一种高强度碳纤维的表面处理方法与流程

文档序号:15627328发布日期:2018-10-09 23:21

本发明属于碳纤维的表面处理技术领域,更具体地说,尤其涉及一种高强度碳纤维的表面处理方法。



背景技术:

碳纤维具有优异的力学性能(尤其是拉伸性能),因此经常作为复合材料的增强相,特别是碳纤维增强树脂基复合材料得到了越来越广泛的重视和应用。复合材料的力学性能除了取决于增强相和基体的力学性能外,还取决于界面应力的传递情况。碳纤维的表面呈化学惰性,表面能低,为憎液性,致使其与基体的粘结不良,因此碳纤维在使用前都要经过表面处理。目前,碳纤维表面处理主要是希望增强碳纤维的表面化学活性,增强碳纤维与基体间的界面粘结强度,以增强复合材料的使用性能。

碳纤维是一种高性能特种纤维,其碳含量在90%以上,表面含氧含氮基团极少,必须对其进行表面处理,通过增强其与基体树脂的界面粘结性,碳纤维的优异性能才能在复合材料中得到充分发挥。



技术实现要素:

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点,而提出的一种高强度碳纤维的表面处理方法。

为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:

一种高强度碳纤维的表面处理方法,包括如下步骤:

S1、将碳纤维进行低温等离子体轰击处理;

S2、将步骤S1处理后的碳纤维用丙酮溶液进行浸泡处理30s~120s,然后用去离子水冲洗干净,去除纤维表面浆料;

S3、将步骤S2处理后的碳纤维采用液相氧化法进行表面改性,表面改性的氧化剂为高锰酸钾,高锰酸钾的添加量为6-15%owf,表面处理温度为60-100℃,表面处理时间为2-6小时;

S4、将步骤S3处理后的碳纤维用去离子水冲洗干净,在碳纤维表面形成液膜;

S5、将步骤S4处理后的碳纤维进入电解槽进行阳极氧化处理;

S6、将步骤S5处理后的碳纤维连续经过氨水溶液浸渍1-10秒,干燥、上浆、收卷制得碳纤维。

优选的,所述步骤S6中氨水的质量分数为15-30%。

优选的,所述步骤S4中对碳纤维进行去离子水冲洗方法采用喷淋、喷雾或浸渍。

优选的,所述步骤S5中处理温度为20~40℃,控制施加电流密度0.1~10mA/cm2,处理60~220s。

优选的,所述步骤S5中阳极氧化处理指以碳纤维为阳极,以石墨、不锈钢材料为阴极,以弱碱性电解液为电解液进行电化学阳极氧化,温度为20-60℃。

本发明的技术效果和优点:本发明提供的一种高强度碳纤维的表面处理方法,与传统技术相比,该方法表面处理速度快,效率高,碳纤维表面损伤小;装置简单易行,操作方便,适合工业上大规模生产。

本发明在表面处理前应去除碳纤维表面上浆剂(或采用无上浆碳纤维),通过在丙酮溶液中浸泡,溶解并去除碳纤维表面上浆剂。

经过表面处理后,增强了碳纤维与树脂基体的界面粘结,提高了碳纤维复合材料的层间剪切强度,同时对其本体抗张强度损伤很小。

通过高锰酸钾氧化作用,在碳纤维表面生成-COOH、-OH等极性基团从而提高碳纤维表面的化学活性,降低其与液体的接触角。

碳纤维在表面处理后需要经过清洗干燥等处理,以清洗除尽碳纤维表面的残留物,避免残留化学物质继续和碳纤维反应,造成碳纤维的损伤,降低其力学性能。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种高强度碳纤维的表面处理方法,包括如下步骤:

S1、将碳纤维进行低温等离子体轰击处理:低温等离子体轰击的过程为:将经历高温碳化后的碳纤维以150m/h速度连续通过低温等离子体发射装置,使碳纤维距离等离子体发射源50mm,等离子体发射功率为900W/束,处理温度为80℃。;

S2、量取质量分数为30%丙酮水溶液,将步骤S1处理后的碳纤维用丙酮水溶液进行浸泡处理60s,然后用去离子水冲洗干净,去除纤维表面浆料;

S3、将步骤S2处理后的碳纤维采用液相氧化法进行表面改性,表面改性的氧化剂为高锰酸钾,高锰酸钾的添加量为6%owf,表面处理温度为60℃,表面处理时间为2小时;

