本发明属于纤维材料加工处理
技术领域：
，具体涉及一种高强度碳纤维的加工方法。
背景技术：
：碳纤维指在化学组成中碳元素质量分数在90%以上的纤维材料。是20世纪60年代开发成功的一种耐高温、耐腐蚀、热膨胀系数小、尺寸稳定性好、高强度、高模量新型碳材料。碳纤维可采用聚丙烯腈纤维（pan纤维）、沥青纤维、粘胶纤维或木质素纤维等经过氧化、低温碳化、高温碳化而制成。广泛应用于航空航天、体育休闲用品和一般工业领域。碳纤维产业在发达国家支柱产业升级乃至国民经济整体素质提高方面，发挥着非常重要的作用。对我国产业结构的调整和传统材料的更新换代也有重要意义，对国防军工和国民经济有举足轻重的影响。碳纤维是上世纪60年代兴起的一种新型高性能材料，它具有很多优点，是一种理想的功能材料和结构材料。起初是为宇航工业和军用飞机的需要发展起来的，但是如今己经广泛应用于商业、民用航空、文体、工业以及运输等领域，具有广阔的应用前景。高性能碳纤维复合材料的开发应用，进一步促进了碳纤维工业的发展。世界范围内，日本、美国等国碳纤维生产技术相对先进，日本的碳纤维发展一直处在世界的前沿，不仅在物理、化学性能方面有所突破，它们的聚丙烯腈基碳纤维的产量位居世界第一，其相关产品几乎垄断了世界市场。我国从60年代后期开始研制碳纤维，至今未能规模化生产，碳纤维的质量和产量满足不了国民经济发展的需求，90%以上的市场被国外产品占领。特别是航空航天部门等高科技领域迫切需要的高性能碳纤维。我国在高强度高性能碳纤维材料领域处于劣势地位。进入21世纪，随着经济和社会的发展，人们对于能源的需求持续增加，为了推动可持续发展，人类必须大力发展各种新能源；同时，地球上现有能源由于大量消费化石燃料，对环境造成巨大的破坏，危及后代人的生存和发展。种种因素逼迫人类开发新能源代替高含碳量的矿物能源，大力开放新能源和可再生能源的利用技术将是未来社会减少环境污染的重要措施。燃料电池发电是继水力、火力、核能发电之后的第四类发电技术，它是一种不经过燃烧在等温条件下直接以电化学反应方式将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效且与环境友好地转化为电能的发电装置。因其具有高的能量转换效率、无污染等优点，燃料电池技术的研究和开发备受各国政府与大公司的重视，被认为是21世纪首选的洁净、高效的发电技术，是一种新型的、发展潜力巨大的实用技术。燃料电池具有以下优点：能量转换效率高、低噪声、低污染、适应性强，燃料多样性及建设周期短、维护方便等。碳纤维纸是一种广泛应用于质子交换膜燃料电池电极中的气体扩散层材料，它不仅具有均匀的多孔质薄层结构，而且由于其主要原料是石墨化碳纤维，这种纤维具有高导热、高导电、密度小、耐高温、耐烧蚀、强度高等特点，使得它具备优异的导电性、化学稳定性和热稳定性。碳纤维纸是由碳纤维加工制造而成，其品质很大程度上决定于碳纤维的品质，但因我国在碳纤维生产制造中的短板问题，造成了后续碳纤维纸、复合材料等深度加工的产品在市场竞争力也较为薄弱。对此，有人对碳纤维的加工方法进行了改善优化，如申请号为：cn201010157479.1公开了一种中高强度碳纤维的表面处理方法及设备，其中利用电化学处理的方式对碳纤维进行了加工处理，有效的提升了碳纤维的强度、与复合材料间的相容性等品质，但此处理方式加工后的纤维存在稳定性不佳，用作燃料电池的碳纤维纸制作中其透气性等不好等问题，需要不断的改进处理。技术实现要素：本发明的目的是针对现有的问题，提供了一种高强度碳纤维的加工方法。本发明是通过以下技术方案实现的：一种高强度碳纤维的加工方法，包括如下步骤：（1）碳纤维表面预处理：先将碳纤维浸入到硫酸溶液中，不断搅拌处理5~8min后将碳纤维滤出，然后用去离子水冲洗至中性后备用；（2）一次改性处理：a.