一种用于碳纤维表面改性的处理方法与流程

本发明涉及电化学和纤维材料，尤其涉及一种用于碳纤维表面改性的处理方法。

背景技术：

1、碳纤维是20世纪50年代后发展起来的一种增强材料，它具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、导电和热膨胀系数小等一系列优异性能，因此被广泛用于航空航天、体育器材等领域。碳纤维主要作为复合材料的增强体使用，其表面活性直接影响着复合材料界面粘接性能。碳纤维经过高温碳化或石墨化热处理后，表面光滑，活性点少，化学反应性差，需要通过表面改性处理工艺在纤维表面引入活性官能团，提高其与树脂基体的粘接强度。相较传统方法，无法在碳纤维表面实现纳米碳管的定向生长，导致表面结构较为杂乱，表面积相对较小，电解质溶液的设计上缺乏量子化学计算方法的引导，无法精准设计具有特定功能的电解质溶液，导致后续功能性修饰的效果有限，同时缺乏电场调控技术，难以实现功能性修饰层的定向排列，影响了修饰层的均匀性和一致性，传统方法在引入温敏和水性修饰剂时，缺乏自组装技术的支持，导致修饰层结构不够可控，影响了智能表面修饰层的性能。这些不足之处直接影响了传统碳纤维复合材料的整体性能，包括界面粘合性、耐热性以及力学性能。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决上述背景技术中提出的技术问题。

2、本发明采用了如下技术方案：一种用于碳纤维表面改性的处理方法，包括以下步骤：

3、s1：基于碳纤维表面的原始结构，采用原位生长法，通过化学气相沉积方法，在其表面定向生长纳米碳管，生成纳米碳管修饰的碳纤维表面结构；

4、s2：利用量子化学计算方法，设计具有特定功能的电解质溶液，其中包含具有胺基官能团的聚合物修饰剂，形成胺基修饰的电解质溶液体系；

5、s3：引入电场辅助技术，通过应用外加电场，调控胺基修饰剂在碳纤维表面的定向吸附，形成电场调控的功能性修饰层，形成具有定向排列的功能性修饰层；

6、s4：设计响应性表面修饰体系，将温敏聚合物修饰剂引入功能性修饰层中，并利用自组装技术使其在表面形成可控的纳米结构，形成具有温度响应性的智能表面修饰层；

7、s5：采用水性溶液体系，将生物可降解的聚合物修饰剂引入智能表面修饰层中，利用水相界面活性剂增强修饰层的分散性和吸附性，形成具有绿色环保性能的智能表面修饰层；

8、s6：通过表面能计算和分子模拟方法，评估智能表面修饰层与基体材料之间的相互作用力，优化界面粘合性能，实现碳纤维与基体材料之间的强化界面粘合；

9、s7：利用热重分析和热失重法，对改性后的碳纤维复合材料进行耐热性能评估，确定其在高温环境下的稳定性，确认改性碳纤维复合材料的优良耐热性能；

10、s8：通过拉伸试验、弯曲试验等力学性能测试方法，评估改性碳纤维复合材料的力学性能，包括强度、模量、断裂韧度等，验证改性碳纤维复合材料的优异力学性能；

11、s9：基于性能测试结果，开展应用推广工作，将改性碳纤维复合材料广泛应用于航空航天、汽车制造等领域，促进碳纤维复合材料技术的推广和应用，实现改性碳纤维复合材料的产业化应用和经济效益。

12、优选的，所述s1中，包括以下步骤：

13、s101：在碳纤维表面原始结构基础上，准备适当的气相沉积反应条件；

14、s102：通过化学气相沉积方法，在碳纤维表面进行原位生长，形成纳米碳管修饰的结构；

15、s103：确保纳米碳管在表面定向生长，形成具有一定排列规律的纳米碳管修饰层。

16、优选的，所述s2中，包括以下步骤：

17、s201：使用量子化学计算方法设计特定功能的电解质溶液组成成分；

18、s202：将具有胺基官能团的聚合物修饰剂与其他成分配比混合，形成电解质溶液；

19、s203：确保胺基修饰剂在溶液中充分溶解并稳定，形成胺基修饰的电解质溶液体系。

20、优选的，所述s3中，包括以下步骤：

21、s301：设计适当的电场辅助技术装置，用于在碳纤维表面施加外加电场；

22、s302：调节外加电场的强度和方向，以实现胺基修饰剂在碳纤维表面的定向吸附；

23、s303：确保吸附过程中形成具有定向排列的功能性修饰层，以增强表面性能。

24、优选的，所述s4中，包括以下步骤：

25、s401：引入温敏聚合物修饰剂到功能性修饰层中；

26、s402：利用自组装技术控制温敏聚合物在表面形成可控的纳米结构；

27、s403：确保形成具有温度响应性的智能表面修饰层，以实现温度敏感性能。

28、优选的，所述s5中，包括以下步骤：

29、s501：将生物可降解的聚合物修饰剂引入智能表面修饰层中；

30、s502：使用水性溶液体系使生物可降解聚合物充分分散，并与修饰层相容；

31、s503：利用水相界面活性剂增强修饰层的分散性和吸附性，以形成具有绿色环保性能的智能表面修饰层。

32、优选的，所述s6中，包括以下步骤：

33、s601：运用表面能计算方法评估智能表面修饰层与基体材料之间的相互作用力；

34、s602：利用分子模拟方法模拟修饰层与基体材料的界面结合情况；

35、s603：通过优化界面粘合性能，确保碳纤维与基体材料之间的强化界面粘合。

36、优选的，所述s7中，包括以下步骤：

37、s701：进行热重分析，评估改性后的碳纤维复合材料的热稳定性；

38、s702：进行热失重法测试，确定改性材料在高温环境下的稳定性和热性能表现；

39、s703：确认改性碳纤维复合材料具有优良的耐热性能，符合高温环境应用需求。

40、优选的，所述s8中，包括以下步骤：

41、s801：进行拉伸试验，评估改性碳纤维复合材料的拉伸强度；

42、s802：进行弯曲试验，评估材料的弯曲性能；

43、s803：验证改性碳纤维复合材料在力学性能方面的优异表现，包括强度、模量、断裂韧度等指标。

44、优选的，所述s9中，包括以下步骤：

45、s901：分析性能测试结果，评估改性碳纤维复合材料在不同应用场景下的适用性；

46、s902：制定应用推广计划，包括广泛应用于航空航天、汽车制造等领域；

47、s903：推动碳纤维复合材料技术的推广和应用，实现产业化应用和经济效益。

48、与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

49、本发明中，通过使用原位生长法和化学气相沉积方法，在碳纤维表面实现了纳米碳管的定向生长，形成了纳米碳管修饰的表面结构，这种结构不仅增加了碳纤维的表面积，还提高了表面活性，有助于后续的功能性修饰。通过量子化学计算方法设计特定功能的电解质溶液，成功引入具有胺基官能团的聚合物修饰剂，形成胺基修饰的电解质溶液体系。通过电场辅助技术，实现了胺基修饰剂在碳纤维表面的定向吸附，形成电场调控的功能性修饰层，具有定向排列的功能性修饰层。引入温敏聚合物修饰剂，并通过自组装技术形成可控的纳米结构，创造了具有温度响应性的智能表面修饰层。引入水性溶液体系和生物可降解的聚合物修饰剂，形成具有绿色环保性能的智能表面修饰层。通过表面能计算、分子模拟方法和力学性能测试，全面评估并优化了改性碳纤维复合材料的性能，包括界面粘合性能、耐热性能以及力学性能。