S4、将步骤S3处理后的碳纤维用去离子水冲洗干净,在碳纤维表面形成液膜;

S5、将步骤S4处理后的碳纤维进入电解槽进行阳极氧化处理;

S6、将步骤S5处理后的碳纤维连续经过氨水溶液浸渍5秒,干燥、上浆、收卷制得碳纤维。

具体的,所述步骤S6中氨水的质量分数为20%。

具体的,所述步骤S4中对碳纤维进行去离子水冲洗方法采用喷淋、喷雾或浸渍。

具体的,所述步骤S5中处理温度为20℃,控制施加电流密度5mA/cm2,处理60s。

具体的,所述步骤S5中阳极氧化处理指以碳纤维为阳极,以石墨、不锈钢材料为阴极,以弱碱性电解液为电解液进行电化学阳极氧化,温度为30℃。电化学阳极氧化处理不仅能够很好的与丙酮水溶液处理过的碳纤维产生协同配合作用,而且避免之前单独使用高锰酸钾作为氧化剂带来的碳纤维本体的损伤。

实施例2

一种高强度碳纤维的表面处理方法,包括如下步骤:

S1、将碳纤维进行低温等离子体轰击处理:低温等离子体轰击的过程为:将经历高温碳化后的碳纤维以100m/h速度连续通过低温等离子体发射装置,使碳纤维距离等离子体发射源20mm,等离子体发射功率为100W/束,处理温度为50℃。

当碳纤维通过低温等离子处理设备时,低温等离子体中的电子从电场中获得能量成为自由的高能电子,由此生成的激发分子、原子、离子和游离基具有较高的化学反应性,可除去碳纤维表面的薄弱层结构,改善表面物理形貌,减少碳纤维抗张强度的损失;同时,该高能电子的能量低于高能射线,只涉及材料表面,不影响基体的性能;

S2、量取质量分数为35%丙酮水溶液,将步骤S1处理后的碳纤维用丙酮水溶液进行浸泡处理120s,然后用去离子水冲洗干净,去除纤维表面浆料;

S3、将步骤S2处理后的碳纤维采用液相氧化法进行表面改性,表面改性的氧化剂为高锰酸钾,高锰酸钾的添加量为15%owf,表面处理温度为100℃,表面处理时间为6小时;

S4、将步骤S3处理后的碳纤维用去离子水冲洗干净,在碳纤维表面形成液膜;

S5、将步骤S4处理后的碳纤维进入电解槽进行阳极氧化处理;

S6、将步骤S5处理后的碳纤维连续经过氨水溶液浸渍10秒,干燥、上浆、收卷制得碳纤维。

具体的,所述步骤S6中氨水的质量分数为30%。

具体的,所述步骤S4中对碳纤维进行去离子水冲洗方法采用喷淋、喷雾或浸渍。

具体的,所述步骤S5中处理温度为40℃,控制施加电流密度10mA/cm2,处理220s。

具体的,所述步骤S5中阳极氧化处理指以碳纤维为阳极,以石墨、不锈钢材料为阴极,以弱碱性电解液为电解液进行电化学阳极氧化,温度为40℃。电化学阳极氧化处理不仅能够很好的与丙酮水溶液处理过的碳纤维产生协同配合作用,而且避免之前单独使用高锰酸钾作为氧化剂带来的碳纤维本体的损伤。

综上所述:本发明提供的一种高强度碳纤维的表面处理方法,与传统技术相比,该方法表面处理速度快,效率高,碳纤维表面损伤小;装置简单易行,操作方便,适合工业上大规模生产。

本发明在表面处理前应去除碳纤维表面上浆剂(或采用无上浆碳纤维),通过在丙酮溶液中浸泡,溶解并去除碳纤维表面上浆剂。

经过表面处理后,增强了碳纤维与树脂基体的界面粘结,提高了碳纤维复合材料的层间剪切强度,同时对其本体抗张强度损伤很小。

通过高锰酸钾氧化作用,在碳纤维表面生成-COOH、-OH等极性基团从而提高碳纤维表面的化学活性,降低其与液体的接触角。

碳纤维在表面处理后需要经过清洗干燥等处理,以清洗除尽碳纤维表面的残留物,避免残留化学物质继续和碳纤维反应,造成碳纤维的损伤,降低其力学性能。

最后应说明的是:以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

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