本發明屬于短切碳纖維的改性領域，具體涉及一種聚苯胺包覆改性短切碳纖維的方法。
背景技術：
短切纖維及其增強復合材料具有耐高溫、耐腐蝕、質量輕和機械強度高等優點而得到越來越廣泛的應用。雖然其具有優良的綜合性能，但由于其表面光滑無活性官能團、表面能低、與非極性物質難以浸潤等缺點，限制了短切纖維高性能的充分發揮，特別是在增強復合材料方面，其與聚合物基體粘結性能差，導致短切纖維增強的復合材料在使用過程中易發生脫膠和樹脂基體開裂等問題。因此，探索尋找一種短切纖維的改性方法，增強其反應活性，是目前急需研究的方向之一，且改性的短切纖維對后期纖維增強復合材料的力學性能提升具有重大的意義。
目前纖維的改性主要指對纖維表面的處理，如清除表面雜質；增加纖維表面的溝槽或微孔結構，進而增加表面能；引進活性官能團，增加其反應活性。目前使用較多的纖維處理方法主要包括：氧化處理、涂覆處理、射線、激光、等離子體處理等方法。氧化處理主要包括采用氣相氧化（空氣、二氧化碳、臭氧、水蒸氣、氧氣）、液相氧化（硝酸、高錳酸鉀、次氯酸鈉、雙氧水、過硫酸銨）及電化學氧化改善纖維表面的狀態，增加含氧官能團的數量，提高親水性，有利于分散性能的提高及與樹脂基體的粘合。氣相氧化法的優點是氧化時所需設備簡單，反應時間短，但該方法的缺點是隨著氧化處理時間的延長和溫度的升高，纖維強度會有所損失，同時，由于氧化反應較激烈，反應條件難以控制，反應溫度得不到精確控制。相比氣相氧化，液相氧化法更溫和，不會使纖維表面形成過度的凹坑和裂解等現象，但是存在氧化性液體不易從纖維表面徹底清除等問題。電化學氧化反應條件緩和，處理時間短，而且可以通過控制電解溫度、電流密度、電解質質量分數等工藝條件實現對氧化程度的精確控制，使纖維氧化更均勻；經氧化后含氧官能團和含氮官能團數量明顯增加，提高了纖維與水的浸潤，可以認為是目前最具有價值的方法，但此過程并不經濟且很難適用于大規模的工業化生產，且氧化處理不僅會造成環境污染，還會損害纖維自身的力學性能。此外，表面處理也包括采用表面涂層的辦法，比如偶聯劑涂層和聚合物涂層，主要通過電化學沉積與化學鍍、氣相沉積、表面電聚合及溶膠－凝膠法等途徑來實現。但由于短切纖維表面的官能團數量及種類較少，只用偶聯劑處理的效果并不理想，不但要控制涂層的厚度，還需要借助氧化處理及后期分散劑的分散作用，過程相對復雜。
技術實現要素：
本發明的目的在于提供一種聚苯胺包覆改性短切碳纖維的方法，從而克服現有技術中短切碳纖維分散性差和反應活性低、粘結性低造成的與樹脂基體結合強度弱的缺陷。
為實現上述目的，本發明采取的技術方案如下：
聚苯胺包覆改性短切碳纖維的方法，包括以下步驟：
（1）、將短切碳纖維浸泡于濃度為30~50g/l的過硫酸銨水溶液中，超聲處理1~4h，得到預氧化的短切碳纖維懸浮液；該步驟中，每1l過硫酸銨水溶液中加入短切碳纖維8~15g；
（2）、攪拌情況下，向上述懸浮液中先加入鹽酸苯胺，再加入過硫酸銨和硫酸亞鐵，然后控溫在5~10℃反應10~16h；該步驟中，每1l懸浮液中分別加入鹽酸苯胺0.1~0.5mol、過硫酸銨0.1~0.5mol、硫酸亞鐵0.002~0.01mol；
（3）、用0.01~0.05mol/l的鹽酸和丙酮交替洗滌產物，用蒸餾水沖洗至ph為7，過濾烘干，得到聚苯胺包覆改性的短切碳纖維。
較好地，所述短切碳纖維的長度為2~25mm。
較好地，所述超聲的溫度為40~80℃，超聲功率為100~300w。
