CN101725037B

CN101725037B - 一种纤维材料的表面改性方法

Info

Publication number: CN101725037B
Application number: CN 200910241273
Authority: CN
Inventors: 李�一; 柳学全; 李发长; 李楠; 石文; 霍静; 聂俊辉
Original assignee: China Iron and Steel Research Institute Group
Current assignee: HEBEI GANGYAN DEKAI TECHNOLOGY CO., LTD.
Priority date: 2009-11-27
Filing date: 2009-11-27
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2029-11-27
Also published as: CN101725037A

Abstract

一种纤维材料的表面改性方法，其工艺如下：(1)通过灼烧或微化学腐蚀工艺进行纤维的表面粗化预处理；(2)将表面粗化预处理后的纤维置于气相反应沉积室内进行一次沉积反应。用氮气或氩气为载带气体，将气态羰基金属化合物载带入沉积室，同时通入氮气、氩气或一氧化碳等稀释气体，控制一定的气体流量和沉积室温度，使羰基金属化合物在纤维表面发生热分解沉积反应，沉积反应时间为5-60分钟；(3)一次沉积反应完成后，保持通入惰性气体进行自然降温至室温后取出纤维。该方法可以有效改善纤维材料的表面性能，能使纤维增强金属基复合材料的成型工艺性和整体综合性能得到改善，同时能较好保持原纤维材料的强度，且工艺简单，无污染。

Description

一种纤维材料的表面改性方法

技术领域

本发明属于纤维及其复合材料制备技术领域，特别涉及一种纤维材料的表面改性方法。

背景技术

纤维材料与复合材料的关系主要是通过将各类纤维做增强体，与树脂、金属等基体材料复合制成纤维增强塑料、纤维增强金属等纤维复合材料来实现。纤维增强材料是复合材料中应用最广、用量最大的一种。可用做增强材料的纤维材料按其化学组成大致分为无机纤维和有机纤维两种，其中无机纤维有玻璃纤维、炭纤维、硼纤维、晶须、石棉纤维等，有机纤维包括合成纤维如芳纶纤维、奥纶纤维、聚酯纤维、尼龙纤维、维尼纶纤维、聚丙烯纤维、聚酰亚胺纤维等，还有如棉纤维、剑麻等天然有机纤维。纤维增强复合材料按基体材料不同可分为树脂基复合材料、陶瓷基复合材料和金属基复合材料。其中金属基复合材料的增强纤维以各种无机纤维为主。相对于树脂基复合材料，金属基复合材料除了有高强度、高模量外，同时还具有耐高温、导电导热性好等优异的性能，广泛应用于航空航天耐高温材料和结构材料等领域。

炭纤维、玻璃纤维是最常用，且具有代表性的两种无机纤维增强材料，同时具有良好的的电学、热学和力学性能，在金属基复合材料领域有很好的应用前景，是重要的复合材料增强体。但是，跟其它纤维材料一样，它们与金属基体复合时，普遍存在相容性差的问题，主要表现在：与基体发生一些有害的化学反应，与金属基体的界面润湿性不理想，两相界面粘结性差，以及热膨胀系数不匹配。目前看来，在纤维材料表面镀膜能够有效地解决这一问题。纤维表面镀膜的方法有很多，包括PVD、CVD、电镀、化学镀和溶胶凝胶法等技术。

专利200810137524.X公开了一种炭纤维表面改性方法。此方法是先在炭纤维表面化学镀银，再在镀银炭纤维表面进行有机硫化物的分子自组装，从而能从分子水平上对炭纤维表面实现可调控、定向有序排列，有利于炭纤维复合材料界面机理的研究。但该方法工艺比较复杂，对炭纤维的预处理要求很高，预处理工艺繁杂，并且容易引入杂质，难以获得高纯度膜层，这也是化学法镀膜中常见的问题。

