專(zhuān)利名稱(chēng)：一種碳纖維表面改性劑的制備及使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及表面改性劑的制備技術(shù)，特別是涉及一種碳纖維表面改性劑的制備及使用方法。
背景技術(shù)：
碳纖維性能優(yōu)異，不僅質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、模量高，耐濃鹽酸、磷酸、硫酸、苯、丙酮等介質(zhì)侵蝕，而且耐熱性高以及化學(xué)穩(wěn)定性好。目前碳纖維的主要用途是用作增強(qiáng)材料，與樹(shù)脂基體復(fù)合，制備高性能的復(fù)合材料，用于替代傳統(tǒng)的鋼鐵等材料在能源、汽車(chē)、海洋、航天領(lǐng)域、體育器材，風(fēng)電葉片等領(lǐng)域的應(yīng)用。由于碳纖維表面的惰性，使其很難與其他基體材料復(fù)合制備界面性能良好的復(fù)合材料，這很大程度上限制了其優(yōu)異性能的發(fā)揮。為此，需要對(duì)碳纖維表面進(jìn)行處理，以提高其表面活性。目前，常用的碳纖維的表面處理方法主要為碳纖維表面干濕法氧化處理、等離子處理、電化學(xué)氧化和表面化學(xué)接枝等。由于這些方法處理碳纖維時(shí)，通常伴隨的都是高溫、強(qiáng)氧化等條件，不僅浪費(fèi)了大量的能源與資源，而且往往會(huì)對(duì)纖維造成損傷，降低其本身的力學(xué)性能。因此尋找一種低碳，節(jié)能環(huán)保，又不會(huì)造成纖維損傷的新穎的處理方法具有很好的實(shí)際意義。

發(fā)明內(nèi)容
為了使碳纖維具有更好的表面活性和應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)也為了避免碳纖維表面處理過(guò)程中帶來(lái)的高能耗，以及碳纖維本身性能降低等不足之處，本發(fā)明的目的在于提供一種碳纖維表面改性劑的制備及使用方法；本發(fā)明低碳，節(jié)能環(huán)保，在提高纖維表面的活性同時(shí)又不會(huì)造成纖維的損傷，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種碳纖維表面改性劑的制備方法，該方法具體為將Y-氨丙基三乙氧基硅烷偶聯(lián)劑、Y-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷和Y-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷中的任意一種與正硅酸乙酯、無(wú)水乙醇和對(duì)甲苯磺酸按照質(zhì)量百分比0. 1 1 1 3 6 0.01 0.02的比例混合均勻后，得混合液，置于密閉容器之中，即可得到碳纖維表面改性劑。一種上述方法制備的碳纖維表面改性劑的使用方法，該方法具體為在使用前，根據(jù)需要的使用量，取出混合液，置于表面有微孔的容器中，微孔直徑為1毫米，微孔間的間隔為5-10毫米，陳化2-M小時(shí)，使其吸收空氣中的水分后，即可采用浸漬提拉法或涂膜法對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理；然后將表面處理后的碳纖維放入烘箱中，以0. 25-0. 5°C /min的升溫速度升至70°C并保溫2小時(shí)，制得改性后的碳纖維。本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明的表面處理劑制備方法簡(jiǎn)單，只要將不同的組份按配比在室溫下混合均勻即可；利用本發(fā)明的表面處理劑處理碳纖維，可以提高碳纖維表面的活性和比表面積；由于本發(fā)明表面處理劑處理碳纖維不存在高溫、強(qiáng)氧化等條件，碳纖維本身的力學(xué)性能沒(méi)有得到損傷，且對(duì)碳纖維有補(bǔ)強(qiáng)作用；與未經(jīng)處理的碳纖維原樣相比，處理后的碳纖維表面活性得到了提高，使碳纖維與樹(shù)脂基體的界面性能得到了顯著的改善；該表面改性劑制備過(guò)程中不添加水解源，而是利用空氣中的水分，使表面處理劑可以重復(fù)使用，基本沒(méi)有廢液排放，還具有即關(guān)即停，即開(kāi)即用的特點(diǎn)，既節(jié)省成本，也保護(hù)了環(huán)境。


