CN102851940A - 一种超声波增强的碳纤维表面液态化学改性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声波增强的碳纤维表面液态化学改性的方法，技术特征在于：将碳纤维浸于配置好的化学溶液中，在超声波功率200W～2KW、超声波频率20～100kHz、水浴温度20～70℃的条件下，超声振荡15～40min产生表面改性；取出改性后的碳纤维，用去离子水反复清洗并取出；在60～180℃真空烘干。其中所用的化学溶剂为硝酸、酸性重铬酸钾、次氯酸钠、过氧化氢、甲基磺酸、甲酸或过硫酸钾等中的至少一种。该方法可以形成高性能的碳纤维，进一步提高碳纤维的力学性能。本发明成本低、操作简单、适用性强、处理效果好、纤维性能损失小，质量可靠。

Description

一种超声波增强的碳纤维表面液态化学改性的方法

技术领域

本发明属于碳纤维表面改性技术领域，涉及一种使用高强度和高功率超声波增强的碳纤维表面液态化学改性的方法。

背景技术

碳纤维是指经高温碳化，含碳量超过85%以上的纤维材料，包括碳素纤维和石墨纤维。碳素纤维是有机纤维经1000~2300℃处理后，含碳量为85%~95%的纤维；石墨纤维是有机纤维经2300℃以上处理，含碳量在98%以上的纤维，碳纤维作为一种高性能纤维,因具有比强度高、比模量高、热膨胀系数小、摩擦系数低、耐低温性能良好等特性而成为近年来树脂基复合材料最重要的增强材料,被广泛应用在航空航天构件和体育用品中。碳纤维表面呈惰性,比表面积小,边缘活性碳原子少,表面能低和树脂浸润性及两相界面粘结性差,复合材料层间剪切强度(Interlaminar Shearing Strength,ILSS)低。从而影响复合材料综合性能的发挥，制约了碳纤维在先进复合材料领域的进一步推广应用。为了改善碳纤维增强树脂基复合材料的性能，须对碳纤维表面进行改性，以提高碳纤维与其他材料的粘结能力。

为改善碳纤维与树脂基体等的黏合性、提高复合材料的层间剪切力而须进行的表面处理。目的是增加碳纤维的极性基团如羧基、羰基和内酯等官能团，增加表面积，提高与树脂母体的浸润性和黏合力。前对碳纤维表面进行改性的方法较多，主要包括(1)液相氧化法(2)等离子体处理法(3)阳极电解或电沉积处理法(4)臭氧处理法；(5)气相氧化法（6）表面高能辐射法（7）共聚改性法以及偶联剂处理法等。这些方法都能基本满足碳纤维表面性能改性需要，但是工艺较为复杂，处理时间长，表面改性不均匀等问题，因此需要探索新的碳纤维表面改性方法。

超声波能产生声空化作用，能够产生瞬间的冲击压，引起分子的高速运动，进而在液体内产生了局部的高温、高压，诱发雾化等一系列作用。将超声波技术引入材料的表面改性中，可以提高材料的表面改性质量，缩短改性时间，同时降低消耗，减小环境污染。将高强度和高功率超声波技术与现有纤维表面改性技术相结合，将会有助于解决目前碳纤维表面改性中存在的不足。中国专利CN200810100876.8公开了一种PBO纤维的超声化学表面改性方法，文章“超声氧化处理对碳纤维表面性能的影响”（机械工程材料，2011年，第11期，第28-31页）介绍了一种碳纤维氧化改性，其中超声波源作用在烧杯上并传递到溶液，使用浓硫酸和浓硝酸混合液进行改性。由于浓硝酸的挥发性，强腐蚀性和强氧化性，导致这种改性方法具有一定的危险性和改性程度难以控制。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种使用高强度和高功率超声波增强的碳纤维表面液态化学改性的方法。

技术方案

一种超声波增强的碳纤维表面液态化学改性的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将表面预处理后的碳纤维浸于化学溶液中，在超声波功率200~2000W、超声波频率20~100kHz、水浴温度20~70℃的条件下，超声振荡15~40min产生表面改性；所述化学溶液为硅烷偶联剂、酸性重铬酸钾、次氯酸钠、过氧化氢、甲基磺酸、甲酸或过硫酸钾；

步骤2：，采用去离子水清洗改性后的碳纤维，在60~180℃真空烘干，得到化学改性的超声波增强的碳纤维。

所述硅烷偶联剂的浓度为90～99wt％。

所述酸性重铬酸钾的浓度为10~20wt%。

所述次氯酸钠的浓度为10~20%。

所述过氧化氢的浓度为20~40wt%。

所述甲基磺酸的浓度为70~100wt%。

所述甲酸的浓度为70~100wt%。

所述过硫酸钾的浓度为90~99wt%。

所述碳纤维为碳纤维丝或碳纤维布。

所述碳纤维表面处理的步骤为：

步骤a：将碳纤维在丙酮沸腾温度下抽提24h~48h，去除碳纤维表面涂层；

步骤b：将步骤a处理后的碳纤维置于去离子水中浸泡24h；

步骤c：将步骤b处理后的碳纤维在真空烘箱中于120℃下进行烘干处理，完成碳纤维的表面预处理。

有益效果

本发明提出的一种使用高强度和高功率超声波增强的碳纤维表面液态化学改性的方法，可以有效改善纤维的性能，使其复合材料的成型工艺性和整体综合性能得到改善。利用超声波具有的空化作用，与在实验室条件和工业化生产条件下都易于实现，且操作最为简单、生产成本最低的化学法相结合，以便解决传统化学法改性碳纤维表面时存在的工艺较为复杂，处理时间长，表面改性不均匀等问题。使碳纤维与其他材料结合的界面性能得以改善。