韩变华等在“电镀镍碳纤维增强铝基复合材料”(材料导报，2007，20，447-450)的文章中优化了电镀工艺条件，获得了组织均匀的镍镀层，且表面具有良好的金属光泽；并且通过观测其与铝的复合效果，表明炭纤维镀镍后能明显提高其与铝液的润湿性，有效防止炭纤维与铝之间发生界面反应。但是，电镀法一般设备庞大，耗电量大，并且很容易对环境造成污染，获得的镀层致密度也不高。

曾庆兵在“溶胶-凝胶法TiO₂涂层碳纤维增强铝基复合材料的研制”(高分子材料科学与工程，1999，15(4)，171-175)中研究了溶胶凝胶法在炭纤维表面涂覆TiO₂氧化物陶瓷的连续工艺，涂层有效覆盖了炭纤维表面的裂纹和缺陷，使炭纤维抗氧化性能和耐高温性能都得到提高。但此方法所需原料昂贵，反应周期很长，效率比较低，并且主要适用于氧化物和II～VI族化合物涂层。

此外，也可以用真空蒸发、溅射等物理气相沉积(PVD)方法在纤维表面镀膜，但由于过程较难控制，且所需设备非常昂贵，这方面研究比较少。

化学气相沉积(CVD)是反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术。它具有沉积速度快、沉积膜层质量好、不受基体形状限制、膜层成分易控、操作简单、可重复性好等特点，已成为制备各种功能材料和固体薄膜材料的重要手段。传统的CVD技术都要求有一定的真空度，条件比较苛刻，这就对设备有了较高的要求，也给技术的产业化进程增加了难度。目前用CVD技术进行纤维表面改性的研究还不是很多，能在常压下实现的几乎没有，利用CVD法涂覆金属膜进行纤维表面改性的技术在国内还未见专利公开。因此，利用CVD技术，选择适当的工艺条件对纤维材料进行表面改性，特别是通过在纤维上涂覆高质量耐高温或有特殊功能的金属膜层，再进一步制备出金属基复合材料，如电磁屏蔽材料、耐高温结构材料等，具有重要的战略意义和广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纤维材料的表面改性方法，有效改善纤维的性能，进而能使纤维增强金属基复合材料的成型工艺性和整体综合性能得到改善，同时能较好保持原纤维材料的强度，并具有工艺简单，没有污染，对设备条件无特殊要求，便于工业化应用。

本发明解决上述技术问题的技术方案为：在常压下，以羰基金属络合物为原料，结合CVD技术，控制合适的条件，在纤维表面镀覆一层高质量金属膜来改善纤维材料的表面性能。其具体工艺如下：

(1)通过灼烧或微化学腐蚀工艺进行纤维的表面粗化预处理；

(2)将表面粗化预处理后的纤维置于气相反应沉积室内进行一次沉积反应。用氮气或氩气为载带气体，将气态羰基金属化合物载带入沉积室，同时通入氮气、氩气或一氧化碳等稀释气体，控制羰基金属化合物体积百分比浓度为0.5～10％，沉积室温度为150℃～550℃，使羰基金属化合物在纤维表面发生热分解沉积反应，沉积反应时间为5～60分钟；

(3)一次沉积反应完成后，保持通入惰性气体进行自然降温至室温后取出纤维。

步骤(1)中所述的不同的纤维为玻璃纤维、炭纤维、硼纤维、石棉纤维等无机纤维的一种或几种的混合纤维。其中，对于炭纤维的预处理工艺为：先将炭纤维置于350℃～420℃的空气热处理炉中灼烧3～10min去胶，然后将其放入20～40％硝酸溶液中浸泡5～15分钟，再用去离子水清洗后烘干。对于玻璃纤维的预处理工艺为：先用超声波清洗仪清洗玻璃纤维5～10分钟，然后用30～40℃的氟化氨稀溶液进行表面粗化5～10分钟，再用去离子水清洗后烘干。其它纤维不进行预处理。

步骤(2)中所述的所述载带气和稀释气的纯度大于99.9％，所述的羰基金属化合物为四羰基镍、五羰基铁、六羰基钨、六羰基钼、六羰基铬中的一种或几种的混合，羰基金属化合物的体积百分比浓度为0.5～10％。

