘要】
本申请涉及碳纤维，且特别涉及一种碳纤维、复合材料及碳纤维表面处理方法。
技术介绍
1、随着科学技术的不断发展，具有比重轻、强度高、耐高低温能力强等特点的碳纤维被认为是工业应用中最有前途的材料之一，有着“新时代黑色黄金”的美誉。碳纤维/环氧树脂复合材料因具有比强度高和比模量大等的优异性能而被广泛应用在航空航天、汽车制造、风电叶片、建筑、体育用品等领域。界面是复合材料的一种特殊组分，它直接关系到载荷在环氧树脂基体与碳纤维增强体之间的有效分散和传递，从而决定了复合材料的强度和韧性。经高温碳化后的碳纤维表面呈化学惰性，导致与环氧树脂的浸润性较差，复合材料的性能无法充分发挥，所以需要通过表面处理在碳纤维表面引入活性基团。
2、目前在碳纤维表面接枝高分子聚合物是一种重要的功能化改性方法，可以增强碳纤维与基体环氧树脂之间的粘附力、提高其力学性能等，主要包括：化学接枝、辐射诱导接枝、电化学接枝法等。化学接枝法是基于碳纤维和单体之间的化学作用将单体接枝到碳纤维表面的方法，具有聚合条件简单、易操作等优点，但由于是浸泡在含有单体和引发剂的溶液中，一般耗时比较长，同时也存在表面处理不均匀的问题；辐射诱导接枝是利用辐射诱导引发剂诱导单体在碳纤维表面发生聚合反应，具有操作简单、反应条件易控等优点，但存在容易穿透材料表面、损坏材料本体强度、对反应器的要求苛刻等问题。电化学接枝法是在引入电场的条件下，通过化学键合的方式在碳纤维上引入新的活性官能团，是一种提高碳纤维与复合材料的界面相容性的低损伤表面改性方法。但仍然存在高分子聚合物难以在碳纤维表面定向
3、中国专利申请201910233839.2公开了一种聚丙烯腈基碳纤维的表面处理方法，将聚多巴胺和聚醚胺涂层依次涂覆在碳纤维表面。该方法中的处理时间为6-24h，使用的溶剂为三羟甲基氨基甲烷缓冲溶液，存在耗时长、所用非绿色溶剂的问题。制备的碳纤维/环氧树脂复合材料的界面强度较未处理的碳纤维/环氧树脂复合材料仅提高23.3％。
4、中国专利申请202310864676.4公开了一种碳纤维的表面处理方法，使用的多巴胺水溶液的质量浓度为15-30％，试剂用量大；且该方法处理碳纤维是分步进行的，先对碳纤维进行阳极氧化处理之后再实现多巴胺的聚合，当聚合的反应时间为5min时，碳纤维复丝拉伸强度相较于仅氧化的碳纤维提升了1.1％，制备的复合材料层间剪切强度为80mpa。
5、beggs等人(beggs km,servinis l,gengenbach tr,huson mg,fox bl,hendersonlc.asystematic study of carbon fibre surface grafting via in situ diazoniumgeneration for improved interfacial shear strength in epoxy matrixcomposites.composites science and technology.2015；118:31-8.)将碳纤维表面的石墨化碳微晶作为反应位点，通过生成亲电中间体来实现有机重氮类化合物的原位生成和接枝，接枝后碳纤维表面氧、氮元素含量最高可达11.0％和4.1％，表面活性基团含量较低且处理时间为24h，存在耗时长的问题。
6、fu等人(fu y,li h,cao w.enhancing the interfacial properties of high-modulus carbon fiber reinforced polymer matrix composites via electrochemicalsurface oxidation and grafting.composites part a:applied science andmanufacturing.2020；130:105719.)使用先电化学阳极氧化后接枝二乙烯三胺的两步法对碳纤维表面进行处理，处理时间为14min。上述反应需要分步进行且耗时较长。处理后碳纤维制备的复合材料的层间剪切强度为97.5mpa，相较于仅氧化的碳纤维/环氧树脂复合材料的层间剪切强度提升了19.9％。
7、randall等人(randall jd,stojcevski f,djordjevic n,hendlmeier a,dharmasiri b,stanfield mk,et al.carbon fiber polypropylene interphasemodification as a route to improved toughness.composites part a:appliedscience and manufacturing.2022；159:107001.)使用电化学还原法将四氟硼酸重氮正丁基苯接枝到碳纤维表面。该方法使用了昂贵的重氮化试剂且接枝正丁基苯基的碳纤维表面氧、氮元素含量分别仅为10.9％和1.6％，接枝量少、接枝效率低，其复丝拉伸强度较未处理的碳纤维仅提升了12.5％。
