CN102628212A

CN102628212A - 基于超声强化的碳纤维表面处理方法

Info

Publication number: CN102628212A
Application number: CN2012100989325A
Authority: CN
Inventors: 吴超群; 周少锋; 黄进; 廖继莉
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2012-04-06
Filing date: 2012-04-06
Publication date: 2012-08-08

Abstract

本发明涉及一种基于超声强化的碳纤维表面处理方法，包括有以下步骤：将碳纤维浸渍于表面处理槽内的液体介质之中，通过设置在表面处理槽上方或者下方的超声发生器或超声阵列对液体介质进行超声辐射，超声处理时间根据超声波强度和频率进行调整，以达到对碳纤维表面处理的目的。本发明的有益效果是：改善碳纤维的表面形态以及表面粗糙度等以提高碳纤维复合材料的力学性能，在对碳纤维进行表面氧化处理的同时，还可以通过超声清洗除去碳纤维在生产过程中形成的油污，与其它传统方法相比它具有处理设备简单、操作简易、不造成环境危害、处理速度快捷高效，且非常易于实现配套在线生产的特点。

Description

基于超声强化的碳纤维表面处理方法

技术领域

本发明涉及一种基于超声强化的碳纤维表面处理方法。

背景技术

由于碳纤维具有高比强度、高比模量，耐高温、耐高蚀、耐疲劳、抗蠕变，导电、传热性能好、热系数小等一系列优异的性能，碳纤维及其复合材料成为极其重要的战略物资之一。与一般碳素材料的相比，还具有一般碳素材料所不具有的特性，比如其外形有显著的各向异性、柔软，可加工成各种织物，沿纤维轴向表现出很高的强度等，因此其长纤或短纤被广泛的应用为增强填料，制备出综合性能优良的复合材料，并大量应用于在航天航空、军事、海上石油、建筑、文体、工业与运输等领域。

碳纤维复合材料的性能不仅取决于组成材料，更取决于碳纤维的表面性能、纤维与基体材料的结合程度以及界面上的应力传递方式等,良好的界面结合能有效地传递载荷，充分发挥增强纤维的高强高模特性，提高复合材料的力学性能。但未处理的碳纤维表面能低，表面呈现出憎液性，从而导致它与树脂两相界面之间的粘接性能相当差，不能充分发挥出复合材料潜在的力学性能。界面的性质直接影响着复合材料的各项力学性能，尤其是层间剪切、断裂、抗冲击等性能，因此随着复合材料科学和应用的发展，复合材料界面及其力学行为越来越受到重视。有研究表明，碳纤维经表面处理后能显著改善纤维与基体树脂之间的界面粘接，充分发挥增强纤维的高强度和高模量特性，使其强度利用率达到80%以上，而未经表面处理碳纤维的强度利用率仅为55%。因此,碳纤维的表面处理成为其在树脂基复合材料使用时考虑的一个重要因素。

碳纤维表面经常会有很多空隙、凹槽、杂质等，这对碳纤维的质量有很大负面影响，同时未经表面处理的碳纤维表面羟基、羰基等极性基团很少，使得其与树脂基体界面粘结性差，制备出的复合材料性能难以达到要求。为了解决上述问题，通常采用的方法是对碳纤维进行表面处理。碳纤维表面处理对纤维与基体树脂之间的界面性质有重要影响，特别是在纤维与聚合物之间形成有效的界面粘结方面。过弱的化学键合使得纤维与基体间载荷传递差，过强的界面结合导致复合材料韧性下降，表面处理技术可以在碳纤维表面发生一系列物理、化学反应，增加其表面形态的复杂化和极性基团的含量，从而提高碳纤维与基体树脂的界面性能，以实现提高复合材料整体性能。

