一种碳纤维表面接枝聚合物的方法

摘要

一种碳纤维表面接枝聚合物的方法，它涉及一种碳纤维表面接枝聚合物的方法。本发明的目的是为了解决现有“grafting from”方法的体系温度高，条件不易控制，溶剂不环保以及单体选择受限制的缺点，本发明的方法为：一、去除环氧涂层；二、氧化碳纤维；三、碳纤维的酰氯化，得到酰氯化后的碳纤维；四、碳纤维的醇解；五、碳纤维的Ce4+引发体系下接枝聚合物，即完成。本发明方法的Ce4+的氧化还原引发体系反应条件温和，操作简单，且可选择不同特性的单体，提供不同性能，而聚合物可带有大量的极性基团，提高碳纤维表面的活性，尽而提高碳纤维与树脂的界面结合质量。本发明涉及碳纤维改性领域。

权利要求

1.一种碳纤维表面接枝聚合物的方法，其特征在于碳纤维表面接枝聚合物的方法是通过以下步骤进行：一、去除环氧涂层：所述的去除环氧涂层的方法为：将碳纤维束放入索氏提取器中，加热索氏提取器内丙酮至75～85℃，维持2～8h，然后放入超临界装置中，在温度为350～

370℃，压强为8～14MPa的超临界丙酮～水体系中浸泡20～30min，然后再次放入索氏提取器中，在75～85℃的丙酮中清洗碳纤维2～4h，再将碳纤维取出，置于70～80℃烘箱中干燥2～4h，即完成；

二、氧化碳纤维：在常温下，配制高锰酸钾和硫酸的混合溶液35～50mL，其中，高锰酸钾的用量为0.35～0.60g，硫酸的浓度为1～2mol/L，然后将质量为0.35～0.70g的碳纤维放入高锰酸钾和硫酸的混合溶液内，倒入玻璃试管后，放入超临界装置内，在温度为

320～340℃，压强为2～5MPa的体系内反应15～25min，然后将碳纤维取出后，放入装有质量浓度为37.5％盐酸的烧杯中，密封好后，放入55～65℃的水浴内，浸泡2～4h，然后放入索氏提取器中，在80℃下，用乙醇清洗碳纤维2～3h，然后将碳纤维取出，置于70～80℃烘箱中干燥2～4h，得到氧化后的碳纤维；

三、碳纤维的酰氯化：将步骤二氧化后的碳纤维进行酰氯化，得到酰氯化后的碳纤维；

四、碳纤维的醇解：将干燥的反应瓶中加入30～50mL的二醇和2～7mL三乙胺，混合均匀后，再加入步骤三酰氯化后的碳纤维，密封，将反应瓶放入水浴锅内，在60～80℃下恒温24～72h；然后放入索氏提取器中，用无水乙醇抽提清洗1～4h，再放入鼓风干燥箱内，

70～90℃下干燥2～5h；得到醇解后的碳纤维；其中二醇为乙二醇、聚乙二醇200、聚乙二醇400或聚乙二醇600；

4+

五、碳纤维的Ce 引发接枝聚合物：

a、称取0.7108～4.9756g的丙烯酰胺，溶于50～80mL的水，配制成丙烯酰胺的水溶液；

b、量取1～2mL的浓硝酸溶液，溶于20～50mL的水，配制成稀硝酸溶液；

c、称取0.05～1.10g的硝酸铈铵，溶于步骤b配制的稀硝酸溶液内，配制硝酸铈铵的酸性水溶液；

d、将缠有醇解后碳纤维的玻璃框架和磁性转子置于三口瓶内，向三口瓶内加步骤a中配制的丙烯酰胺的水溶液，然后充入氮气，同时滴加步骤c的硝酸铈铵的酸性水溶液，15～

30min后停止充入氮气，密封；

e、将步骤d密封后的三口瓶放入到恒温磁力加热搅拌器内，在25～65℃下反应2.5～

10h，然后取出放入索氏提取器内，用100℃的水清洗3～4h，再放入鼓风干燥箱内，在80℃下干燥，至恒重，即完成碳纤维表面接枝聚合物的方法。

2.根据权利要求1所述的一种碳纤维表面接枝聚合物的方法，其特征在于所述的超临界丙酮～水体系是由25mL丙酮和5mL水组成。

3.根据权利要求1所述的一种碳纤维表面接枝聚合物的方法，其特征在于步骤三中所述的碳纤维酰氯化的方法为：在干燥的反应瓶中装入80mL的二氯亚砜和5mL的N,N～二甲基甲酰胺，混合然后放入经过氧化处理后的碳纤维，在75℃下加热回流48h再取出碳纤维，并在鼓风干燥箱内80℃下烘干2h，即完成。