本發明提供一種高度分散性的短切碳纖維的改性方法，本發明利用過硫酸銨在超聲作用下先對碳纖維進行預氧化處理，之后將預氧化處理的碳纖維表面包覆聚苯胺，實現對纖維的改性以及分散性的提高。在過硫酸銨和超聲協同作用下，超聲能夠促進過硫酸銨的化學氧化作用，且超聲波的“空化效應”使得碳纖維和過硫酸銨溶液的界面處產生高速的微射流和沖擊波，使碳纖維表面被刻蝕和剝離，同時能使纖維表面的-oh、c-o和c-o-c等含氧官能團含量增加，表面極性增強，為下一步纖維表面包覆聚苯胺提供了有利條件，增大了包覆的接觸面積；而且利用過硫酸銨和硫酸亞鐵作為引發劑包覆聚苯胺，利用少量的鐵離子使過硫酸銨顯著活化，加速其分解產生很強的硫酸根自由基，從而加速氧化苯胺為陽離子自由基，隨著更多活性中心的生成，使苯胺的轉化率大大升高，大大縮短了包覆的周期。另外，過硫酸銨同時作為氧化劑和引發劑，氧化之后少了洗滌和干燥的步驟，簡化了改性工藝流程。碳纖維經過聚苯胺包覆改性處理，對后期的分散大有裨益，同時提高了改性碳纖維與基體樹脂間的潤濕性和反應性，使二者間結合更牢固，有利于碳纖維增強復合材料力學性能的提升。
具體實施方式
下面結合具體實施例對本發明的技術方案作進一步解釋說明，但本發明的保護范圍并不局限于此。
實施例1
聚苯胺包覆改性短切碳纖維的方法，包括以下步驟：
（1）、將10g長度為10mm的短切碳纖維浸泡于1l濃度為30g/l的過硫酸銨水溶液中，置于超聲波清洗裝置中超聲2h，超聲功率為300w，溫度為70℃，得到預氧化的短切碳纖維懸浮液；
（2）、攪拌情況下，每1l上述懸浮液中先加入0.2mol鹽酸苯胺，再加入0.2mol過硫酸銨和0.002mol硫酸亞鐵，然后控溫在5℃反應16h；
（3）、用0.01mol/l鹽酸和丙酮交替洗滌產物，用蒸餾水沖洗至ph為7，過濾烘干，得到聚苯胺包覆改性的短切碳纖維。
實施例2
聚苯胺包覆改性短切碳纖維的方法，包括以下步驟：
（1）、將8g長度為5mm的短切碳纖維浸泡于1l濃度為40g/l的過硫酸銨水溶液中，置于超聲波清洗裝置中超聲3h，超聲功率為200w，溫度為60℃，得到預氧化的短切碳纖維懸浮液；
（2）、在攪拌情況下，每1l上述懸浮液中先加入0.15mol鹽酸苯胺，再加入0.15mol過硫酸銨和0.005mol硫酸亞鐵，然后控溫在7℃反應12h；
（3）、用0.03mol/l鹽酸和丙酮交替洗滌產物，用蒸餾水沖洗至ph為7，過濾烘干，得到聚苯胺包覆改性的短切碳纖維。
實施例3
聚苯胺包覆改性短切碳纖維的方法，包括以下步驟：
（1）、將12g長度為15mm的短切碳纖維浸泡于1l濃度為50g/l的過硫酸銨水溶液中，置于超聲波清洗裝置中超聲4h，超聲功率為100w，溫度為40℃，得到預氧化的短切碳纖維懸浮液；
（2）、在攪拌情況下，每1l上述懸浮液中先加入0.3mol鹽酸苯胺，再加入0.3mol過硫酸銨和0.0075mol硫酸亞鐵，然后控溫在10℃反應10h；
（3）、用0.05mol/l鹽酸和丙酮交替洗滌產物，用蒸餾水沖洗至ph為7，過濾烘干，得到聚苯胺包覆改性的短切碳纖維。
對照例1
與實施例1的不同之處在于，步驟（1）只添加過硫酸銨，沒有超聲，即過程為：將10g長度為10mm的短切碳纖維浸泡于1l濃度為30g/l的過硫酸銨水溶液中2h，得到預氧化的短切碳纖維懸浮液。
對照例2
與實施例1的不同之處在于：步驟（1）中，超聲功率為50w。
對照例3
與實施例1的不同之處在于：步驟（1）中，超聲功率為500w。
分散性試驗
將經過上述實施例以及對照例改性的短切碳纖維分別取2g分散于40ml水中，室溫下超聲分散30min后靜止，觀察其分散狀態，觀察結果如下表。
由表中結果可知，超聲與否及超聲功率嚴重影響最終改性的短切碳纖維的分散性：超聲的分散效果明顯優于不超聲；另外，超聲功率過低或者過高時，也會降低改性后短切碳纖維在水中的分散效果。在過硫酸銨和超聲的協同作用下，且當超聲的功率在100~300w時，才能保證改性后短切碳纖維在水中具有優異的分散效果。