技术实现思路
1、为了解决现有碳纤维电化学接枝技术存在的试剂用量大，接枝效率低、接枝位点难以控制、耗时长且需要分步进行等难题，本专利技术提出利用碳纤维含氧活性位点诱导含氮基团发生亲核反应的策略，开发了一种耗时短、定向精准和高含量接枝的一步碳纤维表面电化学接枝含氮高分子聚合物/单体的普适性方法。
2、一种碳纤维表面处理方法，包括以下步骤：
3、第一步，原料准备：选取高温碳化后的碳纤维；
4、第二步，复配电解液的配置：将铵盐(碳酸氢铵、磷酸氢二铵、磷酸二氢铵、硫酸铵、磷酸铵等)与含氮高分子聚合物或单体按照一定比例进行复配形成复配电解液；所述的含氮高分子聚合物或单体选自聚乙烯亚胺、聚丙烯亚胺、聚氨基胺、聚醚胺或苯胺、吡咯、吡啶、丙烯酰胺、哌啶、n-乙基咪唑、喹啉、嘧啶等中一种或几种。
5、第三步，通电：碳纤维作为阳极，石墨板作为阴极，将二者充分浸润在复配电解液中，在通电条件下含氮高分子聚合物或单体在碳纤维表面发生接枝/聚合反应，即得表面接枝含氮高分子聚合物的碳纤维；
6、第四步，洗涤烘干：待电化学处理结束，将所得表面接枝含氮高分子聚合物的碳纤维用去离子水进行清洗，除去碳纤维表面粘附的多余电解质，干燥如100-120℃烘干1-3h。其中，复配电解液中铵盐的质量分数为0.5-5％，含氮高分子聚合物/单体的质量分数是0.5-5％，电化学处理时间为20-180s，电流密度为0.5-5ma/cm2。
7、优选的，第一步所述的碳纤维优选为高温碳化后的聚丙烯腈基碳纤维。
8、优选的，第二步中复配电解液为铵盐和含氮高分子聚合物/单体的复配电解液。铵盐是强电解质，在水中能够完全电离成相应的酸根离子和铵根离子(nh4+)，溶于水时具有良好的导本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种碳纤维表面电化学接枝含氮高分子聚合物的方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，第一步中，碳纤维为高温碳化后的聚丙烯腈基碳纤维。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，第二步中，铵盐选自碳酸氢铵、磷酸氢二铵、磷酸二氢铵、硫酸铵、磷酸铵中的一种或几种；所述的含氮高分子聚合物或单体选自聚乙烯亚胺、聚丙烯亚胺、聚氨基胺、聚醚胺或苯胺、吡咯、吡啶、丙烯酰胺、哌啶、N-乙基咪唑、喹啉、嘧啶中一种或几种。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，第二步中，复配电解液中铵盐的质量分数为0.5-5％，含氮高分子聚合物/单体的质量分数是0.5-5％。
5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，第三步电化学处理时间为20-180s，电流密度为0.5-5mA/cm2。
6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，第四步干燥：将洗涤后的碳纤维置于鼓风干燥箱中100-120℃下烘干1-3h。
7.按照权利要求1-6任一项所述的方法制备得到的碳纤维表面电化学接枝含氮高分子聚合物的碳纤维。p>
8.按照权利要求1-6任一项所述的方法制备得到的碳纤维表面电化学接枝含氮高分子聚合物的碳纤维的应用，碳纤维与环氧树脂制备的复合材料。
...【技术特征摘要】
1.一种碳纤维表面电化学接枝含氮高分子聚合物的方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，第一步中，碳纤维为高温碳化后的聚丙烯腈基碳纤维。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，第二步中，铵盐选自碳酸氢铵、磷酸氢二铵、磷酸二氢铵、硫酸铵、磷酸铵中的一种或几种；所述的含氮高分子聚合物或单体选自聚乙烯亚胺、聚丙烯亚胺、聚氨基胺、聚醚胺或苯胺、吡咯、吡啶、丙烯酰胺、哌啶、n-乙基咪唑、喹啉、嘧啶中一种或几种。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，第二步中，复配电解液中铵盐的质量分数为0.5-...
【专利技术属性】
技术研发人员：王鲁香，冷昌宇，胡茂群，张永明，马祥林，张兵，苑登泰，张施施，
申请(专利权)人：新疆大学，
类型：发明
国别省市：
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