CN103806261B - 用于将官能团结合到基底的表面的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

公开了通过提供等离子流发生器来处理基底的表面的表面处理方法、机器和系统，等离子流发生器引导等离子体穿过气态组合物，以将气态组合物分解成官能团。公开了通过朝向表面穿过蒸汽引导的等离子流来处理的碳纤维基底。等离子流利用高能量离子轰击碳纤维表面。碳纤维中的碳‑碳链部分地断裂，并且氢氧离子结合到碳‑碳链中的断裂处。所述处理将新的羟基官能团结合到碳纤维表面。

Description

用于将官能团结合到基底的表面的方法和设备
技术领域
本公开涉及一种用于对基底的表面进行改性以包括附加的官能团的工艺。
背景技术
用于碳纤维、聚合复合物、玻璃纤维、金属基底、陶瓷基底和玻璃基底的表面处理包括火焰处理、电晕处理和气体等离子体处理。已知的是，使用此类表面处理向表面添加有限数量的官能团。可以添加官能团来促进附着并增加表面润湿性。
官能团的一个示例是羟基官能团（OH-）。还可以将其它类型的官能团接枝到基底上。由于氢氧离子和其它离子源在大气中的可用性有限，所以利用火焰处理、电晕处理或气体等离子体处理仅向表面添加有限数量的官能团。
对于提高聚合树脂与碳基底、金属基底、陶瓷基底和玻璃基底之间的界面附着，需要成本高效且稳健的工艺。此类基底的一个示例是碳纤维增强型聚合复合物，碳纤维增强型聚合复合物可以对减轻车辆组件的重量的问题提供一种潜在解决方案，以实现如政府法规所要求的更好的燃料经济性。
在碳纤维增强型聚合复合物中，大部分负荷由碳纤维承受。聚合物在纤维之间传递负荷。聚合物的负荷传递效率决定着复合物部件的机械性能。传统的碳纤维增强型聚合复合物中的纤维/基质界面受限于因缺乏对表面的牢固化学结合而引起的物理破裂。
改善聚合物对碳纤维表面的附着可以提高负荷传递效率。因为应对给定的负荷需要更少的碳纤维，所以负荷传递效率的提高可以减小碳纤维复合物部件的所需厚度并可以降低成本。
通过如下概述的本公开来解决上述问题和其它问题。
发明内容
由于所公开的用于向基底的表面添加官能团的方法和设备增加了在等离子体中可用的离子的量，所以其是独特的且创新的。例如，将蒸汽引入到等离子体中提高了等离子体中的氢氧（OH-）离子的可用性。因此，可以增加表面上的羟基的数量。
根据本公开的一方面，提供了一种用于处理基底的方法。该方法包括将基底提供到工具的步骤和将气态组合物供应到工具的步骤。等离子流发生器产生等离子体，等离子体分解气态组合物以形成离子。当气态组合物被离子化时，离子合并成等离子体，离子可更自由地结合到基底。
根据所述方法的其它方面，引导等离子流的步骤还可以包括：使基底的表面破裂。在一个实施例中，基底可以是碳纤维，气态组合物可以是分解形成氢氧离子和氢离子的蒸汽。碳-碳链可以断裂，以结合到新的官能团。等离子流可以使氢氧离子结合到碳纤维基底。
根据本公开的一方面，提供了一种用于制造碳纤维增强型聚合复合物的方法。所述方法包括将碳纤维基底提供到工具的步骤和将蒸汽供应到预处理工具的步骤。朝向碳纤维基底引导等离子流穿过蒸汽，以分解蒸汽来形成氢氧离子和氢离子。一些氢氧离子随后结合到碳纤维。
根据所述方法的其它方面，引导等离子流发生器的步骤还可以包括：使碳纤维基底的表面破裂。所述方法还可以包括：使氢氧离子和氢离子共价结合到碳纤维基底中的破裂处。供应蒸汽的步骤还可以包括：将水供应到加热单元以形成蒸汽、对蒸汽进行加压以及通过喷嘴喷射蒸汽。
根据本公开的另一方面，公开了由碳纤维基底和聚合物树脂来制造碳纤维增强型聚合复合物的系统。所述系统包括：蒸汽发生器，向容纳碳纤维基底的预处理室提供蒸汽；以及等离子流发生器，朝向碳纤维基底引导等离子体穿过蒸汽。等离子流可用于分解蒸汽以形成氢氧离子和氢离子，并使氢氧离子结合到碳纤维。
根据本公开的另一方面，公开了一种用于制造碳纤维增强型聚合复合物的系统，所述系统包括：碳纤维基底；工具，容纳碳纤维基底；蒸汽发生器，将蒸汽供应到工具；以及等离子流发生器，朝向碳纤维基底引导穿过蒸汽的等离子体，以分解蒸汽并形成氢氧离子和氢离子，并使氢氧离子结合到碳纤维基底。等离子流发生器使碳纤维基底的表面破裂。氢氧离子共价结合到碳纤维。一定量的水被提供到加热单元，以形成蒸汽，提供泵以对蒸汽进行加压，提供喷嘴以喷射蒸汽。供应到加热单元的水量由质量流控制器控制。
