碳纖維表面改性劑、改性碳纖維、復(fù)合材料以及它們的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種碳纖維表面改性劑、改性碳纖維、復(fù)合材料以及它們的制備方法，碳纖維表面改性劑結(jié)構(gòu)通式如式（I）所示：（I）式（I）中，R1、R2、R1'、R2'各自彼此獨(dú)立地代表氫、羥基、或C1-C3的烷基；R3、R4各自彼此獨(dú)立地代表C1-C18烷基、C1-C18烷氧基、羥基、氨基、鹵素、氫、酰胺基、酯基、或硅氧基，且R3、R4不同時(shí)為氫；R5代表氫、羥基、氨基、鹵素、或烷氧基。本發(fā)明的碳纖維表面改性劑拓展了碳纖維的應(yīng)用領(lǐng)域，經(jīng)改性過的碳纖維可廣泛用于PA、ABS、PEEK、聚烯烴等熱塑性樹脂，制備力學(xué)性能優(yōu)異的碳纖維樹脂復(fù)合材料。
【專利說明】碳纖維表面改性劑、改性碳纖維、復(fù)合材料以及它們的制備方法
[0001]
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及一種改性劑，尤其涉及碳纖維表面改性劑及其制備方法、碳纖維表面改性劑制得的改性碳纖維及改性碳纖維制備方法、改性碳纖維與樹脂制備的復(fù)合材料及復(fù)合材料的制備方法、以及復(fù)合材料的應(yīng)用。
[0003]【背景技術(shù)】
[0004]碳纖維具有突出的力學(xué)性能，在復(fù)合材料中廣泛使用碳纖維進(jìn)行增強(qiáng)，近年來改善碳纖維與基體樹脂間的界面性能成為研究的熱點(diǎn)。碳纖維表面活性官能團(tuán)少，與基體樹脂復(fù)合時(shí)形成的有效化學(xué)鍵少、相容性差，導(dǎo)致碳纖維復(fù)合材料中易形成脆性界面層結(jié)構(gòu)。為提高碳纖維與基體樹脂間的界面性能，工業(yè)上通常對(duì)碳纖維表面進(jìn)行氧化處理，賦予碳纖維表面羥基、羰基等活性含氧官能團(tuán)，常見的有陽極氧化法、硝酸氧化法、高錳酸鉀氧化法等，但這類方法容易損傷碳纖維表面，破壞其力學(xué)性能。為了不損傷纖維表面提高碳纖維與基體樹脂界面性能，中國專利申請(qǐng)CN1944783A使用聚合物接枝技術(shù)對(duì)碳納米纖維表面改性，使纖維表面富有多種活性官能團(tuán)，但是，這種方法工藝復(fù)雜，條件苛刻，生產(chǎn)運(yùn)行成本高，在一定程度上限制了工業(yè)化生產(chǎn)。
[0005]
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]鑒于以上所述，本發(fā)明有必要提供一種可改善碳纖維表面活性的碳纖維表面改性劑。
[0007]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種碳纖維表面改性劑，其結(jié)構(gòu)通式如式(I)所示:
【權(quán)利要求】
1.一種碳纖維表面改性劑，其結(jié)構(gòu)通式如式(工)所示:
2.一種碳纖維表面改性劑，其結(jié)構(gòu)式中包括一個(gè)腔體，腔體為碳、氮、氫、以及和/或氧共12個(gè)原子構(gòu)成，腔體內(nèi)有取代基團(tuán)R5與氨基官能團(tuán)，所述R5包括氫、羥基、氨基、鹵素或烷氧基，所述R5和氨基與碳纖維表面的含氧羧基、醛基、酮基、羥基官能團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或形成氫鍵，使得碳纖維表面改性劑通過化學(xué)鍵吸附在碳纖維表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的碳纖維表面改性劑，其特征在于:所述結(jié)構(gòu)式如式(I)所示:
