一种用于高性能碳纤维表面的改性处理方法

本发明属于电化学和纤维材料领域，具体涉及一种用于高性能碳纤维表面的改性处理方法。

背景技术：

1、碳纤维增强树脂基复合材料作为一种综合性能优异的材料被广泛应用于航空，风电叶片等极端环境领域，考虑到高湿热环境对复合材料性能的不良影响，亟需提高复合材料对湿热环境的抵抗能力，以达到延长复合材料使用寿命，稳定性及安全性。其中复合材料的湿热性能又受碳纤维与树脂界面的影响，水分子在界面间的传递及扩散会对复合材料产生不利影响，因此，通过对碳纤维表面改性，设计一种含有耐湿热性界面的复合材料是十分有必要的。

2、在上个世纪，国内外就开始对复合材料在湿热环境下的使用情况进行了研究，其中以在基体中添加填料这个研究方向为主，增强了复合材料的力学性能并且降低了吸湿率，但受环境老化后的界面性能保持率较为一般。本专利通过在碳纤维表面电泳沉积纳米石墨烯片方法提高复合材料的耐湿热性能，从而达到增强复合材料在湿热环境下的使用寿命，稳定性及安全性。对于该方向的研究大多集中在氧化石墨烯表面改性碳纤维上，如cn103614902b，cn115816925a,cn114016286b等，但研究中并未提及氧化石墨烯改性纤维后对于在湿热场景下的应用和分析，氧化石墨烯表面含有羧基，羟基等含氧官能团，在湿热环境中会提高纤维与基体界面水分子的扩散速率，减弱粒子与纤维表面的作用，导致复合材料在湿热环境下吸湿率较高，界面性能受湿热环境影响较大。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于高性能碳纤维表面的改性处理方法。本发明基于提高碳纤维和树脂之间的界面结合性，在增加碳纤维表面粗糙度以及化学活性的同时提高纤维上的耐温性，在不损伤碳纤维本体强度以及提高适用性和有效性的前提下，在碳纤维表面构建一层新的界面增强层来提高复合材料的湿热性能。采用阳极电泳沉积技术，在碳纤维表面制备碳纳米材料涂层，电泳沉积时所用的电泳液由碳纳米材料及纳米纤维素组成，在纤维表面沉积纳米纤维素分散的碳纳米材料，之后再经水性环氧乳液上浆剂进行涂覆，在复合材料中能减小基体与纤维的界面厚度，减少湿热环境下水分子的扩散速率，使吸湿饱和时材料的界面强度保持更好，减少后期材料使用维修以及更换成本，提高复合材料在湿热环境下的稳定性。

2、为达到本发明的目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种用于高性能碳纤维表面的改性处理方法，其特征在于，采用阳极电泳沉积方法处理碳纤维，以碳纤维为工作电极阳极，不锈钢为阴极，电压1-30v，电泳液由碳纳米材料和纳米纤维素组成混合溶液。

4、所述的碳纤维包括但不限于聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维。

5、电泳液中碳纳米材料的浓度为0.01-10mg/ml；更优选的，所述碳纳米材料的浓度为0.5-5.0mg/ml。纳米纤维素的浓度为0.01-10mg/ml；更优选的，所述纤维素纳米晶的浓度为0.1-5.0mg/ml。

6、所述的碳纳米材料选自碳纳米管、纳米石墨烯片或氧化石墨烯；所述的聚合物电解质为纳米纤维素，更优选为纤维素纳米晶体。

7、所得表面改性的碳纤维用于与树脂复合形成复合材料。

8、在进行电泳沉积处理时碳纤维作为阳极，采用的电泳液由碳纳米材料和纳米纤维素组成，在碳纤维表面制备碳纳米材料与纳米纤维素共沉积涂层，从而提高碳纤维表面粗糙度以及和基体之间的结合力，从而降低复合材料在湿热环境下水分子扩散速率以及整体吸湿率，提高碳纤维的耐热性以及复合材料的耐湿热性能，减小环境对复合材料界面性能的不良影响。

