一种提高碳纤维绝缘性能的方法、改性碳纤维及其用途技术

本发明专利技术涉及一种提高碳纤维绝缘性能的方法、改性碳纤维及其用途，所述方法包括如下步骤：(1)对碳纤维基体进行氧化处理，得到预氧化的碳纤维；(2)将所述预氧化的碳纤维与低聚物、笼形聚倍半硅氧烷化合物、交联剂及溶剂混合，反应后，得到改性碳纤维；所述低聚物的软化点范围为40～120℃；所述改性碳纤维通过所述的提高碳纤维绝缘性能的方法制备得到；所述改性碳纤维用于绝缘工程塑料。本发明专利技术提供的提高碳纤维绝缘性能的方法能够显著的提升碳纤维的体积电阻率、降低改性碳纤维增强材料的介电常数。

A Method for Improving the Insulation Property of Carbon Fiber, Modified Carbon Fiber and Its Application

The present invention relates to a method for improving the insulation property of carbon fibers, modified carbon fibers and their applications. The method comprises the following steps: (1) oxidizing the carbon fibers matrix to obtain pre-oxidized carbon fibers; (2) mixing the pre-oxidized carbon fibers with oligomers, caged polysesquioxane compounds, cross-linking agents and solvents, and obtaining the modified carbon fibers after reaction; The softening point of the oligomer ranges from 40 to 120 degrees C; the modified carbon fibers are prepared by the method of improving the insulation performance of the carbon fibers; and the modified carbon fibers are used for insulating engineering plastics. The method of improving the insulation performance of carbon fibers provided by the invention can significantly improve the volume resistivity of carbon fibers and reduce the dielectric constant of modified carbon fibers reinforced materials.

