一种硅烷偶联剂辅助电泳沉积引发氧化石墨烯改性碳纤维的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种硅烷偶联剂辅助电泳沉积引发氧化石墨烯改性碳纤维的制备方法，将脱浆后的碳纤维放入含有氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)和乙醇的水溶液中进行水解氨基化的预处理获得硅烷偶联剂处理后的碳纤维，将所述硅烷偶联剂处理后的碳纤维连接电源正极，以铜片连接电源负极，以氧化石墨烯水溶液作为电泳沉积液进行电泳沉积后即得硅烷偶联剂辅助电泳沉积引发氧化石墨烯改性碳纤维。可有效提高碳纤维增强树脂基复合材料的界面剪切强度，能应用于国产碳纤维的表面改性工艺中。

Preparation of graphene oxide modified carbon fiber initiated by silane coupling agent assisted electrophoretic deposition

The invention discloses a preparation method of graphene modified carbon fiber induced by silane coupling agent assisted electrophoretic deposition, which is pretreated in a aqueous solution containing amino propyl triethoxane (APTES) and ethanol to obtain a carbon fiber treated by a silane coupling agent. The carbon fiber after the alkane coupling agent connects the cathode of the power source, connects the cathode with the copper sheet, and the electrophoretic deposition of the aqueous solution of graphene oxide as electrophoretic deposition, which leads to the oxidation of graphene modified carbon fibers by the silane coupling agent assisted electrophoretic deposition. It can effectively improve the interfacial shear strength of carbon fiber reinforced polymer matrix composites and can be applied to the surface modification process of domestic carbon fibers.

