高比表面积改性碳纤维的制备工艺和应用的制作

本发明属于碳纤维复合材料，尤其涉及高比表面积改性碳纤维的制备工艺和应用。背景技术：1、尼龙6的加工温度范围宽、抗冲击性好、耐磨性能优良，应用十分广泛。向尼龙6中加入碳纤维、高分子聚合物等改性剂，是提高其力学、耐热等性能的有效方法。碳纤维作为一种耐高温、力学强度高、模量大的纤维材料，广泛应用在尼龙、聚碳酸酯等高分子材料中，可以提高材料的耐热性、力学强度和导电等性能。2、增大碳纤维的比表面积，可以提高碳纤维与树脂基体之间的接触面积和界面结合性能。对碳纤维表面进行接枝改性，可以引入功能性基团、聚合物分子链，提高碳纤维与高分子材料之间的相容性，使碳纤维具有更好的增强作用。授权公告号为cn109468843b的专利，公开了一种在碳纤维表面接枝羟基封端超支化聚合物的方法，将羟基封端超支化聚合物对碳纤维接枝改性，提高了碳纤维与树脂之间的浸润性和粘结性，可以改善复合材料的界面性能、力学性能和热稳定性。但是该专利没有提高碳纤维的比表面积，与超支化聚合物的接枝位点较少，不利于接枝反应。技术实现思路1、本发明解决了碳纤维与尼龙6之间的相容性较差，以及尼龙6力学性能和耐高温性能不佳等问题。2、为了解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是：高比表面积改性碳纤维的制备工艺：3、步骤（1）、将碳纤维与氢氧化钾共混，置于电阻炉中，氮气氛围中煅烧，冷却后水洗，在烘箱中100℃烘干6h，得到高比表面积碳纤维；4、步骤（2）、向装有冷凝回流管的烧瓶中加入浓硝酸、高比表面积碳纤维，加热进行酸化，冷却后加入水进行稀释，过滤后水洗，烘箱中100℃烘干6h，得到高比表面积酸化碳纤维；5、步骤（3）、向烧瓶中加入n-甲基吡咯烷酮、4,4'-磺酰基二（苯甲酸酯-5-氨基苯甲酸）、吡啶、亚磷酸三苯酯，在氮气氛围下进行反应，冷却，将溶液倒入甲醇中析出沉淀物，抽滤，依次用水、乙醇洗涤，烘箱中80℃烘干6h，得到超支化聚芳砜酰胺；6、步骤（4）、向烧瓶中加入n,n-二甲基甲酰胺、高比表面积酸化碳纤维、2-(7-氮杂苯并三氮唑)-n,n,n',n'-四甲基脲六氟磷酸酯、n,n-二异丙基乙胺，进行活化，然后加入超支化聚芳砜酰胺，进行反应，抽滤，依次用n,n-二甲基甲酰胺、乙醇洗涤，烘箱中80℃烘干6h，得到高比表面积改性碳纤维。7、进一步的，所述步骤（1）中，碳纤维、氢氧化钾的比例为1g：（3-4）g，煅烧温度为800-900℃，时间为2-3h。8、进一步的，所述步骤（2）中，酸化时的温度为60-80℃，时间为2-4h。9、进一步的，所述步骤（3）中，4,4'-磺酰基二（苯甲酸酯-5-氨基苯甲酸）、吡啶、亚磷酸三苯酯的比例为1mol：（2-2.3）mol：（2-2.3）mol。10、进一步的，所述步骤（3）中，反应的温度为90-110℃，反应时间为4-6h。11、进一步的，所述步骤（4）中，高比表面积酸化碳纤维、2-(7-氮杂苯并三氮唑)-n,n,n',n'-四甲基脲六氟磷酸酯、n,n-二异丙基乙胺、超支化聚芳砜酰胺的比例1g：（0.8-2）g：（1.5-4）g：（1.2-3.5）g。12、进一步的，所述步骤（4）中，活化时的温度为20-30℃，时间为30-60min；反应的温度30-45℃，时间为1-2h。13、进一步的，所述4,4'-磺酰基二（苯甲酸酯-5-氨基苯甲酸）的制备工艺为：14、在冰水浴下，向烧瓶中加入二氯甲烷、1mol：（2-2.2）mol：（2-2.2）mol的4,4'-磺酰基二苯甲酰氯、3-羟基-5-硝基苯甲酸、三乙胺，室温下反应10-15h，旋转蒸发，水洗后产物在乙醇中重结晶，然后将产物加入到反应釜中，并加入甲醇溶剂、四氢呋喃溶剂、pd/c催化剂，通入氢气，反应8-12h，过滤后将滤液旋转蒸发，水洗后产物在乙醇中重结晶，得到4,4'-磺酰基二（苯甲酸酯-5-氨基苯甲酸）。结构式为：。15、进一步的，以上制备工艺得到的高比表面积改性碳纤维在尼龙6中的应用：将100重量份尼龙6、3-20重量份高比表面积改性碳纤维、0.2-0.5重量份抗氧剂在密炼机进行熔融共混，出料，然后在平板硫化机中模压成型，得到碳纤维尼龙复合材料。