【技术实现步骤摘要】
一种提高碳纤维绝缘性能的方法、改性碳纤维及其用途
本专利技术涉及表面改性
，尤其涉及提高碳纤维绝缘性能的方法、改性碳纤维及其用途。
技术介绍
碳纤维(carbonfiber，简称CF)，是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，综合性能优异。碳纤维主要性能如下：(1)比重小(1.7～2.13g/cm)；(2)模量高(200～700GPa)，比模量大，碳纤维杨氏模量是玻璃纤维的3倍、凯夫拉纤维的2倍左右；(3)强度高(3～7GPa)，比强度大；(4)自润滑，耐磨损；(5)热膨胀系数小(0～1.1×10-6K-1)，尺寸稳定性好；(6)热导率高(10～160W·m-1·K-1)。上述这些综合的优异性能，使其成为先进复合材料的主要增强纤维之一。但碳纤维的微观乱层石墨结构使其平行电场方向具有较高的介电常数和导电性，无法用于绝缘复合材料，并且用于工程塑料时与树脂体系的相容性差。CN108193482A公开了一种用于碳纤维表面改性的处理方法，碳纤维在进行电化学处理时采用复配电解液，所述的复配电解液由溶剂和化合物组成，其中溶剂为有机试剂和无机试剂复配的混合溶剂，所述的有机试剂和无机试剂选自水、乙二醇、甘油、草酸、乙腈，所述的化合物选自含氮化合物。该处理方法不仅可提高碳纤维表面氧含量，同时增加了碳纤维表面氮含量，使碳纤维与树脂基体的粘接性能更优异，但是所述碳纤维仍具有较高的介电常数，导电性好，很难应用于绝缘材料，另外，由于其余树脂的相容性差，也难应用于工程塑料。CN106498738A公开了一种改性碳纤维的制备方法，包括如下步骤：(1)研磨：先将长度为50～100微米的短碳纤维置于研磨机中，在磨介的作用下研磨40小时，使得短碳纤维的长度下降到0.5微米以下，长径比小于10；(2)浸润：采用超分散剂对研磨后的短碳纤维进行浸润；(3)包覆：采用表面处理剂对浸润后的短碳纤维进行包覆，期间，将短碳纤维的堆积密度控制在1以下，得到改性碳纤维。所述改性碳纤维具有分散性能好，堆积密度低等特性，对电磁波和无线信号能局部屏蔽和干扰，达到在信息竞争中取得优势的作用，但具有较高的介电常数和较低的电阻率，很难用于绝缘材料，且操作较为复杂。CN104088132B一种碳纤维粉表面改性方法，其步骤是先对碳纤维粉进行空气灼烧预处理，再将预处理后的碳纤维粉浸入氧化液进行表面改性，最后对改性后的碳纤维粉进行清洗处理得到表面改性的碳纤维粉。本专利技术方法得到了改性碳纤维粉具有良好的溶剂浸润性和分散稳定性，与基体复合时的界面结合能力较好，但具有较高的介电常数和较低的电阻率，很难用于绝缘材料。因此，本领域亟待开发一种提高碳纤维绝缘性能的方法，使碳纤维既能够保有较高的力学强度，又具有优异的绝缘性能，即相对于现有技术，提高碳纤维的体积电阻率提高，介电常数降低，并且制备周期短、成本低。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的之一在于提供一种提高碳纤维绝缘性能的方法，所述方法包括如下步骤：(1)对碳纤维基体进行氧化处理，得到预氧化的碳纤维；(2)将所述预氧化的碳纤维与低聚物、笼形聚倍半硅氧烷化合物、交联剂及溶剂混合，反应后，得到改性碳纤维；所述低聚物的软化点范围为40～120℃，例如41℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、78℃、80℃、90℃、100℃、110℃、115℃或118℃等。笼形聚倍半硅氧烷(POSS)化合物的笼型框架结构是本征微孔结构，该结构使得其自身具有良好的介电性；同时，POSS的三维尺寸均处于纳米尺度范围内，具备有纳米粒子小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，将POSS化合物引入碳纤维基体表面，其分子周围形成无数纳米级微空间，这些纳米微空间相互连接覆盖在碳纤维表面，削弱甚至隔绝了外加电场对碳纤维石墨层中的极化作用，从而降低了碳纤维的介电常数，提高了碳纤维的绝缘性。并且，POSS化合物的结构存在特有的Si-O-Si无机骨架结构，整个分子就像一个刚性球，该刚性球具有很强的立体空间稳定特性，使得POSS改性层具有持久稳定性。本专利技术以软化点范围为40～120℃的低聚物作为载体，加入POSS化合物，再添加适当的交联剂，一步物理-化学过程在碳纤维表面形成一层交联层，交联层为网状结构，POSS化合物可以嵌入至交联网格当中，即POSS化合物被锚定在碳纤维皮层上，从而改变碳纤维皮层的空间形态，实现提高碳纤维绝缘性的目的，即提高碳纤维体积电阻率、降低碳纤维的介电常数，在相同条件下，碳纤维的体积电阻率可提高1～2个数量级，含有10wt％的所述改性碳纤维的聚苯硫醚(PPS)树脂的介电常数最高可降低80％，可应用于轻量化高强度绝缘材料中，此外，聚合物交联层的引入能够增加碳纤维应用于工程塑料时与树脂体系的相容性。该方法成本低廉、周期较短，适合工业化生产。预氧化处理能够在碳纤维基体表面引入大量的反应性基团，如羧基、羟基等，可以与聚合物上的反应性基团进行反应，使交联层与碳纤维基体结合更加牢固。优选地，所述笼形聚倍半硅氧烷化合物占所述碳纤维基体的质量百分比为0.1～8wt％，例如0.2wt％、0.5wt％、0.8wt％、1wt％、1.2wt％、1.5wt％、1.8wt％、2wt％、2.2wt％、2.5wt％、2.8wt％、3wt％、3.3wt％、3.5wt％、3.7wt％、4wt％、4.3wt％、4.5wt％、4.9wt％、5wt％、5.1wt％、5.4wt％、5.5wt％、5.8wt％、6wt％、6.3wt％、6.5wt％、6.8wt％、7.0wt％、7.2wt％、7.5wt％或7.8wt％等，优选0.3～5.0wt％，进一步优选0.5～3.0wt％。优选地，所述低聚物包括烷基烯酮二聚体、聚醛树脂、聚酮树脂和醛酮树脂中的任意一种或至少两种组合。优选地，所述低聚物包括烷基烯酮二聚体和/或醛酮树脂。在优选方案中，选择烷基烯酮二聚体、醛树脂、聚酮树脂和醛酮树脂中的任意一种或至少两种组合作为载体，是因为上述几种树脂含有反应型基团，在交联剂的作用下能够发生交联形成包覆膜，使聚合物更好的包裹在碳纤维基体的表面，得到的改性碳纤维稳定性高。进一步优选烷基烯酮二聚体和/或醛酮树脂，是由于醛酮树脂和烯酮二聚体反应速度快，能够在交联剂的作用下交联形成致密性更强的包覆膜，能够起到更好的增加碳纤维绝缘性能的效果，且稳定性高。优选地，所述笼形聚倍半硅氧烷化合物为含有活性基团的笼形聚倍半硅氧烷化合物。进一步的选择含有活性基团的POSS化合物，使POSS化合物不仅仅是嵌入在交联网格中，还能够通过反应基团与预氧化的碳纤维上的反应基团发生接枝，通过键合作用进一步的稳定住POSS化合物，POSS改性层结合牢固，增强了改性碳纤维的稳定性。优选地，所述笼形聚倍半硅氧烷化合物包括具有T6、T8、T10和T12结构的化合物中的任意一种或至少两种组合，优选具有T8结构的化合物和/或具有T10结构的化合物：所述R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11和R12均各自独立地选自环氧基、乙烯基、氨基、巯基、硅醇基、羟基、羧酸基、氨基、C2～C本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提高碳纤维绝缘性能的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)对碳纤维基体进行氧化处理，得到预氧化的碳纤维；(2)将所述预氧化的碳纤维与低聚物、笼形聚倍半硅氧烷化合物、交联剂及溶剂混合，反应后，得到改性碳纤维；所述低聚物的软化点范围为40～120℃。