将步骤（1）处理后的碳纤维放入到一次改性液a中，加热保持一次改性液a的温度为80~85℃，然后不断超声处理15~20min，完成后取出滤去表面水分后备用；所述的一次改性液a中各成分及其对应重量份为：14~18份纳米氮化钛、3~5份乙二胺四乙酸二钠、1~3份海藻酸钠、4~6份硬脂酸镁、5~7份硅烷偶联剂、200~240份去离子水；b.将操作a处理后的碳纤维放入到等离子体辐照箱内进行辐照处理，期间控制辐照的功率为12~14kw，辐照箱内的气体环境为氩气、温度为155~165℃、压力为0.35~0.38mpa，20~25min后将碳纤维取出备用；c.将操作b处理后的碳纤维再重复进行一次上述操作a和操作b的处理后，最后放入到干燥箱内干燥处理4~6h后备用；（3）二次改性处理：a.将步骤（2）处理后的碳纤维浸入到电解液b中，对碳纤维进行电化学聚合处理，其中工作电极为碳纤维，对比电极为金属铂电极，参比电极为饱和甘汞电极，处理8~10min后将碳纤维取出备用；所述的电解液b中各成分及其对应浓度为：0.15~0.2mol/l苯酚、0.1~0.15mol/l甲基丙烯酸、0.55~0.60mol/l盐酸、40~45mmol/l氯化钠，溶剂为水；b.用去离子水对操作a处理后的碳纤维冲洗一遍后，再将碳纤维放入到真空干燥箱内进行干燥处理，7~10h后取出即可。进一步的，步骤（1）中所述的硫酸溶液的质量分数为5~7%。进一步的，步骤（2）操作a中所述的超声处理的频率为330~360khz。进一步的，步骤（2）操作a中所述的纳米氮化钛的颗粒粒径大小为10~35nm。进一步的，步骤（2）操作a中所述的硅烷偶联剂为硅烷偶联剂kh550、硅烷偶联剂kh560、硅烷偶联剂kh570中的任意一种。进一步的，步骤（2）操作c中所述的干燥处理时控制干燥箱内的温度为120~125℃。进一步的，步骤（3）操作a中所述的电化学聚合处理时控制电流密度为1~2ma/cm2。进一步的，步骤（3）操作b中所述的干燥处理时控制真空干燥箱内的温度为85~90℃，真空度控制为1~10pa。本发明对碳纤维的加工方法进行了特殊的改进处理，很好的提升了其使用效果和市场竞争力。其中，先对碳纤维进行了硫酸溶液浸泡除杂活化处理，为后续的处理奠定了基础，然后对碳纤维进行了一次改性处理，用配制的一次改性液a对碳纤维进行了浸泡处理，在多种成分的配合作用下，使得纳米氮化钛颗粒成分有效的附着在碳纤维的表面上，接着对一次改性液a浸泡处理的碳纤维进行了等离子体辐照处理，在等离子体高能、特殊能量场的作用下，碳纤维的表面产生大量的活性基团，并且表面被部分微粒冲击刻蚀，最终使得纳米氮化钛颗粒有效的吸附固定在碳纤维的表层上，使得碳纤维表面形成了大量的微小突触结构，一方面提升了纤维的比表面积，提升了可沉积、吸附能力，另一方面增强了相互间及与被填充材料间的锚合强力，随后又进行了二次改性处理，具体是对一次改性处理后的碳纤维进行电化学聚合处理，在电解液b、电流的作用下，苯酚等电聚合产物以纳米氮化钛颗粒为基点，均匀分散的附着固定在碳纤维表面上，形成了一层接枝固定层，很好的提升了碳纤维与树脂、塑料等高分子成分间的相容结合能力，又提升了碳纤维织造纸、布等的结合强力等，并且此碳纤维表面覆膜后的微小突触结构即能提升相互间的结合强度及织造的致密性，又能使得相互间产生间隙保证整体的透气性能等，赋予了此纤维在不同领域中均具有优良的使用品质。本发明相比现有技术具有以下优点：本发明对碳纤维的加工方法进行了特殊的优化改进处理，其工艺步骤搭配合理，便于大规模的推广应用，制得的碳纤维具有强度高，使用稳定，寿命长，填充、织造、深加工使用品质好等特点，极具市场竞争力和推广应用价值。具体实施方式实施例1一种高强度碳纤维的加工方法，包括如下步骤：（1）碳纤维表面预处理：先将碳纤维浸入到硫酸溶液中，不断搅拌处理5min后将碳纤维滤出，然后用去离子水冲洗至中性后备用；（2）一次改性处理：a.