专利名称：短碳纤维的金属化处理方法
技术领域：
本发明涉及一种短碳纤维的金属化处理方法，属于表面处理技术领域。
背景技术：
碳纤维具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、导电、导热和低膨胀系数等一系列的优点，是一种重要的复合材料增强体。近年来碳纤维的成本下降和性能的提高，为复合材料的应用创造了条件。理想的碳纤维复合材料(金属基、树脂基等)不但具有很好的力学性能，而且具有良好的导电、导热、尺寸稳定、耐高温、抗老化的特性，在航空、航天、能源、电子、汽车等领域有非常广泛的应用前景。目前普遍的碳纤维表面涂层工艺，即在碳纤维表面涂敷一层能够增加浸润性和阻挡有害界面反应的物质，如溅射法、离子镀膜法、金属粉末喷涂、化学镀及电镀等，其中电镀工艺与其他工艺比较具有工艺简单、设备要求低、操作温度低等突出的优点。金属化后的碳纤维，如镀Ni碳纤维、镀Cu碳纤维、或镀Ni/Cu双层碳纤维等都是很好的增强铜基、铝基等复合材料，利用其良好的导电性能，可以用小型大容量电容器、磁性薄膜、电子设备的电磁屏蔽以及制造各种功能性元器件等。
与长碳纤维相比较，短碳纤维有价格低廉、制备复合材料的工艺简单且性能上各向同性，同时在电磁屏蔽、吸波、电极材料等功能材料中，使用短碳纤维具有易成型加工等优势，因此短碳纤维更有应用前景。但目前短碳纤维的金属化工艺普遍是采用碳纤维化学镀、电镀之后剪短而得或直接采用短碳纤维化学镀，如徐金城等在《兰州大学学报(自然科学版)》(Vol.40，No.4，Aug.2004)发表的“短碳纤维增强铜基复合材料的制备及其性能的研究”，采用的方法是先进行长碳纤维化学镀1h，电镀2h的表面镀铜处理，再把镀好的碳纤维剪成1～2mm的短纤维。该方法工艺较繁琐、成本较高，且电镀所得的镀层均匀性不好。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中存在的不足，提出一种短碳纤维的金属化处理方法，工艺简单易行、成本低廉，能制备出镀层均匀可控的金属化短碳纤维。
为实现这一目的，本发明采用直接对短碳纤维进行电镀的方式，利用短碳纤维的导电性使其在阴极附近聚集，电镀后形成一镀层均匀的疏松状沉积物。首先在镀液中加入适量的短碳纤维，并添加适量的表面活性剂使之分散均匀，然后根据镀层厚度的要求选择电流密度和电镀时间，电镀过程中施加轻微搅拌使镀液中短碳纤维聚集在阴极表面上并互相缠结，最终形成镀层均匀的疏松状沉积物。将所得的沉积物从阴极剥离后，经水洗、干燥、分散等简单后续处理后得到单个的镀覆金属的短碳纤维，即得到金属化的短碳纤维。
本发明的具体步骤如下1、按所需金属镀层配制常规的单金属或合金的镀液，在镀液中加入短碳纤维、分散剂等，并将镀液中的短碳纤维分散均匀。其中，短碳纤维长度范围为0.5mm～5cm，镀液中短碳纤维的含量为0.05～2g/L，分散剂含量为0.01～2g/L。
本发明所述的分散剂可以选择阴离子分散剂，如聚丙稀酸钠、十二烷基硫酸钠等；阳离子分散剂，如十六烷基三甲基溴化铵、羧甲基纤维素钠等；以及非离子分散剂，如聚乙二醇型、氟碳型等。
2、根据镀层厚度的要求选择电流密度和时间，分别约为0.5A/dm2～5.0A/dm2，10～120分钟左右。接通电源，电镀开始时部分短碳纤维沉积在阴极上，过程中施加轻微的搅拌，使得镀液中短碳纤维聚集并相互缠结在阴极表面。随着电镀时间的延长，最终形成镀层较均匀的疏松状沉积物。