说明书

一种碳纤维表面接枝聚合物的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种碳纤维表面接枝聚合物的方法。

背景技术

[0002] 碳纤维是目前高性能树脂基复合材料中经常使用的增强体材料，具有高的比强度和比模量，热膨胀率低，尺寸稳定性好，导热性好，耐候性佳及热稳定性好等特点，广泛应用于航空、航天、国防军工、建筑、机械、电子、医疗、生物工程等众多领域。碳纤维由于其表面光滑，活性官能团的含量少，表面呈惰性等特点影响到了碳纤维与树脂基体之间的界面结合性能，从而影响了碳纤维复合材料整体优异性能的发挥。

[0003] 常用的碳纤维表面改性方法有氧化法、涂覆法和辐射法等。氧化法分为气相氧化、液相氧化、电化学氧化处理，在增加碳纤维表面活性基团数目的同时，存在氧化极限的问题。涂覆法分为电化学沉积与化学镀、气相沉积、表面电聚合、溶胶-凝胶法、粒子束喷涂等方法，可避免氧化极限，小分子涂覆物能更好的提高表面活性点利用率，同时可对碳纤维起到保护作用，但界面结合力不高。辐射法是指采用γ射线、激光、离子束喷射、紫外辐射、等离子体等方法对碳纤维进行处理，实现对碳纤维表面的刻蚀和清洗，增大比表面积，引入活性基团，但易导致纤维的损伤。

[0004] 化学接枝中的“grafting from”方法是实现高接枝率的最有效的一种方法。该方法是在碳纤维表面上引入活性点，并在一定的引发条件下，在活性点上产生初始自由基，引发单体在碳纤维表面上进行链增长反应，最终实现碳纤维表面接枝聚合物，提高碳纤维表面的活性，增加碳纤维与树脂界面的结合性能。但现有采用“grafting from”方法实现碳纤维表面接枝聚合，存在反应体系温度较高，条件不易控制，体系溶剂不环保，单体选择受限制等缺点。

发明内容

[0005] 本发明的目的是为了解决现有“grafting from”方法的体系温度高，条件不易控制，溶剂不环保以及单体选择受限制的缺点，提供了一种碳纤维表面接枝聚合物的方法。

[0006] 本发明一种碳纤维表面接枝聚合物的方法，是通过以下步骤进行：

[0007] 一、去除环氧涂层；

[0008] 二、氧化碳纤维：在常温下，配制高锰酸钾和硫酸的混合溶液35～50ml，其中，高锰酸钾的用量为0.35～0.60g，硫酸的浓度为1～2mol/L，然后将质量为0.35～0.70g的碳纤维放入高锰酸钾和硫酸的混合溶液内，倒入玻璃试管后，放入超临界装置内，在温度为320～340℃,压强为2～5MPa的体系内反应15～25min，然后将碳纤维取出后，放入装有质量浓度为37.5%盐酸的烧杯中，密封好后，放入55～65℃的水浴内，浸泡2～4h，再次放入索氏提取器中，在80℃下，用乙醇清洗碳纤维2～3h，然后将碳纤维取出，置于70～80℃烘箱中干燥2～4h，得到氧化后的碳纤维；

[0009] 三、碳纤维的酰氯化：将步骤二氧化后的碳纤维进行酰氯化，得到酰氯化后的碳纤维；

[0010] 四、碳纤维的醇解：将干燥的反应瓶中加入30-50ml的二醇和2-7ml三乙胺，混合均匀后，再加入步骤三酰氯化后的碳纤维，密封，将反应瓶放入水浴锅内，在60-80℃下恒温24-72h；然后放入索氏提取器中，用无水乙醇抽提清洗1-4h，再放入鼓风干燥箱内，70-90℃下干燥2-5h；得到醇解后的碳纤维；其中二醇为乙二醇、聚乙二醇200、聚乙二醇
400或聚乙二醇600；

