一种修复改性碳纤维表界面的方法及其用途技术

本发明专利技术提供了一种修复改性碳纤维表界面的方法及其用途，属于复合材料领域。具体提供了一种以浓度为0.01～0.5wt％的纤维素溶液作为上浆剂，对碳纤维进行上浆改性，制备得到的改性碳纤维。本发明专利技术利用纤维素对碳纤维进行改性，可以使得改性后的碳纤维拉伸强度显著提高；同时利用改性后的碳纤维制备的碳纤维增强树脂复合材料，其界面性能显著增强，力学强度显著提高。本发明专利技术改性方法具有不破坏碳纤维强度和工艺环保的优点，实现利用天然纤维素改善碳纤维及其与基体的界面性能。本发明专利技术改性碳纤维增强树脂复合材料可应用于航空航天、车辆工程、运动器械等领域制件的制备，具有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种修复改性碳纤维表界面的方法及其用途
本专利技术属于复合材料领域，具体涉及一种修复改性碳纤维表界面的方法及其用途。
技术介绍
碳纤维增强聚合物复合材料(CFRPs)具有优异的机械性能与重量比，是一种高级复合材料，被广泛应用于机械工程航天和汽车行业。通常，碳纤维(CFs)和树脂之间的界面对于CFRP的机械性能至关重要，因为负载会从树脂传递到碳纤维上，从而减少界面处的应力集中。更好的界面性能通常可以为复合材料提供更好的机械性能。但是，未经处理的CF表面上的极性基团数量很少，导致与树脂基体的界面相互作用较弱。此外，碳纤维是刚性材料，由于存在表面缺陷，当CFRPs承受应力时，很容易在界面处引起应力集中，从而导致材料性能下降。这些问题限制了CFRPs性能的进一步提高，并且已成为CFRPs发展中一直期望被解决但未解决的关键难题。因此，对CFs进行改性以获得优良的界面，进而提升CFRPs的机械性能具有十分重要的意义。界面性质与CFs表面的化学组成和形态有关。碳纤维在生产过程中不可避免地会引起大量带有多功能基团的缺陷，这些缺陷会产生裂纹尖端效应，并在界面处产生应力集中。许多研究人员专注于CFs惰性表面的改性，通过引入更多的化学反应位点和增加比表面积来进行粘附，从而使CFs/树脂的界面性能更好，例如上浆、接枝、化学气相沉积、电化学法、等离子处理等等。然而，强力的(化学)处理可能会损坏CFs表面，导致更大的缺陷，从而降低其机械性能。而电化学和等离子体处理，会受限于设备而难以普及，化学气相沉积接枝等工艺复杂，难以工业化推广。r>有研究者采用羟丙基甲基纤维素作为分散剂，对碳纤维进行改性，以提高碳纤维的分散性，进而提高环氧复合材料的力学性能，具体是将未改性碳纤维、分散剂、固化剂和树脂均匀混合后真空脱气，再固化而得。但该方法中，羟丙基甲基纤维素仅仅吸附碳纤维表面，没有在碳纤维表面乳化，无法有效改善碳纤维与环氧树脂的界面性能。同时，羟丙基甲基纤维素的分散机理为物理分散，其利用大分子的吸附以及分子链的缠绕、阻隔作用将碳纤维分散，并没有小分子浆料填充碳纤维的内部缺陷，通过电镜观察发现，采用该方式改性，羟丙基甲基纤维素无法有效均匀的附着在碳纤维上，容易形成应力集中点，导致复合材料机械性能不稳定。使用羟丙基甲基纤维素作为分散剂对环氧基体力学性能进行增强的增强效果非常有限。为了使碳纤维增强聚合物复合材料更好的应用于各个行业，需要进一步提高碳纤维增强聚合物复合材料的性能，特别是力学性能和稳定性需要进一步提高。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种修复改性碳纤维表界面的方法及其用途。本专利技术提供了一种修复改性碳纤维，它是以浓度为0.01～0.5wt％的纤维素溶液作为上浆剂，对碳纤维进行上浆改性，制备得到的改性碳纤维。进一步地，所述上浆的方法包括涂敷、浸渍、浸泡或喷涂；或者，所述上浆的方法包括间歇性上浆或连续性上浆。进一步地，所述碳纤维的直径为6.5-7.5μm；优选地，所述碳纤维为聚丙烯腈碳纤维、黏胶基碳纤维或沥青基碳纤维；更优选地，所述碳纤维为聚丙烯腈碳纤维；进一步优选地，所述碳纤维为不含上浆剂的聚丙烯腈碳纤维。进一步地，所述纤维素溶液的浓度为0.02～0.1wt％；优选地，所述纤维素溶液的浓度为0.025～0.075wt％；更优选地，所述纤维素溶液的浓度为0.050～0.075wt％；更优选地，所述纤维素溶液的浓度为0.075wt％；进一步优选地，所述纤维素溶液为纤维素水溶液；更进一步优选地，所述纤维素溶液的制备方法如下：将纤维素加入去离子水中分散均匀，即得；更进一步优选地，所述纤维素溶液的制备方法如下：将纤维素加入去离子水中搅拌2～4小时分散均匀。进一步地，所述纤维素选自多聚合纤维素、羧甲基纤维素、纤维素醚、甲基纤维素、羟丙甲基纤维素中任意一种或多种；优选地，所述纤维素选自羧甲基纤维素；更优选地，所述羧甲基纤维素的黏度为50～100MPa·s。本专利技术还提供了一种前述的修复改性碳纤维的制备方法，它包括如下步骤：以纤维素溶液作为上浆剂，对碳纤维进行上浆改性后而得；优选地，所述上浆的方法包括涂敷、浸渍、浸泡或喷涂；和/或，所述上浆的方法包括间歇性上浆或连续性上浆；更优选地，所述浸泡上浆时，时间为10～30分钟；进一步优选地，所述浸泡上浆后进行干燥；更进一步优选地，所述干燥为40～60℃干燥24～48h。本专利技术还提供了前述的修复改性碳纤维在制备碳纤维增强聚合物复合材料中的用途；优选地，所述碳纤维增强聚合物复合材料为碳纤维增强树脂复合材料；更优选地，所述树脂选自热固性树脂或热塑性树脂；进一步优选地，所述热固性树脂选自环氧树脂、酚醛树脂、脲醛树脂、双马来酰胺树脂、聚酰亚胺树脂、有机硅或聚氨酯；和/或，所述热塑性树脂选自聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯醇、聚丙烯或尼龙；更进一步优选地，所述树脂为双酚A型环氧树脂。本专利技术还提供了一种修复改性碳纤维增强聚合物复合材料，它是在前述的修复改性碳纤维上涂敷树脂混合物后，固化成型而得；所述树脂混合物由树脂和固化剂组成，所述树脂和固化剂的质量比为100：(10～30)；优选地，所述树脂选自热固性树脂或热塑性树脂；和/或，所述固化剂为莫卡固化剂；和/或，所述树脂和固化剂的质量比为100：(24～28)；更优选地，所述热固性树脂选自环氧树脂、酚醛树脂、脲醛树脂、双马来酰胺树脂、聚酰亚胺树脂、有机硅或聚氨酯；和/或，所述热塑性树脂选自聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯醇、聚丙烯或尼龙；进一步优选地，所述树脂为双酚A型环氧树脂；和/或，所述固化剂为4,4'-二氨基二苯甲烷；和/或，所述树脂和固化剂的质量比为100：26。本专利技术还提供了一种前述的碳纤维增强聚合物复合材料的制备方法，它包括如下步骤：(1)将树脂和固化剂混合搅拌均匀，得树脂混合物；(2)将树脂混合物涂敷在前述的修复改性碳纤维上，固化成型，即得。本专利技术还提供了前述的碳纤维增强聚合物复合材料在制备航空航天、车辆工程、运动器械领域中制件的用途。本专利技术中，修复改性是指改性碳纤维中羧甲基纤维素通过极性官能团自发的到达到碳纤维表面缺陷的位置，减少应力集中，提高碳纤维强度，实现碳纤维修复改性。本专利技术利用纤维素对碳纤维进行改性，可以使得改性后的碳纤维拉伸强度显著提高；同时利用改性后的碳纤维制备的碳纤维增强树脂复合材料，其界面性能显著增强，力学强度显著提高。本专利技术改性方法具有不破坏碳纤维强度和工艺环保的优点，实现利用天然纤维素改善碳纤维及其与基体的界面性能。本专利技术改性碳纤维增强树脂复合材料可应用于航空航天、车辆工程、运动器械等领域制件的制备，具有广泛的应用前景。显然，根据本专利技术的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种修复改性碳纤维，其特征在于：它是以浓度为0.01～0.5wt％的纤维素溶液作为上浆剂，对碳纤维进行上浆改性，制备得到的改性碳纤维。/n