本发明的优点在于，碳纤维表面改性所用设备投资费用低，发明成本低、操作简单、适用性强、处理效果好、纤维性能损失小，质量可靠。大量缩短改性时间，降低化学品用量和产品成本，减少环境污染，适用于工业化生产。

具体实施方式

现结合实施例对本发明作进一步描述：

实施例1：

将表面预处理后的碳纤维浸于98wt％硅烷偶联剂溶液中，在超声波功率300W、超声波频率50kHz、水浴温度70℃的条件下，继续超声振荡10min；

取出上述改性后的碳纤维，用去离子水清洗；

将上述清洗后的改性碳纤维取出，于50℃烘干，即获得表面改性后的碳纤维。

实施例2：

将表面预处理后的碳纤维浸于98wt％甲基磺酸溶液中，在超声波功率300W、超声波频率60kHz、水浴温度70℃的条件下，超声振荡40min；

取出上述改性后的碳纤维，用蒸馏水反复清洗。

将上述清洗后的改性碳纤维取出，于50℃烘干，即获得表面改性后的碳纤维。

实施例3：

将表面预处理后的碳纤维浸于90wt％甲酸溶液中，在超声波功率100W、超声波频率20kHz、水浴温度50℃的条件下，超声振荡30min；

取出上述改性后的碳纤维，用蒸馏水反复清洗。

将上述清洗后的改性碳纤维取出，于50℃烘干，即获得表面改性后的碳纤维。

上述实施例中碳纤维表面处理的步骤为：

步骤a：将碳纤维在丙酮沸腾温度下抽提24h~48h，去除碳纤维表面涂层；

步骤b：将步骤a处理后的碳纤维置于去离子水中浸泡24h；

步骤c：将步骤b处理后的碳纤维在真空烘箱中于120℃下进行烘干处理，完成碳纤维的表面预处理。

上述实施例步骤1中还可以浸于浓度为10~20wt%的酸性重铬酸钾中；或浓度为10~20%的次氯酸钠中；或浓度为20~40wt%的过氧化氢中；或浓度为90~99wt%的过硫酸钾中。

Claims (10)

1.一种超声波增强的碳纤维表面液态化学改性的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将表面预处理后的碳纤维浸于化学溶液中，在超声波功率200~2000W、超声波频率20~100kHz、水浴温度20~70℃的条件下，超声振荡15~40min产生表面改性；所述化学溶液为硅烷偶联剂、酸性重铬酸钾、次氯酸钠、过氧化氢、甲基磺酸、甲酸或过硫酸钾；

步骤2：，采用去离子水清洗改性后的碳纤维，在60~180℃真空烘干，得到化学改性的超声波增强的碳纤维。

2.根据权利要求1所述超声波增强的碳纤维表面液态化学改性的方法，其特征在于：所述硅烷偶联剂的浓度为90～99wt％。

3.根据权利要求1所述超声波增强的碳纤维表面液态化学改性的方法，其特征在于：所述酸性重铬酸钾的浓度为10~20wt%。

4.根据权利要求1所述超声波增强的碳纤维表面液态化学改性的方法，其特征在于：所述次氯酸钠的浓度为10~20%。

5.根据权利要求1所述超声波增强的碳纤维表面液态化学改性的方法，其特征在于：所述过氧化氢的浓度为20~40wt%。

6.根据权利要求1所述超声波增强的碳纤维表面液态化学改性的方法，其特征在于：所述甲基磺酸的浓度为70~100wt%。

7.根据权利要求1所述超声波增强的碳纤维表面液态化学改性的方法，其特征在于：所述甲酸的浓度为70~100wt%。

8.根据权利要求1所述超声波增强的碳纤维表面液态化学改性的方法，其特征在于：所述过硫酸钾的浓度为90~99wt%。

9.根据权利要求1所述超声波增强的碳纤维表面液态化学改性的方法，其特征在于：所述碳纤维为碳纤维丝或碳纤维布。

10.根据权利要求1所述超声波增强的碳纤维表面液态化学改性的方法，其特征在于：所述碳纤维表面处理的步骤为：

步骤a：将碳纤维在丙酮沸腾温度下抽提24h~48h，去除碳纤维表面涂层；

步骤b：将步骤a处理后的碳纤维置于去离子水中浸泡24h；

步骤c：将步骤b处理后的碳纤维在真空烘箱中于120℃下进行烘干处理，完成碳纤维的表面预处理。