16、反应机理：本发明的4,4'-磺酰基二（苯甲酸酯-5-氨基苯甲酸）含有两个羧基和两个氨基，在吡啶、亚磷酸三苯酯的催化体系中，发生自缩聚反应，得到含有砜基结构的超支化聚芳砜酰胺。17、本发明利用氢氧化钾对碳纤维进行刻蚀，提高了碳纤维的比表面积，经过硝酸酸化后，有利于提高表面羧基的含量，提供更多的接枝位点，进一步在2-(7-氮杂苯并三氮唑)-n,n,n',n'-四甲基脲六氟磷酸酯，n,n-二异丙基乙胺的催化体系中，碳纤维表面大量的羧基与超支化聚芳砜酰胺的氨基发生酰胺化反应，提高与超支化聚芳砜酰胺的接枝率，从而在表面接枝了大量的超支化聚芳砜酰胺，得到高比表面积改性碳纤维碳。18、有益效果：本发明利用高比表面积改性碳纤维对尼龙6进行共混改性，碳纤维表面接枝的超支化聚芳砜酰胺含有聚酰胺结构单元，与尼龙6的聚酰胺结构有很好的相容性，从而提高了碳纤维与尼龙6之间的相容性，改善了碳纤维在材料中的分散性，使碳纤维具有更好的增强作用，有利于提高尼龙6材料的拉伸强度、弯曲强度和冲击韧性。19、本发明在碳纤维表面接枝的超支化聚芳砜酰胺具有支化网络分子链，其含有的酰胺键可以与尼龙6发生氢键等相互作用，在尼龙6基体中形成氢键交联网络，对尼龙6有很好的增韧效果，明显提高了材料的冲击韧性。同时超支化聚芳砜酰胺含有耐高温的砜基结构，可以提高尼龙6的热分解温度，表现出更好的耐热性能。技术特征：1.高比表面积改性碳纤维的制备工艺，其特征在于，所述制备工艺为：2.根据权利要求1所述的高比表面积改性碳纤维的制备工艺，其特征在于，所述步骤（1）中，碳纤维、氢氧化钾的比例为1g：（3-4）g，煅烧温度为800-900℃，时间为2-3h。3.根据权利要求1所述的高比表面积改性碳纤维的制备工艺，其特征在于，所述步骤（2）中，酸化时的温度为60-80℃，时间为2-4h。4.根据权利要求1所述的高比表面积改性碳纤维的制备工艺，其特征在于，所述步骤（3）中，4,4'-磺酰基二（苯甲酸酯-5-氨基苯甲酸）、吡啶、亚磷酸三苯酯的比例为1mol：（2-2.3）mol：（2-2.3）mol。5.根据权利要求1所述的高比表面积改性碳纤维的制备工艺，其特征在于，所述步骤（3）中，反应的温度为90-110℃，反应时间为4-6h。6.根据权利要求1所述的高比表面积改性碳纤维的制备工艺，其特征在于，所述步骤（4）中，高比表面积酸化碳纤维、2-(7-氮杂苯并三氮唑)-n,n,n',n'-四甲基脲六氟磷酸酯、n,n-二异丙基乙胺、超支化聚芳砜酰胺的比例1g：（0.8-2）g：（1.5-4）g：（1.2-3.5）g。7.根据权利要求1所述的高比表面积改性碳纤维的制备工艺，其特征在于，所述步骤（4）中，活化时的温度为20-30℃，时间为30-60min；反应的温度30-45℃，时间为1-2h。8.根据权利要求4所述的高比表面积改性碳纤维的制备工艺，其特征在于，所述4,4'-磺酰基二（苯甲酸酯-5-氨基苯甲酸）的制备工艺为：9.根据权利要求8所述的高比表面积改性碳纤维的制备工艺，其特征在于，所述4,4'-磺酰基二苯甲酰氯、3-羟基-5-硝基苯甲酸、三乙胺的比例为1mol：（2-2.2）mol：（2-2.2）mol。10.如权利要求1-9任一项所述的制备工艺得到的高比表面积改性碳纤维在尼龙6中的应用，其特征在于，将100重量份尼龙6、3-20重量份高比表面积改性碳纤维、0.2-0.5重量份抗氧剂在密炼机进行熔融共混，出料，然后在平板硫化机中模压成型，得到碳纤维尼龙复合材料。技术总结本发明属于碳纤维复合材料技术领域，尤其涉及高比表面积改性碳纤维的制备工艺和应用，本发明将碳纤维经过氢氧化钾刻蚀、浓硝酸酸化，再与超支化聚芳砜酰胺进行接枝反应，得到高比表面积改性碳纤维。对尼龙6进行共混改性，碳纤维表面接枝的超支化聚芳砜酰胺含有聚酰胺结构单元，与尼龙6的聚酰胺结构有很好的相容性，提高了碳纤维与尼龙6之间的相容性，改善了碳纤维在材料中的分散性，使碳纤维具有更好的增强作用，有利于提高尼龙6材料的拉伸强度、弯曲强度和冲击韧性。超支化聚芳砜酰胺具有支化网络分子链，并且含有耐高温的砜基结构，可以提高尼龙6的力学性能和热分解温度。技术研发人员：张洪军,毕伟受保护的技术使用者：烟台奥森制动材料有限公司技术研发日：技术公布日：2024/8/13