碳纤维表面性能主要取决于表面形态结构、比表面积、活性比表面积、表面能和表面官能团等，通过对碳纤维表面处理来改变碳纤维的这些表面物理、化学和结构参数对提高碳纤维复合材料的力学性能有着重要的意义。这些参数中，碳纤维表面的官能团是影响碳纤维表面性能的最重要的因素之一，因为表面官能团可以提高碳纤维表面的极性，增强其与基体材料之间的润湿性和粘接程度。碳纤维的表面处理方法较多（包括气相氧化法、液相氧化法、阳极氧化法、等离子表面处理法等），但在线配套方法较少，目前碳纤维处理较为成熟、在线配套使用的主要方法是电化学氧化法和臭氧氧化法。臭氧氧化法是将碳纤维臭氧中进行高温处理，处理后的碳纤维表面积、表面粗糙度都有所增加，可以提高纤维与树脂基体的浸润性，但臭氧氧化的条件较为剧烈，易对纤维体产生较大损伤；电化学氧化法是以碳纤维作为阳极在电解池中进行，电解液包括苛性钠、硝、硫、磷酸，以及钾的重铬酸盐和高锰酸盐溶液等，电解液易腐蚀器件，污染环境，而且还存在操作繁琐、处理效率低等缺点。因此，研究和开发具有实际应用价值的碳纤维表面处理技术具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术而提供一种基于超声强化的碳纤维表面处理方法，该方法设备要求低，操作环境绿色无污染，表面处理快捷高效，易于在线生产。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：基于超声强化的碳纤维表面处理方法，其特征在于包括有以下步骤：将碳纤维浸渍于表面处理槽内的液体介质之中，通过设置在表面处理槽上方或者下方的超声发生器或超声阵列对液体介质进行超声辐射，所述的超声发生器或超声阵列所发射的超声波频率范围为10-300kHz，超声波强度为0.1-10W/cm²，超声处理时间根据超声波强度和频率进行调整，其范围为0.5-20分钟，以达到对碳纤维表面处理的目的。

按上述方案，所述的碳纤维为碳纤维长丝，通过设置在表面处理槽内的牵引装置对碳纤维长丝进行牵伸。

按上述方案，所述的碳纤维为短切碳纤维或碳纤维粉，通过设置在表面处理槽内的隔板来支撑短切碳纤维或碳纤维粉。

按上述方案，所述的液体介质为水、脱气水、双氧水溶液、硝酸溶液、硫酸溶液、乙醇和丙酮中的任意一种或几种的混合。

按上述方案，所述的液体介质温度为20-75度。

按上述方案，所述的表面处理槽内的液体介质的液面高度h与超声波频率相互相对应，并满足以下方程：液面高度h=液体介质的声速×超声波频率×（2n+1）/4，其中n为整数，且n≤4。当n大于4时，必须提高超声发生器的功率。

本发明的碳纤维设置在超声波变幅杆附近，或者设置在超声波的波峰处，因为在超声波的波峰处，或者超声变幅杆附近区域内，才有较高的能量，才会有更多的超声空化气泡压溃，从而用于碳纤维表面处理。

本发明通过一个简易超声发生器或者超声波阵列（由多个超声发生器组成）来完成的，超声发生器既可以安置在表面处理槽的槽底，也可在其上方，碳纤维浸渍于表面处理槽内的液体介质之中进行牵伸，同时，超声发生器通过对液体介质进行超声辐射一段时间，从而达到对碳纤维进行表面处理的目的。

本发明的基本原理及过程：液体介质中的微小气泡核在超声波的作用下，形成空化气泡，并成长大，同时在外力的作用下压溃，压溃的瞬间会在其周围的极小空间范围内产生出5000K的高温和超过500个大气压的高压，温度变化率高达109K/s，在超声空化气泡压溃时产生的局部高温、高压环境下，水被分解并产生羟基自由基，从而将其他物质氧化。同时，在空化气泡声收缩的过程中，空化气泡表面很薄的液相层的温度和压力达到水的临界点（647K，2.21×107Pa），使其处于超临界状态，这种超临界水具有极强的氧化性，所产生的羟基自由基以及该过程中形成的超临界水，对碳纤维进行在线表面处理。

本发明的有益效果是：本发明利用超声空化场中产生的羟基自由基和超临界水对碳纤维表面进行表面处理来增加碳纤维表面的含氧官能团，改善碳纤维的表面形态以及表面粗糙度等以提高碳纤维复合材料的力学性能，在对碳纤维进行表面氧化处理的同时，还可以通过超声清洗除去碳纤维在生产过程中形成的油污，与其它传统方法相比它具有处理设备简单、操作简易、不造成环境危害、处理速度快捷高效，且非常易于实现配套在线生产的特点。此外，本发明所提出的超声强化处理技术不仅仅局限与应用在碳纤维表面处理领域，还可应用于其它诸多需要增加面极性官能团或改善表面活性场合。

