CN101187151B - 采用正负压强迫渗透臭氧氧化处理碳纤维三维织物的方法 - Google Patents

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Abstract

采用氧化处理碳纤维三维织物的方法，它涉及碳纤维三维织物的处理方法。它解决了现有碳纤维三维整体织物，碳纤维三维织物表面的乱层石墨结构，导致表面能低，表面呈化学惰性，使得碳纤维三维织物与树脂基体之间浸润性差，导致碳纤维三维织物与树脂基体的界面粘接性能差的问题。本发明的方法为：一、将碳纤维三维织物采用烧蚀法处理；二、放入氧化炉内，在密封状态下对织物进行一次氧化处理；三、进行二次氧化处理后，即得氧化处理的碳纤维三维织物。本发明方法处理后的碳纤维三维织物的内外氧化比较均匀，达到了均一化改性的目的；拉伸强度、弯曲强度和压缩强度分别提高11％、10％、150％；烧蚀性能得到改善；处理时间短、设备和工艺简单的优点。

Description

采用正负压强迫渗透臭氧氧化处理碳纤维三维织物的方法
技术领域
本发明涉及碳纤维三维织物的处理方法。
背景技术
碳纤维是目前最重要的高性能纤维，它的比强度比钢和铝合金高3倍以上，比模量高5倍，同时具有耐疲劳、耐腐蚀、耐热冲击、耐烧蚀、减震、导电、传热等优点，加之研究、开发和使用的时间都已经比较长，工艺相对成熟，因此，在复合材料领域应用得最为广泛。近年来，将碳纤维通过纺织技术织成三维整体织物预型件作为复合材料增强体是目前复合材料领域研究和使用的热点，三维织物可以克服传统层合材料在厚度方向上剪切强度太低的缺点，可以提高其增强树脂基复合材料的整体力学性能以及改善耐烧蚀材料的耐烧蚀性能。但是，由于碳纤维表面的乱层石墨结构，导致表面能低，表面呈化学惰性，使得碳纤维与树脂基体之间浸润性差，导致碳纤维与树脂基体的界面粘接性能差，阻碍了碳纤维三维织物增强树脂基复合材料优异耐热性能的发挥，使得碳纤维三维织物增强树脂基复合材料在目前不能得到广泛的应用。
发明内容
本发明为了解决现有碳纤维三维整体织物，碳纤维三维织物表面的乱层石墨结构，导致表面能低，表面呈化学惰性，使得碳纤维三维织物与树脂基体之间浸润性差，导致碳纤维三维织物与树脂基体的界面粘接性能差，阻碍了碳纤维三维织物增强树脂基复合材料耐热性能的发挥，使得碳纤维三维织物增强树脂基复合材料在目前不能得到广泛的应用的问题，提供了一种采用氧化处理碳纤维三维织物的方法，解决上述问题的具体技术方案如下：
本发明采用正负压强迫渗透臭氧氧化处理碳纤维三维织物的方法是由下列步骤实现的：
步骤一、将碳纤维三维织物去涂层处理，处理方式采用烧蚀法，即在N2保护下，在300～400℃的温度条件下烧蚀2～6h；
步骤二、将步骤一去涂层后的碳纤维三维织物放入氧化炉内，在空气状态下加热至110～130℃，恒温30～40min，抽真空，真空度为0.08～0.1MPa，开启氧化炉臭氧入口并控制进气量，在臭氧发生器的气体流速恒定的条件下向氧化炉内供气，使氧化炉内的压强从负压逐渐变为常压，继续供气，当氧化炉内正压达到0.04～0.05MPa后，停止供气，在密封状态下对织物进行氧化处理，处理时间为8～10分钟，氧化处理结束即得氧化处理的碳纤维三维织物。
本发明适用于1K、3K、6K、9K和12K的PAN-基碳纤维制备的三维机织、针织、编制或缝编结构的碳纤维立体织物的处理。
本发明具有下列优点：1、经本发明方法处理后的碳纤维三维织物内部和外部CF进行XPS测试，得到的纤维表面O/C比分别为0.31和0.32，数值比较接近，说明经过强迫渗透氧化处理后，碳纤维三维织物的内外氧化比较均匀；2、本方法对碳纤维三维织物进行改性后，碳纤维三维织物与树脂基体的界面粘接性能好，该复合材料的拉伸强度、弯曲强度和压缩强度得到了明显改善，增加幅度分别为11％、10％、150％；表1列出了改性处理后碳纤维三维织物/聚芳基乙炔复合材料的烧蚀性能测试结果。材料的线烧蚀率、烧蚀时间指标数据，采用本方法改性后复合材料的烧蚀性能得到改善；3、该方法还具有处理时间短、设备和工艺简单、易于控制、改性效果明显、无臭氧残留的优点。使碳纤维三维织物增强树脂基复合材料得到广泛的应用。
附图说明
图1是氧化炉的结构示意图，图2是采用HIT-200型微脱粘测试仪测得织物长度方向脱粘率为100％的脱粘力值的变化规律图，图3是采用HIT-200型微脱粘测试仪测得织物宽度方向脱粘率为100％的脱粘力值的变化规律图，图4是采用HIT-200型微脱粘测试仪测得织物厚度方向脱粘率为100％的脱粘力值的变化规律图，图5是在1186型电子万能材料实验机上测得经处理的碳纤维三维织物/聚芳基乙炔复合材料与未处理的碳纤维三维织物/聚芳基乙炔复合材料材料的拉伸、弯曲和压缩强度对比图。图1中1是臭氧入口，2是臭氧出口，3是真空表接口，4是压力表接口，5是氧化炉。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的方法的步骤如下：
步骤一、将碳纤维三维织物去涂层处理，处理是采用烧蚀法，即在N2保护下300～400℃烧蚀2～6h。
步骤二、将去涂层后的碳纤维三维织物放入氧化炉5内，在空气状态下加热至110～130℃，恒温30～40min，抽真空，真空度为0.08～0.1MPa，开启氧化炉5臭氧入口1并控制进气量，在臭氧发生器(臭氧发生器采用哈尔滨久久电化学工程技术有限公司生产的DHX-SS-03型臭氧发生器)的气体流速恒定的条件下向氧化炉5内供气，使氧化炉5内的压强从负压逐渐变为常压，继续供气，当氧化炉5内正压达到0.04～0.05MPa后，停止供气，在密封状态下对织物进行氧化处理，处理时间为8～10分钟，氧化处理结束即得氧化处理的碳纤维三维织物。
本发明采用正压与负压结合的强迫渗透臭氧氧化法处理碳纤维三维织物，因为强迫渗透臭氧氧化法能使臭氧迅速扩散至三维织物碳纤维的内部，达到均一改性的目的。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于对较大厚度(厚度为2～5cm)的碳纤维三维织物，由于纤维含量和致密度比较大，要重复步骤二的过程进行二次氧化处理。使其氧化处理更充分，均一改性效果更好，二次氧化处理结束即得氧化处理的碳纤维三维织物。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于步骤二中在空气状态下加热至120℃。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于步骤二中恒温时间为40min。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于步骤二中抽真空的真空度为0.1MPa。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于步骤二中使炉内正压为0.05MPa。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于步骤二中氧化处理时间为8分钟。其它步骤与具体实施方式一相同。
表1 碳纤维三维织物/聚芳基乙炔复合材料的烧蚀性能
Figure GA20190509200710144663001D00031

