一种碳纤维表面改性方法及碳纤维增强复合材料的制备方法

摘要

一种碳纤维表面改性方法及碳纤维增强复合材料的制备方法，本发明属于复合材料界面改性领域，特别涉及一种碳纤维改性及其复合材料的制备方法。本发明是为了解决碳纤维增强复合材料中纤维与基体结合质量差，导致的界面结合强度和热量传递效率低的问题。本发明利用改性的碳纤维与环氧树脂基体进行处理，得到具有12层对称碳纤维的复合材料板。经本发明的改性方法得到的碳纤维复合材料与普通复合材料相比，热导率和I型层间断裂韧性均有不同程度的提高。本发明改性的复合材料用于复合材料界面改性领域。

说明书

技术领域

本发明属于复合材料界面改性领域，特别涉及一种碳纤维改性及其复合材料的制备方 法。

背景技术

聚丙烯腈(PAN)纳米纤维，与其他用于改性的纳米纤维相比，在经济上、生产成本 上具有相当可观的优势。将聚丙烯腈(PAN)纳米纤维进行DMF蒸汽及270℃稳定化处 理后，得到稳定化的聚丙烯腈(PAN)纳米纤维。通过静电纺丝的方式进行接枝，要求相 对较低的温度(低于300℃)，在这个过程中，不会在碳纤维表面产生累积的破坏。

在碳纤维增强复合材料中，碳纤维是增强体，为主要的承力结构，树脂基体起连接纤 维和传递载荷的作用。复合材料的性能不仅取决于其组分材料，同时也很大程度上取决于 各组分间界面的质量，复合材料的界面是增强相和基体相的中间相，是增强相和基体相连 接的桥梁，也是应力、热量的传递者，良好的界面结合能有效地传递载荷和热量，提高复 合材料的热导率及其力学性能。但碳纤维表面惰性大，表面能低，缺乏有化学活性的官能 团，反应活性低，与基体的粘结性差，界面中存在较多的缺陷，这直接影响了复合材料的 性能，阻碍了其进一步的应用。为了突破这一瓶颈，改善界面性能显得尤为重要。

发明内容

本发明是为了解决碳纤维增强复合材料中纤维与基体结合质量差，导致的界面结合强 度和热量传递效率低的问题，提供了一种碳纤维表面改性及其复合材料的制备方法。改性 后的碳纤维复合材料热导率和I型层间断裂韧性均有不同程度的提高。

一种碳纤维表面改性方法是按以下步骤进行的：

一、将聚丙烯腈(PAN)纳米纤维接枝到碳纤维垫表面：以二甲基甲酰胺(DMF) 为溶剂，溶解聚丙烯腈(PAN)粉末，配置质量分数为8％-10％的聚丙烯腈(PAN)纺丝 液，在室温下搅拌溶液至透明，将聚丙烯腈(PAN)纺丝液置于注射器中，碳纤维垫固定 在收集装置上，控制装置内的湿度为18％-22％，温度为23℃-27℃，微量注射泵挤出速度 为0.8ml/h-1.5ml/h，纺丝电压为14kv-18kv，纺丝喷头至碳纤维的距离为15cm-25cm， 纺丝喷头距实验台高度为15cm-25cm，单侧纺丝时间40s-3min；得到接枝有聚丙烯腈纳 米纤维的碳纤维垫；

二、将接枝有聚丙烯腈(PAN)纳米纤维的碳纤维垫置于二甲基甲酰胺(DMF)蒸 汽中，使二甲基甲酰胺(DMF)充满碳纤维垫的腔体内，保持温度55℃-65℃，分别将碳 纤维垫两侧靠近DMF蒸汽源方向15min-20min，取出后干燥15min-20min；