【技术特征摘要】
1.一种修复改性碳纤维，其特征在于：它是以浓度为0.01～0.5wt％的纤维素溶液作为上浆剂，对碳纤维进行上浆改性，制备得到的改性碳纤维。


2.根据权利要求1所述的修复改性碳纤维，其特征在于：所述上浆的方法包括涂敷、浸渍、浸泡或喷涂；
或者，所述上浆的方法包括间歇性上浆或连续性上浆。


3.根据权利要求1所述的修复改性碳纤维，其特征在于：所述碳纤维的直径为6.5-7.5μm；
优选地，所述碳纤维为聚丙烯腈碳纤维、黏胶基碳纤维或沥青基碳纤维；
更优选地，所述碳纤维为聚丙烯腈碳纤维；
进一步优选地，所述碳纤维为不含上浆剂的聚丙烯腈碳纤维。


4.根据权利要求1所述的修复改性碳纤维，其特征在于：所述纤维素溶液的浓度为0.02～0.1wt％；
优选地，所述纤维素溶液的浓度为0.025～0.075wt％；
更优选地，所述纤维素溶液的浓度为0.050～0.075wt％；
更优选地，所述纤维素溶液的浓度为0.075wt％；
进一步优选地，所述纤维素溶液为纤维素水溶液；
更进一步优选地，所述纤维素溶液的制备方法如下：将纤维素加入去离子水中分散均匀，即得；
更进一步优选地，所述纤维素溶液的制备方法如下：将纤维素加入去离子水中搅拌2～4小时分散均匀。


5.根据权利要求1所述的修复改性碳纤维，其特征在于：所述纤维素选自多聚合纤维素、羧甲基纤维素、纤维素醚、甲基纤维素、羟丙甲基纤维素中任意一种或多种；
优选地，所述纤维素选自羧甲基纤维素；
更优选地，所述羧甲基纤维素的黏度为50～100MPa·s。


6.一种权利要求1～5任一项所述的修复改性碳纤维的制备方法，其特征在于：它包括如下步骤：
以纤维素溶液作为上浆剂，对碳纤维进行上浆改性后而得；
优选地，所述上浆的方法包括涂敷、浸渍、浸泡或喷涂；
和/或，所述上浆的方法包括间歇性上浆或连续性上浆；
更优选地，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹华维，邱宝伟，周生态，梁梅，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川;51