[0011] 五、碳纤维的Ce4+引发接枝聚合物：

[0012] a、称取0.7108-4.9756g的丙烯酰胺，溶于50-80ml的水，配制成丙烯酰胺的水溶液；

[0013] b、量取1～2ml的浓硝酸溶液，溶于20-50ml的水，配制成稀硝酸溶液；

[0014] c、称取0.05～1.10g的硝酸铈铵，溶于步骤b配制的稀硝酸溶液内，配制硝酸铈铵的酸性水溶液；

[0015] d、将缠有醇解后碳纤维的玻璃框架和磁性转子置于三口瓶内,向三口瓶内加步骤a中配制的丙烯酰胺单体水溶液，然后充入氮气，同时滴加步骤c的硝酸铈铵的酸性水溶液，15-30min后停止充入氮气，密封；

[0016] e、将步骤d密封后的三口瓶入到恒温磁力加热搅拌器内，在25～65℃下反应2.5～10h，然后取出放入索氏提取器内，用100℃的水清洗3～4h，再放入鼓风干燥箱内，在80℃下干燥，至恒重，即完成碳纤维表面接枝聚合物的方法。

[0017] 本发明方法除具有“grafting from”方法高接枝率的优点外，体系Ce4+的氧化还原引发反应条件温和，操作简单，且可选择不同特性的单体，提供不同性能，而聚合物可带有大量的极性基团，提高碳纤维表面的活性，尽而提高碳纤维与树脂的界面结合质量。

附图说明

[0018] 图1为试验1的流程图；

[0019] 图2为试验1步骤一制备的脱浆后（Cleaned CF）碳纤维的XPS全谱图；

[0020] 图3为试验1步骤二氧化后(Oxidized CF)碳纤维的XPS全谱图；

[0021] 图4为试验1步骤四制备的接枝乙二醇后(CF-EG)的碳纤维的XPS全谱图；

[0022] 图5为试验1步骤五制备的接枝聚丙烯酰胺均聚物后的（CF-EG-PAM）碳纤维XPS全谱图；

[0023] 图6为试验2步骤四制备的接枝聚乙二醇400后(CF-PEG400-PAM)碳纤维的XPS全谱图；

[0024] 图7为试验2步骤五制备的接枝聚乙二醇400与聚丙烯酰胺嵌段共聚物后（CF-PEG400-PAM）碳纤维全谱图；

[0025] 图8为试验1步骤一制备的脱浆后(Cleaned CF)碳纤维N1s峰拟合曲线图；

[0026] 图9为试验1制备的接枝聚丙烯酰胺均聚物后的（CF-EG-PAM）碳纤维N1s峰拟合曲线图；

[0027] 图10为试验2制备的接枝聚乙二醇400与聚丙烯酰胺嵌段共聚物后（CF-PEG400-PAM）碳纤维N1s峰拟合曲线图；

[0028] 图11为试验1步骤一制备的脱浆后(Cleaned CF)碳纤维的表面形貌图；

[0029] 图12为试验1步骤二氧化后Oxidized CF)碳纤维的表面形貌图；

[0030] 图13为试验1步骤四制备的接枝乙二醇后(CF-EG)碳纤维表面形貌图；

[0031] 图14为试验1制备的接枝聚丙烯酰胺均聚物后（CF-EG-PAM）的碳纤维表面形貌图；

[0032] 图15为试验2步骤四制备的接枝聚乙二醇400后(CF-PEG400)碳纤维表面形貌图；

[0033] 图16为试验2步骤五制备的接枝聚乙二醇400与聚丙烯酰胺嵌段共聚物后（CF-PEG400-PAM）碳纤维表面形貌图；

[0034] 图17为试验1制备的碳纤维与环氧树脂的界面剪切强度图。

具体实施方式

[0035] 具体实施方式一：本实施方式一种碳纤维表面接枝聚合物的方法，是通过以下步骤进行：

[0036] 一、去除环氧涂层；

[0037] 二、氧化碳纤维：在常温下，配制高锰酸钾和硫酸的混合溶液35～50ml，其中，高锰酸钾的用量为0.35～0.60g，硫酸的浓度为1～2mol/L，然后将质量为0.35～0.70g的碳纤维放入高锰酸钾和硫酸的混合溶液内，倒入玻璃试管后，放入超临界装置内，在温度为320～340℃,压强为2～5MPa的体系内反应15～25min，然后将碳纤维取出后，放入装有质量浓度为37.5%盐酸的烧杯中，密封好后，放入55～65℃的水浴内，浸泡2～4h，再次放入索氏提取器中，在80℃下，用乙醇清洗碳纤维2～3h，然后将碳纤维取出，置于70～80℃烘箱中干燥2～4h，得到氧化后的碳纤维；