【技术实现步骤摘要】
一种硅烷偶联剂辅助电泳沉积引发氧化石墨烯改性碳纤维的制备方法
本专利技术涉及一种碳纤维的表面改性方法，具体涉及一种硅烷偶联剂辅助电泳沉积引发氧化石墨烯改性碳纤维的制备方法。
技术介绍
碳纤维具有低密度、高比强度、高比模量、耐高温、抗蠕变、耐化学腐蚀、低电阻、高热导、热膨胀系数小等特性，是聚合物基复合材料重要的增强体。利用碳纤维作为增强体的复合材料已广泛用于航空航天、建筑机械、电子、文体、生物工程等众多领域。然而，碳纤维表面为乱层石墨结构，表面光滑，呈现化学惰性，与树脂基体结合较弱，且碳纤维活性表面积小，边缘活性碳原子数目少，不易与基体形成良好界面，从而影响复合材料优异性能的充分发挥。目前对于碳纤维的表面改性主要集中在增加碳纤维表面极性、可反应性以及表面粗糙度，主要方法有表面接枝处理、氧化处理、等离子体处理、纤维表面涂层以及化学气相沉积处理。石墨烯(graphene)是由二维平面排列的碳原子层组成，其中的碳原子以sp2杂化连接，紧密排列在蜂巢晶体点阵上。石墨烯是世界上最薄的二维材料，其厚度仅为0.35nm。石墨烯独特的结构使其具有许多的特殊性质。由于是由单原子层构成，石墨烯的比表面积极大，其理论计算值高达2600m2/g；石墨烯的强度高达130GPa，比钢铁高100倍，比高强碳纤维高20倍。氧化石墨烯又称功能化的石墨烯，是石墨烯重要的派生物之一，它的结构与石墨烯基本相似，在其片层间带有羰基、羟基、环氧基等基团，一般认为片层上下表面接有环氧基和羟基，片层的边缘为羰基和羧基。纳米级的氧化石墨烯薄膜与微米级的碳纤维有望形成力学性能和界面粘合性能优异的微-纳米多尺度增强体材料。一方面，氧化石墨烯表面丰富的含氧官能团将大大增强碳纤维与树脂的反应活性，使界面化学键和作用加强；另一方面，氧化石墨烯片层具有褶皱结构，增加了纤维的表面粗糙度，使其与树脂的机械嵌合作用提高。因此，碳纤维-氧化石墨烯复合纤维可充分发挥碳纤维和氧化石墨烯各自的优势，有望实现对复合材料界面结构和性能的设计和控制，对于发展下一代高性能碳纤维和高性能复合材料具有重要意义。然而，现有技术中采用氧化石墨烯改性碳纤维，会使得氧化石墨烯与碳纤维接枝时发生团聚，从而影响改性效果，不利于增强体力学性能的保留；也不利于增加碳纤维与树脂的接触面积，从而降低复合材料的界面性能。
技术实现思路
为了解决现有技术的不足，本专利技术的目的之一是提供一种硅烷偶联剂辅助电泳沉积引发氧化石墨烯改性碳纤维的制备方法，可有效提高碳纤维增强树脂基复合材料的界面剪切强度，能应用于国产碳纤维的表面改性工艺中。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案为：一种硅烷偶联剂辅助电泳沉积引发氧化石墨烯改性碳纤维的制备方法，将脱浆后的碳纤维放入含有氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)和乙醇的水溶液中进行水解氨基化的预处理获得硅烷偶联剂处理后的碳纤维，将所述硅烷偶联剂处理后的碳纤维连接电源正极，铜片连接电源负极，以氧化石墨烯水溶液作为电泳沉积液进行电泳沉积后即得硅烷偶联剂辅助电泳沉积引发氧化石墨烯改性碳纤维。本专利技术通过硅烷偶联剂氨基丙基三乙氧基硅烷对碳纤维表面进行预处理，使碳纤维表面形成含氧官能团，从而改善氧化石墨烯沉积效果。既解决了氧化石墨烯与碳纤维接枝时产生的团聚问题，又能增加碳纤维与树脂的反应活性点和有效接触面积，从而提高了纤维增强树脂基复合材料的界面剪切强度。本专利技术的目的之二是提供一种上述制备方法制备的硅烷偶联剂辅助电泳沉积引发氧化石墨烯改性碳纤维。本专利技术的目的之三是提供一种上述制备方法在碳纤维表面改性工艺中的应用。本专利技术的有益效果为：1、电泳沉积作为一种条件温和的处理方法制备石墨烯-碳纤维多尺度增强体，操作简单，可有效解决石墨烯与碳纤维接枝时常发生的团聚问题，同时保留一定的增强体的力学性能。2、用硅烷偶联剂辅助电泳沉积引发氧化石墨烯改性碳纤维后，由于其显著增加纤维与树脂的接触面积，加强了复合材料界面的机械啮合作用，能有效改善碳纤维与基体树脂的界面剪切强度等界面性能。这种改性方法可以优化碳纤维及其复合材料宏观性能，对碳纤维复合材料产业升级具有重要意义。3、本专利技术成本低、适用性强、处理效果好、不易引起环境污染，适合工业化生产。大量缩短改性时间，降低化学品用量和产品成本，减少环境污染。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图1为用于粘贴碳纤维单丝的支架；图2为经上浆剂处理后的碳纤维复合材料IFSS的测试示意图及测试结果，其中，a,b为测试示意图，c为测试结果；图3为不同方法处理后碳纤维增强环氧树脂复合材料断口形貌的扫描电子显微镜(SEM)的图片，其中，a,c为采用低浓度GO分散液、低电压、短时间沉积工艺(实施例2：0.04mg/mL，15V，10min)制备的GO/CF表面形貌和GO/CF-EP断面形貌图，b,d为采用高浓度GO分散液、高电压、长时间沉积工艺(实施例3：0.05mg/mL，25V，20min)制备的GP/CF表面形貌和GO/CF-EP断面形貌图；图4是实施例1制备的表面接枝氧化石墨烯的碳纤维的扫描电子显微镜(SEM)表面形貌图；图5是实施例2制备的表面接枝氧化石墨烯的碳纤维的SEM表面形貌图；图6是实施例3制备的表面接枝氧化石墨烯的碳纤维的SEM表面形貌图；图7是实施例4制备的表面接枝氧化石墨烯的碳纤维的SEM表面形貌图。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。正如
技术介绍
所介绍的，现有技术中存在碳纤维增强树脂基复合材料在使用条件下，由于碳纤维表面化学惰性和表面能低而引发的复合材料的界面性能和力学性能下降的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种硅烷偶联剂辅助电泳沉积引发氧化石墨烯改性碳纤维的制备方法。本申请的一种典型实施方式，提供了一种硅烷偶联剂辅助电泳沉积引发氧化石墨烯改性碳纤维的制备方法，将脱浆后的碳纤维放入含有氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)和乙醇的水溶液中进行水解氨基化的预处理获得硅烷偶联剂处理后的碳纤维，将所述硅烷偶联剂处理后的碳纤维连接电源正极，铜片连接电源负极，以氧化石墨烯水溶液作为电泳沉积液进行电泳沉积后即得硅烷偶联剂辅助电泳沉积引发氧化石墨烯改性碳纤维。本专利技术通过硅烷偶联剂氨基丙基三乙氧基硅烷对碳纤维表面进行预处理，使碳纤维表面形成含氧官能团，从而改善氧化石墨烯沉积效果。既解决了氧化石墨烯与碳纤维接枝时产生的团聚问题，又能增加碳纤维与树脂的反应活性点和有效接触面积，从而提高了纤维增强树脂基复合材料的界面剪切强度。优选的，含有氨基丙基三乙氧基硅烷和乙醇的水溶液中氨基丙基三乙氧基硅烷的质量分数为1～4％。含有氨基丙基三乙氧基硅烷和乙醇的水溶本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硅烷偶联剂辅助电泳沉积引发氧化石墨烯改性碳纤维的制备方法，其特征是，将脱浆后的碳纤维放入含有氨基丙基三乙氧基硅烷和乙醇的水溶液中进行水解氨基化的预处理获得硅烷偶联剂处理后的碳纤维，将所述硅烷偶联剂处理后的碳纤维连接电源正极，以铜片连接电源负极，以氧化石墨烯水溶液作为电泳沉积液进行电泳沉积后即得硅烷偶联剂辅助电泳沉积引发氧化石墨烯改性碳纤维。

【技术特征摘要】
1.一种硅烷偶联剂辅助电泳沉积引发氧化石墨烯改性碳纤维的制备方法，其特征是，将脱浆后的碳纤维放入含有氨基丙基三乙氧基硅烷和乙醇的水溶液中进行水解氨基化的预处理获得硅烷偶联剂处理后的碳纤维，将所述硅烷偶联剂处理后的碳纤维连接电源正极，以铜片连接电源负极，以氧化石墨烯水溶液作为电泳沉积液进行电泳沉积后即得硅烷偶联剂辅助电泳沉积引发氧化石墨烯改性碳纤维。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征是，含有氨基丙基三乙氧基硅烷和乙醇的水溶液中氨基丙基三乙氧基硅烷的质量分数为1～4％；含有氨基丙基三乙氧基硅烷和乙醇的水溶液中乙醇质量分数为0.5～1％。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征是，所述电泳沉积的条件为，直流电源输出电压为5～25V，沉积时间为10～30min。4.如权利要求1所述的制备方法，其特征是，电泳沉积的电源负极极片为铜电极。5.如权利要求1所述的制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱波，袁晓敏，乔琨，虞军伟，赵圣尧，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37