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的碳纖維表面改性劑，其特征在于:所述RpRylV、R2’各自獨(dú)立地選擇甲基、乙基或氫。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的碳纖維表面改性劑，其特征在于:所述R5選自羥基。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的碳纖維表面改性劑，其特征在于:所述C1-C18烷基指具有1-18個(gè)碳原子的直鏈或支鏈的烷基。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的碳纖維表面改性劑，其特征在于:所述&-(:18烷基選則十四烷基或十八烷基。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的碳纖維表面改性劑，其特征在于:所述C1-C18烷氧基是指具有1-18個(gè)碳原子的直鏈或支鏈的烷氧基。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的碳纖維表面改性劑，其特征在于:所述C1-C18烷氧基選則丙氧基、2-乙基-己氧基、或癸氧基。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的碳纖維表面改性劑，其特征在于:所述鹵素包括氟、氯、溴或碘原子。
11.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的碳纖維表面改性劑，其特征在于:所述酰胺基分子式為-(CH2)nCONH-R, η取1_15的任意整數(shù)，R是C1-C18的直鏈或支鏈的烷基、或氫。
12.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的碳纖維表面改性劑，其特征在于:所述酯基的分子式為-(CH2)nCO2-R, η取1-15的整數(shù)，R是C1-C18的直鏈或支鏈的烷基。
13.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的碳纖維表面改性劑，其特征在于:所述氨基包括-NH2、-NHRp -NR1R2，其中R1、R2各自彼此獨(dú)立地代表C1-C18烷基及其衍生物。
14.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的碳纖維表面改性劑，其特征在于:所述R3、R4彼此獨(dú)立地選自十四烷基、十八烷基、乙酰胺基、丙酰胺基、乙酸基甲酯、乙醇基乙酯、丙氧基、(2-乙基)_己氧基、癸氧基、Ar, Ar- _.-2-甲氧基-乙基氣基、Ar, Ar- _二乙羥基氣基，-NH2、羥基、氧、三甲基硅氧基、叔丁基二甲基硅氧基、-(CH2)3Si (OCH3) 3、- (CH2)2OSi (CH3)2C(CH3) 3、或-(CH2)6Si (CH3) 20-CH3。
15.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的碳纖維表面改性劑，其特征在于:所述改性碳纖維改進(jìn)


16.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的碳纖維表面改性劑，其特征在于:所述改性碳纖維改進(jìn) 劑結(jié)構(gòu)式如式(Cl)所示:
17.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的碳纖維表面改性劑，其特征在于:所述改性碳纖維改進(jìn) 劑結(jié)構(gòu)式如式(C2)所示:
18.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的碳纖維表面改性劑，其特征在于:所述改性碳纖維改進(jìn)


劑結(jié)構(gòu)式如式(C3)所示:
19.一種權(quán)利要求1-14任意一項(xiàng)所述的碳纖維表面改性劑的制備方法，包括如下步驟: 提供組分A和組分B:



其中組分A為乙二胺衍生物，其結(jié)構(gòu)式為
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的碳纖維表面改性劑的制備方法，其特征在于:所述還原反應(yīng)后的產(chǎn)物再經(jīng)萃取，干燥，溶液旋蒸，得到碳纖維表面改性劑。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的碳纖維表面改性劑的制備方法，其特征在于:所述組分A為:1，1- 二甲基-1，2- 二胺，所述組分B為3，5- 二羥基水楊醛。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的碳纖維表面改性劑的制備方法，其特征在于:所述組分A為:1，1- 二甲基-1，2- 二胺，所述組分B為4，6- 二丙氧基水楊醛。
