一种水性多尺度碳纤维表面改性复合体系及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种水性多尺度碳纤维表面改性复合体系及其制备方法和应用，属于复合材料领域。本发明专利技术为氧化石墨烯和水性环氧树脂的复合乳液，该复合乳液具有良好的成膜性，作为改性剂对碳纤维进行表面处理获得一种改性碳纤维，该改性碳纤维表面具有多尺度刚柔结合的界面结构，具有优异的树脂浸润性和工艺特性。本发明专利技术进一步以上述改性碳纤维为原料制备得到了界面性能显著改善的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRPs)，CFRPs中多尺度刚柔并济的界面结构发挥了协同增效作用，显著提高了复合材料的界面剪切和层间剪切性能。本发明专利技术提供的CFRPs在航空航天、车辆工程、海洋船舶、运动装备、能源设备、智能机器制造等领域具有广泛的应用前景。应用前景。应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种水性多尺度碳纤维表面改性复合体系及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于复合材料领域，具体涉及一种用于改性碳纤维的改性剂及制备的界面性能优异的碳纤维增强树脂基复合材料。

技术介绍

[0002]碳纤维增强树脂基复合材料(CFRPs)由于其高比强度、高比模量和轻质，在航空航天、能源设备、智能机器制造和汽车领域受到广泛青睐。然而，碳纤维(CFs)和基体之间过大的模量差异使得界面传递应力的效率很低。同时，碳纤维表面的光滑性和化学惰性阻碍了CFRPs的界面粘附。特别是对于高模量的碳纤维，由于其表面的石墨晶体结构更加完美，其复合材料的界面性能更差。较差的界面性能不能使复合材料的机械性能得到充分的发挥。因此，获得具有高界面性能的CFRPs一直是一个长期的挑战。
[0003]到目前为止，在复合材料的相间处构建一个刚性或柔性的过渡层是提高界面性能的常用方法。Xu等人报道，模量中间层可以促进应力集中的转移，抑制裂纹的产生和扩展，从而改善高模量CFRPs的界面性能。然而，界面刚性的增加会阻碍对相间集中应力的松弛反应，导致应力倾向于深入到CFRPs中，而不是沿界面渗透，从而加速界面的脆性破坏。Dun等人使用线性低密度聚乙烯在竹纤维表面引入了一个柔性层，这有助于放松界面应力，缓解由快速微裂纹扩展引起的失效，并提高了相间处的应力传递效率。但是，柔性大分子和树脂基体之间在界面上的机械互锁力很弱；此外，柔性层也无法实现CFs和基体之间良好的模量匹配。因此，研究人员试图在界面处开发刚柔结合的界面层，以改善CFRPs的界面性能，这是一种有效的策略，并取得了良好的效果。设计的界面具有较高的模量和合适的弹性，能够均匀地分散和传递应力。Feng等人利用CNTs和聚酰胺在CFs表面构建了双刚柔结构，大大增加了其表面的极性官能团、粗糙度和润湿性，以及中间层的厚度。刚柔并济结构的CFRPs的界面强度和冲击强度得到了明显的提高。Zhang等人也通过星形共聚物在CFRPs表面构建了一个刚柔并济的双级梯度中间层，实现了CFRPs界面性能的提升。但是，刚柔并济的结构通常是通过化学接枝的方式引入到复合材料中，这将破坏CFs的本体强度。因此，在不破坏CFs本体强度的情况下建立刚柔并济的结构以改善CFRPs的界面性能是一个迫切的要求。
[0004]申请号为202010733262.4的中国专利申请提供了一种具有复合机械互锁结构界面的改性碳纤维及其复合材料，该改性碳纤维是以氧化石墨烯、羧甲基纤维素或其盐作为改性剂，对碳纤维进行改性后制得的材料。与单独采用氧化石墨烯或羧甲基纤维素进行改性制得的改性碳纤维相比，其氧化石墨烯/羧甲基纤维素改性碳纤维的表面粗糙度明显增大，微机械互锁强度和润湿性显著提高；与单独采用氧化石墨烯或羧甲基纤维素对碳纤维进行改性后所得的复合材料相比，其氧化石墨烯/羧甲基纤维素改性碳纤维增强复合材料的层间剪切强度和界面剪切强度显著提高。但是，其CFRPs的界面剪切强度(IFSS)为65.13MPa，界面性能还有待进一步提高。为了进一步提高CFRPs的界面性能，申请号为202110753187.2的中国专利申请公开了一种方法，该方法以由氧化石墨烯、水和羧甲基纤
维素组成液体为上浆剂，对碳纤维上浆后干燥得到改性碳纤维，进一步以该改性碳纤维为增强剂，利用采用热压成型法制备得到CFRPs。利用该方法制得的CFRPs的界面性能得到了提高，IFSS达72.65MPa，但是，一方面，该方法采用了羧甲基纤维素作为表面活性剂对碳纤维进行改性，羧甲基纤维素的分子量较大，易使纤维之间发生粘接，影响树脂浸润；另一方面，其在碳纤维表面成膜性差，上浆不够均匀，对碳纤维保护力弱，毛丝量较高，断丝率较高，影响加工性能；还有一方面，该方法制得的改性碳纤维的强度分散性较低，存在应力薄弱点，稳定性较差，在实际加工过程中纤维可能会因为磨损而受到损伤，进而使CFRPs的性能恶化。
[0005]综上，在不破坏碳纤维本体强度的情况下，提供一种性能稳定、适用于碳纤维工业化应用需求，并且能够显著改善CFRPs的界面性能的改性碳纤维，以及由该改性碳纤为原料制得的CFRPs具有重要意义。

