本發(fā)明屬于碳纖維表面改性技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種碳纖維等離子體接枝氧化石墨烯的表面改性的方法。
背景技術(shù)：
碳纖維是指經(jīng)高溫碳化，含碳量超過85％以上的纖維材料，包括碳素纖維和石墨纖維。碳素纖維是有機(jī)纖維經(jīng)1000～2300℃處理后，含碳量為85％～95％的纖維；石墨纖維是有機(jī)纖維經(jīng)2300℃以上處理，含碳量在98％以上的纖維，碳纖維作為一種高性能纖維,因具有比強(qiáng)度高、比模量高、熱膨脹系數(shù)小、摩擦系數(shù)低、耐低溫性能良好等特性而成為近年來樹脂基復(fù)合材料最重要的增強(qiáng)材料,被廣泛應(yīng)用在航空航天構(gòu)件和體育用品中。碳纖維表面呈惰性,比表面積小,邊緣活性碳原子少,表面能低和樹脂浸潤性及兩相界面粘結(jié)性差,復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度(Interlaminar Shearing Strength,ILSS)低。從而影響復(fù)合材料綜合性能的發(fā)揮，制約了碳纖維在先進(jìn)復(fù)合材料領(lǐng)域的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。為了改善碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的性能，須對碳纖維表面進(jìn)行改性，以提高碳纖維與其他材料的粘結(jié)能力。
為改善碳纖維與樹脂基體等的黏合性、提高復(fù)合材料的層間剪切力而須進(jìn)行的表面處理。目的是增加碳纖維的極性基團(tuán)如羧基、羰基和內(nèi)酯等官能團(tuán)，增加表面積，提高與樹脂母體的浸潤性和黏合力。前對碳纖維表面進(jìn)行改性的方法較多，主要包括(1)液相氧化法(2)等離子體處理法(3)陽極電解或電沉積處理法(4)臭氧處理法；(5)氣相氧化法(6)表面高能輻射法(7)共聚改性法以及偶聯(lián)劑處理法等。這些方法都能基本滿足碳纖維表面性能改性需要，但是工藝較為復(fù)雜，處理時(shí)間長，表面改性不均勻等問題。
碳纖維作為優(yōu)良的復(fù)合材料增強(qiáng)劑，在其實(shí)際應(yīng)用過程中，為了修補(bǔ)缺陷，進(jìn)一步提高性能，并滿足不同的使用需求，經(jīng)常會在碳纖維表面接枝新的材料。
氧化石墨烯這種材料具有已知材料最好的強(qiáng)度，優(yōu)異的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，目前現(xiàn)有的等離子體處理碳纖維表面改性技術(shù)專利沒有涉及等離子體接枝氧化石墨烯的表面改性的方法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
要解決的技術(shù)問題
為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種碳纖維等離子體接枝氧化石墨烯的表面改性的方法。
技術(shù)方案
一種碳纖維等離子體接枝氧化石墨烯的表面改性的方法，其特征在于步驟如下：
步驟1：將碳纖維置于等離子體裝置上，開放環(huán)境下，將等離子體噴射到碳纖維表面，使碳纖維在等離子體氛圍中運(yùn)動，處理功率為100W-1000W，時(shí)間為10s-900s，產(chǎn)生表面改性；將處理好的碳纖維在40～60℃下真空干燥至恒重，得到經(jīng)等離子體處理的碳纖維
步驟2：將經(jīng)等離子處理的碳纖維加入氧化石墨烯丙酮接枝液中，讓后將混合液升溫至50～100℃，在恒溫反應(yīng)9～12h，讓后將接枝好的碳纖維用去離子水反復(fù)洗滌4～6次，再將洗滌后的碳纖維在40～60℃下真空至干燥；所述氧化石墨烯丙酮接枝液是將氧化石墨烯加入丙酮溶液中，超聲處理10～50min，得氧化石墨烯濃度為0.02～1g/L的氧化石墨烯丙酮接枝液。
所述氧化石墨烯的制備步驟為：
1)在冰水浴中，將石墨粉和硝酸鈉與濃硫酸混合均勻，攪拌中緩慢加入高錳酸鉀，保持2℃以下持續(xù)反應(yīng)1h，得到混合物A；其中濃硫酸體積和硝酸鈉質(zhì)量的比例為40ml︰1g，石墨粉和硝酸鈉的質(zhì)量比為2︰1，高錳酸鉀和硝酸鈉的質(zhì)量比為6︰1；
2)將混合物A在轉(zhuǎn)移至35℃水浴反應(yīng)30min逐步加入去離子水至體積為混合物A的3倍，溫度升至98℃繼續(xù)反應(yīng)15min后得到混合物B；
3)將混合物B進(jìn)一步連續(xù)加水稀釋，并用質(zhì)量分?jǐn)?shù)30％的過氧化氫溶液處理，將所得溶液抽濾并用去離子水洗滌至濾液呈中性，將所得沉淀物在40～60℃真空條件下干燥6小時(shí)得到氧化石墨；