步骤(2)中的羰基金属化合物的物理性质与金属截然不同，它们在常温下为液态或易挥发固态，热分解温度较低，一般不高于600℃，且分解后产物为纯金属和一氧化碳气体，是CVD法制备高纯度高质量金属膜极佳的前驱体物质，依照所要镀膜的不同成分选择不同的羰基金属前驱体。不同羰基金属前驱体的气化和热分解温度不同，不同温度下发生热分解反应所生成的金属颗粒粒径也会不同，所以沉积室温度是关键的控制条件。不同羰基金属化合物前驱体的气化温度控制如下：四羰基镍、五羰基铁化合物的气化温度为0～60℃，六羰基钨、六羰基钼、六羰基铬化合物的气化温度为120℃～150℃。不同羰基金属化合物前驱体的热分解温度控制如下：四羰基镍为150～250℃；五羰基铁为200～300℃；六羰基钨或六羰基钼或六羰基铬为350～550℃。

羰基金属化合物热分解沉积反应时间依据所需镀膜的厚度而定，沉积时间越长，厚度越大，纤维表面性能改善会越明显，但对纤维本身的性能削弱也会更大，甚至使纤维丧失韧性，所以需要按照不同的实际情况控制最佳的一次沉积反应时间，一般为5-60min。同时，为消除沉积过程中金属膜层的应力和减少应力集中造成的膜层脱落现象，还可以选择分多次沉积和对镀膜纤维进行后续热处理。

改性过程中，纤维表面会发生如下变化：(1)表面粗化后，产生许多大小不同的凹凸缺陷，为后续气态羰基物在纤维表面热分解产生的金属原子提供了形核长大的场所，同时这也对纤维本身的性能造成了一定的负面影响，会降低纤维的韧性、拉伸性能等；(2)由纳米级颗粒组成的金属膜层结构非常致密，能与纤维紧密粘结；(3)镀膜后的纤维表面成分是金属，将大大提高制备复合材料时与金属基体的润湿性能。

经过本发明所述方法处理过的纤维的表面性能有明显的改善，与金属基体的浸润速率提高，浸润效果改善，与基体材料的复合性能能得到很大提高；同时能提高纤维材料的耐高温、耐腐蚀和抗氧化性能。另外，本发明能很好的保持纤维材料本身的优异性能，并且工艺简单，没有污染，易于控制反应过程，生产设备要求不高，成本低廉，易于工业化推广应用。

附图说明

图1镀钨炭纤维扫描电镜照片。

图2镀钨炭纤维能谱分析图。

图3镀钨炭纤维和原始炭纤维差热分析图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，但实施例不限制本发明，且发明中未述及之处适用于现有技术。实施例中所采用的沉积室尺寸为Φ60mm×250mm。

实施例1

纤维材料选用炭纤维(直径6.5μm)，羰基金属化合物选用六羰基钨。将炭纤维置于360℃±10℃灼烧10min，然后将其放入20％硝酸溶液中浸泡15min，再用去离子水清洗后烘干；接着把预处理后炭纤维置于沉积反应室中，六羰基钨原料恒温于120℃，采用氮气为载带气和稀释气，控制进入沉积室的六羰基钨气体浓度约为1％(体积百分比)，于550℃发生沉积反应15min，可在炭纤维表面镀上一层厚度接近100nm的钨膜。镀钨炭纤维扫描电镜照片如图1；镀膜能谱分析结果如图2，钨膜纯度非常高，几乎没有杂质。按照GB/T14337-2008标准进行力学性能测试，炭纤维镀钨后韧性良好，炭纤维镀钨后的拉伸强度保持率达86％。对镀钨炭纤维进行差热分析(结果如图3)，炭纤维镀钨后开始氧化温度由430℃提高到了580℃，抗氧化性能得到显著提高。