圖1是本發(fā)明改性后的碳纖維的拉伸強(qiáng)度柱狀圖；圖2是本發(fā)明改性前后的碳纖維的表面形貌圖，圖中，a是原樣碳纖維，b是改性后碳纖維；
具體實(shí)施例方式本發(fā)明碳纖維表面改性劑的制備方法，具體為將Y-氨丙基三乙氧基硅烷偶聯(lián)劑、Y-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷和甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅中的任意一種與正硅酸乙酯、無(wú)水乙醇和對(duì)甲苯磺酸按照質(zhì)量百分比0. 1 1 1 3 6 0.01 0. 02的比例混合均勻后，得混合液，置于密閉容器之中，即可得到碳纖維表面改性劑。γ -氨丙基三乙氧基硅烷偶聯(lián)劑為表面處理劑的通用組份，如與環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合，可以使用Y-氨丙基三乙氧基硅烷偶聯(lián)劑作為表面處理劑的組份，也可以選用Y-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷或甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅作為表面處理劑的組份。本發(fā)明中采用對(duì)甲苯磺酸作為催化劑，有利之處在于，傳統(tǒng)的液體酸中都會(huì)帶有水分，這一方面導(dǎo)致表面改性劑無(wú)法長(zhǎng)期儲(chǔ)存，造成浪費(fèi)；另一方面液體水的存在使反應(yīng)過(guò)于集中，導(dǎo)致制備的表面改性劑效果差，而對(duì)甲苯磺酸是固體酸，不含水分，因而避免了上述技術(shù)缺陷。因此，本發(fā)明將混合液置于一密閉容器之中，保存期可以在半年以上。使用時(shí)只需將混合液置于空氣中，利用空氣中的水分作為水解源來(lái)實(shí)現(xiàn)隨開(kāi)隨用的目的。本發(fā)明碳纖維表面改性劑的使用方法，具體為在使用前，根據(jù)需要的使用量，取出混合液，置于表面有微孔的容器中，微孔直徑為1毫米，微孔間的間隔為5-10毫米，陳化 2-Μ小時(shí)，使其吸收空氣中的水分后，即可采用浸漬提拉法或涂膜法對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理，然后將表面處理后的碳纖維放入烘箱中，以0. 25-0. 5°C /min的升溫速度升至70°C并保溫2小時(shí)，制得改性后的碳纖維。下面根據(jù)實(shí)施例詳細(xì)描述本發(fā)明，本發(fā)明的目的和效果將變得更加明顯。實(shí)施例1 將Y-氨丙基三乙氧基硅烷偶聯(lián)劑、正硅酸乙酯(TEOS)、無(wú)水乙醇和對(duì)甲苯磺酸按質(zhì)量百分比為0. 1 :1:3: 0.01混合攪拌后，放入密閉容器A中，室溫下放置，根據(jù)碳纖維的量，從A容器中量取所需的量，放入表面有微孔的容器B中，陳化12小時(shí)后，用浸漬法將碳纖維浸漬于上述B容器的溶液10 20min取出后，放入烘箱中，以0. 25-0. 5°C / min的升溫速度升至70°C并保溫2小時(shí)，制得改性后的碳纖維。得到碳纖維經(jīng)過(guò)力學(xué)性能測(cè)試后，其結(jié)果如圖1。碳纖維強(qiáng)度由原來(lái)的2. 87Gpa提高到了 3. 64Gpa，提高了 26. 83%。實(shí)施例2:Y-氨丙基三乙氧基硅烷偶聯(lián)劑、將正硅酸乙酯(TEOS)、無(wú)水乙醇和對(duì)甲苯磺酸按質(zhì)量百分比為1 :1:6: 0.02混合攪拌后，放入密閉容器A中，室溫下放置，根據(jù)碳纖維的量，從A容器中量取所需的量，放入表面有微孔的容器B中，陳化2-M小時(shí)后，用浸漬法將碳纖維浸漬于上述B容器的溶液10 20min取出后，放入烘箱中，以0. 25-0. 5°C /min的升溫速度升至70°C并保溫2小時(shí)，制得改性后的碳纖維。力學(xué)性能測(cè)試證明，該實(shí)施例處理后的碳纖維強(qiáng)度明顯提高。