一種對碳纖維進行表面改性的方法

2023-12-02 12:59:31 2

一種對碳纖維進行表面改性的方法
【專利摘要】本發明屬於表面改性【技術領域】，涉及一種對碳纖維進行表面改性的方法，其核心是使用含兒茶酚結構的物質作為表面改性劑，在一定條件下包覆於碳纖維表面，進而改變碳纖維表面特性的方法。使用含兒茶酚結構的物質進行表面改性後，還可根據需要進一步利用其它化學物質進一步對碳纖維進行表面改性。該改性方法的特點操作簡便、效果顯著，且通過簡單的操作便能針對特定基體進行有效改性。通過簡單的操作，可以對碳纖維進行親水性改性，也可以使碳纖維表面呈現親油性，也可以通過引入特定功能的基團或物質，賦予碳纖維各種特殊功能如抗菌、發光等，在碳纖維複合材料及其它功能材料中具有非常廣闊的應用前景。
【專利說明】一種對碳纖維進行表面改性的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於表面改性【技術領域】，涉及一種對碳纖維進行表面改性的方法，其核心是使用含兒茶酚結構的物質作為表面改性劑，在一定條件下包覆於碳纖維表面，進而改變碳纖維表面特性的方法。使用含兒茶酚結構的物質進行表面改性後，還可根據需要進一步利用其它化學物質進一步對碳纖維進行表面改性。該改性方法的特點操作簡便、效果顯著，且通過簡單的操作便能針對特定基體進行有效改性，在碳纖維複合材料等領域具有廣闊的應用前景。
【背景技術】
[0002]碳纖維作為一種高性能的纖維，其優異性能主要表現為:比強度、比模量高的力學性能；抗疲勞、蠕變；耐高溫；熱膨脹係數小的熱力學性能；耐腐蝕的化學性能；良好導電性的電性能等；這些優越性能是其它材料不能比擬的。碳纖維既作為結構材料承載負荷，又可作為功能材料發揮作用，因此，在很多領域得到廣泛應用。
[0003]碳纖維既可以單獨使用，也可以作為增強體，以複合材料作為主要應用形式，是先進複合材料理想的增強體之一。在複合材料中加入碳纖維，可以大大提高產品強度、減輕結構質量、延長使用壽命和增加安全可靠性。碳纖維複合材料被廣泛應用於航空航天飛行器、風力發電設備、汽車結構件及文體器材如滑雪板、球拍等。
[0004]眾所周知，複合材料是一種多相材料，一般有兩種或兩種以上的組分，且其不同組元之間有著明顯界面的材料。在纖維增強基體複合材料中，影響材料力學性能的主要有三種因素:纖維、基體、纖維和基體之間的界面。其中，界面指跟基體有著明顯區別，具有一定的厚度，增強體與基體相接觸的一個新相。界面是連接基體與增強體之間的紐帶，也是傳遞外加載荷及其他信息的橋梁，其結構直接影響材料鬆弛應力的能力及損傷破壞的方式，對複合材料的強度、剛性、韌性等力學性能有舉足輕重的影響。
[0005]然而，碳纖維表面是無極性、高惰性、高結晶的石墨片層結構，導致其與絕大部分聚合物基體的潤溼性和相容性較差，不能形成有效的界面粘結，直接對複合材料的各項性能造成影響。為了提高碳纖維與基體的界面粘結性，往往需要對碳纖維進行表面處理。
[0006]目前，碳纖維的表面處理方法主要有:氧化處理、等離子體處理、化學接枝處理、上漿處理等。但這些傳統的表面處理方法具有明顯的優缺點。比如化學處理方法，能增加碳纖維表面的活性基團，從而增強與基體的相互作用；但卻往往會對碳纖維造成損傷，降低其強度。物理上漿方法，能防止碳纖維在運輸、加工過程發生起毛開叉，對其力學性能無影響，甚至會有所提高；但是，上漿法往往無法使碳纖維形成與基體強的化學相互作用。因此，通過一種高效簡單的碳纖維表面改性方法，既能保留其本身強度，又能增加其表面活性，對製備碳纖維複合材料和碳纖維功能材料都具有重要的意義。

【發明內容】

