一种利用巯基-烯点击反应制备纳米二氧化硅接枝碳纤维增强体的方法

摘要

本发明涉及一种利用巯基-烯点击反应制备纳米二氧化硅接枝碳纤维增强体的方法，具体的步骤为：1）纳米二氧化硅巯基化处理；2）碳纤维的酸化处理；3）碳纤维表面氨基化处理；4）烯丙基缩水甘油醚接枝碳纤维的制备；5）利用巯基-烯点击反应制备纳米二氧化硅接枝碳纤维增强体。碳纤维表面接枝纳米二氧化硅以后，表面粗糙度提高，与树脂的浸润性得到明显改善，有利于提高碳纤维与树脂基体之间的界面结合力，进而提高碳纤维增强复合材料的力学性能。此外，碳纤维表面接枝纳米二氧化硅后，其热稳定性能得到显著提高。该发明方法反应周期短、产率高，副产物无害，有利于规模化生产。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用巯基-烯点击反应制备纳米二氧化硅接枝碳纤维增强体的方法。

背景技术

碳纤维是一种具有低密度、高比强度、高比模量、耐疲劳、导热、导电等优点的新型材料，已经广泛应用于航空、航天、文体用品以及纺织机械等领域。但由于碳纤维自身结构特点，使得其与树脂基体的粘结性较差，在与树脂基体复合时界面不够牢固，复合材料的很多优异性能不能很好地发挥出来。因此，对碳纤维表面改性是碳纤维在聚合物基复合材料应用中所面临的关键问题。

传统的碳纤维表面处理技术对设备和工艺的要求较高，且处理效果不佳。利用巯基-烯点击反应对无机材料表面进行改性是当前一种新的改性方法，该方法具有应用范围广、产率高、副产物无害、反应时间短等优点。这种方法避免了传统改性方法工艺时间长，过程有毒害，难以工业化批量生产等问题。通过巯基-烯点击反应将纳米二氧化硅接枝到碳纤维表面后，可明显提高碳纤维与树脂基体之间的界面结合力，同时提高碳纤维的热稳定性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单、快速的制备纳米二氧化硅接枝碳纤维增强体的方法，该方法的原理主要是基于巯基-烯点击反应，该反应周期短、产率高，所制备的纳米二氧化硅接枝碳纤维增强体具有表面粗糙度大、与树脂浸润性好、热稳定性能好等优点。

本发明是这样来实现的，纳米二氧化硅接枝碳纤维增强体的制备方法，其特征是方法步骤为：

第一步：将1g纳米二氧化硅和0.4g去离子水加入到30~60mL乙醇中，超声波处理60~120分钟后加入2~4g含巯基硅烷偶联剂，放入油浴锅中在60～75℃回流反应4~6小时，反应结束后用乙醇清洗4遍除去未接枝上的含巯基硅烷偶联剂，置于100℃真空干燥箱中干燥24小时，即可得到含巯基硅烷偶联剂接枝纳米二氧化硅；

第二步：将5g碳纤维浸入100~160mL混酸中，超声波处理60~120分钟，然后移入油浴锅中80~100℃反应2~4小时，反应完毕后用去离子水洗至中性，然后置于100℃真空干燥箱中干燥24小时，即得到酸处理碳纤维；

第三步：将5g酸处理碳纤维分散在150~200mL混合溶剂中，用乙酸调节pH值至4~5，超声波处理30~60分钟后加入10~30g含氨基硅烷偶联剂，60℃反应2~4小时，反应结束后用乙醇、丙酮和去离子水的混合溶液清洗4遍除去未接枝上的含氨基硅烷偶联剂，置于100℃真空干燥箱中干燥24小时，即可得到含氨基硅烷偶联剂接枝碳纤维；

第四步：将2g含氨基硅烷偶联剂接枝碳纤维分散在30～60mL乙醇中，然后加入4~8g烯丙基缩水甘油醚，室温磁力搅拌48~72小时，用乙醇清洗4遍，然后在40℃真空干燥箱中干燥24小时，即可得到烯丙基缩水甘油醚接枝碳纤维；