技术实现思路

[0006]为了解决上述问题，本专利技术的目的在于在不破坏碳纤维本体强度的情况下，提供一种性能稳定、加工性能优异，并且能够显著改善CFRPs的界面性能的改性碳纤维，以及由该改性碳纤为原料制得的CFRPs。
[0007]本专利技术提供了一种改性剂，它包含氧化石墨烯和水性树脂，其中，氧化石墨烯和水性树脂的质量比为(0.1
‑
100)：(0.1
‑
100)。
[0008]上述“氧化石墨烯”可以是未经改性的氧化石墨烯，也可以是改性后的氧化石墨烯。
[0009]进一步地，所述氧化石墨烯和水性树脂的质量比为(1
‑
20)：1，优选为(3
‑
8)：1；
[0010]和/或，所述碳纤维的横向尺寸为10
‑
1000nm，优选为100
‑
400nm；
[0011]和/或，所述水性树脂是以聚乙二醇和树脂为原料反应得到的；
[0012]和/或，所述树脂为环氧树脂、酚醛树脂、聚醚醚酮或聚氨酯。
[0013]进一步地，所述聚乙二醇的分子量为2000
‑
8000，优选为6000；
[0014]和/或，所述聚乙二醇和树脂的摩尔比为1：(0.1
‑
10)，优选为(0.5
‑
2)：1；
[0015]和/或，所述树脂为环氧树脂；
[0016]和/或，所述反应的时间为1
‑
10h，优选为4h，反应的温度为80
‑
180℃，优选为140
‑
160℃。
[0017]进一步地，所述氧化石墨烯和水性树脂的质量比为5.6：1。
[0018]进一步地，所述碳纤维的横向尺寸为200nm。
[0019]进一步地，所述聚乙二醇和树脂的摩尔比为1：1。
[0020]进一步地，所述改性剂由氧化石墨烯、水性树脂和水组成，其中，氧化石墨烯的浓度为0.009％
‑
0.09％mg/mg，优选为0.030
‑
0.050％mg/mg。
[0021]进一步地，所述改性剂中，氧化石墨烯的浓度为0.045％mg/mg。
[0022]本专利技术还提供了一种制备上述改性剂的方法，所述方法包括以下步骤：将水性树脂与水混合均匀，得到水性树脂的乳液；将氧化石墨烯与水混合均匀，得到氧化石墨烯的水溶液；将水性树脂的乳液、氧化石墨烯的水溶液和水混合后超声处理，得到改性剂。
[0023]本专利技术还提供了一种改性碳纤维，它是以上述改性剂作为上浆剂对碳纤维上浆后
得到的。
[0024]本专利技术还提供了一种改性碳纤维增强树脂基复合材料，它是以树脂基体、上述的改性碳纤维和固化剂为原料制得的复合材料。
[0025]进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种改性剂，其特征在于：它包含氧化石墨烯和水性树脂，其中，氧化石墨烯和水性树脂的质量比为(0.1
‑
100)：(0.1
‑
100)。2.根据权利要求2所述的改性剂，其特征在于：所述氧化石墨烯和水性树脂的质量比为(1
‑
20)：1，优选为(3
‑
8)：1；和/或，所述碳纤维的横向尺寸为10
‑
1000nm，优选为100
‑
400nm；和/或，所述水性树脂是以聚乙二醇和树脂为原料反应得到的；和/或，所述树脂为环氧树脂、酚醛树脂、聚醚醚酮或聚氨酯。3.根据权利要求2所述的改性剂，其特征在于：所述聚乙二醇的分子量为2000
‑
8000，优选为6000；和/或，所述聚乙二醇和树脂的摩尔比为1：(0.1
‑
10)，优选为(0.5
‑
2)：1；和/或，所述树脂为环氧树脂；和/或，所述反应的时间为1
‑
10h，优选为4h，反应的温度为80
‑
180℃，优选为140
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160℃。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的改性剂，其特征在于：它由氧化石墨烯、水性树脂和水组成，其中，氧化石墨烯的浓度为0.009％
‑
0.09％mg/mg，优选为0.030...

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