[0038] 三、碳纤维的酰氯化：将步骤二氧化后的碳纤维进行酰氯化，得到酰氯化后的碳纤维：

[0039] 四、碳纤维的醇解：将干燥的反应瓶中加入30-50ml的二醇和2-7ml三乙胺，混合均匀后，再加入步骤三酰氯化后的碳纤维，密封，将反应瓶放入水浴锅内，在60-80℃下恒温24-72h；然后放入索氏提取器中，用无水乙醇抽提清洗1-4h，再放入鼓风干燥箱内，70-90℃下干燥2-5h；得到醇解后的碳纤维；其中二醇为乙二醇、聚乙二醇200、聚乙二醇
400或聚乙二醇600；

[0040] 五、碳纤维的Ce4+引发接枝聚合物：

[0041] a、称取0.7108-4.9756g的丙烯酰胺，溶于50-80ml的水，配制成丙烯酰胺的水溶液；

[0042] b、量取1～2ml的浓硝酸溶液，溶于20-50ml的水，配制成稀硝酸溶液；

[0043] c、称取0.05～1.10g的硝酸铈铵，溶于步骤b配制的稀硝酸溶液内，配制硝酸铈铵的酸性水溶液；

[0044] d、将缠有步骤四醇解后碳纤维的玻璃框架和磁性转子置于三口瓶内,向三口瓶内加步骤a中配制的丙烯酰胺单体水溶液，然后充入氮气，同时滴加步骤c的硝酸铈铵的酸性水溶液，15-30min后停止充入氮气，密封；

[0045] e、将步骤d密封后的三口瓶入到恒温磁力加热搅拌器内，在25～65℃下反应2.5～10h，然后取出放入索氏提取器内，用100℃的水清洗3～4h，再放入鼓风干燥箱内，在80℃下干燥，至恒重，即完成碳纤维表面接枝聚合物的方法。

[0046] 本实施方式的方法除具有“grafting from”方法高接枝率的优点外，体系Ce4+的氧化还原引发反应条件温和，操作简单，且可选择不同特性的单体，提供不同性能，而聚合物可带有大量的极性基团，提高碳纤维表面的活性，尽而提高碳纤维与树脂的界面结合质量。

[0047] 具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的去除环氧涂层的方法为：将碳纤维束放入索氏提取器中，加热索氏提取器内丙酮至75～85℃，维持2～8h，然后放入超临界装置中，在温度为350～370℃，压强为8～14MPa的超临界丙酮～水体系中浸泡20～30min，然后再次放入索氏提取器中，在75～85℃的丙酮中清洗碳纤维2～4h，再将碳纤维取出，置于70～80℃烘箱中干燥2～4h，即完成。其他与具体实施方式一相同。

[0048] 具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述的超临界丙酮～水体系是由25mL丙酮和5mL水组成。其他与具体实施方式一或二相同。

[0049] 具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二中所述的氧化碳纤维的方法为：在常温下，配制高锰酸钾和硫酸的混合溶液50ml，其中，高锰酸钾的用量为0.5g，硫酸的浓度为1mol/L，然后将质量为0.5g的碳纤维放入高锰酸钾和硫酸的混合溶液内，倒入玻璃试管后，放入超临界装置内，在温度为320℃,压强为2MPa的体系内反应20min，然后将碳纤维取出后，放入装有质量浓度为37.5%盐酸的烧杯中，密封好后，放入65℃的水浴内，浸泡6h，再次放入索氏提取器中，在80℃下，用乙醇清洗碳纤维2h，然后将碳纤维取出，置于80℃烘箱中干燥4h即完成。其他与具体实施方式一至三之一相同。

[0050] 具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤三中所述的碳纤维酰氯化的方法为：在干燥的反应瓶中装入80mL的二氯亚砜和5mL的N,N～二甲基甲酰胺，混合然后放入经过氧化处理后的碳纤维，在75℃下加热回流48h再取出碳纤维，并在鼓风干燥箱内80℃下烘干2h，即完成。其他与具体实施方式一至四之一相同。

