一种笼形聚倍半硅氧烷接枝碳纤维增强体的制备方法

摘要

本发明涉及一种笼形聚倍半硅氧烷接枝碳纤维增强体的制备方法。首先，利用水解法在酸化处理的碳纤维表面接枝上乙烯基硅烷偶联剂。然后，通过碳纤维表面引入的乙烯基与巯基笼形聚倍半硅氧烷上的巯基之间点击反应，得到笼形聚倍半硅氧烷接枝碳纤维增强体。碳纤维表面在引入笼形聚倍半硅氧烷后，一方面可改善碳纤维与树脂之间的浸润性，另一方面可提高碳纤维与树脂的界面结合强度。此外，该制备方法过程简单，反应时间短，副产物无毒，便于实现规模化生产。

说明书

技术领域

本发明涉及一种笼形聚倍半硅氧烷接枝碳纤维增强体的制备方法。

背景技术

碳纤维是一种新型无机纤维材料，与传统的纤维材料相比，碳纤维不仅比强度和比模量高，耐高温性好，耐疲劳性强，而且热膨胀系数低，耐腐蚀性好，X射线透射性好，因此广泛应用于航空航天等领域。但由于碳纤维表面惰性，与树脂的浸润性差，复合时碳纤维与树脂基体间的界面结合强度不高，这些缺点影响了碳纤维性能的发挥，因此需要对其表面进行改性。

笼形聚倍半硅氧烷是一种新型的有机-无机杂化材料，其内部是由硅氧构成无机骨架，在骨架上覆盖了多种反应性或非反应性有机基团，这种特殊的结构使得笼形聚倍半硅氧烷与聚合物有很好的相容性。通过巯基-烯点击反应将笼形聚倍半硅氧烷接枝到碳纤维表面，可以增加碳纤维表面粗糙度，提高表面活性，改善纤维与树脂的浸润性，进而提高界面结合强度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单、快速的制备笼形聚倍半硅氧烷接枝碳纤维增强体的方法，该方法的原理主要是基于巯基-烯点击反应，该方法反应时间较短，产率较高，且副产物无毒，所制备的笼形聚倍半硅氧烷接枝碳纤维增强体具有表面粗糙度大、表面活性高、界面粘结性能好等优点。

本发明是这样来实现的，纳米二氧化硅接枝碳纤维增强体的制备方法，其特征是方法步骤为：

第一步：将10g碳纤维加入到150~200mL质量分数为65%的浓硝酸中，超声波处理30~60分钟，然后在油浴锅中逐步升温至80~100℃，反应2~4小时，将所得到的产物用去离子水洗至中性，置于100℃真空干燥箱中干燥24小时，即得到酸处理碳纤维；

第二步：将5g酸处理碳纤维和5~10g乙烯基硅烷偶联剂混合，加入到100~160mL的乙醇溶剂中，用乙酸调节pH值至3~5，超声波处理30~60分钟，然后在40~75℃反应4~6小时，反应结束后用乙醇清洗4遍除去未接枝上的乙烯基硅烷偶联剂，置于100℃真空干燥箱中干燥24小时，即可得到乙烯基硅烷偶联剂接枝碳纤维；

第三步：将10g的巯基硅烷偶联剂加入到150~200mL的甲醇中，搅拌均匀后加入10~20g催化剂，然后在油浴锅中逐步升温至40~60℃，回流反应24~48小时，反应结束后产物用甲醇、二氯甲烷和去离子水洗涤并烘干，即得巯基笼形聚倍半硅氧烷；

第四步：将5g乙烯基硅烷偶联剂接枝碳纤维和5~10g巯基笼形聚倍半硅氧烷混合，加入到100~150mL有机溶剂中，超声波处理30~60分钟后，加入0.5~1g的光引发剂，采用波长为365nm的紫外光照射1~2小时，用乙醇清洗4遍，真空干燥后即可得到笼形聚倍半硅氧烷接枝碳纤维增强体。

所述的乙烯基硅烷偶联剂为乙烯基三乙氧基硅烷、甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷或乙烯基三甲氧基硅烷中的一种。

所述的巯基硅烷偶联剂为γ-巯丙基三甲氧基硅烷或γ-巯丙基三乙氧基硅烷中的一种。

所述的催化剂为质量百分比浓度为37%的盐酸。

所述的有机溶剂为二甲基甲酰胺或四氢呋喃中的一种。

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。

本发明的技术效果是：本发明提供的笼形聚倍半硅氧烷接枝碳纤维增强体具有表面粗糙度大，笼形聚倍半硅氧烷接枝率高，与树脂基体粘结性好，界面粘结强度高等优点。

具体实施方式

实施例1：

本实施例说明本发明提供的一种笼形聚倍半硅氧烷接枝碳纤维增强体的制备方法。

第一步：将10g碳纤维加入到150mL质量分数为65%的浓硝酸中，超声波处理60分钟，然后在油浴锅中逐步升温至100℃，反应2小时，将所得到的产物用去离子水洗至中性，置于100℃真空干燥箱中干燥24小时，即得到酸处理碳纤维；