将步骤（1）处理后的碳纤维放入到一次改性液a中，加热保持一次改性液a的温度为80℃，然后不断超声处理15min，完成后取出滤去表面水分后备用；所述的一次改性液a中各成分及其对应重量份为：14份纳米氮化钛、3份乙二胺四乙酸二钠、1份海藻酸钠、4份硬脂酸镁、5份硅烷偶联剂、200份去离子水；b.将操作a处理后的碳纤维放入到等离子体辐照箱内进行辐照处理，期间控制辐照的功率为12kw，辐照箱内的气体环境为氩气、温度为155℃、压力为0.35mpa，20min后将碳纤维取出备用；c.将操作b处理后的碳纤维再重复进行一次上述操作a和操作b的处理后，最后放入到干燥箱内干燥处理4h后备用；（3）二次改性处理：a.将步骤（2）处理后的碳纤维浸入到电解液b中，对碳纤维进行电化学聚合处理，其中工作电极为碳纤维，对比电极为金属铂电极，参比电极为饱和甘汞电极，处理8min后将碳纤维取出备用；所述的电解液b中各成分及其对应浓度为：0.15mol/l苯酚、0.1mol/l甲基丙烯酸、0.55mol/l盐酸、40mmol/l氯化钠，溶剂为水；b.用去离子水对操作a处理后的碳纤维冲洗一遍后，再将碳纤维放入到真空干燥箱内进行干燥处理，7h后取出即可。进一步的，步骤（1）中所述的硫酸溶液的质量分数为5%。进一步的，步骤（2）操作a中所述的超声处理的频率为330khz。进一步的，步骤（2）操作a中所述的纳米氮化钛的颗粒粒径大小为10~35nm。进一步的，步骤（2）操作a中所述的硅烷偶联剂为硅烷偶联剂kh550。进一步的，步骤（2）操作c中所述的干燥处理时控制干燥箱内的温度为120℃。进一步的，步骤（3）操作a中所述的电化学聚合处理时控制电流密度为1ma/cm2。进一步的，步骤（3）操作b中所述的干燥处理时控制真空干燥箱内的温度为85℃，真空度控制为1pa。实施例2一种高强度碳纤维的加工方法，包括如下步骤：（1）碳纤维表面预处理：先将碳纤维浸入到硫酸溶液中，不断搅拌处理7min后将碳纤维滤出，然后用去离子水冲洗至中性后备用；（2）一次改性处理：a.将步骤（1）处理后的碳纤维放入到一次改性液a中，加热保持一次改性液a的温度为83℃，然后不断超声处理17min，完成后取出滤去表面水分后备用；所述的一次改性液a中各成分及其对应重量份为：16份纳米氮化钛、4份乙二胺四乙酸二钠、2份海藻酸钠、5份硬脂酸镁、6份硅烷偶联剂、220份去离子水；b.将操作a处理后的碳纤维放入到等离子体辐照箱内进行辐照处理，期间控制辐照的功率为13kw，辐照箱内的气体环境为氩气、温度为160℃、压力为0.37mpa，22min后将碳纤维取出备用；c.将操作b处理后的碳纤维再重复进行一次上述操作a和操作b的处理后，最后放入到干燥箱内干燥处理5h后备用；（3）二次改性处理：a.将步骤（2）处理后的碳纤维浸入到电解液b中，对碳纤维进行电化学聚合处理，其中工作电极为碳纤维，对比电极为金属铂电极，参比电极为饱和甘汞电极，处理9min后将碳纤维取出备用；所述的电解液b中各成分及其对应浓度为：0.18mol/l苯酚、0.13mol/l甲基丙烯酸、0.57mol/l盐酸、42mmol/l氯化钠，溶剂为水；b.用去离子水对操作a处理后的碳纤维冲洗一遍后，再将碳纤维放入到真空干燥箱内进行干燥处理，9h后取出即可。进一步的，步骤（1）中所述的硫酸溶液的质量分数为6%。进一步的，步骤（2）操作a中所述的超声处理的频率为340khz。进一步的，步骤（2）操作a中所述的纳米氮化钛的颗粒粒径大小为10~35nm。进一步的，步骤（2）操作a中所述的硅烷偶联剂为硅烷偶联剂kh560。进一步的，步骤（2）操作c中所述的干燥处理时控制干燥箱内的温度为123℃。