9、在本发明的优选的实施方式中，所述的碳纳米材料的浓度为0.01-20mg/ml；更优选的，所述的碳纳米材料的浓度为0.3-10mg/ml。浓度太低，碳纤维表面沉积的碳纳米材料太少，改性效果不明显，浓度太高，碳纳米材料在电泳液中易沉降，并且不容易在碳纤维表面均匀沉积。

10、在本发明的优选的实施方式中，所述的纳米纤维素浓度为0.1-30mg/ml；更优选的，所述的纳米纤维素浓度为1-20mg/ml。浓度太低，纳米石墨烯片在溶液中分散性较差，纳米石墨烯片堆叠在一起对界面性能产生不良影响，同时碳纤维集束性差；浓度太高，沉积到纤维表面的聚合物较多，在湿热环境下，促进了水分子在界面扩散与结合，不利于复合材料在湿热环境下的界面性能保持。

11、在本发明的优选的实施方式中，所述的电泳沉积处理采用阳极电泳沉积方法，以碳纤维为工作电极，不锈钢为阴极，电压1-30v。通过调节电泳液的浓度、停留时间及电压等以获得最优的碳纤维表面的处理效果。

12、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

13、目前碳纤维工业常用的表面改性方法是电化学阳极氧化法，电解液以碳酸氢铵的水溶液为典型代表。但是在表面氧化引入含氧官能团的同时不可避免地对碳纤维的表面结构造成一定的破坏，引起碳纤维力学性能的下降。本发明提供的表面改性方法，在碳纤维表面引入纳米石墨烯片提高纤维耐温性的同时，不损伤碳纤维表面结构；在增强了碳纤维与环氧树脂结合能力的同时，提高了复合材料的界面性能，在湿热环境的应用场景中降低了复合材料的吸湿率，同时提高了湿热老化过程中复合材料的界面性能，也提高了复合材料在湿热环境下的使用稳定性。

技术特征：

1.一种用于高性能碳纤维表面的改性处理方法，其特征在于，采用阳极电泳沉积方法处理碳纤维，以碳纤维为工作电极阳极，不锈钢为阴极，电压1-30v，电泳液由碳纳米材料和纳米纤维素组成混合溶液。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的碳纤维包括但不限于聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维。

3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，电泳液中碳纳米材料的浓度为0.01-10mg/ml；更优选的，所述碳纳米材料的浓度为0.5-5.0mg/ml。

4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，纳米纤维素的浓度为0.01-10mg/ml；更优选的，所述纤维素纳米晶的浓度为0.1-5.0mg/ml。

5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的碳纳米材料选自碳纳米管、纳米石墨烯片或氧化石墨烯；所述的聚合物电解质为纳米纤维素，更优选为纤维素纳米晶体。

6.按照权利要求1-5任一项所述的方法制备得到的表面改性的碳纤维。

7.按照权利要求1-5任一项所述的方法制备得到的表面改性的碳纤维，所得表面改性的碳纤维用于与环氧树脂复合形成复合材料。

技术总结一种用于高性能碳纤维表面的改性处理方法，属于碳纤维领域。采用阳极电泳沉积技术，在碳纤维表面沉积由纳米纤维素分散的纳米石墨烯片，提高碳纤维表面粗糙度的同时与环氧树脂基体结合更加紧密，同时提高了纤维的耐温性，使复合材料在湿热环境下水分子扩散速率以及吸湿率降低，达到增强复合材料耐湿热性能的目的，使复合材料经过湿热老化后界面强度保持良好。在改性过程中不损伤碳纤维本体力学性能，且分散剂环保无害，整体工艺较为简单。技术研发人员：张学军,毛新东,田艳红,孙江曼受保护的技术使用者：北京化工大学技术研发日：技术公布日：2024/6/13