实施例2

纤维材料选用炭纤维(直径6.5μm)，羰基金属化合物选用六羰基钨。将炭纤维置于400℃±10℃灼烧6min，然后将其放入30％硝酸溶液中浸泡10min，再用去离子水清洗后烘干；接着把预处理后炭纤维置于沉积反应室中，六羰基钨原料恒温于150℃，采用氩气为载带气和稀释气，控制进入沉积室的六羰基钨气体浓度约为0.5％(体积百分比)，于350℃发生沉积反应60min，可在炭纤维表面镀上一层厚度接近70nm的钨膜。按照GB/T14337-2008标准进行力学性能测试，炭纤维镀钨后韧性良好，炭纤维镀钨后的拉伸强度保持率达90％。

实施例3

纤维材料选用炭纤维(直径6.5μm)，羰基金属化合物选用四羰基镍。将炭纤维置于410℃±10℃灼烧5min，然后将其放入40％硝酸溶液中浸泡5min，再用去离子水清洗后烘干；接着把预处理后炭纤维置于沉积反应室中，四羰基镍原料恒温于5℃，采用氩气为载带气和稀释气，控制进入沉积室的四羰基镍气体浓度约为2％(体积百分比)，250℃发生沉积反应10min，可在炭纤维表面镀上一层厚度约为150nm的镍膜。按照GB/T14337-2008标准进行力学性能测试，炭纤维镀镍后韧性良好，拉伸强度保持率达90％。

实施例4

纤维材料选用炭纤维(直径6.5μm)，羰基金属化合物选用四羰基镍。将炭纤维置于400℃±10℃灼烧5min，然后将其放入30％硝酸溶液中浸泡8min，再用去离子水清洗后烘干；接着把预处理后炭纤维置于沉积反应室中，四羰基镍原料恒温于35℃，采用氮气为载带气和稀释气，控制进入沉积室的四羰基镍气体浓度约为10％(体积百分比)，150℃发生沉积反应5min，可在炭纤维表面镀上一层厚度约为60nm的镍膜。按照GB/T14337-2008标准进行力学性能测试，炭纤维镀镍后韧性良好，拉伸强度保持率达95％。

实施例5

纤维材料选用玻璃纤维(直径6μm)，羰基金属化合物选用五羰基铁。将玻璃纤维先用超声波清洗仪清洗5min，然后用40℃的氟化氨稀溶液进行表面粗化5min，再用去离子水清洗后烘干；接着把预处理后玻璃纤维置于沉积反应室中，五羰基铁原料恒温于25℃，采用氮气为载带气，CO为稀释气，控制进入沉积室的五羰基铁气体浓度约为3％(体积百分比)，300℃发生沉积反应45min，可在炭纤维表面镀上一层厚度约为150nm的铁膜。按照GB/T14337-2008标准进行力学性能测试，炭纤维镀铁后韧性良好，拉伸强度保持率达82％。此外，玻璃纤维镀铁后，导电性能大幅提高。

实施例6

纤维材料选用玻璃纤维(直径6μm)，羰基金属化合物选用五羰基铁。将玻璃纤维先用超声波清洗仪清洗10min，然后用30℃的氟化氨稀溶液进行表面粗化10min，再用去离子水清洗后烘干；接着把预处理后玻璃纤维置于沉积反应室中，五羰基铁原料恒温于60℃，采用氮气为载带气和稀释气，控制进入沉积室的五羰基铁气体浓度约为8％(体积百分比)，200℃发生沉积反应60min，可在炭纤维表面镀上一层厚度约为100nm的铁膜。按照GB/T14337-2008标准进行力学性能测试，炭纤维镀铁后韧性良好，拉伸强度保持率达90％。此外，玻璃纤维镀铁后，导电性能大幅提高。

实施例7

纤维材料选用玻璃纤维(直径6μm)，羰基金属化合物选用六羰基钼。将玻璃纤维先用超声波清洗仪清洗8min，然后用35℃的氟化氨稀溶液进行表面粗化6min，再用去离子水清洗后烘干；接着把预处理后玻璃纤维置于沉积反应室中，六羰基钼原料恒温于130℃，采用氩气为载带气，CO为稀释气，控制进入沉积室的六羰基钼气体浓度约为2％(体积百分比)，于400℃发生沉积反应45min，可在炭纤维表面镀上一层厚度接近120nm的钼金属膜。按照GB/T14337-2008标准进行力学性能测试，炭纤维镀钼后韧性良好，炭纤维镀钼后的拉伸强度保持率达84％。