[0007]本發明涉及一種高效的碳纖維改性方法，其核心是使用含兒茶酚結構的物質作為表面改性劑，在一定條件下包覆於碳纖維表面，進而改變碳纖維表面特性的方法。使用含兒茶酚結構的物質進行表面改性後，還可根據需要進一步利用其它化學物質進一步對碳纖維進行表面改性。
[0008]本發明中的含兒茶酚結構的改性劑，可以是多巴胺的鹽酸鹽，也可以是其他具有鄰二酚結構的兒茶酚小分子衍生物，如腎上腺素、綠原酸等。兒茶酚結構在鹼性條件下(或者加熱條件)被空氣中的氧氣氧化成醌式結構，同時，苯環結構形成自由基，並發生自聚，包覆在碳纖維表面。一般是將碳纖維置於含兒茶酚類物質(可以是單獨一種，也可以是多種含兒茶酚類物質的混合物)的溶液中，在任何能使含兒茶酚類物質發生聚合的條件下，使之發生聚合反應包覆在碳纖維表面，從而改變碳纖維的表面性能。由於含兒茶酚類物質聚合後通常為親水性，因此，通過含兒茶酚類物質改性可使碳纖維表面親水性提高。
[0009]兒茶酚結構在鹼性條件下被氧化成醌式結構，容易同氨基或巰基發生麥可加成或席夫鹼反應，因此，沉積包覆地碳纖維表面的兒茶酚類聚合物可以與十八胺、聚乙烯亞胺等帶有氨基的化合物以及十二烷基硫醇等帶有巰基的化合物反應，進一步改變碳纖維的表面性能。即可以在利用含兒茶酚類物質改性的基礎上，以上述包覆在碳纖維表面聚含兒茶酚類物質為平臺，利用其它化學物質進一步進行改性。如碳纖維用含兒茶酚類物質改性後，進一步與含長脂肪鏈的有機胺、有機硫醇等反應，可以使碳纖維表面呈現親油性，也可以通過引入特定功能的基團或物質，賦予碳纖維各種特殊功能，抗菌、發光等。
[0010]製備方法上，(I)將碳纖維(CF)置於pH8.5的緩衝溶液中，加入含兒茶酚結構處理劑，攪拌24h，抽濾，充分水洗，烘乾，(或者將CF與含兒茶酚結構處理劑充分混合，加熱)得到處理的碳纖維(PCF)。(2)將PCF置於三乙胺/乙醇溶液(pH8.5的緩衝溶液)中，力口入含氨基或巰基化合物，攪拌24h，抽濾，充分洗滌，烘乾，得到進一步功能化的碳纖維。
【具體實施方式】
[0011]以下通過具體實施例對本專利進行進一步說明。
[0012]實施例1
將碳纖維(CF)置於pH 8.5的三羥甲基氨基甲烷(Tris，10mM)緩衝溶液中，加入鹽酸多巴胺(CF與鹽酸多巴胺質量比為50/1)，磁力攪拌24h，抽濾，充分水洗，置於25 ° C真空烘箱乾燥，得到多巴胺處理碳纖維(PCF)。對CF和PCF進行接觸角測試表徵，CF的接觸角為110°，PCF接觸角為45°，經過多巴胺處理後親水性顯著提高。
[0013]實施例2
將CF置於pH 8.5的Tris (IOmM)緩衝溶液中，加入腎上腺素(norepinephrine) (CF與腎上腺素質量比為50/1)，磁力攪拌24h，抽濾，充分水洗，置於25 ° C真空烘箱乾燥，得到腎上腺素處理碳纖維(PNCF)。對PNCF進行接觸角測試表徵，其接觸角為60°，親水性顯
著提高。
[0014]實施例3
將CF置於pH 8.5的Tris (IOmM)緩衝溶液中，加入綠原酸(chlorogenic acid) (CF與綠原酸質量比為50/1)，磁力攪拌24h，抽濾，充分水洗，置於25 ° C真空烘箱乾燥，得到綠原酸處理碳纖維(PCCF)。對PCCF進行接觸角測試表徵，其接觸角為55°，親水性顯著提聞。[0015]實施例4
將CF與鹽酸多巴胺(CF與鹽酸多巴胺質量比為50/1)—起置於研缽中充分研磨混合，在90 ° C烘箱放置24 h，得到多巴胺處理的碳纖維(PCF)，其接觸角為43°。
[0016]實施例5
其他同實施例4，表面處理劑使用腎上腺素，最終得到的腎上腺素處理的碳纖維(PNCF)接觸角為60°。
[0017]實施例6