第五步：将0.4g含巯基硅烷偶联剂接枝纳米二氧化硅和1g烯丙基缩水甘油醚接枝碳纤维均匀分散在30~60mL的二甲基甲酰胺中，超声波处理60~120分钟，然后加入0.1g的光引发剂，采用波长为365nm的紫外光照射1~2小时，然后用乙醇清洗4遍，在80℃真空干燥箱中干燥24小时，即可得到纳米二氧化硅接枝碳纤维增强体。

所述的含巯基硅烷偶联剂为γ-巯丙基三甲氧基硅烷、γ-巯丙基甲基二甲氧基硅烷或γ-巯丙基三乙氧基硅烷中的一种。

所述的混酸是由质量百分比浓度为65%的浓硝酸和质量百分比浓度为96%的浓硫酸按体积比为3:1的比例混合而成。

所述的混合溶剂是由无水乙醇和去离子水按体积比为4:1的比例混合而成。

所述的含氨基硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷或γ-氨丙基三甲氧基硅烷中的一种。

所述的光引发剂为安息香双甲醚或2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮中的一种。

本发明的技术效果是：本发明提供的纳米二氧化硅接枝碳纤维增强体具有表面粗糙度大，纳米二氧化硅接枝率高，与树脂基体粘结性好，热稳定性能好等优点。

具体实施方式

实施例1：

本实施例说明本发明提供的一种利用巯基-烯点击反应制备纳米二氧化硅接枝碳纤维增强体的方法。

第一步：将1g纳米二氧化硅和0.4g去离子水加入到30mL乙醇中，超声波处理120分钟后加入2g含巯基硅烷偶联剂（γ-巯丙基甲基二甲氧基硅烷），放入油浴锅中在70℃回流反应5小时，反应结束后用乙醇清洗4遍除去未接枝上的含巯基硅烷偶联剂，置于100℃真空干燥箱中干燥24小时，即可得到含巯基硅烷偶联剂接枝纳米二氧化硅；

第二步：将5g碳纤维浸入160mL混酸中，超声波处理60分钟，然后移入油浴锅中80℃反应4小时，反应完毕后用去离子水洗至中性，然后置于100℃真空干燥箱中干燥24小时，即得到酸处理碳纤维；

第三步：将5g酸处理碳纤维分散在180mL混合溶剂中，用乙酸调节pH值至4，超声波处理45分钟后加入10g含氨基硅烷偶联剂（γ-氨丙基三乙氧基硅烷），60℃反应3小时，反应结束后用乙醇、丙酮和去离子水的混合溶液清洗4遍除去未接枝上的含氨基硅烷偶联剂，置于100℃真空干燥箱中干燥24小时，即可得到含氨基硅烷偶联剂接枝碳纤维；

第四步：将2g含氨基硅烷偶联剂接枝碳纤维分散在45mL乙醇中，然后加入4g烯丙基缩水甘油醚，室温磁力搅拌48小时，用乙醇清洗4遍，然后在40℃真空干燥箱中干燥24小时，即可得到烯丙基缩水甘油醚接枝碳纤维；

第五步：将0.4g含巯基硅烷偶联剂接枝纳米二氧化硅和1g烯丙基缩水甘油醚接枝碳纤维均匀分散在30mL的二甲基甲酰胺中，超声波处理120分钟，然后加入0.1g的安息香双甲醚，采用波长为365nm的紫外光照射1小时，然后用乙醇清洗4遍，在80℃真空干燥箱中干燥24小时，即可得到纳米二氧化硅接枝碳纤维增强体。

实施例2：

本实施例说明本发明提供的一种利用巯基-烯点击反应制备纳米二氧化硅接枝碳纤维增强体的方法。

第一步：将1g纳米二氧化硅和0.4g去离子水加入到60mL乙醇中，超声波处理60分钟后加入3g含巯基硅烷偶联剂（γ-巯丙基三乙氧基硅烷），放入油浴锅中在75℃回流反应6小时，反应结束后用乙醇清洗4遍除去未接枝上的含巯基硅烷偶联剂，置于100℃真空干燥箱中干燥24小时，即可得到含巯基硅烷偶联剂接枝纳米二氧化硅；

