一种聚苯胺修饰的碳纤维复合材料、制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种兼具优异界面性能和电磁屏蔽性能的聚苯胺修饰的碳纤维复合材料、制备方法及其应用。对去浆以后的碳纤维进行氧气等离子体表面处理，再将氧化处理后的碳纤维加入到苯胺单体溶液中浸泡，加入引发剂以后通过原位化学氧化聚合的方法将聚苯胺纳米颗粒包覆到碳纤维的表面，将环氧树脂、固化剂、促进剂复合溶液对包覆聚苯胺后的碳纤维预浸，通过热压成型得到聚苯胺纳米颗粒修饰的碳纤维复合材料。本发明专利技术同时兼具优异的界面结合性能和电磁屏蔽性能，对于提高碳纤维复合材料的使用稳定性和多样性具有重要意义，制备中无需添加任何强酸或其他强氧化剂，对纤维本身伤害较小，整个原位聚合过程无毒无害，具有广泛的应用前景和巨大的应用优势。景和巨大的应用优势。景和巨大的应用优势。

【技术实现步骤摘要】
一种聚苯胺修饰的碳纤维复合材料、制备方法及其应用


[0001]本专利技术属于碳纤维表面处理
，具体涉及一种兼具优异界面性能和电磁屏蔽性能的聚苯胺修饰的碳纤维复合材料、制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)由于具有优异的力学性能、耐腐蚀性、结构可设计性、导电性等优点在航空、航天、航海等领域具有广泛的应用前景。然而，纯碳纤维表面光滑，呈化学惰性，作为结构增强材料的CFRP界面结合较弱，往往会发生界面剥离或纤维分层。作为功能材料的CFRP由于其结构简单、电导率低，往往表现出低的电磁波屏蔽和吸收性能(刑丽英，等.复合材料学报2020，37，50
‑
56；王天玉，等.航空材料学报2008，28，46
‑
49；孙占英，等.工程塑料应用2015，43，145
‑
148；D.D.L.Chung.Materials Science and Engineering:R:Reports 2017，113，1
‑
29)。
[0003]研究表明，施胶、表面接枝大分子、原位聚合等表面改性方法可以有效同时提高CFRP的界面性能和电磁屏蔽性能。这些具有丰富极性官能团和良好载流子运动能力的纳米颗粒包覆在碳纤维表面，一方面提高了纤维表面的润湿性和表面粗糙度，使纤维与树脂之间的化学相互作用和机械啮合作用增强；另一方面有利于产生更多的传导损耗和界面极化损耗，进而增强复合材料对入射电磁波的屏蔽和吸收性能。目前并未有成熟的技术制造出符合要求的碳纤维复合材料。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是现有碳纤维增强树脂基复合材料的制备后得到的复合材料性能达不到界面性能和电磁屏蔽性能的需求，其目的在于提供一种聚苯胺修饰的碳纤维复合材料、制备方法及其应用，该碳纤维复合材料、制备方法及其应用能够得到具有优异界面性能和导电性能的碳纤维增强体，与树脂基体复合，由此制备兼具优异界面性能和电磁屏蔽性能的碳纤维复合材料。
[0005]本专利技术通过下述技术方案实现：
[0006]一种聚苯胺修饰的碳纤维复合材料的制备方法，包括如下步骤：
[0007]第一步，对碳纤维在丙酮中浸泡，得到去浆以后的碳纤维；
[0008]第二步，对去浆以后的碳纤维进行氧气等离子体表面处理；
[0009]第三步，配制含掺杂剂的苯胺单体分散液，将第二步得到的碳纤维放入苯胺单体溶液中预浸；
[0010]第四步，将引发剂溶液与苯胺单体溶液混合，在碳纤维表面进行苯胺单体的原位聚合，时间为1
‑
9h，温度为0～5℃；
[0011]第五步，将第四步聚合后的碳纤维进行冲洗、干燥，然后采用环氧树脂、固化剂、促进剂复合溶液进行预浸，通过热压成型得到聚苯胺修饰的碳纤维复合材料。
[0012]目前科学家们已知道碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)所具有优异的力学性能、
耐腐蚀性、结构可设计性、导电性等优点在航空、航天、航海等领域具有广泛的应用前景。然而，纯碳纤维表面光滑，呈化学惰性，作为结构增强材料的CFRP界面结合较弱，往往会发生界面剥离或纤维分层。作为功能材料的CFRP由于其结构简单、电导率低，往往表现出低的电磁波屏蔽和吸收性能。研究表明，施胶、表面接枝大分子、原位聚合等表面改性方法可以有效同时提高CFRP的界面性能和电磁屏蔽性能。这些具有丰富极性官能团和良好载流子运动能力的纳米颗粒包覆在碳纤维表面，一方面提高了纤维表面的润湿性和表面粗糙度，使纤维与树脂之间的化学相互作用和机械啮合作用增强；另一方面有利于产生更多的传导损耗和界面极化损耗，进而增强复合材料对入射电磁波的屏蔽和吸收性能。目前并未有成熟的技术制造出符合要求的碳纤维复合材料。
[0013]目前比较有以下几种方式来制备复合材料：
