一种芳稠环分子组装改性碳纤维表面的方法及碳纤维界面增强树脂基复合材料的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种芳稠环分子组装改性碳纤维表面的方法，属于碳纤维改性技术领域，该方法包括以下步骤：将芳稠环二元酐和二元胺进行酰亚胺化反应，得到芳稠环酰亚胺分子组装液；将碳纤维浸渍于所述芳稠环酰亚胺分子组装液中，所述芳稠环酰亚胺分子与碳纤维结合，得到表面组装改性的碳纤维。采用本发明专利技术的改性方法能够提高碳纤维表面的化学活性。本发明专利技术还提供了一种碳纤维界面增强树脂基复合材料的制备方法：得到表面组装改性的碳纤维后，将所述表面组装改性的碳纤维与树脂复合固化，得到芳稠环分子组装改性碳纤维界面增强树脂基复合材料。采用该制备方法得到的界面增强树脂基复合材料具有良好的界面粘结强度和界面剪切强度。

【技术实现步骤摘要】
一种芳稠环分子组装改性碳纤维表面的方法及碳纤维界面增强树脂基复合材料的制备方法
本专利技术涉及碳纤维改性
，尤其涉及一种芳稠环分子组装改性碳纤维表面的方法及碳纤维界面增强树脂基复合材料的制备方法。
技术介绍
碳纤维增强树脂基复合材料由于性能可设计、高比强度和比刚度、抗疲劳性能好、耐腐蚀、可整体成型和多功能一体化等优点被广泛应用于战斗机、大飞机、航天飞行器、卫星等领域。为了满足航天航空材料结构设计中对复合材料的整体性能需求，开展碳纤维树脂基复合材料高性能化基础研究，是目前国际上研究的热点和难点，也是国家重大战略需求，具有重要的理论研究价值以及工程应用前景。碳纤维表面是由片状石墨微晶沿着纤维轴向堆砌而成的类石墨结构，表面粗糙度低、化学惰性大，与树脂基体的粘结性差，限制了碳纤维高性能的发挥。目前碳纤维表面涂覆的商业化上浆剂，虽然起到了集束和润滑剂的功能，提高了与树脂基体的浸润性，但是上浆剂层与碳纤维表面有限的化学键结合，容易导致复合材料遭到破坏时裂纹易沿纤维轴向发生界面脱粘，因此界面剪切强度提高有限。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种芳稠环分子组装改性碳纤维表面的方法，以提高碳纤维表面的粗糙度和化学活性，进而将碳纤维与树脂复合时，有效提高碳纤维与树脂基复合材料的界面粘结性能和界面剪切强度。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术提供了一种芳稠环分子组装改性碳纤维表面的方法，包括以下步骤：将芳稠环二元酐和二元胺进行酰亚胺化反应，得到芳稠环酰亚胺分子组装液；将碳纤维浸渍于所述芳稠环酰亚胺分子组装液中，所述芳稠环酰亚胺分子与碳纤维结合，得到表面组装改性的碳纤维。优选的，所述芳稠环二元酐和二元胺的摩尔比为1:1～2。优选的，所述芳稠环二元酐为均苯四甲酸二酐、1,4,5,8-萘四甲酸二酐和3,4,9,10-苝四甲酸二酐中的一种；所述二元胺为脂肪族二元胺、芳香族二元胺和脂环族二元胺中的一种。优选的，所述酰亚胺化反应的温度为60～120℃，时间为12～24h。优选的，所述酰亚胺化反应在催化剂作用下进行，所述催化剂为三乙胺、羟基苯甲酸、羟基苯酚和喹啉中的一种或多种。优选的，所述催化剂的质量为芳稠环二元酐质量的0.1～0.2％。优选的，所述酰亚胺化反应在溶剂体系中进行，所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、甲苯、甲醇、乙腈和乙醚中的一种或多种。优选的，所述浸渍的时间为2～10min。优选的，所述浸渍后，还包括对浸渍后的碳纤维进行干燥。本专利技术还提供了一种碳纤维界面增强树脂基复合材料的制备方法，包括：利用上述技术方案所述方法得到表面组装改性的碳纤维后，将所述表面组装改性的碳纤维与树脂复合固化，得到芳稠环分子组装改性碳纤维界面增强树脂基复合材料。本专利技术提供了一种芳稠环分子组装改性碳纤维表面的方法，包括以下步骤：将芳稠环二元酐和二元胺进行酰亚胺化反应，得到芳稠环酰亚胺分子组装液；将碳纤维浸渍于所述芳稠环酰亚胺分子组装液中，所述芳稠环酰亚胺分子与碳纤维结合，得到表面组装改性的碳纤维。本专利技术将芳稠环二元酐和二元胺进行酰亚胺化反应，得到芳稠环酰亚胺分子组装液，该组装液以芳稠环间π-π堆积作为主导力，芳稠环酰亚胺分子上的胺基与碳纤维表面的羟基间的氢键作为驱动力，将碳纤维浸渍于该组装液中，使得芳稠环酰亚胺与碳纤维类石墨结构表面形成氨基-羧基共价键以及π-π共轭效应，在碳纤维表面形成活性纳米组装层结构，提高了碳纤维表面的粗糙度和化学活性。实施例结果表明，改性前的碳纤维的N/C和O/C比值分别为0.04和0.34，经改性的碳纤维N/C比值提高到0.11～0.13，O/C比值提高到0.49～0.73，表明碳纤维表面化学活性大大提高。本专利技术还提供了一种碳纤维界面增强树脂基复合材料的制备方法。本专利技术得到表面组装改性的碳纤维后，将所述表面组装改性的碳纤维与树脂复合固化，得到芳稠环分子组装改性碳纤维界面增强树脂基复合材料。