3、将所得的沉积物从阴极剥离后，水洗并于烘箱中干燥，再经分散工艺得到镀覆金属的短碳纤维。其中若是镀铜时，还需氢气还原以除去氧化物。
分散工艺根据所要求的短碳纤维的镀层厚度、长度等选择合适的方法，有高压水流或气体冲击、剪切、球磨等。如短碳纤维的镀层平均厚度小于50μm、平均长度要求大于500μm时，可以采用高压水流或气体冲击；如镀层平均厚度大于50μm、平均长度小于500μm时，可采用剪切、球磨等方法。
镀层厚度可以通过调节电流密度和电镀时间等来控制，金属化后的短碳纤维镀层厚度在1μm～100μm范围内。
通过选择不同的电镀镀液及工艺可得到不同的成分的镀层。本发明方法适用于目前各种金属成分的电镀，镀层可以是镍、铜、铁等单金属，也可以是各种二元、三元合金等。
本发明首次提出利用短碳纤维的导电性和它们之间的相互缠结而产生的电场屏蔽作用，制备出均匀的金属化短碳纤维。该技术可以制得镀层均匀的短碳纤维，其原因是靠近阴极的短碳纤维先沉积在阴极上，并镀覆上金属，而靠后的短碳纤维缠绕在之前的纤维上逐渐沉积上金属，而靠后的短碳纤维对靠前的有较大电场屏蔽作用，因此整个沉积物的金属沉积速率都接近相等。本发明采用的设备简单，只需普通的电镀槽即可，同时工艺简单易行与普通电镀工艺相似。本发明能有效控制镀层厚度、纤维长度及金属成分，可制得1μm～100μm范围内厚度镀层的金属化的短碳纤维，短碳纤维的长度也可在50μm～10cm范围内控制。镀层的成分多样，几乎是所有现行可镀的单金属或合金等。本发明所制得的金属化的短碳纤维，可望在电磁屏蔽材料、抗静电材料、吸波材料、结构材料(如金属基、树脂基复合材料)中等得到应用。
具体实施例方式
以下通过几个具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
实施例1镀层厚度为1微米左右的镀镍短碳纤维的制备参照普通的镀镍液配方，如氨基磺酸盐镀液氨基磺酸镍400g/L，氯化镍5g/L，硼酸40g/L，配好后置于电镀槽中，并水浴加热至50℃左右。取短碳纤维(长度约0.5～1mm)0.05g/L，聚乙二醇作分散剂0.01g/L，在超声波振荡之后倒入槽中并搅拌均匀。以纯镍板作为阳极，紫铜板作阴极。镀液pH调节在4.0左右。采用磁力搅拌器轻微搅拌。电流密度为0.5A/dm2，时间控制在120分钟。电镀开始后，短碳纤维在陆续聚集在阴极表面上，并相互缠结。随着时间的延长，沉积物不断长大，镀层不断变厚。时间到达后，停止电镀，将沉积物取下。清洗后，将沉积物放入高压水流中冲击，最后将沉积物分离得到所需的镀镍短碳纤维，镀层厚度在2μm左右。
实施例2镀层厚度为20微米左右的镀镍短碳纤维镀液配方为氨基磺酸镍400g/L，氯化镍5g/L，硼酸40g/L，配制好后置于电镀槽中，并水浴加热至50℃左右。取短碳纤维(1～2mm)0.5g/L，十二烷基硫酸钠作分散剂0.5g/L，在超声波振荡之后倒入槽中并搅拌均匀。以纯镍板作为阳极，紫铜板作阴极。镀液pH调节在4.0左右。采用磁力搅拌器轻微搅拌。电流密度为2.0A/dm2，时间控制在80分钟。电镀时间到达后，停止电镀，将聚集在阴极的沉积物取下。沉积物清洗后，放入高压气体中破碎，最后将沉积物分离得到所需的镀镍短碳纤维，镀层厚度在20μm左右。