【技术特征摘要】
1.一种提高碳纤维绝缘性能的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)对碳纤维基体进行氧化处理，得到预氧化的碳纤维；(2)将所述预氧化的碳纤维与低聚物、笼形聚倍半硅氧烷化合物、交联剂及溶剂混合，反应后，得到改性碳纤维；所述低聚物的软化点范围为40～120℃。2.根据权利要求1所述的提高碳纤维绝缘性能的方法，其特征在于，所述笼形聚倍半硅氧烷化合物占所述碳纤维基体的质量百分比为0.1～8wt％，优选0.3～5.0wt％，进一步优选0.5～3.0wt％。3.根据权利要求1或2所述的提高碳纤维绝缘性能的方法，其特征在于，所述低聚物包括烷基烯酮二聚体、聚醛树脂、聚酮树脂和醛酮树脂中的任意一种或至少两种组合；优选地，所述低聚物包括烷基烯酮二聚体和/或醛酮树脂。4.根据权利要求1～3中任一项所述的提高碳纤维绝缘性能的方法，其特征在于，所述笼形聚倍半硅氧烷化合物为含有活性基团的笼形聚倍半硅氧烷化合物；优选地，所述笼形聚倍半硅氧烷化合物包括具有T6、T8、T10和T12结构的化合物中的任意一种或至少两种组合，优选具有T8结构的化合物和/或具有T10结构的化合物：所述R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11和R12均各自独立地选自环氧基、乙烯基、氨基、巯基、硅醇基、羟基、羧酸基、氨基、C2～C30烷基氨基、C6～C30芳基氨基、C1～C30烷基、C2～C30亚烃基、C6～C30芳基和C4～C30杂芳基中的任意一种；优选地，所述R1、R2、R3、R4、R5和R6中至少有一项为环氧基、乙烯基、氨基、巯基、硅醇基、羟基和羧酸基中的任意一种；优选地，所述笼形聚倍半硅氧烷化合物包括AL0125、AL0104、AL0130、AL0136、CA0295、CA0296、CA0297、CA0298、EP0402、EP0409、EP0417、EP0418、EP0419、EP0421、EP0421、EP0423、EP0425、EP0430、EP0435、OL1118、OL1123、OL1159、OL1160、OL1163、OL1170、PG1190、PG1191、SH1310、SH1311、SO1400、SO1430、SO1440、SO1444、SO1450、SO1455、SO1457、SO1460、MS0830、MS0813、MS0814中的任意一种或至少两种组合，优选EP0402、EP0409、EP0417、EP0418、EP0419、EP0421、EP0421、EP0423、EP0425、EP0430、EP0435、SO1400、SO1430、SO1440、SO1444、SO1450、SO1455、SO1457、SO1460中的任意一种或至少两种组合；优选地，所述碳纤维基体包括短...

【专利技术属性】
技术研发人员：赖华林，曹艳霞，邓冬颜，
申请(专利权)人：深圳华力兴新材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44