[0051] 通过以下试验验证本发明的有益效果：

[0052] 试验1、本试验一种碳纤维表面接枝聚合物的方法，是通过以下步骤进行：

[0053] 一、去除环氧涂层；

[0054] 二、氧化碳纤维：在常温下，配制高锰酸钾和硫酸的混合溶液50ml，其中，高锰酸钾的用量为0.5g，硫酸的浓度为1mol/L，然后将质量为0.5g的碳纤维放入高锰酸钾和硫酸的混合溶液内，倒入玻璃试管后，放入超临界装置内，在温度为320℃,压强为2MPa的体系内反应20min，然后将碳纤维取出后，放入装有质量浓度为37.5%盐酸的烧杯中，密封好后，放入65℃的水浴内，浸泡6h，再次放入索氏提取器中，在80℃下，用乙醇清洗碳纤维2h，然后将碳纤维取出，置于80℃烘箱中干燥4h，得到氧化后的碳纤维；

[0055] 三、碳纤维的酰氯化：将步骤二氧化后的碳纤维进行酰氯化，得到酰氯化后的碳纤维；

[0056] 四、碳纤维的醇解：将干燥的反应瓶中加入40ml的二醇和5ml三乙胺，混合均匀后，再加入步骤三酰氯化后的碳纤维，密封，将反应瓶放入水浴锅内，在75℃下恒温48h；然后放入索氏提取器中，在80℃下用乙醇清洗2h，再放入鼓风干燥箱内，80℃下干燥3h；得到醇解后的碳纤维；其中二醇为乙二醇；

[0057] 五、碳纤维的Ce4+引发接枝聚合物：

[0058] a、称取3.554g的丙烯酰胺，溶于75ml的水，配制成丙烯酰胺的水溶液；

[0059] b、量取1～2ml的浓硝酸溶液，溶于25ml的水，配制成稀硝酸溶液；

[0060] c、称取1.0964g的硝酸铈铵，溶于步骤b配制的稀硝酸溶液内，配制硝酸铈铵的酸性水溶液；

[0061] d、将缠有步骤四醇解后碳纤维的玻璃框架和磁性转子置于三口瓶内,向三口瓶内加步骤a中配制的丙烯酰胺水溶液，然后充入氮气，同时滴加步骤c的硝酸铈铵的酸性水溶液，20min后停止充入氮气，密封；

[0062] e、将步骤d密封后的三口瓶入到恒温磁力加热搅拌器内，在45℃下反应5h，然后取出放入索氏提取器内，用100℃的水清洗3～4h，再放入鼓风干燥箱内，在80℃下干燥，至恒重，即完成一种碳纤维表面接枝聚合物的方法。

[0063] 本试验的流程图如图1所示。

[0064] 试验2、本试验一种碳纤维表面接枝聚合物的方法，是通过以下步骤进行：

[0065] 一、去除环氧涂层；

[0066] 二、氧化碳纤维：在常温下，配制高锰酸钾和硫酸的混合溶液50ml，其中，高锰酸钾的用量为0.5g，硫酸的浓度为1mol/L，然后将质量为0.5g的碳纤维放入高锰酸钾和硫酸的混合溶液内，倒入玻璃试管后，放入超临界装置内，在温度为320℃,压强为2MPa的体系内反应20min，然后将碳纤维取出后，放入装有质量浓度为37.5%盐酸的烧杯中，密封好后，放入65℃的水浴内，浸泡6h，再次放入索氏提取器中，在80℃下，用乙醇清洗碳纤维2h，然后将碳纤维取出，置于80℃烘箱中干燥4h，得到氧化后的碳纤维；

[0067] 三、碳纤维的酰氯化：将步骤二氧化后的碳纤维进行酰氯化，得到酰氯化后的碳纤维；

[0068] 四、碳纤维的醇解：将干燥的反应瓶中加入40ml的二醇和5ml三乙胺，混合均匀后，再加入步骤三酰氯化后的碳纤维，密封，将反应瓶放入水浴锅内，在75℃下恒温48h；然后放入索氏提取器中，在80℃下用乙醇清洗2h，再放入鼓风干燥箱内，80℃下干燥3h，得到醇解后的碳纤维；其中二醇为聚乙二醇400；