三、然后用铝箔将接枝有聚丙烯腈(PAN)纳米纤维的碳纤维垫包起，置于固化炉中 260℃-280℃稳定化处理，得到接枝有稳定化聚丙烯腈(PAN)纳米纤维的碳纤维。

利用上述方法改性的碳纤维制备碳纤维增强复合材料的方法，其包括如下步骤：

一、配制环氧树脂基体：将环氧树脂和固化剂按照质量比1:(0.2-0.3)混合均匀，真 空脱气处理1h-2h；

二、将步骤一配制的环氧树脂基体和接枝有稳定化聚丙烯腈纳米纤维的碳纤维通过真 空辅助树脂传递成型技术制成改性后的碳纤维增强复合材料；具体步骤为以一块玻璃平板 作为模具，用丙酮清洗模具；在模具表面涂抹防粘剂，放置一段时间待其干燥；在模具表 面放置一层隔离膜；按照排列角度[120°/60°/0°/120°/60°/0°]s铺设12层对称碳纤维布；在碳 纤维布上面分别铺设脱模布和导流网；在碳纤维布两端分别固定导入管和导出管，确保导 入管能够插入到盛有环氧树脂的烧杯中，导出管能够连接到真空泵，得到处理好的模具； 将真空袋粘到处理好的模具上，夹住入口，用真空泵脱气1h‐2h；凭借真空压力注入树脂， 放到110℃‐130℃固化炉中固化处理1h‐3h，再放到160℃‐180℃固化炉中固化处理3h‐5h； 制备得到具有12层对称碳纤维的复合材料板。

本发明相对于现有技术的优点：

DMF蒸汽能够凝结在碳纤维表面，部分的溶解纳米纤维-碳纤维界面间的聚丙烯腈 (PAN)纳米纤维，从而增加了纳米纤维和碳纤维的接触面积和相互作用。聚丙烯腈(PAN) 纳米纤维经过稳定化处理后，很好的结合到碳纤维的表面改性后的碳纤维复合材料与普通 复合材料相比，热导率和I型层间断裂韧性均有不同程度的提高。热导率从原来未改性的 0.6-0.65w/mk，经过40秒的静电纺丝接枝纳米纤维后，提高到0.68-0.74w/mk，经过3分 钟的静电纺丝接枝纳米纤维后，提高到0.75-0.8w/mk。接枝3分钟的纳米纤维后，复合材 料的I型层间断裂韧性从208-450J/m²提高到468-724J/m²。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任 意组合。

具体实施方式一：本实施方式的碳纤维表面改性方法是按以下步骤进行的：

一、将聚丙烯腈(PAN)纳米纤维接枝到碳纤维垫表面：以二甲基甲酰胺(DMF) 为溶剂，溶解聚丙烯腈(PAN)粉末，配置质量分数为8％-10％的聚丙烯腈(PAN)纺丝 液，在室温下搅拌溶液至透明，将聚丙烯腈(PAN)纺丝液置于注射器中，碳纤维垫固定 在收集装置上，控制装置内的湿度为18％-22％，温度为23℃-27℃，微量注射泵挤出速度 为0.8ml/h-1.5ml/h，纺丝电压为14kv-18kv，纺丝喷头至碳纤维的距离为15cm-25cm， 纺丝喷头距实验台高度为15cm-25cm，单侧纺丝时间40s-3min；得到接枝有聚丙烯腈纳 米纤维的碳纤维垫；

二、将接枝有聚丙烯腈(PAN)纳米纤维的碳纤维垫置于二甲基甲酰胺(DMF)蒸 汽中，使二甲基甲酰胺(DMF)充满碳纤维垫的腔体内，保持温度55℃-65℃，分别将碳 纤维垫两侧靠近DMF蒸汽源方向15min-20min，取出后干燥15min-20min；

三、然后用铝箔将接枝有聚丙烯腈(PAN)纳米纤维的碳纤维垫包起，置于固化炉中 260℃-280℃稳定化处理，得到接枝有稳定化聚丙烯腈(PAN)纳米纤维的碳纤维。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，步骤一中聚丙烯腈(PAN) 纺丝液的质量分数为9％。其他步骤与参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是，步骤一中纺丝喷头至碳纤 维的距离为20cm。其他步骤与参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是，步骤一中纺丝喷头距实验 台高度为20cm。其他步骤与参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是，步骤二中分别将碳纤维垫 两侧靠近DMF蒸汽源方向18min。其他步骤与参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：本实施方式利用具体实施方式一利用表面改性碳纤维增强复合材料 的制备方法，其包括如下步骤：