實(shí)施例3:將Y-氨丙基三乙氧基硅烷偶聯(lián)劑、正硅酸乙酯(TEOS)、無(wú)水乙醇和對(duì)甲苯磺酸按質(zhì)量百分比為0.25 :1:4:0: 02，混合攪拌2小時(shí)后，放入密閉容器A中，室溫下放置，根據(jù)碳纖維的量，從A容器中量取所需的量，放入表面有微孔的容器B中，陳化 12小時(shí)后，用浸漬法將碳纖維浸漬于上述B容器的溶液10-20min取出后，放入烘箱中，以 0. 25-0. 5°C /min的升溫速度升至70°C并保溫2小時(shí)，制得改性后的碳纖維。將改性后的碳纖維經(jīng)過(guò)掃描電鏡拍照分析發(fā)現(xiàn)，纖維表面涂覆上了一層膜粒結(jié)構(gòu)，纖維表面變粗糙，結(jié)果如圖2所示。將環(huán)氧樹(shù)脂E-51、聚酰胺固化劑、活性稀釋劑按照10 7 1的質(zhì)量比攪拌均勻，真空脫泡30min后，得樹(shù)脂基體，將改性后的碳纖維與樹(shù)脂基體進(jìn)行復(fù)合，于70°C下固化3h，制得單絲復(fù)合材料。對(duì)單絲復(fù)合材料進(jìn)行界面性能測(cè)試，與未經(jīng)表面處理的碳纖維單絲復(fù)合材料相比，界面剪切強(qiáng)度提高了 85. 06%。上述實(shí)施例用來(lái)解釋說(shuō)明本發(fā)明，而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種碳纖維表面改性劑的制備方法，其特征在于，該方法具體為將Y-氨丙基三乙氧基硅烷偶聯(lián)劑、Y-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷和Y -(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅中的任意一種與正硅酸乙酯、無(wú)水乙醇和對(duì)甲苯磺酸按照質(zhì)量百分比0. Γ1 1 3^6 0. 0Γ0. 02的比例混合均勻后，得混合液，置于密閉容器之中，即可得到碳纖維表面改性劑。
2.—種權(quán)利要求1所述方法制備的碳纖維表面改性劑的使用方法，其特征在于，該方法具體為在使用前，根據(jù)需要的使用量，取出混合液，置于表面有微孔的容器中，微孔直徑為1毫米，微孔間的間隔為5-10毫米，陳化2-Μ小時(shí)左右，使其吸收空氣中的水分后，即可采用浸漬提拉法或涂膜法對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理；然后將表面處理后的碳纖維放入烘箱中，以0. 25-0. 5°C /min的升溫速度升至70°C并保溫2小時(shí)左右，制得表面具有膜粒結(jié)構(gòu)的改性碳纖維。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種碳纖維表面改性劑的制備及使用方法，它包括改性劑的配制和溶膠體系的陳化兩個(gè)步驟。首先將硅烷偶聯(lián)劑[如γ-氨丙基三乙氧基硅烷，γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷和γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅等]、正硅酸乙酯、無(wú)水乙醇和對(duì)甲苯磺酸以一定的比例進(jìn)行混合，并將其放入密閉容器中；其次，在使用前，將表面處理劑在空氣中陳化2-24小時(shí)，使其吸收空氣中的水分之后，即可采用浸漬提拉法或涂膜法對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理，處理后的碳纖維力學(xué)性能有明顯的提高，利用處理后的碳纖維制備的復(fù)合材料，界面性能有明顯改善。本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單，制備的表面改性劑容易保存，可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)碳纖維的表面處理。
文檔編號(hào)D06M13/513GK102321976SQ201110256439
公開(kāi)日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月1日
發(fā)明者傅雅琴, 岑浩, 楊洪斌 申請(qǐng)人:浙江理工大學(xué)