本發(fā)明屬于碳纖維技術領域，具體涉及一種碳纖維表面改性處理方法。

背景技術：

碳纖維是一種具備碳材料的高抗拉強度和纖維的柔軟可加工性兩大特性的新一代增強纖維，它兼具金屬材料的導電性和導熱性、陶瓷材料的耐熱性和耐化學腐蝕性以及紡織纖維的柔軟性和可編性等眾多優(yōu)點。它的比重僅為鋼的1/4，抗拉強度卻可達到鋼的7～9倍，因此在航空航天、汽車制造、體育休閑等眾多領域得到了廣泛應用，高性能碳纖維已成為國內外新材料領域研究的重點和熱點。

碳纖維是由縮合多環(huán)芳烴構成的石墨片層所組成，屬于二維亂層石墨結構。石墨微晶在整體中分布不均勻，呈現出“皮-芯”結構分布：內部“芯”層的微晶尺寸較小，結構疏松且含有裂紋和孔洞；表面“皮”層是沿纖維軸擇優(yōu)取向的同質多晶結構，微晶尺寸較大且排列整齊，有序度較高。因此，未經處理的碳纖維表面較光滑，惰性大，表面能低，活性官能團的種類和數目都很少，與樹脂間的界面粘結性能較差，所制備復合材料存在較多界面缺陷。表面改性既可以通過化學反應在纖維表面引入活性基團，增加纖維與樹脂間的潤濕性和化學鍵合，也可以通過改變纖維的表面形貌和粗糙度，增加纖維與樹脂間的機械嚙合，從而化學和物理兩方面同時改善復合材料的界面粘結性能，有效增強復合材料性能。

目前，常用的表面改性方法主要分以下幾類：

(1)表面氧化法，又可分為氣相氧化法、液相氧化法、等離子體氧化法和電化學氧化法等。

(2)表面涂層法，又可分為偶聯劑涂層和聚合物涂層等。

(3)表面沉積法，又可分為電泳沉積法、化學氣相沉積法和表面生長晶須法等。

(4)表面接枝法，包括化學接枝法、等離子體接枝聚合和輻射接枝聚合等。

然而，單一方法改性均有其局限性，在提高纖維表面活性的同時，也會對纖維本體造成不同程度的損傷，而且單一方法改性效果有限，仍未在工業(yè)生產中得到廣泛應用。

技術實現要素：

為解決現有單一方法改性對碳纖維表面造成損傷等問題，本發(fā)明提出一種碳纖維表面改性處理方法，該方法在提高纖維表面活性的同時，對纖維本體無損傷。

本發(fā)明的技術方案是這樣實現的：

一種碳纖維表面改性處理方法，包括如下步驟：

1)將碳纖維浸漬在相容劑溶液中加熱到50～60℃處理2～5h，烘干，得到CF-1；

2)在100℃～150℃的真空條件下，將CF-1添加進高錳酸鉀的硫酸溶液中，進行氧化刻蝕處理，處理完畢后自然降溫到室溫并水洗至pH為6～8，烘干，得到CF-2；

3)將CF-2分散于乙醚中，加入硼氫化鋰，在10～30℃攪拌3～4h，然后加入1.5～2.5mol/L的鹽酸，攪拌濾出碳纖維，再經四氫呋喃浸泡洗滌12～24h，烘干，得到CF-3；

4)將硅烷偶聯劑加入醇水溶液中，充分攪拌混合均勻，獲得硅烷偶聯劑水解液，將CF-3分散于其中，攪拌或超聲，濾出纖維，干燥，得到CF-4。

進一步，所述相容劑溶液是將相容劑溶于有機溶劑中形成質量濃度為10～15wt％的溶液。

進一步，所述相容劑選自馬來酸酐接枝或者苯乙烯-丙烯腈-甲基丙烯酸縮水甘油酯的三元無規(guī)共聚物。

進一步，所述高錳酸鉀的硫酸溶液是指將50～60ml摩爾濃度為0.5～0.9mol/L的硫酸中加入0.4～0.8g高錳酸鉀配制而成的溶液。

進一步，所述硼氫化鋰的使用量為0.05～0.1g/gCF-2；鹽酸的使用量為20～40mL/gCF-2。

進一步，所述步驟4)中的醇為甲醇、乙醇、異丙醇中的一種，硅烷偶聯劑為KH550，KH5501，KH560，KH570，KH580，KH602或KH792中的一種。

