一种经等离子体处理后静电自组装的碳纤维复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种经等离子体处理后静电自组装的碳纤维复合材料及其制备方法，具体包括以下步骤：等离子体发生器在电源作用下产生高能等离子体，工作气体发生器向气氛仓通入氨气，等离子体发生器之间的介质阻挡放电机构使氮原子以含氮基团的方式定向包覆在碳纤维的表面，然后在溶剂中与氧化石墨烯分别经过电离和水解作用带异相电荷，在静电吸引力的作用下进行静电自组装以增强碳纤维，与环氧树脂结合获得界面性能良好的增强复合材料。本发明专利技术通过等离子体处理碳纤维/氧化石墨烯静电自组装的增强复合材料，增强了复合材料间的界面结合性能，从而提升了复合材料的综合性能。从而提升了复合材料的综合性能。

【技术实现步骤摘要】
一种经等离子体处理后静电自组装的碳纤维复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于复合材料
，具体涉及到一种经等离子体处理后静电自组装的碳纤维复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]碳纤维增强聚合物复合材料由于轻质、高比强度和比刚度的特性，被广泛应用于航空航天、轨道交通、新能源以及军事领域。然而，由于碳纤维表面结构光滑且具有化学惰性，导致与基体之间结合较差，极大地限制了复合材料在更高机械强度方面的应用。氧化石墨烯由于具有良好的机械性能、较大的比表面积和大量的含氧官能团，有利于其与极性基体的结合，因此氧化石墨烯在改善碳纤维增强聚合物复合材料界面性能方面展现出巨大的潜力。
[0003]目前，将氧化石墨烯引入碳纤维表面有浸涂法、化学气相沉积、化学接枝和电泳沉积等。然而，随着界面性能的提高，纤维的抗拉强度往往会因为腐蚀作用而降低。因此，开发提高碳纤维抗拉强度和复合材料界面性能的技术具有重要意义。等离子体处理技术可以在给纤维表面嫁接活性官能团的同时不会牺牲纤维的机械性能，甚至会去除纤维表面缺陷从而增强其机械性能，这种方法绿色环保，便捷可控，有利于大规模工业生产。另外，静电自组装作为一种利用带有异电性的官能团产生的静电吸引力将两种不同材料自行定向组装的方法，这种方式的处理过程简单且界面间的结合性能良好，获得的增强相与环氧树脂基体结合有效地提升了复合材料的综合性能。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种经等离子体处理后静电自组装的碳纤维复合材料及其制备方法，可以提高碳纤维与氧化石墨烯之间的界面结合力，获得的增强相与基体结合使得复合材料的表面能、拉伸强度及界面剪切强度等技术指标均可以提高。
[0005]为达上述目的，本专利技术提供了一种经等离子体处理后静电自组装的碳纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0006]通过介质阻挡放电等离子体对碳纤维进行改性，然后将改性后的碳纤维与氧化石墨烯悬浮液混合进行静电自组装，制得碳纤维增强相后再与环氧树脂基底结合即可制得复合材料。
[0007]进一步地，碳纤维改性的过程具体包括以下步骤：
[0008]S1：将预处理后的碳纤维置于介质阻挡放电等离子体发生装置的工作仓内；
[0009]S2：等离子体发生装置工作气体发生器向真空气氛仓通入3～5次氨气；
[0010]S3：等离子体发生装置在电源作用下产生高能等离子体，介质阻挡放电等离子体处理碳纤维时间为0～20min；
[0011]其中等离子体电源峰峰值为电压9～10kV，频率9.5～10kHz，放电功率为10～15W。
[0012]采用上述方案的有益效果是：碳纤维在高能等离子体的撞击下表面粗糙度增加，表面活性提高，引入羟基、羧基等含氧官能团；氨气在高能等离子体的碰撞下导致单体的破碎，被电子激发产生大量含N自由基团；随后在等离子体的作用下，改性碳纤维与增强气相自由基聚合，在纤维表面聚合的含氮基团进一步还原为胺基和氨根，产生共价键键合作用。
[0013]进一步地，等离子体发生装置的气氛仓使用机械真空泵将气室内的气体抽出，再由气体发生器通入氨气，循环3～5次。
[0014]进一步地，预处理包括以下步骤：将碳纤维于有机溶剂中洗涤24～30h后，再置于65～75℃的真空环境下烘干。
[0015]采用上述方案的有益效果是：碳纤维在制备的过程中表面被上浆处理，预处理阶段可以有效地去除纤维表面浆剂和其余污染物。
[0016]进一步地，氧化石墨烯悬浮液通过以下方法制备得到：
[0017](1)将天然石墨与硝酸钠等比例混合后，依次加入浓硫酸和高锰酸钾，于温度为25～35℃的温水浴中搅拌10～15h后，制得粘稠糊状混合物；
[0018](2)稀释混合物并加入过氧化氢溶液，搅拌后静置，再过滤，取过滤后的上清液洗涤；
[0019](3)将上清液超声1～1.5h后离心，制得含有氧化石墨烯的溶液；将溶液稀释至1.0mg/mL，继续超声25～35min后制得氧化石墨烯悬浮液；其中离心的转速为7500～8500r/min，离心的时间为15～20min，离心的次数为1～2次。
