一种碳纤维表面原位生长聚合物粒子制备高性能复合材料的方法技术

本发明专利技术公开了一种碳纤维表面原位生长聚合物粒子制备高性能复合材料的方法。该方法是通过在室温下，在CF表面原位化学键接、生长聚合物粒子，对CF表面进行改性，从而提高CF与基材界面粘合力，提高复合材料性能。本发明专利技术中CF表面原位生长的粒子以化学键与CF相连，不易脱落；CF表面改性过程简单、快速且条件温和；不使用强酸或强氧化剂处理CF表面，对CF本身表面没有损伤；CF表面长出的粒子组成、尺寸、形貌、表面粗糙度和官能基团可调；调控反应组成和配比，可使聚合物粒子表面带有可进一步与基材树脂反应的功能基团，进一步提高CF与基材的界面性能。TFBT测试表明CF与基材树脂界面拉伸强度提高了76‑164％，单丝微滴脱粘法测定表明IFSS提高了40‑76％。

A method of preparing high performance composite by in situ growth of polymer particles on the surface of carbon fiber

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维表面原位生长聚合物粒子制备高性能复合材料的方法
本专利技术属于复合材料制备
，特别涉及一种碳纤维表面原位生长聚合物粒子制备高性能复合材料的方法。
技术介绍
碳纤维(CF)因其优异的比强度、比模量、耐腐蚀、吸能等特点，在航空航天、轨道交通、汽车等领域广泛应用[GarimaMittal,KyongY.Rhee,VesnaDavidHui.Reinforcementsinmulti-scalepolymercomposites:Processing,propertiesandapplications[J].CompositesPartB,2018,138:122-139]。CF生产过程中，要经过预氧化、高温炭化和石墨化等过程，这使CF原丝表面呈现出化学惰性，表面自由能低；作为增强体制备复合材料时，CF与复合材料基体的相容性差，界面黏附力低，造成复合材料的界面剪切强度、层间剪切强度等性能较差；此外，几乎所有树脂材料对CF的浸润性都较差，限制了树脂在介观、微观等尺度对纤维的浸渍与包覆效果，降低了纤维增强树脂基复合材料的复合效率与质量，严重影响复合材料的力学性能和使用寿命[Pui-yanHung,Kin-takLau,BronwynFox,NisharHameed,JoongHeeLee,DavidHui.Surfacemodificationofcarbonfibreusinggrapheneerelatedmaterialsformultifunctionalcomposites[J].CompositesPartB,2018,133:240-257]。CF与基体材料的界面性质直接关系到载荷能否在基体与CF之间均匀、有效传递和分散，对复合材料的机械性能起至关重要的作用。为提高CF-基体间的界面相容性、实现载荷的有效传递、充分发挥CF高强、高模等优异特性、获得高性能复合材料，研究者们提出了许多对CF进行表面改性的方法，如：气相沉积法和氧化法、涂层法、等离子体法、微波辐射法等，所涉及方法可以是物理改性法或化学改性法，其中化学改性效果明显，化学改性研究主要涉及改变纤维表面化学组成和提高表面粗糙度。改变纤维表面组成：主要是向纤维表面引入可与基材发生相互作用或反应的活性官能基团，如羟基、羧基、环氧等基团；也可利用纤维表面活性基团进一步反应，向纤维表面引入线性分子链、支化、或超支化大分子等[CaifengWang,LeiChen,JunLi,YudongHuang.Enhancingtheinterfacialstrengthofcarbonfiberreinforcedepoxycompositesbygreengraftingofpoly(oxypropylene)diamines[J].Composites:PartA,2017,99:548-557；BoGao,RuliangZhang,MaoshuaiHe,ChengguoWang.InterfacialMicrostructureandEnhancedMechanicalPropertiesofCarbonFiberCompositesCausedbyGrowingGeneration1-4DendriticPoly(amidoamine)onaFiberSurface[J].Langmuir2016,32：8339-8349；BoGao,JingZhang,LujieHuo,RuliangZhang.In-situmodificationofcarbonfiberswithhyperbranchedpolyglycerolviaanionicring-openingpolymerizationforuseinhigh-performancecomposites[J].Carbon,2017,123：548-557]。CF表面引入活性基团或与基材树脂相容性好的分子链后，纤维表面活性和自由能提高，纤维和基材的界面剪切力大幅提高，复合材料的拉伸强度显著提高。提高纤维表面粗糙度：增加表面粗糙度，增加比表面积，可提高树脂浸润纤维的接触面积，同时可在CF/树脂间产生机械锁链作用，从而改善界面粘合作用、提高CF与基体树脂间的界面剪切强度以及复合材料力学性能。如上所述，CF表面引入活性基团或分子链可改变纤维表面组成，不仅如此，扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)观察表明CF表面粗糙度也明显增加。进一步，为增大纤维表面粗糙度，同时避免强酸等处理表面、引入官能团或分子链过程中对CF本体的损伤，可将无机、有机、有机-无机复合微纳米颗粒、线、棒等结构吸附或化学键固定在CF表面，对纤维表面进行重构，获得表面三维结构，有效提高CF表面活性和比表面积，从而大幅提高CF/树脂界面粘合性，获得高性能复合材料。如采用水热法和超临界方法：首先在超临界水/丙酮中抽提处理CF，然后经AgNO3/K2S2O8氧化处理，使CF表面含-COOH；制备TiO2溶胶，利用水热法在CF表面长出纳米线，然后在超临界水中形成TiO2纳米棒(NRs)，所得CF-TiO2NRs与环氧树脂复合材料层间界面剪切强度和冲击强度分别提高50.7％和50％(LichunMa,YingyingZhu,XiaoruLi,ChaoYang,PingHan.Thearchitectureofcarbonfiber-TiO2nanorodshybridstructureinsupercriticalwaterforreinforcinginterfacialandimpactpropertiesofCF/epoxycomposites[J].PolymerTesting,2018,66:213-220)。采用化学接枝方法：首先对CF进行硝酸酸化等处理，使纤维表面带上-COOH、-OH等官能基团；利用硅烷偶联剂KH550-NH2处理SiO2纳米粒子(NPs)，使粒子表面含-NH2；然后通过CF表面羧基和SiO2NPs表面氨基反应，在CF表面固定SiO2NPs，由此使复合材料界面剪切力(ILSS)和层间界面剪切力(IFSS)分别提高53.27％和40.92％，冲击强度提高34.95％(GuangshunWu,LichunMaHuaJiang,LiLiu.Improvingtheinterfacialstrengthofsiliconeresincompositesbychemicallygraftingsilicananoparticlesoncarbonfiber.[J].CompositesScienceandTechnology,2017,153：160-167)。同样利用化学接枝方法：首先利用硅烷偶联剂KH590-SH处理CF，使纤维表面含-SH；利用硅烷偶联剂KH550-C＝C处理TiO2NPs，使粒子表面含-C＝C；然后在UV光照下通过-SH与-C＝C点击反应使纤维表面接枝一层纳米粒子，所得环氧树脂基复合材料层间界面剪切强度提高78％，弯曲强度、拉伸强度分别提高32.3％和39.6％(LeiXiong,FengZhan,HongboLiang,LiangChen,DaosongLan.Ch本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纤维表面原位生长聚合物粒子制备高性能复合材料的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：1)CF基材表面预处理：a)清洗：CF基材用丙酮抽提，然后超声清洗，并用乙醇和去离子水冲洗，放入烘箱干燥；b)CF基材表面沉积:将步骤a)清洗后的CF基材浸入Tris缓冲液中，所述Tris缓冲液含多巴胺盐酸盐或聚乙烯亚胺中的一种或两种，多巴胺盐酸盐和聚乙烯亚胺的浓度范围均为1‑6mg/mL，pH值为8.5，室温静置6‑12h，取出CF基材用乙醇或去离子水冲洗至溶液澄清，将CF基材放入烘箱50‑80℃干燥备用；2)CF基材表面原位生长聚合物粒子：将上述表面预处理过的CF基材浸入有机溶剂中，加入含异氰酸酯基团的单体或/和含环氧基团的单体，加入含巯基的单体，加入表面分散剂，室温下、搅拌或静置进行点击聚合2‑12h，在CF基材表面原位生长聚合物粒子，反应结束后，用有机溶剂异丙醇或乙醇清洗，烘箱干燥。