实施例8

纤维材料选用玻璃纤维(直径6μm)，羰基金属化合物选用六羰基铬。将玻璃纤维先用超声波清洗仪清洗5min，然后用35℃的氟化氨稀溶液进行表面粗化10min，再用去离子水清洗后烘干；接着把预处理后玻璃纤维置于沉积反应室中，六羰基铬原料恒温于140℃，采用氮气为载带气和稀释气，控制进入沉积室的六羰基铬气体浓度约为1％(体积百分比)，于500℃发生沉积反应60min，可在炭纤维表面镀上一层厚度接近600nm的铬金属膜。按照GB/T14337-2008标准进行力学性能测试，炭纤维镀铬后韧性良好，炭纤维镀铬后的拉伸强度保持率达81％。玻璃纤维镀铬后，导电性能有大幅提高。本发明对实施例所得的表面改性后的纤维材料进行了涂覆强度性能实验。实验方法为：冷热循环法(武学高，塑料电镀技术，成都：四川科技出版社，1983，359-370)。具体步骤是：将表面金属改性的炭纤维在100℃的沸水中煮沸25min，然后在0-5℃冰水中放置5min后取出，然后进行二次循环，三次循环处理，……，最后用显微镜进行观察，看镀层有无起泡、脱落现象。相关资料表明，一次冷热循环后纤维表面镀层无起泡和脱落现象，则镀层的结合力不低于0.8-0.9kg/cm²。本发明所制得的表面金属改性纤维均可达到经三次以上冷热循环后无起泡、脱落(镀钨炭纤维、镀钼玻璃纤维经过四次，镀镍炭纤维、镀铬玻璃纤维经过五次)，镀层保持完好，说明金属膜层与纤维的结合强度符合纤维增强制备复合材料的强度要求。

Claims

1.一种纤维材料的表面改性方法，其特征在于，工艺步骤为：

(1)通过灼烧或微化学腐蚀工艺进行纤维的表面粗化预处理；

(2)将表面粗化预处理后的纤维置于气相反应沉积室内进行一次沉积反应；用氮气或氩气为载带气体，将气态羰基金属化合物载带入沉积室，同时通入氮气、氩气或一氧化碳稀释气体，控制羰基金属化合物体积百分比浓度为0.5～10％，沉积室温度为150℃～550℃，使羰基金属化合物在纤维表面发生热分解沉积反应，沉积反应时间为5～60分钟；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的纤维材料为玻璃纤维、炭纤维、硼纤维、石棉纤维、陶瓷纤维的一种或几种的混合纤维。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述纤维表面粗化预处理具体工艺为：

对于炭纤维的预处理工艺为：先将炭纤维置于350℃～420℃的空气热处理炉中灼烧3～10min去胶，然后将其放入20～40％硝酸溶液中浸泡5～15分钟，再用去离子水清洗后烘干；

对于玻璃纤维的预处理工艺为：先用超声波清洗仪清洗玻璃纤维5～10分钟，然后用30～40℃的氟化氨稀溶液进行表面粗化5～10分钟，再用去离子水清洗后烘干；

其它纤维不进行预处理。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述载带气和稀释气的纯度大于99.9％，羰基金属化合物体积百分比浓度为0.5～10％。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的羰基金属化合物为四羰基镍、五羰基铁、六羰基钨、六羰基钼、六羰基铬中的一种或几种的混合。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的四羰基镍、五羰基铁化合物的气化温度为5℃～60℃，六羰基钨、六羰基钼、六羰基铬化合物的气化温度为120℃～150℃。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述羰基金属化合物的分解沉积温度为：四羰基镍为150℃～250℃；五羰基铁为200℃～300℃；六羰基钨或六羰基钼或六羰基铬为350℃～550℃。