进一步的，步骤（3）操作a中所述的电化学聚合处理时控制电流密度为1.5ma/cm2。进一步的，步骤（3）操作b中所述的干燥处理时控制真空干燥箱内的温度为88℃，真空度控制为5pa。实施例3一种高强度碳纤维的加工方法，包括如下步骤：（1）碳纤维表面预处理：先将碳纤维浸入到硫酸溶液中，不断搅拌处理8min后将碳纤维滤出，然后用去离子水冲洗至中性后备用；（2）一次改性处理：a.将步骤（1）处理后的碳纤维放入到一次改性液a中，加热保持一次改性液a的温度为85℃，然后不断超声处理20min，完成后取出滤去表面水分后备用；所述的一次改性液a中各成分及其对应重量份为：18份纳米氮化钛、5份乙二胺四乙酸二钠、3份海藻酸钠、6份硬脂酸镁、7份硅烷偶联剂、240份去离子水；b.将操作a处理后的碳纤维放入到等离子体辐照箱内进行辐照处理，期间控制辐照的功率为14kw，辐照箱内的气体环境为氩气、温度为165℃、压力为0.38mpa，25min后将碳纤维取出备用；c.将操作b处理后的碳纤维再重复进行一次上述操作a和操作b的处理后，最后放入到干燥箱内干燥处理6h后备用；（3）二次改性处理：a.将步骤（2）处理后的碳纤维浸入到电解液b中，对碳纤维进行电化学聚合处理，其中工作电极为碳纤维，对比电极为金属铂电极，参比电极为饱和甘汞电极，处理10min后将碳纤维取出备用；所述的电解液b中各成分及其对应浓度为：0.2mol/l苯酚、0.15mol/l甲基丙烯酸、0.60mol/l盐酸、45mmol/l氯化钠，溶剂为水；b.用去离子水对操作a处理后的碳纤维冲洗一遍后，再将碳纤维放入到真空干燥箱内进行干燥处理，10h后取出即可。进一步的，步骤（1）中所述的硫酸溶液的质量分数为7%。进一步的，步骤（2）操作a中所述的超声处理的频率为360khz。进一步的，步骤（2）操作a中所述的纳米氮化钛的颗粒粒径大小为10~35nm。进一步的，步骤（2）操作a中所述的硅烷偶联剂为硅烷偶联剂kh570。进一步的，步骤（2）操作c中所述的干燥处理时控制干燥箱内的温度为125℃。进一步的，步骤（3）操作a中所述的电化学聚合处理时控制电流密度为2ma/cm2。进一步的，步骤（3）操作b中所述的干燥处理时控制真空干燥箱内的温度为90℃，真空度控制为10pa。对比实施例1本对比实施例1与实施例2相比，省去了步骤（2）一次改性处理中的操作a处理，除此外的方法步骤均相同。对比实施例2本对比实施例2与实施例2相比，省去了步骤（2）一次改性处理中的操作b处理，除此外的方法步骤均相同。对比实施例3本对比实施例3与实施例2相比，省去了步骤（2）一次改性处理的整个操作，除此外的方法步骤均相同。对照组申请号为：cn201010157479.1公开了一种中高强度碳纤维的表面处理方法。为了对比本发明效果，对上述实施例2、对比实施例1、对比实施例2、对比实施例3、对照组对应方法制得的碳纤维进行性能测试，具体对比数据如下表1所示：表1ts（gpa）ilss（mpa）透气度（ft3/min）抗张强度（n/m）实施例24.84119.617.687.3对比实施例13.9291.415.269.8对比实施例24.35102.116.073.7对比实施例33.7787.613.865.0对照组3.7188.513.562.4注：上表1中所述的ts为碳纤维本体的抗拉强度，根据gb3362-2005进行测试；所述的ilss为碳纤维及复合材料层间剪切强度，根据gb3357-82进行测试；所述的透气度和抗张强度是对碳纤维进行同样的方法进行织造，制成碳纤维纸后进行的测试，所述的透气度使用高透气度测试仪m380275进行测试；所述的抗张强度使用zlb-100纸张拉力试验机进行测试。由上表1可以看出，本发明方法加工成的碳纤维强度高，综合使用品质好，在不同领域中的使用效果好，极具市场竞争力和推广应用价值。当前第1页12