一种碳纤维表面改性方法、改性碳纤维及碳纤维增强树脂基复合材料

本发明涉及碳纤维表面改性，尤其涉及一种碳纤维表面改性方法、改性碳纤维及碳纤维增强树脂基复合材料。

背景技术：

1、本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

2、碳纤维增强树脂基复合材料(cfrp)由于具有优异的力学性能和低密度在航空航天、交通运输和民用等领域广泛应用。在复合材料中，碳纤维增强体是主要的承重组分，树脂基体是载荷传递的介质，界面是保证载荷在增强体和基体之间的连续传播。因此，界面往往是决定复合材料力学性能的关键因素，所以通过对碳纤维进行表面改性来改善复合材料的界面结合和力学性能。

3、近年来，除了对碳纤维进行湿法改性和干性改性，“多尺度”改性越来越受研究者的关注，即在碳纤维表面接枝纳米材料，使碳纤维表面粗糙度增加，表面活性提升，有利于树脂的浸润并与树脂形成机械互锁。

4、专利cn 104499270 b(授权公告日：2016.07.06)公开了一种纳米二氧化硅表面改性碳纤维的方法，其对碳纤维表面进行炔基化处理，然后通过化学反应接枝叠氮化处理的纳米二氧化硅，从而增加碳纤维表面的浸润性和粗糙度。然而，该方法复杂繁琐、制备流程长，而且原料和制备过程危险性大，成本高，难以工业化应用。

5、专利cn 107407042 b(授权公告日：2020.07.21)公开了一种用于碳纤维的包含纳米颗粒的纤维上浆系统，其以含有二氧化硅纳米颗粒的水性乳液作为上浆剂，对碳纤维进行上浆改性以提高碳纤维与树脂之间的粘合性能和润湿性能。然而，该上浆剂不环保、稳定性差且制备过程复杂，难以工业化生产。

6、因此，如何提供一种简单、成本低、安全性高的在碳纤维表面接枝纳米材料的方法是亟待解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种碳纤维表面改性方法、改性碳纤维及碳纤维增强树脂基复合材料，本发明通过在碳纤维表面低温蒸发诱导聚醚酰亚胺(pei)纳米颗粒的方式，提高碳纤维表面粗糙度、表面润湿性和活性，有利于树脂的浸润并与树脂形成机械互锁，从而提高碳纤维与树脂间的界面结合；该表面改性方法简单、成本低且安全性高。

2、第一方面，本发明提供了一种碳纤维表面改性方法，包括如下步骤：

3、将脱浆碳纤维置于聚醚酰亚胺溶液中，在-5～3℃下超声10～30min，然后保温静置20～30h；静置结束后取出置于10～30℃下蒸发干燥。

4、优选的，所述脱浆碳纤维的制备方法为：将碳纤维于惰性气体氛围下加热至400～500℃，保温1～2h，降至室温后洗涤、干燥，即得。

5、进一步的，所述惰性气体包括氮气或氩气中的一种或两种；所述洗涤步骤采用的溶剂为水或乙醇。

6、优选的，将脱浆碳纤维置于聚醚酰亚胺溶液中之前，采用聚醚酰亚胺溶液的溶剂预先浸渍脱浆碳纤维，浸渍时间为10～30min。

7、优选的，所述脱浆碳纤维与聚醚酰亚胺溶液的用量比为1g：300～700ml。

8、优选的，所述聚醚酰亚胺溶液的质量浓度为0.1～0.6wt％。

9、优选的，所述聚醚酰亚胺溶液的溶剂选自n-甲基吡咯烷酮(nmp)、n,n-二甲基甲酰胺(dmf)或n,n-二甲基乙酰胺(dmac)中的一种或多种。

10、进一步的，所述聚醚酰亚胺溶液的制备方法为：将聚醚酰亚胺置于溶剂中，在60～80℃下搅拌溶解1～4h。

11、第二方面，本发明提供了一种改性碳纤维，由上述碳纤维表面改性方法制备而得。

12、第三方面，本发明提供了一种碳纤维增强树脂基复合材料，包含上述改性碳纤维。

13、与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：

14、(1)本发明提供一种碳纤维表面改性方法，通过低温蒸发诱导在碳纤维表面得到了均匀分布的呈半球形的pei纳米颗粒，能使碳纤维表面粗糙度增加、表面活性提高，有利于树脂的浸润并与树脂形成机械互锁，从而提高碳纤维与树脂间的界面结合。

15、(2)本发明提供的碳纤维表面改性方法简单、操作性强、成本低，而且操作过程在较低温度下进行，安全性高，适用于工业化生产。

技术特征：

1.一种碳纤维表面改性方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的碳纤维表面改性方法，其特征在于，所述脱浆碳纤维的制备方法为：将碳纤维于惰性气体氛围下加热至400～500℃，保温1～2h，降至室温后洗涤、干燥，即得。

3.如权利要求2所述的碳纤维表面改性方法，其特征在于，所述惰性气体包括氮气或氩气中的一种或两种；所述洗涤步骤采用的溶剂为水或乙醇。

4.如权利要求1所述的碳纤维表面改性方法，其特征在于，将脱浆碳纤维置于聚醚酰亚胺溶液中之前，采用聚醚酰亚胺溶液的溶剂预先浸渍脱浆碳纤维，浸渍时间为10～30min。

5.如权利要求1所述的碳纤维表面改性方法，其特征在于，所述脱浆碳纤维与聚醚酰亚胺溶液的用量比为1g：300～700ml。

6.如权利要求1所述的碳纤维表面改性方法，其特征在于，所述聚醚酰亚胺溶液的质量浓度为0.1～0.6wt％。

7.如权利要求1所述的碳纤维表面改性方法，其特征在于，所述聚醚酰亚胺溶液的溶剂选自n-甲基吡咯烷酮(nmp)、n,n-二甲基甲酰胺(dmf)或n,n-二甲基乙酰胺(dmac)中的一种或多种。

8.如权利要求7所述的碳纤维表面改性方法，其特征在于，所述聚醚酰亚胺溶液的制备方法为：将聚醚酰亚胺置于溶剂中，在60～80℃下搅拌溶解1～4h。

9.一种改性碳纤维，其特征在于，由权利要求1～8任一项所述的碳纤维表面改性方法制备而得。

10.一种碳纤维增强树脂基复合材料，其特征在于，包含权利要求9所述的改性碳纤维。

技术总结本发明公开了一种碳纤维表面改性方法、改性碳纤维及碳纤维增强树脂基复合材料，属于碳纤维表面改性技术领域。本发明的碳纤维表面改性方法如下：将脱浆碳纤维置于聚醚酰亚胺溶液中，在‑5～3℃下超声10～30min，然后保温静置20～30h；静置结束后取出置于10～30℃下蒸发干燥。通过低温蒸发诱导在碳纤维表面得到了均匀分布的呈半球形的PEI纳米颗粒，能使碳纤维表面粗糙度增加、表面活性提高，有利于树脂的浸润并与树脂形成机械互锁，从而提高碳纤维与树脂间的界面结合。同时，本发明提供的碳纤维表面改性方法简单、操作性强、成本低，而且操作过程在较低温度下进行，安全性高，适用于工业化生产。技术研发人员：朱波,周嘉琪,朱安平,赵薇,张烨,李加林,冯建顺受保护的技术使用者：山东大学技术研发日：技术公布日：2024/5/16