23.根據(jù)權(quán)利要求19所述的碳纖維表面改性劑的制備方法，其特征在于:所述組分A為:1，1，2，2-四甲基-1，2- 二胺，所述組分B為4- 二丁氨基水楊醛。
24.一種改性碳纖維，通過碳纖維表面改性劑與碳纖維制備，所述碳纖維表面改性劑的結(jié)構(gòu)通式如式(I)所示:
25.一種改性碳纖維的制備方法，由權(quán)利要求1-14任意一項(xiàng)所述的碳纖維表面改性劑與碳纖維制成，包括如下步驟: 碳纖維表面改性劑溶解至有機(jī)溶劑或水中形成改性劑溶液，濃度為1.2-2.4wt%, 將碳纖維置入改性劑溶液內(nèi)進(jìn)行浸潤，碳纖維與改性劑反應(yīng)； 取出、烘干后，得到改性碳纖維。
26.—種改性碳纖維,其特征在于:根據(jù)權(quán)利要求25所述的碳纖維表面改性劑的制備方法制得。
27.一種復(fù)合材料，通過碳纖維表面改性劑與碳纖維制得改性碳纖維，改性碳纖維與樹脂制得，所述碳纖維表面改性劑的 結(jié)構(gòu)通式如式(I )所示:
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的復(fù)合材料，其特征在于:所述復(fù)合材料通過結(jié)構(gòu)式如Cl所示的碳纖維改性劑與T700碳纖維、PA6、以及助劑制得，Cl結(jié)構(gòu)式如下:
29.根據(jù)權(quán)利要求27所述的復(fù)合材料，其特征在于:所述復(fù)合材料通過結(jié)構(gòu)式如C2所示的碳纖維改性劑、T700碳纖維、PEEK、以及助劑制得，C2結(jié)構(gòu)式如下:
30.根據(jù)權(quán)利要求27所述的復(fù)合材料，其特征在于:所述復(fù)合材料通過結(jié)構(gòu)式如C3所示的碳纖維改性劑、T700碳纖維，ABS、以及助劑制得，C3結(jié)構(gòu)式如下所示:
31.一種復(fù)合材料，包括以下重量百分比的組分， 改性碳纖維:l_40wt% ； 熱塑性樹脂基體:60-95wt% ； 助劑:0-15wt% ； 其中，改性碳纖維由碳纖維改性劑對(duì)碳纖維表面改性制得，所述碳纖維表面改性劑的結(jié)構(gòu)通式如下式(I)所示:
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的復(fù)合材料，其特征在于:所述的樹脂基體包括:PC、POM；PE、PP、ABS、SAN、PS、PA、PBT、PET、PPO、LCP、TPU ;PPSU、PPA、PEEK、PE1、PPS、PSU、或 PI。
33.根據(jù)權(quán)利要求31所述的復(fù)合材料，其特征在于:所述的助劑包含:阻燃劑、增韌劑、導(dǎo)電劑、抗氧化劑、光穩(wěn)定劑、潤滑劑、著色劑、成核劑、抗靜電劑，或填料。
34.一種權(quán)利要求31-33任意一項(xiàng)所述的復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟: 提供如下重量百分比的組分， 改性碳纖維:l_40wt% ； 熱塑性樹脂基體:60-95wt% ；以及 助劑:0-15wt% ； 將組分改性碳纖維、樹脂基體以及助劑通過擠出機(jī)混合并擠出成型。
35.一種根據(jù)權(quán)利要求1-14任意一項(xiàng)所述的復(fù)合材料應(yīng)用于制作航空航天器材、交通運(yùn)輸器材、運(yùn)動(dòng)器材、土木建筑材料、日常生活以及醫(yī)療器材的用途。
【文檔編號(hào)】C07C209/48GK103451931SQ201210180638
【公開日】2013年12月18日 申請(qǐng)日期:2012年6月4日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月4日
【發(fā)明者】謝懷玉, 宋威, 黃險(xiǎn)波, 蔡彤旻, 曾祥斌, 辛偉, 馬雷 申請(qǐng)人:金發(fā)科技股份有限公司, 上海金發(fā)科技發(fā)展有限公司