一种基于巯基‑烯光聚合的聚硫醚聚合物接枝碳纤维的制备方法

摘要

本发明公开了一种基于巯基‑烯光聚合的聚硫醚聚合物接枝碳纤维的制备方法。具体步骤为：首先将碳纤维进行酸化处理，得到酸化碳纤维；进一步与巯基醇反应得到巯基化碳纤维；再将此巯基化碳纤维与二巯基单体、二烯单体在紫外光照下引发巯基‑烯光聚合反应，得到聚硫醚聚合物接枝碳纤维。本发明具有以下优点：通过巯基‑烯光聚合反应，减少了溶剂用量，简化了后处理步骤，有利于规模化生产，同时避免了传统碳纤维表面接枝改性过程中存在有毒害的酰氯化过程，通过在碳纤维表面接枝聚硫醚聚合物可使其表面活性官能团增加，有利于提高其与树脂的浸润性，改善碳纤维与树脂基体间的界面性能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于巯基-烯光聚合的聚硫醚聚合物接枝碳纤维的制备方法。

背景技术

碳纤维增强树脂基复合材料作为航空航天领域一种重要的结构材料，因具有高比强度、高比模量、耐高温、可设计性好以及耐腐蚀等优点，近年来引起人们广泛的关注。但未经处理的碳纤维表面呈惰性且活性官能团较少，与树脂基体的浸润性较差，导致其与树脂基体的界面结合较差，界面处存在较多缺陷，这限制了碳纤维增强树脂基复合材料整体性能的发挥。因此，对碳纤维表面改性以改善其与树脂基体之间的结合性能，是当前碳纤维复合材料研究领域的重点之一。

目前针对碳纤维的表面改性方法有很多种，包括氧化处理、包覆处理以及辐射处理等，但这些方法处理过程较复杂，改性效率不高，有的改性过程甚至会产生有害物质。而巯基-烯光聚合法作为一种新型的无机材料表面接枝改性方法，近年来备受关注，它是点击化学法中的一种，可通过小单元的拼接，快速可靠地完成各种化学合成。它具有应用范围广、产率高、副产物无害、反应条件简单、反应速度快等优点。

基于对碳纤维表面改性方法的探究，采用巯基-烯光聚合法在碳纤维表面接枝聚硫醚聚合物。反应过程中加入光引发剂，在紫外光照射下完成反应，其反应条件较为温和，溶剂使用量低，副产物少，制备过程简单，时间非常短，非常有利于在生产中推广应用。碳纤维在接枝聚硫醚聚合物后，其表面可引入大量的活性官能团，表面活性提高，能有效改善碳纤维与树脂基体间的界面结合性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实验步骤简单、反应时间短的一种基于巯基-烯光聚合的聚硫醚聚合物接枝碳纤维的制备方法，此方法的主要特点是采用巯基-烯光聚合法在碳纤维表面接枝聚硫醚聚合物，反应周期较短、产率高、副产物少且无害，改性所得到的碳纤维表面包裹一层含有活性基团的聚硫醚聚合物，能够有效改善碳纤维与树脂基体的浸润性，提高碳纤维与基体间的相互作用。

本发明是这样来实现的，一种基于巯基-烯光聚合的聚硫醚聚合物接枝碳纤维的制备方法，其特征是方法步骤为：

第一步：将1g原始碳纤维加入到50～100mL质量百分比浓度为65%的浓硝酸中，在70～100℃下，回流反应2～6小时，反应结束后用蒸馏水清洗至pH值为中性，置于80℃真空干燥箱中干燥24小时，即可得到酸处理碳纤维；

第二步：将0.5g酸处理碳纤维和0.01~0.1摩尔巯基醇加入到20~50mL二甲苯中，室温下搅拌30~50分钟后加入0.001~0.01摩尔的4-二甲氨基吡啶和0.01~0.1摩尔的二环己基碳二亚胺，室温下继续反应4~8小时，反应结束后抽滤并用二甲苯清洗4次，然后置于80℃真空干燥箱中干燥24小时，即可得到巯基化碳纤维；

第三步：将0.5g巯基化碳纤维、0.01~0.2摩尔的二巯基单体和0.01~0.2摩尔的二烯单体加入到20~50mL的二甲基甲酰胺中，然后加入10~100mg的光引发剂，采用波长为365nm的紫外光照射10~30分钟引发单体光聚合，反应结束后抽滤并用二氯甲烷清洗4次，在80℃真空干燥箱中干燥24小时，即可得到聚硫醚聚合物接枝碳纤维。