实施例3镀层厚度为100微米左右的镀铜短碳纤维按普通的电镀铜配方配制镀液，其中硫酸铜200g/L、硫酸70g/L。电镀在室温(25℃)下操作。短碳纤维(5～6mm)含量为0.5g/L，分散剂十六烷基三甲基溴化铵1.5g/L。使用前短碳纤维与分散剂混合，在超声波振荡之后倒入槽中并搅拌均匀。以磷铜板作为阳极，紫铜板作为阴极，采用磁力搅拌器轻微搅拌。电流密度为5.0A/dm2，时间控制在40分钟。电镀时间到达后，停止电镀，将聚集在阴极的沉积物取下。沉积物清洗后，放入高压气体中破碎，之后将分离得到镀铜短碳纤维在氢气炉中400℃下还原，最后得到所需的镀铜短碳纤维，镀层厚度在100μm左右。
实施例4镀层厚度为2微米左右的镀镍—钴合金短碳纤维该镀液的配方为氨基磺酸镍600g/L，氨基磺酸钴1.25g/L，氯化镍10g/L，硼酸35g/L，配好后置于烧杯中，温度控制在60℃左右。短碳纤维(10～11mm)含量为0.5g/L，分散剂羧甲基纤维素钠0.5g/L。使用前短碳纤维与分散剂混合，在超声波振荡之后倒入槽中并搅拌均匀。阳极为纯镍板，阴极用不锈钢板，电流密度控制在3.0A/dm2，时间为25分钟。电镀时间到达后取下沉积物，高压水流破碎后即得所需镀镍—钴合金的短碳纤维，镀层厚度在2μm左右。
实施例5镀层厚度为2微米左右的镀铜—锡合金短碳纤维镀液配方为焦磷酸钾250g/L、焦磷酸铜15g/L、焦磷酸钾亚锡2.0g/L、磷酸氢二钠40g/L、柠檬酸钠7.5g/L、氨三乙酸35g/L，pH在8.5左右，温度为30℃。阳极为用铜和锡按比例浇铸的可溶性阳极，阴极为不锈钢板。镀液需轻微搅拌，电流密度为1.5A/dm2，时间为23分钟。电镀时间到达后取下沉积物，高压水流破碎后即得所需镀铜—锡合金的短碳纤维，镀层厚度在2μm左右。
权利要求
1.一种短碳纤维的金属化处理方法，其特征在于包括如下步骤1)根据所需金属镀层配制镀液，在镀液中加入短碳纤维和分散剂，短碳纤维长度范围为0.5mm～5cm，含量为0.05～2g/L，分散剂含量为0.1～2g/L，将镀液中的短碳纤维分散均匀；2)根据镀层厚度的要求选择电流密度为0.5A/dm2～5.0A/dm2，电镀时间为10～120分钟，接通电源进行电镀，使部分短碳纤维沉积在阴极上，电镀过程中施加搅拌使镀液中短碳纤维聚集缠结在阴极表面，最终形成镀层均匀的疏松状沉积物；3)将所得的沉积物从阴极剥离后，水洗并于烘箱中干燥，再经分散工艺得到镀覆金属的短碳纤维。
2.根据权利要求1的短碳纤维的金属化处理方法，其特征在于所述分散工艺为采用高压水流或气体冲击，或者采用剪切、球磨。
3.根据权利要求1的短碳纤维的金属化处理方法，其特征在于所述分散剂为阴离子分散剂、阳离子分散剂和非离子分散剂。
4.根据权利要求1的短碳纤维的金属化处理方法，其特征在于所述金属化处理为镀铜时，对处理后的短碳纤维进行氢气还原以除去氧化物。
全文摘要
本发明涉及一种短碳纤维的金属化处理方法，首先在镀液中加入适量的短碳纤维，并添加适量的表面活性剂使之分散均匀，然后根据镀层厚度的要求选择电流密度和电镀时间，电镀过程中施加轻微搅拌使镀液中短碳纤维聚集在阴极表面上并互相缠结，最终形成镀层均匀的疏松状沉积物。将所得的沉积物从阴极剥离后，经水洗、干燥、分散等简单后续处理后得到单个的镀覆金属的短碳纤维。若为镀铜时还需再进行氢气还原以除去氧化物。本发明工艺简单易行、成本低廉，且能有效控制镀层厚度、纤维长度及金属成分，制得的金属化短碳纤维可望在电磁屏蔽材料、抗静电材料、吸波材料、结构材料中得到应用。
文档编号C22C47/04GK1844481SQ200610024510
公开日2006年10月11日 申请日期2006年3月9日 优先权日2006年3月9日
发明者胡文彬, 唐谊平, 刘磊, 沈彬, 仵亚婷 申请人:上海交通大学