[0069] 五、碳纤维的Ce4+引发接枝聚合物：

[0070] a、称取3.554g的丙烯酰胺，溶于75ml的水，配制成丙烯酰胺的水溶液；

[0071] b、量取1～2ml的浓硝酸溶液，溶于25ml的水，配制成稀硝酸溶液；

[0072] c、称取1.0964g的硝酸铈铵，溶于步骤b配制的稀硝酸溶液内，配制硝酸铈铵的酸性水溶液；

[0073] d、将缠有步骤四醇解后碳纤维的玻璃框架和磁性转子置于三口瓶内,向三口瓶内加步骤a中配制的丙烯酰胺水溶液，然后充入氮气，同时滴加步骤c的硝酸铈铵的酸性水溶液，20min后停止充入氮气，密封；

[0074] e、将步骤d密封后的三口瓶入到恒温磁力加热搅拌器内，在45℃下反应5h，然后取出放入索氏提取器内，用100℃的水清洗3～4h，再放入鼓风干燥箱内，在80℃下干燥，至恒重，即完成一种碳纤维表面接枝聚合物的方法。

[0075] 试验1和试验2步骤一中所述的去除环氧涂层的方法为：将碳纤维束放入索氏提取器中，加热索氏提取器内丙酮至75～85℃，维持2～8h，然后放入超临界装置中，在温度为350～370℃，压强为8～14MPa的超临界丙酮-水体系中浸泡20～30min，然后再次放入索氏提取器中，在75～85℃的丙酮中清洗碳纤维2～4h，再将碳纤维取出，置于70～80℃烘箱中干燥2～4h，即完成；其中超临界丙酮-水体系是由25mL丙酮和5mL水组成。

[0076] 试验1和试验2步骤二中所述的氧化碳纤维的方法为：步骤二中所述的氧化碳纤维的方法为：在常温下，配制高锰酸钾和硫酸的混合溶液50ml，其中，高锰酸钾的用量为0.5g，硫酸的浓度为1mol/L，然后将质量为0.5g的碳纤维放入高锰酸钾和硫酸的混合溶液内，倒入玻璃试管后，放入超临界装置内，在温度为320℃,压强为2MPa的体系内反应20min，然后将碳纤维取出后，放入装有质量浓度为37.5%盐酸的烧杯中，密封好后，放入65℃的水浴内，浸泡6h，再次放入索氏提取器中，在80℃下，用乙醇清洗碳纤维2h，然后将碳纤维取出，置于80℃烘箱中干燥4h即完成。

[0077] 试验1和试验2步骤三中所述的碳纤维酰氯化的方法为：在干燥的反应瓶中装入80mL的二氯亚砜和5mL的N,N～二甲基甲酰胺，混合然后放入经过氧化处理后的碳纤维，在
75℃下加热回流48h再取出碳纤维，并在鼓风干燥箱内80℃下烘干2h，即完成。

[0078] 通过XPS对经过试验1、试验2处理后的碳纤维，包括脱浆、氧化、接枝乙二醇、接枝聚丙烯酰胺均聚物、接枝聚乙二醇400和聚丙烯酰胺共聚物的碳纤维，进行表面元素及元素含量分析，具体见图2～图7和表1。从图2～7可知，脱浆、氧化和接枝乙二醇的碳纤维表面主要含有C和O两种元素，N元素含量较小，在XPS全谱图中无明显特征峰，而接枝聚丙烯酰胺后，CF-EG-PAM和CF-PEG400-PAM的XPS图谱中出现了明显的N元素的特征峰。由表1可知，CF-EG-PAM的N元素含量从3.81%增加到10.69%，CF-PEG400-PAM的N元素含量从3.81%增加到9.05%。

[0079] 表1试验1和试验2各步骤处理后碳纤维的表面元素含量

[0080]样品 C(%) O(%) N(%) Ce(%) N/C O/C
CleanedCF 93.24 3.95 3.81 - 0.041 0.042
OxidizedCF 78.96 15.98 4.47 - 0.057 0.202
CF-EG 78.08 20.64 1.08 - 0.014 0.264
CF-PEG-PAM 78.13 21.25 0.62 0.008 0.272
CF-EG-PAM 64.31 24.70 10.69 0.30 0.166 0.384
CF-PEG400-PAM 64.67 25.48 9.05 0.80 0.140 0.394