所述的巯基醇为巯基乙醇、3-巯基-1-丙醇或4-巯基-1-丁醇中的一种。

所述的二巯基单体为1，2-乙二硫醇、1，3-丙二硫醇、1，4-丁二硫醇或1，5-戊二硫醇的一种。

所述的二烯单体为二乙二醇二乙烯基醚、二乙烯基醚、二烯丙基醚、1，3-丁二烯或1，4-戊二烯中的一种。

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。

本发明具有以下优点：本发明解决了碳纤维表面惰性，表面活性官能团少，与树脂基体浸润性以及界面结合差等问题。通过巯基-烯光聚合反应，减少了溶剂用量，简化了后处理步骤，有利于规模化生产，同时避免了传统碳纤维表面接枝改性过程中存在有毒害的酰氯化过程，通过在碳纤维表面接枝聚硫醚聚合物可使其表面活性官能团增加，有利于提高其与树脂的浸润性，改善碳纤维与树脂基体间的界面性能。

具体实施方式

实施例1:

本实施例说明本发明提供的一种基于巯基-烯光聚合的聚硫醚聚合物接枝碳纤维的制备方法。

第一步：将1g原始碳纤维加入到70mL质量百分比浓度为65%的浓硝酸中，在90℃下，回流反应4小时，反应结束后用蒸馏水清洗至pH值为中性，置于80℃真空干燥箱中干燥24小时，即可得到酸处理碳纤维；

第二步：将0.5g酸处理碳纤维和0.05摩尔3-巯基-1-丙醇加入到40mL二甲苯中，室温下搅拌40分钟后加入0.005摩尔的4-二甲氨基吡啶和0.05摩尔的二环己基碳二亚胺，室温下继续反应6小时，反应结束后抽滤并用二甲苯清洗4次，然后置于80℃真空干燥箱中干燥24小时，即可得到巯基化碳纤维；

第三步：将0.5g巯基化碳纤维、0.1摩尔的1，3-丙二硫醇和0.1摩尔的二乙烯基醚加入到40mL的二甲基甲酰胺中，然后加入20mg的安息香双甲醚，采用波长为365nm的紫外光照射15分钟引发单体光聚合，反应结束后抽滤并用二氯甲烷清洗4次，在80℃真空干燥箱中干燥24小时，即可得到聚硫醚聚合物接枝碳纤维。

实施例2:

本实施例说明本发明提供的一种基于巯基-烯光聚合的聚硫醚聚合物接枝碳纤维的制备方法。

第一步：将1g原始碳纤维加入到50mL质量百分比浓度为65%的浓硝酸中，在70℃下，回流反应6小时，反应结束后用蒸馏水清洗至pH值为中性，置于80℃真空干燥箱中干燥24小时，即可得到酸处理碳纤维；

第二步：将0.5g酸处理碳纤维和0.01摩尔4-巯基-1-丁醇加入到20mL二甲苯中，室温下搅拌30分钟后加入0.001摩尔的4-二甲氨基吡啶和0.01摩尔的二环己基碳二亚胺，室温下继续反应4小时，反应结束后抽滤并用二甲苯清洗4次，然后置于80℃真空干燥箱中干燥24小时，即可得到巯基化碳纤维；

第三步：将0.5g巯基化碳纤维、0.01摩尔的1，5-戊二硫醇和0.01摩尔的二乙二醇二乙烯基醚加入到20mL的二甲基甲酰胺中，然后加入10mg的安息香双甲醚，采用波长为365nm的紫外光照射30分钟引发单体光聚合，反应结束后抽滤并用二氯甲烷清洗4次，在80℃真空干燥箱中干燥24小时，即可得到聚硫醚聚合物接枝碳纤维。

实施例3:

第一步：将1g原始碳纤维加入到100mL质量百分比浓度为65%的浓硝酸中，在100℃下，回流反应2小时，反应结束后用蒸馏水清洗至pH值为中性，置于80℃真空干燥箱中干燥24小时，即可得到酸处理碳纤维；

第二步：将0.5g酸处理碳纤维和0.1摩尔巯基乙醇加入到50mL二甲苯中，室温下搅拌50分钟后加入0.01摩尔的4-二甲氨基吡啶和0.1摩尔的二环己基碳二亚胺，室温下继续反应8小时，反应结束后抽滤并用二甲苯清洗4次，然后置于80℃真空干燥箱中干燥24小时，即可得到巯基化碳纤维；

第三步：将0.5g巯基化碳纤维、0.2摩尔的1，2-乙二硫醇和0.2摩尔的1，3-丁二烯加入到50mL的二甲基甲酰胺中，然后加入100mg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10分钟引发单体光聚合，反应结束后抽滤并用二氯甲烷清洗4次，在80℃真空干燥箱中干燥24小时，即可得到聚硫醚聚合物接枝碳纤维。