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维表面原位生长聚合物粒子制备高性能复合材料的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：1)CF基材表面预处理：a)清洗：CF基材用丙酮抽提，然后超声清洗，并用乙醇和去离子水冲洗，放入烘箱干燥；b)CF基材表面沉积:将步骤a)清洗后的CF基材浸入Tris缓冲液中，所述Tris缓冲液含多巴胺盐酸盐或聚乙烯亚胺中的一种或两种，多巴胺盐酸盐和聚乙烯亚胺的浓度范围均为1-6mg/mL，pH值为8.5，室温静置6-12h，取出CF基材用乙醇或去离子水冲洗至溶液澄清，将CF基材放入烘箱50-80℃干燥备用；2)CF基材表面原位生长聚合物粒子：将上述表面预处理过的CF基材浸入有机溶剂中，加入含异氰酸酯基团的单体或/和含环氧基团的单体，加入含巯基的单体，加入表面分散剂，室温下、搅拌或静置进行点击聚合2-12h，在CF基材表面原位生长聚合物粒子，反应结束后，用有机溶剂异丙醇或乙醇清洗，烘箱干燥。2.根据权利要求1所述碳纤维表面原位生长聚合物粒子制备高性能复合材料的方法，其特征在于，所述CF基材是丝束或织布。3.根据权利要求1所述碳纤维表面原位生长聚合物粒子制备高性能复合材料的方法，其特征在于，所述CF基材表面原位生长聚合物粒子过程中通过一次或分次加入一种或几种含异氰酸酯基团的单体，含异氰酸酯基团的单体的浓度为3-30mg/mL。4.根据权利要求1所述碳纤维表面原位生长聚合物粒子制备高性能复合材料的方法，其特征在于，所述CF基材表面原位生长聚合物粒子过程中通过一次或分次加入一种或几种含环氧基团的单体，含环氧基团的单体的浓度为6-42mg/mL。5.根据权利要求1所述碳纤维表面原位生长聚合物粒子制备高性能复合材料的方法，其特征在于，所述CF基材表面原位生长...

【专利技术属性】
技术研发人员：任明伟，刘莲英，王正，刘慧敏，高克玮，范广宏，陈蕴博，
申请(专利权)人：北京化工大学，北京机科国创轻量化科学研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11