[0081] 图8～图10分别为脱浆后碳纤维，接枝聚丙烯酰胺均聚物碳纤维和接枝聚乙二醇400与聚丙烯酰胺共聚物的碳纤维表面N1s峰拟合曲线。表2为与之相对应的不同碳纤维N1s拟合后各官能团的相对含量。从图8中可以看出，脱浆后的碳纤维N1s拟合曲线中只有一条曲线，结合能为400.5eV，对应碳纤维表面的-CN键中的氮元素，说明此时碳纤维表面无其他结合形式的氮元素。从图9和图10中可以看出，接枝聚丙烯酰胺后的碳纤维N1s拟合曲线中有两条曲线，结合能分别为400.5eV和399.5eV,对应-CN键和O=C-NH2中的氮元素。从表2中可以看出，脱浆后的碳纤维表面O=C-NH2中的氮元素相对含量为0%，而接枝聚丙烯酰胺后的碳纤维表O=C-NH2中的氮元素相对含量大大增加，其中接枝聚丙烯酰胺均聚物（CF-EG-PAM）的碳纤维表面O=C-NH2中的氮元素相对含量增加到87.80%，接枝聚乙醇400与聚丙烯酰胺共聚物（CF-PEG400-PAM）的碳纤维表面O=C-NH2中的氮元素相对含量增加到
82.50%。碳纤维表面O=C-NH2中的氮元素相对含量的明显增加，-CN中氮元素相对含量的显著降低，说明聚丙烯酰胺已经接枝到碳纤维表面。

[0082] 表2试验1和试验2制备的碳纤维N1s曲线拟合数据

[0083]

[0084] 表3为脱浆、接枝聚丙烯酰胺均聚物（CF-EG-PAM）和接枝聚乙二醇与聚丙烯酰胺嵌段共聚物(CF-PEG400-PAM)的碳纤维动态接触角与表面能数据。与脱浆后的碳纤维相比，接枝聚丙烯酰胺后的碳纤维表面能才大幅度提高，其中极性分量提高显著。CF-EG-PAM的极性分量从29.84mNm-1增加到94.13mNm-1，表面能从37.45mNm-1增加到100.65mNm-1，提高幅度为168.75%。CF-PEG400-PAM的极性分量从29.84mNm-1增加到101.55mNm-1，表面能从37.45mNm-1增加到110.16mNm-1，提高幅度为190.15%。接枝聚丙烯酰胺后的碳纤维表面能的大幅度提高，证明接枝后理后增加了碳纤维表面的活性官能团含量，制备增强体与树脂基体有很好的浸润性，这一结果与前面的XPS分析相一致。

[0085] 图11～图16为经过处理后碳纤维的微观表面形貌图。从图11中可以看出，脱将后的碳纤维表面光滑，延纵向方向有清晰的沟槽。从图12可以看出，氧化后的碳纤维表面较粗糙，沟槽明显度降低，说明氧化体系提高碳纤维表面极性基团时，同时对碳纤维表面进行了刻蚀作用，提高了碳纤维表面的粗糙度。从图13和图15中可以看出，接枝乙二醇和聚乙二醇400后的碳纤维表面沟槽变为不明显，乙二醇和聚乙二醇较均匀接枝在碳纤维表面。从图14中可以看出，接枝聚丙烯酰胺均聚物合的碳纤维表面有明显的物质存在，沟槽处存在的物质较多，有卷曲状，同时，碳纤维表面粗糙度增加，呈现凸凹不平的表面。这些说明，聚丙烯酰胺接枝到了碳纤维表面上，提高了碳纤维表面极性，同时增加了碳纤维的表面粗糙度。从图16中可以看出，接枝聚乙二醇400与聚丙烯酰胺嵌段共聚物后的碳纤维表面有明显的颗粒状物质，有些颗粒呈现团聚态，颗粒的分布较均匀，不存在沟槽与非沟槽处分布差异。

[0086] 表3试验1和试验2各阶段处理后碳纤维表面能数据

[0087]

[0088] 图17为经过上述处理后碳纤维与环氧树脂的界面剪切强度图。从图17可知，未脱浆的碳纤维与环氧树脂的界面剪切强度从56.35MPa增加到62.31MPa，提高幅度为10.57%；CF-EG-PAM的剪切强度从56.35MPa增加到70.52MPa，提高幅度为24.37%；CF-PEG400-PAM的剪切强度从56.35MPa增加到95.54MPa，提高幅度为69.50%。CF-EG-PAM与CF-PEG-PAM的碳纤维与环氧树脂的界面剪切强度均高于未脱浆的碳纤维与环氧树脂的界面剪切强度，证明接枝聚合物后提高了碳纤维的极性观能团，增加了碳纤维的表面能，提高了碳纤维与树脂的浸润性，与上述XPS和DAA分析相一致。