[0020]采用上述方案的有益效果是：在氧化阶段，鳞片状的天然石墨片被强氧化剂浓硫酸和高锰酸钾氧化，提高了石墨片的化学活性，在石墨片的片层和边缘产生许多羟基、羧基、羰基和环氧基等含氧官能团；氧化后的石墨片在机械搅拌的作用下逐渐发生层间剥离，石墨片的层间间距逐渐增大，直到剥离成为片状氧化石墨烯；在去离子水中洗涤掉多余的金属残留物和其他杂质，以提高氧化石墨烯的纯净度，然后通过超声分散在溶剂中得到单层或双层的褶皱状氧化石墨烯片，稀释即得到氧化石墨烯悬浮液，该方法制备氧化石墨烯的工序简单，条件易于控制，适合大量生产。
[0021]进一步地，步骤(1)中加入浓硫酸与天然石墨的体积质量比为100mL：1g，加入浓硫酸后的溶液温度不超过5℃；高锰酸钾与天然石墨的质量比为8～10:1，加入高锰酸钾后的溶液温度不超过20℃。
[0022]进一步地，步骤(2)具体包括以下步骤：加入与浓硫酸等体积的去离子水进行稀释，再加入与浓硫酸等体积的过氧化氢溶液，机械搅拌2～5h后静置3～5h，过滤后取上清液重复洗涤至上清液的pH值为6.0；其中过氧化氢的浓度为3～5wt％，机械搅拌的转速为600
‑
700r/min。
[0023]进一步地，静电自组装具体包括以下步骤：
[0024](1)将经不同时间改性后制备的改性碳纤维加入到氧化石墨烯悬浮液中，搅拌10～15h，得到混合溶液；
[0025](2)将步骤(1)制得的混合溶液离心后经去离子水清洗后，于75～85℃条件下真空干燥；其中离心的转速为7500～8500r/min，离心的时间为15
‑
20min，离心的次数为2
‑
3次。
[0026]采用上述方案的有益效果是：经等离子体处理后表面带胺基(NH2)的改性碳纤维在溶剂中发生电离带有氨根(NH
4+
)，表面自带羧基(COOH)的氧化石墨烯片在溶剂中水解带
有羧酸根(COO
—
)，在异极性导致的静电吸附力的作用下发生静电自组装，氧化石墨烯吸附在碳纤维表面，其中面积较小的氧化石墨烯片填补纤维表面的粗糙孔隙，面积较大的氧化石墨烯片连接纤维缺陷，两者共同作用消除纤维的表面缺陷，改善纤维的综合性能。
[0027]进一步地，改性碳纤维溶于氧化石墨烯悬浮液中的浓度为0.15～0.25g/mL。
[0028]进一步地，碳纤维增强相与环氧树脂基结合的过程具体包括以下步骤：
[0029]将环氧树脂与DDM(十二烷基
‑
beta
‑
D
‑
麦芽糖苷)以质量比100:25～30混合后制得混合物，将混合物添加到碳纤维增强相中形成微滴后固化；其中固化的过程包括首先升温至130～140℃后保温2h，再升温至170～18本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种经等离子体处理后静电自组装的碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：通过介质阻挡放电等离子体对碳纤维进行改性，然后将改性后的碳纤维与氧化石墨烯悬浮液混合进行静电自组装，制得碳纤维增强相后再与环氧树脂基底结合即可制得增强复合材料。2.如权利要求1所述的经等离子体处理后静电自组装的碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述碳纤维改性的过程具体包括以下步骤：S1：将预处理后的碳纤维置于介质阻挡放电等离子体发生装置的工作仓内；S2：等离子体发生装置工作气体发生器向真空气氛仓通入3～5次氨气；S3：等离子体发生装置在电源作用下产生高能等离子体，介质阻挡放电等离子体处理碳纤维时间为0～20min；其中所述等离子体电源峰峰值为电压9～10kV，频率9.5～10kHz，放电功率为10～15W。3.如权利要求2所述的经等离子体处理后静电自组装的碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述预处理包括以下步骤：将碳纤维于有机溶剂中洗涤24～30h后，再置于65～75℃的真空环境下烘干。4.如权利要求1所述的经等离子体处理后静电自组装的碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯悬浮液通过以下方法制备得到：(1)将天然石墨与硝酸钠等质量比混合后，依次加入浓硫酸和高锰酸钾，于温度为25～35℃的温水浴中搅拌10～15h后，制得粘稠糊状混合物；(2)稀释混合物并加入过氧化氢溶液，搅拌后静置，再过滤，取过滤后的上清液洗涤；(3)将上清液超声1～1.5h后离心，制得含有氧化石墨烯的溶液；将溶液稀释至1.0mg/mL，继续超声25～35min后制得氧化石墨烯悬浮液；其中离心的转速为7500～8500r/min，离心的时间为15～20min，离心的次数为1～2次。5.如权利要求4所述的经等离子体处理后静电自组装的碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中加入浓硫酸与天然石墨的体积质量比为10...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨泽锋，黄雪霏，李杰，唐博，魏文赋，曾正洪，李箫波，吴广宁，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：