[0014]1、Edward Sacher等采用H2SO4/HNO3混合强酸氧化剂，对碳纤维进行表面活化处理，并采用拉曼光谱(Raman)、傅里叶红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)对氧化的碳纤维表面基团做了详细的研究。结果表明改性后得到的纤维表面能、润湿能力和表面粗糙度得到了一定程度提高。但由于引入表面的含氧基团反应活性较低，树脂基体与碳纤维之间依旧难以形成良好的界面化学键合，碳纤维与基体树脂之间的界面作用仍以范德华力为主，即复合材料界面性能的改善程度有限。相对而言，此方法虽操作简单，但间歇性的处理过程，较为繁琐耗时，不易实现大规模的应用。
[0015]2、Vautard等在O3气氛下采用连续气相热化学处理法对碳纤维表面改性处理，研究发现，经热氧化处理之后，碳纤维表面的含氧极性基团(
‑
OH和
‑
COOH)、表面润湿性、表面粗糙性均得到提升。总的来说，气相氧化法容易实现连续处理，对复合材料的界面性能也有明显改善，但是，由于受到温度以及氧化气体浓度等参数因素的影响，纤维的氧化程度难以精确控制，往往对碳纤维的本体强度造成较严重的损伤。
[0016]3、De Greef等通过化学气相沉积(CVD)工艺在碳纤维上实现了碳纳米管的直接生长，结果表明生长温度是纤维表面反应气体催化剂颗粒存在并生长碳纳米管最关键的参数，随着温度的升高，碳纳米管在纤维表面的生长密度增大，而碳纤维的单丝的力学性能却随着温度的升高而降低。这是因为CVD过程中的金属催化剂易对碳纤维本体造成刻蚀而降低碳纤维的本体强度。气相沉积方法虽然可以制备碳纳米管/碳纤维新型增强体并对碳纤维的表面性能性能进行改善，然而，其工艺条件往往苛刻，在高温制备过程中，金属催化剂对碳纤维有明显的刻蚀作用，破坏纤维结构导致纤维本体性能下降，使其各项力学性能指标下降，并且涉及到高温，能源消耗大。
[0017]而本方案制备的复合材料，通过对碳纤维在丙酮中浸泡，得到去浆以后的碳纤维，然后对去浆以后的碳纤维进行氧气等离子体表面处理，再配制含掺杂剂的苯胺单体分散液，将氧气等离子体表面处理后的碳纤维放入苯胺单体溶液中预浸，将引发剂溶液与苯胺单体溶液混合，在碳纤维表面进行苯胺单体的原位聚合，时间为1
‑
9h，温度为0～5℃，将原位聚合后的碳纤维进行冲洗、干燥，然后采用环氧树脂、固化剂、促进剂复合溶液进行预浸，通过热压成型得到聚苯胺修饰的碳纤维复合材料。通过在氧气等离子体改性处理后的碳纤维表面原位聚合聚苯胺纳米颗粒，得到具有优异界面性能和导电性能的碳纤维增强体，并与树脂基体复合，由此制备兼具优异界面性能和电磁屏蔽性能的碳纤维复合材料，该方法制备得到的聚苯胺涂层结构致密、均匀；通过聚苯胺包覆在提高碳纤维与树脂之间界面性
能的同时，也对复合材料的电磁屏蔽性能进行了增强，提高了复合材料的多功能性。同时本方案制备得到的聚苯胺/碳纤维多尺度增强体表现出良好的润湿性和表面粗糙度，碳纤维与树脂之间的界面结合作用良好，因此表现出优异的综合力学性能，例如层间剪切性能、弯曲性能、冲击性能等；制备得到的聚苯胺/碳纤维多尺度增强体表现本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种聚苯胺修饰的碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步，对碳纤维在丙酮中浸泡，得到去浆以后的碳纤维；第二步，对去浆以后的碳纤维进行氧气等离子体表面处理；第三步，配制含掺杂剂的苯胺单体分散液，将第二步得到的碳纤维放入苯胺单体溶液中预浸；第四步，将引发剂溶液与苯胺单体溶液混合，在碳纤维表面进行苯胺单体的原位聚合，时间为1
‑
9h，温度为0～5℃；第五步，将第四步聚合后的碳纤维进行冲洗、干燥，然后采用环氧树脂、固化剂、促进剂复合溶液进行预浸，通过热压成型得到聚苯胺修饰的碳纤维复合材料。2.根据权利要求1所述的一种聚苯胺修饰的碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤一中去浆为：将碳纤维置于丙酮溶液中浸泡48
‑
72h后烘干备用。3.根据权利要求1所述的一种聚苯胺修饰的碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤二中的氧气等离子体处理功率为400～600W，处理时间为5～10min。4.根据权利要求1所述的一种聚苯胺修饰的碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤三中的掺杂剂为盐酸、硫酸、磷酸、磺基水杨酸、樟脑磺酸或对甲苯磺酸。5.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：鄢定祥，孔威威，李忠明，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：