一种改性碳纤维及其制备方法和碳纤维增强复合材料

本发明涉及复合材料界面改性，具体是一种改性碳纤维及其制备方法和碳纤维增强复合材料。

背景技术：

1、在过去的几十年里，汽车和航空航天领域对新型和先进材料的需求不断增加，如轻量化和高强度，这使得工程师和科学家们使用聚合物复合材料作为金属部件的替代品。碳纤维增强复合材料（cfrp）拥有重量轻、抗拉强度高、耐腐蚀、抗疲劳性能优异。通常，复合材料最终的机械性能与增强体，基体以及二者之间的界面密切相关。界面是碳纤维与环氧树脂之间键合和负荷转移的“桥梁”，良好的界面相容性可以提高碳纤维与基体的复合性能，并能有效地将外部应力从界面传递到碳纤维上，降低应力集中。但是，纤维表面光滑，没有多余的活性官能基团，呈现一定的化学惰性。这导致碳纤维与环氧树脂复合时的界面粘附性很差，严重限制复合材料的应用。为了解决上述问题，研究者们对碳纤维表面的改性方法进行了大量的探索研究。主要集中于：改变cf表面化学组成、利用大量能量破坏致密的石墨层、提高cf表面粗糙度等。

2、一方面，这些改性方法几乎都会对碳纤维本身的强度造成不同程度的负面影响：需要强酸或强碱对碳纤维表面进行腐蚀；另一方面，大多改性方法步骤繁琐，反应周期较长，所用试剂昂贵等，不利于工业化。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种改性碳纤维的制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

3、一种改性碳纤维的制备方法，其包括以下步骤：

4、对碳纤维的表面进行处理后，再与多巴胺进行混合，并加入到缓冲溶液中进行超声处理，得到多巴胺修饰的碳纤维；

5、将多巴胺修饰的碳纤维分散于含有聚乙烯吡咯烷酮的有机溶剂中，然后依次加入季戊四醇四-3-巯基丙酸酯和异佛尔酮二异氰酸酯进行反应，得到改性碳纤维。

6、优选地，对碳纤维的表面进行处理的方法为：用丙酮洗去的碳纤维表面的施胶剂和污染物。

7、优选地，所述碳纤维与多巴胺的质量比为(8-12):(1.5-2.5)。

8、优选地，所述聚乙烯吡咯烷酮与碳纤维的质量比为(1-5):(8-12)。

9、优选地，所述季戊四醇四-3-巯基丙酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯与碳纤维的质量比为(7.3-14.6):(6.7-13.3):(8-12)。

10、优选地，所述有机溶剂为乙醇；

11、本发明的另一目的在于提供一种采用权利要求上述制备方法制得的改性碳纤维。

12、本发明的另一目的在于提供一种上述的改性碳纤维在增强环氧树脂中的应用。

13、本发明的另一目的在于提供一种碳纤维增强复合材料，其包括环氧树脂以及上述的改性碳纤维。

14、优选地，所述碳纤维增强复合材料的制备方法包括以下步骤：将环氧树脂、固化剂和消泡剂进行混合后，再与所述改性碳纤维进行混合，并进行固化处理，得到所述碳纤维增强复合材料；其中，改性碳纤维、环氧树脂、固化剂、消泡剂的质量比为(0.8-1.2):(0.8-1.2):(0.8-1.2):(0.05-0.15)。

15、本发明提供的改性碳纤维的制备方法，实验条件温和、转换效率高、反应时间短，成本不高，具有工业化应用前景；且步骤简便，工艺简单，无需高精密设备，清洁环保；本发明制得的改性碳纤维的强度保留高，表面无明显缺陷，可以与环氧树脂制得界面强度与力学性能皆有所改善的碳纤维增强复合材料。

技术特征：

1.一种改性碳纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的改性碳纤维的制备方法，其特征在于，对碳纤维的表面进行处理的方法为：用丙酮洗去的碳纤维表面的施胶剂和污染物。

3.根据权利要求1或2所述的改性碳纤维的制备方法，其特征在于，所述碳纤维与多巴胺的质量比为(8-12):(1.5-2.5)。

4.根据权利要求1所述的改性碳纤维的制备方法，其特征在于，所述聚乙烯吡咯烷酮与碳纤维的质量比为(1-5):(8-12)。

5.根据权利要求1所述的改性碳纤维的制备方法，其特征在于，所述季戊四醇四-3-巯基丙酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯与碳纤维的质量比为(7.3-14.6):(6.7-13.3):(8-12)。

6.根据权利要求1所述的改性碳纤维的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为乙醇。

7.一种采用权利要求1-6中任一项所述制备方法制得的改性碳纤维。

8.一种如权利要求7所述的改性碳纤维在增强环氧树脂中的应用。

9.一种碳纤维增强复合材料，包括环氧树脂，其特征在于，还包括权利要求7所述的改性碳纤维。

10.根据权利要求9所述的碳纤维增强复合材料，其特征在于，所述碳纤维增强复合材料的制备方法包括以下步骤：将环氧树脂、固化剂和消泡剂进行混合后，再与所述改性碳纤维进行混合，并进行固化处理，得到所述碳纤维增强复合材料；其中，改性碳纤维、环氧树脂、固化剂、消泡剂的质量比为(0.8-1.2):(0.8-1.2):(0.8-1.2):(0.05-0.15)。

技术总结本发明公开了一种改性碳纤维及其制备方法和碳纤维增强复合材料，其属于复合材料界面改性技术领域，其中，该改性碳纤维的制备方法包括以下步骤：对碳纤维的表面进行处理后，再与多巴胺进行混合，并加入到缓冲溶液中进行超声处理，得到多巴胺修饰的碳纤维；将多巴胺修饰的碳纤维分散于含有聚乙烯吡咯烷酮的有机溶剂中，然后依次加入季戊四醇四‑3‑巯基丙酸酯和异佛尔酮二异氰酸酯进行反应，得到改性碳纤维。本发明制得的改性碳纤维的强度保留高，表面无明显缺陷，可以与环氧树脂制得界面强度与力学性能皆有所改善的碳纤维增强复合材料。技术研发人员：于歌,陈依玲,于开锋,朱燕超受保护的技术使用者：吉林大学技术研发日：技术公布日：2025/1/13