第二步：将5g酸处理碳纤维和10g乙烯基硅烷偶联剂（乙烯基三乙氧基硅烷）混合，加入到100mL的乙醇溶剂中，用乙酸调节pH值至4，超声波处理45分钟，然后在60℃反应4小时，反应结束后用乙醇清洗4遍除去未接枝上的乙烯基硅烷偶联剂，置于100℃真空干燥箱中干燥24小时，即可得到乙烯基硅烷偶联剂接枝碳纤维；

第三步：将10g的巯基硅烷偶联剂（γ-巯丙基三甲氧基硅烷）加入到180mL的甲醇中，搅拌均匀后加入16g催化剂，然后在油浴锅中逐步升温至60℃，回流反应24小时，反应结束后产物用甲醇、二氯甲烷和去离子水洗涤并烘干，即得巯基笼形聚倍半硅氧烷；

第四步：将5g乙烯基硅烷偶联剂接枝碳纤维和10g巯基笼形聚倍半硅氧烷混合，加入到120mL二甲基甲酰胺中，超声波处理45分钟后，加入1g的安息香双甲醚，采用波长为365nm的紫外光照射2小时，用乙醇清洗4遍，真空干燥后即可得到笼形聚倍半硅氧烷接枝碳纤维增强体。

实施例2：

本实施例说明本发明提供的一种笼形聚倍半硅氧烷接枝碳纤维增强体的制备方法。

第一步：将10g碳纤维加入到180mL质量分数为65%的浓硝酸中，超声波处理30分钟，然后在油浴锅中逐步升温至90℃，反应3小时，将所得到的产物用去离子水洗至中性，置于100℃真空干燥箱中干燥24小时，即得到酸处理碳纤维；

第二步：将5g酸处理碳纤维和5g乙烯基硅烷偶联剂（乙烯基三甲氧基硅烷）混合，加入到120mL的乙醇溶剂中，用乙酸调节pH值至3，超声波处理30分钟，然后在75℃反应5小时，反应结束后用乙醇清洗4遍除去未接枝上的乙烯基硅烷偶联剂，置于100℃真空干燥箱中干燥24小时，即可得到乙烯基硅烷偶联剂接枝碳纤维；

第三步：将10g的巯基硅烷偶联剂（γ-巯丙基三乙氧基硅烷）加入到150mL的甲醇中，搅拌均匀后加入10g催化剂，然后在油浴锅中逐步升温至50℃，回流反应36小时，反应结束后产物用甲醇、二氯甲烷和去离子水洗涤并烘干，即得巯基笼形聚倍半硅氧烷；

第四步：将5g乙烯基硅烷偶联剂接枝碳纤维和8g巯基笼形聚倍半硅氧烷混合，加入到150mL四氢呋喃中，超声波处理60分钟后，加入0.8g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1小时，用乙醇清洗4遍，真空干燥后即可得到笼形聚倍半硅氧烷接枝碳纤维增强体。

实施例3：

本实施例说明本发明提供的一种笼形聚倍半硅氧烷接枝碳纤维增强体的制备方法。

第一步：将10g碳纤维加入到200mL质量分数为65%的浓硝酸中，超声波处理45分钟，然后在油浴锅中逐步升温至80℃，反应4小时，将所得到的产物用去离子水洗至中性，置于100℃真空干燥箱中干燥24小时，即得到酸处理碳纤维；

第二步：将5g酸处理碳纤维和8g乙烯基硅烷偶联剂（甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷）混合，加入到160mL的乙醇溶剂中，用乙酸调节pH值至5，超声波处理60分钟，然后在40℃反应6小时，反应结束后用乙醇清洗4遍除去未接枝上的乙烯基硅烷偶联剂，置于100℃真空干燥箱中干燥24小时，即可得到乙烯基硅烷偶联剂接枝碳纤维；

第三步：将10g的巯基硅烷偶联剂（γ-巯丙基三甲氧基硅烷）加入到200mL的甲醇中，搅拌均匀后加入20g催化剂，然后在油浴锅中逐步升温至40℃，回流反应48小时，反应结束后产物用甲醇、二氯甲烷和去离子水洗涤并烘干，即得巯基笼形聚倍半硅氧烷；

第四步：将5g乙烯基硅烷偶联剂接枝碳纤维和5g巯基笼形聚倍半硅氧烷混合，加入到100mL二甲基甲酰胺中，超声波处理30分钟后，加入0.5g的安息香双甲醚，采用波长为365nm的紫外光照射1小时，用乙醇清洗4遍，真空干燥后即可得到笼形聚倍半硅氧烷接枝碳纤维增强体。