一、配制环氧树脂基体：将环氧树脂和固化剂按照质量比1:(0.2-0.3)混合均匀，真 空脱气处理1h-2h；

二、将步骤一配制的环氧树脂基体和接枝有稳定化聚丙烯腈纳米纤维的碳纤维通过真 空辅助树脂传递成型技术制成改性后的碳纤维增强复合材料；具体步骤为以一块玻璃平板 作为模具，用丙酮清洗模具；在模具表面涂抹防粘剂，放置一段时间待其干燥；在模具表 面放置一层隔离膜；按照排列角度[120°/60°/0°/120°/60°/0°]s铺设12层对称碳纤维布；在碳 纤维布上面分别铺设脱模布和导流网；在碳纤维布两端分别固定导入管和导出管，确保导 入管能够插入到盛有环氧树脂的烧杯中，导出管能够连接到真空泵，得到处理好的模具； 将真空袋粘到处理好的模具上，夹住入口，用真空泵脱气1h‐2h；凭借真空压力注入树脂， 放到110℃‐130℃固化炉中固化处理1h‐3h，再放到160℃‐180℃固化炉中固化处理3h‐5h； 制备得到具有12层对称碳纤维的复合材料板。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是，步骤二放到固化炉中第一 次固化处理的温度是122℃，处理时间是3h。其他步骤与参数与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六不同的是，步骤二放到固化炉中第二 次固化处理的温度是177℃，处理时间是5h。其他步骤与参数与具体实施方式六相同。

实施例1：碳纤维表面改性过程

一、将聚丙烯腈(PAN)纳米纤维接枝到碳纤维垫表面：以二甲基甲酰胺(DMF) 为溶剂，溶解聚丙烯腈(PAN)粉末，配置质量浓度为9％的聚丙烯腈(PAN)纺丝液， 在室温下搅拌溶液至透明，将纺丝液置于注射器中，碳纤维垫固定在收集装置上，控制装 置内的湿度为20％，温度为25℃，微量注射泵挤出速度为1ml/h，纺丝电压为16kv，纺 丝喷头至碳纤维的距离为20cm，纺丝喷头距实验台高度为20cm，单侧纺丝时间3分钟。

二、将接枝有纳米纤维的碳纤维垫置于二甲基甲酰胺(DMF)蒸汽中：使碳纤维垫 处于充满DMF的，保持温度60℃，碳纤维垫两侧分别靠近DMF蒸汽源方向各20min， 取出后干燥20min。

三、用铝箔将接枝有聚丙烯腈(PAN)纳米纤维的碳纤维垫包起，置于固化炉中稳定 化处理，温度270℃进行热稳定化，得到接枝有稳定化聚丙烯腈(PAN)纳米纤维的碳纤 维。

结果显示：DMF蒸汽能够凝结在碳纤维表面，部分的溶解纳米纤维-碳纤维界面间的 聚丙烯腈(PAN)纳米纤维，从而增加了纳米纤维和碳纤维的接触面积和相互作用。聚丙 烯腈(PAN)纳米纤维经过稳定化处理后，很好的结合到碳纤维的表面。

实施例2：碳纤维表面改性制成复合材料的过程

一、配制环氧树脂基体：将美国米勒史蒂芬森公司生产的环氧826型号树脂和 EPIKUREW型号固化剂按照质量比1：0.264混合均匀，真空脱气处理1小时。

二、将步骤一配制的环氧树脂基体和接枝后的碳纤维通过真空辅助树脂传递成型技术 制成改性后的碳纤维增强复合材料；具体步骤为以一块玻璃平板作为模具，用丙酮清洗模 具；在模具表面涂抹防粘剂，放置一段时间待其干燥；在模具表面放置一层隔离膜；按照 排列角度[120°/60°/0°/120°/60°/0°]s铺设12层对称碳纤维布；在碳纤维布上面分别铺设脱模 布和导流网；在碳纤维布两端分别固定导入管和导出管，确保导入管能够插入到盛有树脂 的烧杯中，导出管能够连接到真空泵，得到处理好的模具；将真空袋粘到处理好的模具上， 夹住入口，用真空泵脱气1h‐2h；凭借真空压力注入树脂，放到110℃‐130℃固化炉中固 化处理1h‐3h，再放到160℃‐180℃固化炉中固化处理3h‐5h；制备得到具有12层对称碳 纤维的复合材料板。

对得到的碳纤维增强复合材料进行热导率和I型层间断裂韧性测试，发现改性后的碳 纤维复合材料与普通复合材料相比，热导率和I型层间断裂韧性均有不同程度的提高。热 导率从原来未改性的0.6211w/mk，经过40秒的静电纺丝接枝纳米纤维后，提高到 0.7196w/mk，经过3分钟的静电纺丝接枝纳米纤维后，提高到0.7865w/mk。接枝3分钟 的纳米纤维后，复合材料的I型层间断裂韧性从372.2939J/m²提高到510.1131J/m²。