碳纤维改性方法、改性碳纤维、复合材料及其应用与流程

本发明涉及碳纤维，具体而言，涉及碳纤维改性方法、改性碳纤维、复合材料及其应用。

背景技术：

1、碳纤维增强复合材料的力学性能在很大程度上受限于纤维与树脂基体之间的界面。传统表面处理方法，如氧化刻蚀、等离子体处理以及常规上浆，旨在通过增加机械互锁和化学键合来提高界面强度。然而，这些方法形成的界面往往是刚性的，在冲击或循环载荷下易产生脆性破坏，且缺乏损伤修复能力，限制了复合材料在苛刻环境下的可靠性和使用寿命。

2、鉴于此，特提出本发明。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供碳纤维改性方法、改性碳纤维、复合材料及其应用，旨在改善背景技术提到的至少一种问题。

2、本发明是这样实现的：

3、第一方面，本发明实施例提供了一种碳纤维改性方法，包括：

4、活化：对碳纤维进行活化处理，在碳纤维表面引入含氧官能团；

5、引发剂接枝：通过酰胺化反应将含有溴代异丁酰基的atrp引发剂分子共价接枝到活化后的碳纤维表面，得到第一中间物；

6、原位共聚合：将第一中间物置于第一混合反应液中，第一混合反应液中含有离子液体单体和功能共聚单体，以atrp引发剂分子为起点，在碳纤维表面进行离子液体单体和功能共聚单体的原位共聚合，形成共价接枝的聚合物层，得到第二中间物；

7、溶剂交换：将第二中间物置于第二混合反应液中，第二混合反应液中含有外源性聚离子液体共聚物以及良溶剂，随后向第二混合反应液中逐渐加入不良溶剂进行溶剂交换，以诱导外源性聚离子液体共聚物在聚合物层上吸附、渗透并形成动态物理交联，构建梯度聚合物界面层，得到混合浆料；

8、从混合浆料中提取出固体产物得到改性碳纤维。

9、在可选的实施方式中，活化后的碳纤维表面的含氧官能团量为5~15at%；

10、可选地，对所述碳纤维进行活化处理的方法包括：

11、将所述碳纤维置于稀酸溶液中进行电化学氧化处理，在其表面引入含氧官能团；

12、可选地，所述稀酸溶液选自硝酸、硫酸和磷酸中至少一种；

13、可选地，所述稀酸溶液的浓度为0.5~1.5mol/l。

14、在可选的实施方式中，含有溴代异丁酰基的atrp引发剂分子选自2-溴异丁酰溴、2-溴异丁酸酐和n-羟乙基-2-溴异丁酰胺中至少一种；

15、可选地，通过酰胺化反应将含有溴代异丁酰基的atrp引发剂分子共价接枝到活化后的碳纤维表面的方式包括：

16、将活化后的碳纤维浸入至所述含有溴代异丁酰基的atrp引发剂分子的溶液中，冰浴反应2~6h；

17、可选地，所述含有溴代异丁酰基的atrp引发剂分子的溶液的浓度为0.05~0.5mol/l；

18、可选地，所述含有溴代异丁酰基的atrp引发剂分子的溶液中溶剂选自二氯甲烷、氯仿和四氢呋喃中至少一种。

19、在可选的实施方式中，离子液体单体与所述功能共聚单体的摩尔比为1:0.5~2.5；

20、可选地，所述离子液体单体选自1-乙烯基-3-乙基咪唑鎓溴化物和[2-(甲基丙烯酰氧)乙基]三甲基氯化铵中至少一种；

21、和/或，所述功能共聚单体包括摩尔比为0.5~4:1的柔性链单体和反应性单体；所述柔性链单体选自聚乙二醇甲基丙烯酸酯、聚乙二醇丙烯酸酯和聚丙二醇甲基丙烯酸酯中至少一种；所述反应性单体选自甲基丙烯酸缩水甘油酯、丙烯酸缩水甘油酯和甲基丙烯酸羟乙酯中至少一种；

22、可选地，所述第一混合反应液中单体的浓度为0.5~3.0mol/l；

23、可选地，所述第一混合反应液中的溶剂选自甲醇/水混合溶剂、n,n-二甲基甲酰胺和二甲基亚砜中至少一种。

24、在可选的实施方式中，原位共聚合反应的反应温度为60~90℃，反应时间为6~18h。

25、在可选的实施方式中，良溶剂和加入的所述不良溶剂体积比为1:0.1~10，反应2~24h；

26、可选地，所述不良溶剂的加入方式为滴加；

27、可选地，所述良溶剂选自n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺和乙腈中至少一种；

28、可选地，所述不良溶剂选自正己烷、环己烷和乙醚中至少一种。

29、在可选的实施方式中，外源性聚离子液体共聚物的重均分子量为20,000~100,000g/mol；

30、可选地，所述第二混合反应液中的所述外源性聚离子液体共聚物的浓度为10~50mg/ml。

31、第二方面，本发明实施例提供一种改性碳纤维，采用本发明任意实施方式提供的改性方法制得；

32、可选地，其表面具有厚度为50~500nm的梯度聚合物界面层；

33、第三方面，本发明实施例提供一种复合材料，包括树脂基体和位于树脂基体内作为增强体的本发明实施例提供的改性碳纤维。

34、第四方面，本发明实施例提供上述复合材料在航空航天设备、汽车或运动器材中的应用。

35、本发明具有以下有益效果：

36、本发明提供的碳纤维改性方法，通过“表面引发接枝聚合”与“溶剂交换诱导自组装”相结合的策略，在碳纤维表面构建了具有化学成分与交联网络双重梯度的界面层。该界面层内层通过共价键牢固锚定于纤维表面，保证有效的载荷传递；外层则通过丰富的动态物理交联形成能量耗散网络（pil），实现了界面强度与韧性的协同提升，并赋予了含有该碳纤维的树脂复合材料界面微损伤的自修复潜能。

1.一种碳纤维改性方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的碳纤维改性方法，其特征在于，活化后的碳纤维表面的含氧官能团量为5~15at%；

3.根据权利要求1所述的碳纤维改性方法，其特征在于，所述含有溴代异丁酰基的atrp引发剂分子选自2-溴异丁酰溴、2-溴异丁酸酐和n-羟乙基-2-溴异丁酰胺中至少一种；

4.根据权利要求1所述的碳纤维改性方法，其特征在于，所述离子液体单体与所述功能共聚单体的摩尔比为1:0.5~2.5；

5.根据权利要求1所述的碳纤维改性方法，其特征在于，原位共聚合反应的反应温度为60~90℃，反应时间为6~18h。

6.根据权利要求1所述的碳纤维改性方法，其特征在于，所述良溶剂和加入的所述不良溶剂体积比为1:0.1~10，反应2~24h；

7.根据权利要求1所述的碳纤维改性方法，其特征在于，所述外源性聚离子液体共聚物的重均分子量为20,000~100,000 g/mol；

8.一种改性碳纤维，其特征在于，采用如权利要求1~7任一项所述的改性方法制得；

9.一种复合材料，其特征在于，包括树脂基体和位于所述树脂基体内作为增强体的如权利要求8所述的改性碳纤维。

10.如权利要求9所述的复合材料在航空航天设备、汽车或运动器材中的应用。