附图说明

图1为本发明的超声强化处理示意图，其中超声发生器位于表面处理槽上方；

图2为本发明的超声强化处理示意图，其中超声发生器位于表面处理槽下方；

图3为本发明可调整处理时间的超声强化处理示意图，其中超声发生器位于表面处理槽上方；

图4为本发明可调整处理时间的超声强化处理示意图，其中超声发生器位于表面处理槽下方；

图5为短切碳纤维或碳纤维粉的超声强化处理示意图，其中超声发生器位于表面处理槽上方；

图6为短切碳纤维或碳纤维粉的超声强化处理示意图，其中超声发生器位于表面处理槽下方；

图7是进行处理前的碳纤维SEM图；

图8是采用图1的装置进行处理后的碳纤维SEM图；

1-碳纤维长丝；2-超声发生器；3-辊筒；4-液体介质；5-表面处理槽；6-托盘；7-短切碳纤维。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

超声强化表面处理碳纤维是通过一个简易超声发生器或者其阵列来完成的，该超声发生器2如图1-2所示安装在表面处理槽5上方或下方，碳纤维长丝1浸渍于表面处理槽内的液体介质4之中进行牵伸，同时，超声发生器通过对液体介质进行超声辐射一段时间，从而达到表面处理碳纤维的目的。该发生器功率为1000W（平均超声波强度为1W/cm²），发生超声波频率为20kHz，液体介质为双氧水溶液（浓度5%），液体介质温度为30度，作用时间为2分钟，这里的作用时间可以通过牵引速度进行调节。对不能调节牵引速度生产线可以采用图3-4中提到方法通过多个辊筒3在超声波处理槽中来回牵引以增加处理时间，超声波经双氧水液体介质传导作用于碳纤维表面，从而达到表面处理碳纤维的目的。

图7-8是采用图1的装置进行处理前后的碳纤维SEM图，比较处理前后的碳纤维SEM图发现，处理后的碳纤维中无定形杂质明显减少，碳纤维表面干净平滑，未见过度氧化所致的裂痕和凹槽。

实施例2

超声强化表面处理短切碳纤维的简易超声发生器可通过图5或图6所示设备完成，置于托盘6上的短切碳纤维7通过加压浸渍于槽内的液体介质之中，开启超声发生器通过对液体介质进行超声辐射一段时间，从而达到表面处理碳纤维的目的。加压条件为0.1 MPa，超声发生器功率为2000 W（平均声强为2 W/cm²），超声波频率为30 kHz，液体介质为脱气水,液体介质温度为30度，作用时间为20分钟，短切纤维表面处理程度可以通过调节超声波处理时间进行控制。

Claims

1.基于超声强化的碳纤维表面处理方法，其特征在于包括有以下步骤：将碳纤维浸渍于表面处理槽内的液体介质之中，通过设置在表面处理槽上方或者下方的超声发生器或超声阵列对液体介质进行超声辐射，所述的超声发生器或超声阵列所发射的超声波频率范围为10-300kHz，超声波强度为0.1-10W/cm²，超声处理时间根据超声波强度和频率进行调整，其范围为0.5-20分钟，以达到对碳纤维表面处理的目的。

2.按权利要求1所述的基于超声强化的碳纤维表面处理方法，其特征在于所述的碳纤维为碳纤维长丝，通过设置在表面处理槽内的牵引装置对碳纤维长丝进行牵伸。

3.按权利要求1所述的基于超声强化的碳纤维表面处理方法，其特征在于所述的碳纤维为短切碳纤维或碳纤维粉，通过设置在表面处理槽内的隔板来支撑短切碳纤维或碳纤维粉。

4.按权利要求1或2或3所述的基于超声强化的碳纤维表面处理方法，其特征在于所述的液体介质为水、脱气水、双氧水溶液、硝酸溶液、硫酸溶液、乙醇和丙酮中的任意一种或几种的混合。

5.按权利要求4所述的基于超声强化的碳纤维表面处理方法，其特征在于所述的液体介质温度为20-75度。

6.按权利要求1或2或3所述的基于超声强化的碳纤维表面处理方法，其特征在于所述的表面处理槽内的液体介质的液面高度h与超声波频率相互相对应，并满足以下方程：液面高度h=液体介质的声速×超声波频率×（2n+1）/4，其中n为整数，且n≤4。