其他同實施例4，表面處理劑使用綠原酸，最終得到的綠原酸處理的碳纖維(PCCF)接觸角為55°。
[0018]實施例7
其他同實施例1，將實施例2中得到的PCF加入三乙胺/乙醇溶液中，加入十八胺(PCF與十八胺的質量比為50/1)，攪拌24h，抽濾，充分洗滌，置於25 ° C真空烘箱乾燥，得到十八胺改性的碳纖維(C18-CF)，接觸角測試結果為C18-CF的接觸角為123°，呈現疏水性。
[0019]實施例8
其他同實施例2，將實施例2中腎上腺素處理的碳纖維加入三乙胺/乙醇溶液中，加入十八胺(腎上腺素處理的碳纖維與十八胺的質量比為50/1)，攪拌24h，抽濾，充分洗滌，置於25 ° C真空烘箱乾燥，得到十八胺處理的碳纖維(C18-CF)，接觸角測試結果為C18-CF的接觸角為125°。
[0020]實施例9
其他同實施例4，將實施例4中得到的PCF加入三乙胺/乙醇溶液中，加入十八胺(PCF與十八胺的質量比為50/1)，攪拌24h，抽濾，充分洗滌，置於25 ° C真空烘箱乾燥，得到十八胺處理的碳纖維(C18-CF)，接觸角測試結果為C18-CF的接觸角為128°。
[0021]實施例10
其他同實施例7，所用改性劑為十二烷基硫醇，得到十二烷基硫醇改性的碳纖維(C12-CF)的接觸角為119°。
[0022]實施例11
其他同實施例1，將實施例1中得到的PCF加入pH8.5的緩衝溶液中，加入聚乙烯亞胺(PEI) (PCF與PEI的質量比為50/1)，攪拌24h，抽濾，充分洗滌，置於25 ° C真空烘箱乾燥，得到PEI處理的碳纖維(PE1-CF)。將CF、PCF、PE1-CF製備成環氧複合材料(填充量為15wt%)，對EP複合材料進行拉伸測試，相對於CF/EP，PCF/EP和PE1-CF/EP的強度分別提高7 33% 和 48%ο
[0023]實施例12
其他同實施例7，將CF、C18-CF製備成POE複合材料(填充量為15 wt%)，對POE複合材料進行拉伸測試，相對於CF/POE，C18-CF/P0E的強度提高了 114%。
[0024]實施例13
其他同實施例10，將CF、C12-CF製備成POE複合材料(填充量為15 wt%)，對POE複合材料進行拉伸測試，相對於CF/POE，C12-CF/P0E的強度提高了 98%。
[0025]實施例14
其他同實施例11，所用改性劑為聚乙二醇胺。最終得到聚乙二醇胺改性的碳纖維 (PEG-CF)，對CF、PEG-CF進行了細菌生長實驗，PEG-CF的抗菌性能明顯提高。
【權利要求】
1.一種對碳纖維進行表面改性的方法，其特徵是使用含兒茶酚結構的物質作為表面改性劑，在聚合條件下進行聚合包覆於碳纖維表面，進而改變碳纖維表面特性。
2.根據權利要求1所述的對碳纖維進行表面改性的方法，其特徵是所述的具有兒茶酚結構的化合物包括鹽酸多巴胺、腎上腺素、綠原酸及其衍生物。
3.根據權利要求1所述的對碳纖維進行表面改性的方法，其特徵是表面改性劑發生聚合反應包覆在碳纖維表面，提高碳纖維表面親水性。
4.根據權利要求1所述的對碳纖維進行表面改性的方法，其特徵是在利用含兒茶酚類物質改性的基礎上，進一步與含長脂肪鏈的有機胺、有機硫醇反應，使碳纖維表面呈現親油性。
5.一種如權利要求1所述的方法所製得的改性碳纖維可用於生產碳纖維複合材料，也可在製備抗菌、發光等功能材料中應用。
【文檔編號】D06M15/53GK103572591SQ201310567775
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年11月15日 優先權日:2013年11月15日
【發明者】馮嘉春, 陳樹生 申請人:復旦大學