4)將所得氧化石墨和水配成懸浮液，在施以超聲處理60～100min，得到氧化石墨烯溶液，將氧化石墨烯溶液于40～60℃真空條件下干燥5h后，獲得氧化石墨烯。
所述等離子體裝置為等離子體發(fā)生器。
所述等離子體發(fā)生器中的等離子源包括選自以下至少一種源：介質(zhì)阻擋放電DBD等離子源、表面放電SD等離子源、體放電VD等離子源、等離子炬源、電弧等離子炬、滑動電弧等離子炬、冷等離子炬、直流等離子源、脈沖等離子源、磁控管等離子源、感應(yīng)耦合等離子源、螺旋管等離子源、螺旋共振器等離子源、微波等離子源、大氣壓等離子體噴射APPJ源、電暈放電等離子源、微等離子源、低壓等離子源或高壓等離子源。
等離子體氛圍由等離子體發(fā)生器產(chǎn)生，并經(jīng)由噴嘴機(jī)構(gòu)噴射到常溫、常壓、大氣環(huán)境中形成的等離子體氛圍。
所述等離子源中的等離子體選自He、Ar、Ne、Xe、空氣、N2、O2、H2O或CO2。
所述等離子源中的等離子體選自氟里昂Freon氣的鹵素化合物氣體CF4、CHF3、C3F6或C4F8。
所述等離子源中的等離子體選自halon哈龍氣體、NH3、NF3或SF6。
所述等離子源中的等離子體選自有機(jī)化合物氣體CH4、C2H6、C2H4、C2H2、C6H6或C2H5OH；NOx、SO2或硅烷以及選自它們的氣體混合物。
有益效果
本發(fā)明提出的一種碳纖維等離子體接枝氧化石墨烯的表面改性的方法，采用氧化石墨烯作為碳纖維的表面接枝材料，將碳纖維通過等離子體表面改性，在接枝氧化石墨烯，可以形成高性能的復(fù)合材料，本發(fā)明成本低，操作簡單，適用性強(qiáng)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，碳纖維表面改性所用設(shè)備投資費(fèi)用低，發(fā)明成本低、操作簡單、適用性強(qiáng)、處理效果好、纖維性能損失小，質(zhì)量可靠。大量縮短改性時(shí)間，降低化學(xué)品用量和產(chǎn)品成本，減少環(huán)境污染，適用于工業(yè)化生產(chǎn)。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述：
實(shí)例1：
(1)將碳纖維置于氧等離子體裝置上，開放環(huán)境下，將氧等離子體噴射到碳纖維表面，使碳纖維在氧等離子體氛圍中運(yùn)動，處理功率為100W，時(shí)間為60s，產(chǎn)生表面改性。將處理好的碳纖維在60℃下真空干燥至恒重，得到經(jīng)氧等離子體處理的碳纖維。
(2)將氧化石墨烯加入丙酮接枝液中，超聲處理20min，得氧化石墨烯濃度為0.2g/L的氧化石墨烯丙酮接枝夜。
(3)將經(jīng)等離子處理的碳纖維加入步驟2所得的氧化石墨烯丙酮接枝液中，讓后將混合液升溫至70℃，在恒溫反應(yīng)10h，讓后將接枝好的碳纖維用去離子水反復(fù)洗滌6次，再將洗滌后的碳纖維在60℃下真空至干燥。
實(shí)例2：
(1)將碳纖維置于氬等離子體裝置上，開放環(huán)境下，將氬等離子體噴射到碳纖維表面，使碳纖維在氬等離子體氛圍中運(yùn)動，處理功率為100W，時(shí)間為60s，產(chǎn)生表面改性。將處理好的碳纖維在60℃下真空干燥至恒重，得到經(jīng)氬等離子體處理的碳纖維。
(2)將氧化石墨烯加入丙酮接枝液中，超聲處理20min，得氧化石墨烯濃度為0.2g/L的氧化石墨烯丙酮接枝夜。
(3)將經(jīng)等離子處理的碳纖維加入步驟2所得的氧化石墨烯丙酮接枝液中，讓后將混合液升溫至70℃，在恒溫反應(yīng)10h，讓后將接枝好的碳纖維用去離子水反復(fù)洗滌6次，再將洗滌后的碳纖維在60℃下真空至干燥。
在實(shí)施例中的氧化石墨烯可以采用市場上購買的現(xiàn)有材料，也可以采用下述方法自行配制。
所述氧化石墨烯的制備步驟為：
1)在冰水浴中，將石墨粉和硝酸鈉與濃硫酸混合均勻，攪拌中緩慢加入高錳酸鉀，保持2℃以下持續(xù)反應(yīng)1h，得到混合物A；其中濃硫酸體積和硝酸鈉質(zhì)量的比例為40ml︰1g，石墨粉和硝酸鈉的質(zhì)量比為2︰1，高錳酸鉀和硝酸鈉的質(zhì)量比為6︰1；
2)將混合物A在轉(zhuǎn)移至35℃水浴反應(yīng)30min逐步加入去離子水至體積為混合物A的3倍，溫度升至98℃繼續(xù)反應(yīng)15min后得到混合物B；
3)將混合物B進(jìn)一步連續(xù)加水稀釋，并用質(zhì)量分?jǐn)?shù)30％的過氧化氫溶液處理，將所得溶液抽濾并用去離子水洗滌至濾液呈中性，將所得沉淀物在40～60℃真空條件下干燥6小時(shí)得到氧化石墨；
4)將所得氧化石墨和水配成懸浮液，在施以超聲處理60～100min，得到氧化石墨烯溶液，將氧化石墨烯溶液于40～60℃真空條件下干燥5h后，獲得氧化石墨烯。