本专利技术所述碳纤维表面的活性组装层纳米结构与树脂基体形成纳米中间相，改善了碳纤维与树脂基体间物理啮合和化学键合的协同效应，增加了中间相与树脂之间的界面粘结强度；同时可以改善复合材料的界面破坏模式，控制界面裂纹的传播，诱导裂纹分叉，提高了界面破坏所吸收的能量，最终提高了复合材料的界面剪切强度。实施例结果表明，未经改性的商业化M40J碳纤维与树脂复合后得到的复合材料的界面剪切强度为52.6MPa，而经本专利技术方法改性的M40J碳纤维增强树脂复合材料的界面剪切强度达到80.80MPa，说明本专利技术制备的芳稠环分子组装改性碳纤维界面增强树脂基复合材料具有更好的界面粘结性能和界面剪切强度。附图说明图1为实施例1经组装改性后的碳纤维的SEM图；图2为实施例2经组装改性后的碳纤维的SEM图；图3为实施例3经组装改性后的碳纤维的SEM图；图4为对比例未经改性的碳纤维的SEM图；图5为实施例1～3经改性的碳纤维以及对比例未经改性的碳纤维界面剪切强度力-位移曲线。具体实施方式本专利技术提供了一种芳稠环分子组装改性碳纤维表面的方法，包括以下步骤：将芳稠环二元酐和二元胺进行酰亚胺化反应，得到芳稠环酰亚胺分子组装液；将碳纤维浸渍于所述芳稠环酰亚胺分子组装液中，所述芳稠环酰亚胺分子与碳纤维结合，得到表面组装改性的碳纤维。本专利技术将芳稠环二元酐和二元胺进行酰亚胺化反应，得到芳稠环酰亚胺分子组装液。在本专利技术中，所述芳稠环二元酐和二元胺的摩尔比优选为1:1～2，进一步优选为1:1.3～2。在本专利技术中，所述芳稠环二元酐优选为均苯四甲酸二酐、1,4,5,8-萘四甲酸二酐和3,4,9,10-苝四甲酸二酐中的一种；所述二元胺优选为脂肪族二元胺、芳香族二元胺和脂环族二元胺中的一种，进一步优选为脂肪族二元胺。本专利技术对所述芳稠环二元酐和二元胺的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知来源的芳稠环二元酐和二元胺即可，具体的如市售芳稠环二元酐和市售的二元胺。在本专利技术中，所述酰亚胺化反应的温度优选为60～120℃，进一步优选为70～110℃；所述酰亚胺化反应的时间优选为12～24h，进一步优选为12～20h。本专利技术所述酰亚胺化反应优选在催化剂作用下进行，所述催化剂优选为三乙胺、羟基苯甲酸、羟基苯酚和喹啉中的一种或多种；所述催化剂的质量优选为芳稠环二元酐质量的0.1～0.2％，进一步优选为0.1～0.15％。本专利技术所述酰亚胺化反应优选在溶剂体系中进行，所述溶剂优选为N,N-二甲基甲酰胺、甲苯、甲醇、乙腈和乙醚中的一种或多种。本专利技术对所述溶剂的用量没有特殊要求，能够将芳稠环二元酐和二元胺全部溶解即可。本专利技术对所述催化剂和溶剂的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知来源的催化剂和溶剂即可。本专利技术优选将芳稠环二元酐与二元胺溶解于溶剂中，在催化剂作用下进行酰胺化反应，得到芳稠环酰亚胺分子组装液。本专利技术对所述溶解的条件没有特殊要求，具体采用常温溶解即可。本专利技术所述芳稠环酰亚胺分子组装液中，芳稠环酰亚胺分子的质量优选为溶剂质量的1～3％。本专利技术通过控制溶剂添加量，来控制芳稠环酰亚胺分子的质量分数。得到芳稠环酰亚胺分子组装液后，本专利技术将碳纤维浸渍于所述芳稠环酰亚胺分子组装液中，所述芳稠环酰亚胺分子与碳纤维结合，得到表面组装改性的碳纤维。在本专利技术中，所述浸渍的时间优选为2～10min，进一步优选本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种芳稠环分子组装改性碳纤维表面的方法，包括以下步骤：将芳稠环二元酐和二元胺进行酰亚胺化反应，得到芳稠环酰亚胺分子组装液；将碳纤维浸渍于所述芳稠环酰亚胺分子组装液中，所述芳稠环酰亚胺分子与碳纤维结合，得到表面组装改性的碳纤维。

【技术特征摘要】
1.一种芳稠环分子组装改性碳纤维表面的方法，包括以下步骤：将芳稠环二元酐和二元胺进行酰亚胺化反应，得到芳稠环酰亚胺分子组装液；将碳纤维浸渍于所述芳稠环酰亚胺分子组装液中，所述芳稠环酰亚胺分子与碳纤维结合，得到表面组装改性的碳纤维。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述芳稠环二元酐和二元胺的摩尔比为1:1～2。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述芳稠环二元酐为均苯四甲酸二酐、1,4,5,8-萘四甲酸二酐和3,4,9,10-苝四甲酸二酐中的一种；所述二元胺为脂肪族二元胺、芳香族二元胺和脂环族二元胺中的一种。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述酰亚胺化反应的温度为60～120℃，时间为12～24h。5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述酰亚胺化反应在催...

【专利技术属性】
技术研发人员：李刚，许鹏，林家伟，向钟元，王植，于运花，杨小平，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11