第二步：将5g碳纤维浸入120mL混酸中，超声波处理90分钟，然后移入油浴锅中100℃反应2小时，反应完毕后用去离子水洗至中性，然后置于100℃真空干燥箱中干燥24小时，即得到酸处理碳纤维；

第三步：将5g酸处理碳纤维分散在150mL混合溶剂中，用乙酸调节pH值至5，超声波处理60分钟后加入20g含氨基硅烷偶联剂（γ-氨丙基三甲氧基硅烷），60℃反应4小时，反应结束后用乙醇、丙酮和去离子水的混合溶液清洗4遍除去未接枝上的含氨基硅烷偶联剂，置于100℃真空干燥箱中干燥24小时，即可得到含氨基硅烷偶联剂接枝碳纤维；

第四步：将2g含氨基硅烷偶联剂接枝碳纤维分散在30mL乙醇中，然后加入6g烯丙基缩水甘油醚，室温磁力搅拌72小时，用乙醇清洗4遍，然后在40℃真空干燥箱中干燥24小时，即可得到烯丙基缩水甘油醚接枝碳纤维；

第五步：将0.4g含巯基硅烷偶联剂接枝纳米二氧化硅和1g烯丙基缩水甘油醚接枝碳纤维均匀分散在60mL的二甲基甲酰胺中，超声波处理60分钟，然后加入0.1g的2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮，采用波长为365nm的紫外光照射2小时，然后用乙醇清洗4遍，在80℃真空干燥箱中干燥24小时，即可得到纳米二氧化硅接枝碳纤维增强体。

实施例3：

本实施例说明本发明提供的一种利用巯基-烯点击反应制备纳米二氧化硅接枝碳纤维增强体的方法。

第一步：将1g纳米二氧化硅和0.4g去离子水加入到45mL乙醇中，超声波处理90分钟后加入4g含巯基硅烷偶联剂（γ-巯丙基三甲氧基硅烷），放入油浴锅中在60℃回流反应4小时，反应结束后用乙醇清洗4遍除去未接枝上的含巯基硅烷偶联剂，置于100℃真空干燥箱中干燥24小时，即可得到含巯基硅烷偶联剂接枝纳米二氧化硅；

第二步：将5g碳纤维浸入100mL混酸中，超声波处理120分钟，然后移入油浴锅中90℃反应3小时，反应完毕后用去离子水洗至中性，然后置于100℃真空干燥箱中干燥24小时，即得到酸处理碳纤维；

第三步：将5g酸处理碳纤维分散在200mL混合溶剂中，用乙酸调节pH值至4，超声波处理30分钟后加入30g含氨基硅烷偶联剂（γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷），60℃反应2小时，反应结束后用乙醇、丙酮和去离子水的混合溶液清洗4遍除去未接枝上的含氨基硅烷偶联剂，置于100℃真空干燥箱中干燥24小时，即可得到含氨基硅烷偶联剂接枝碳纤维；

第四步：将2g含氨基硅烷偶联剂接枝碳纤维分散在60mL乙醇中，然后加入8g烯丙基缩水甘油醚，室温磁力搅拌60小时，用乙醇清洗4遍，然后在40℃真空干燥箱中干燥24小时，即可得到烯丙基缩水甘油醚接枝碳纤维；

第五步：将0.4g含巯基硅烷偶联剂接枝纳米二氧化硅和1g烯丙基缩水甘油醚接枝碳纤维均匀分散在45mL的二甲基甲酰胺中，超声波处理90分钟，然后加入0.1g的安息香双甲醚，采用波长为365nm的紫外光照射1小时，然后用乙醇清洗4遍，在80℃真空干燥箱中干燥24小时，即可得到纳米二氧化硅接枝碳纤维增强体。