進一步，所述硅烷偶聯劑的加入量為醇水溶液質量的0.5～2％，醇和水的質量比5～10:1。

進一步，所述碳纖維是高性能瀝青基碳纖維或丙烯腈碳纖維。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明對碳纖維進行氧化之前用相容劑的溶液進行浸泡處理對碳纖維表面的活性基團進行活化后，同時對碳纖維表面的其他基團進行保護，然后在真空條件下，用高錳酸鉀的硫酸溶液對碳纖維表面進行了改性處理，使碳纖維表面的含氧量在18％～26％，而且可以保持對碳纖維本體強度的損失控制在4％以內，解決了現有碳纖維表面改性方法中存在的在提高碳纖維的表面性能的同時也損失了碳纖維的本體強度的問題。然后再用硅烷偶聯劑處理，獲得的具有硅烷偶聯劑涂層的碳纖維，其單絲拉伸強度較無涂層碳纖維明顯提高，并且保持了無涂層碳纖維所具有的柔順性和可編織性，同時解決了碳纖維與某些復合材料基體間的界面浸潤性和相容性問題。

具體實施方式

實施例1

一種碳纖維表面改性處理方法，包括如下步驟：

1)將6g丙烯腈碳纖維浸漬在10wt％馬來酸酐接枝的有機溶劑溶液中加熱到50℃處理5h，烘干，得到CF-1。

2)在100℃的真空條件下，將CF-1添加進150ml高錳酸鉀的硫酸溶液中，進行氧化刻蝕處理，處理完畢后自然降溫到室溫并水洗至pH為6，烘干，得到CF-2；高錳酸鉀的硫酸溶液為50ml摩爾濃度為0.5mol/L的硫酸中加入0.4g高錳酸鉀配制而成的溶液。

3)將CF-2分散于乙醚中，加入硼氫化鋰(使用量為0.05g硼氫化鋰/gCF-2)，在10℃攪拌4h，然后加入120ml的1.5mol/L的鹽酸，攪拌濾出碳纖維，再經四氫呋喃浸泡洗滌24h，烘干，得到CF-3；

4)將硅烷偶聯劑KH5501加入乙醇水溶液中(硅烷偶聯劑的加入量為醇水溶液質量的0.5％，醇和水的質量比5:1)，充分攪拌混合均勻，獲得硅烷偶聯劑水解液，將CF-3分散于其中，攪拌或超聲，濾出纖維，干燥，得到CF-4。復合改性后的碳纖維單絲拉伸強度可達4.56GPa，與聚氨酯間的界面剪切強度可達32.33MPa。

實施例2

一種碳纖維表面改性處理方法，包括如下步驟：

1)將5g高性能瀝青基碳纖維浸漬在12wt％苯乙烯-丙烯腈-甲基丙烯酸縮水甘油酯的丙酮溶液中加熱到60℃處理2h，烘干，得到CF-1。

2)在120℃的真空條件下，將CF-1添加進高錳酸鉀的硫酸溶液中，進行氧化刻蝕處理，處理完畢后自然降溫到室溫并水洗至pH為8，烘干，得到CF-2；高錳酸鉀的硫酸溶液是指將55ml摩爾濃度為0.6mol/L的硫酸中加入0.6g高錳酸鉀配制而成的溶液。

3)將CF-2分散于乙醚中，加入硼氫化鋰(使用量為0.07g硼氫化鋰/gCF-2)，在20℃攪拌3.5h，然后加入2mol/L的鹽酸150ml，攪拌濾出碳纖維，再經四氫呋喃浸泡洗滌12～24h，烘干，得到CF-3；

4)將硅烷偶聯劑KH570加入90wt％甲醇水溶液中(硅烷偶聯劑的加入量為醇水溶液質量的1％)，充分攪拌混合均勻，獲得硅烷偶聯劑水解液，將CF-3分散于其中，攪拌或超聲，濾出纖維，干燥，得到CF-4。復合改性后的碳纖維單絲拉伸強度可達4.87GPa，與聚氨酯間的界面剪切強度可達34.56MPa。

實施例3

一種碳纖維表面改性處理方法，包括如下步驟：

1)將8g丙烯腈碳纖維浸漬在15wt％馬來酸酐接枝的乙醇溶液中加熱到60℃處理2h，烘干，得到CF-1。

2)在150℃的真空條件下，將CF-1添加進高錳酸鉀的硫酸溶液中，進行氧化刻蝕處理，處理完畢后自然降溫到室溫并水洗至pH為7，烘干，得到CF-2。高錳酸鉀的硫酸溶液是指將60ml摩爾濃度為0.9mol/L的硫酸中加入0.8g高錳酸鉀配制而成的溶液。

3)將CF-2分散于乙醚中，加入硼氫化鋰(使用量為0.1g硼氫化鋰/gCF-2)，在30℃攪拌3h，然后加入2.5mol/L的鹽酸320ml，攪拌濾出碳纖維，再經四氫呋喃浸泡洗滌12h，烘干，得到CF-3；

4)將硅烷偶聯劑KH580加入85％異丙醇水溶液中(硅烷偶聯劑的加入量為醇水溶液質量的2％)，充分攪拌混合均勻，獲得硅烷偶聯劑水解液，將CF-3分散于其中，攪拌或超聲，濾出纖維，干燥，得到CF-4。復合改性后的碳纖維單絲拉伸強度可達4.65GPa，與聚氨酯間的界面剪切強度可達33.84MPa。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。