Claims (7)

1.采用正负压强迫渗透臭氧氧化处理碳纤维三维织物的方法，其特征在于该方法的步骤如下：
步骤一、将碳纤维三维织物去涂层处理，处理方式采用烧蚀法，即在N2保护下，在300～400℃的温度条件下烧蚀2～6h；
步骤二、将步骤一去涂层后的碳纤维三维织物放入氧化炉(5)内，在空气状态下加热至110～130℃，恒温30～40min，抽真空，真空度为0.080.1MPa，开启氧化炉(5)臭氧入口(1)并控制进气量，在臭氧发生器的气体流速恒定的条件下向氧化炉(5)内供气，使氧化炉(5)内的压强从负压逐渐变为常压，继续供气，当氧化炉5内正压达到0.04～0.005MPa后，停止供气，在密封状态下对织物进行氧化处理，处理时间为8～10分钟，氧化处理结束即得氧化处理的碳纤维三维织物。
2.根据权利要求1所述的采用正负压强迫渗透臭氧氧化处理碳纤维三维织物的方法，其特征在于对于厚度为2～5cm的碳纤维三维织物，由于纤维含量和致密度比较大，要重复步骤二的过程进行二次氧化处理。
3.根据权利要求1所述的采用正负压强迫渗透臭氧氧化处理碳纤维三维织物的方法，其特征在于步骤二中在空气状态下加热至120℃。
4.根据权利要求1所述的采用正负压强迫渗透臭氧氧化处理碳纤维三维织物的方法，其特征在于步骤二中恒温时间为40min。
5.根据权利要求1所述的采用正负压强迫渗透臭氧氧化处理碳纤维三维织物的方法，其特征在于步骤二中抽真空的真空度为0.1MPa。
6.根据权利要求1所述的采用正负压强迫渗透臭氧氧化处理碳纤维三维织物的方法，其特征在于步骤二中炉内正压为0.05MPa。
7.根据权利要求1所述的采用正负压强迫渗透臭氧氧化处理碳纤维三维织物的方法，其特征在于步骤二中氧化处理时间为8分钟。
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