根据本公开的另一方面，公开了一种用于处理基底的机器，所述机器包括：蒸汽发生器，向容纳基底的处理室提供蒸汽；以及等离子流发生器，朝向基底引导等离子体穿过蒸汽，其中，等离子流分解蒸汽以形成氢氧离子和氢离子，并使氢氧离子结合到基底。等离子流使碳纤维基底的表面破裂，从而有助于氢氧离子结合到碳纤维。蒸汽发生器还包括：供水系统，供应水；加热单元，加热水以形成蒸汽；泵，可操作地连接到加热单元，以向加热单元中的蒸汽施加压力；以及喷射喷嘴，在等离子流发生器和碳纤维基底之间喷射蒸汽。基底是碳纤维，其中，氢氧离子结合到碳纤维，以提供用于结合到聚合树脂的多个官能团。基底选自于实质上由碳纤维、玻璃纤维、聚合复合物、金属表面、陶瓷表面和玻璃表面组成的组。
所公开的系统的其它方面涉及利用等离子流使碳纤维基底的表面破裂以有助于使氢氧离子结合到碳纤维的构思。蒸汽发生器还可以包括：供水系统，供应水；以及加热单元，加热水以形成蒸汽。泵可以可操作地连接到加热单元，以向加热单元中的蒸汽施加压力。喷射喷嘴可用于在等离子流发生器和碳纤维基底之间喷射蒸汽。蒸汽发生器还可以包括：质量流控制器，控制由供水系统提供到加热单元的水的量。
下面将参照附图详细地描述本公开的上述方面以及其它方面。
附图说明
图1是用于将官能团结合到基底的表面的机器的示意性示图；
图2是碳基底在经历由机器（例如图1中示出的机器）执行的预处理工艺之后的图示。
具体实施方式
下面提供了对本发明的所示出的实施例的详细描述。所公开的实施例是本发明的示例，这些示例可以用各种形式和可替代形式实施。附图未必是按比例绘出的。为了示出具体组件的细节，一些特征会被夸大或最小化。在本申请中公开的具体结构细节和功能细节不应被解释为限制性的，而是仅作为用于教导本领域技术人员如何实施本发明的代表性基础。
参照图1，示出了在对基底材料（例如，碳纤维12）进行预处理的工艺中的表面处理机器10。可使用的其它基底材料包括聚合复合物、玻璃纤维、金属基底、陶瓷基底和玻璃基底。总体上用标号16指示的等离子体由等离子流发生器18产生。等离子流发生器18产生具有高气体温度的激发气体原子和分子。
在等离子流发生器18和基底之间提供气态组合物（例如，蒸汽20）。如这里描述的提供或供应到等离子体16的气态组合物不同于使用通过大气的等离子流发生器18，因为在大气中通常出现的气体不能为处理基底的表面提供足够的官能团。用于（OH-）官能团的其它前驱物包括甲醇、乙醇等。可引入到等离子体16中的其它气态组合物包括用于氨基（NH2 -）官能团的前驱物，后者包括氨（NH3）、羟基胺（NH3OH）等。在一个示例中，基底可以是碳纤维12，气态组合物可以是有助于形成包括OH-离子22、H+离子和由等离子体16产生的其它离子24的等离子体16的蒸汽20。通过等离子流发生器，蒸汽20分解成氢氧离子22和氢离子26。
蒸汽20由通过喷嘴32供应蒸汽20的加热单元30产生。喷嘴32将蒸汽20引导到由等离子流发生器18产生的等离子体16中。等离子体16将水分子和蒸汽20分解成OH-离子22和H+离子26。水36在加热单元30中被加热，从而产生蒸汽20。质量流控制器38用于控制水36提供到加热单元30的速率。泵40将空气泵送到加热单元30中，从而向加热单元30提供受控水平的附加压力。
参照图2，示出了在图1中示出的表面处理机器10中进行预处理之后的碳纤维12。碳纤维12的表面被由等离子体16产生的高能离子轰击。碳纤维中的碳-碳链会部分地断开，并可以与OH-离子22再结合。OH-离子22在碳纤维表面上建立新的官能团，并与碳-碳链形成共价键。
尽管上面描述了示例性实施例，但是这些实施例并不是意图描述本发明的所有可能形式。而是，在本说明书中使用的词语是描述性而不是限制性的词语，应当理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种改变。另外，可以将各种实现实施例的特征进行组合，以形成本发明的其它实施例。

Claims (5)

1.一种处理基底的方法，所述方法包括：
提供碳纤维基底；
供应气态组合物；以及
引导等离子流发生器产生的等离子流朝向碳纤维基底穿过气态组合物以分解气态组合物来形成离子，并且所述等离子流利用高能量离子轰击碳纤维基底的表面使得碳纤维基底中的碳-碳链部分地断裂，从而使所述离子结合到碳纤维基底。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，气态组合物是分解形成氢氧离子和氢离子的蒸汽，其中，引导等离子流的步骤还包括：使氢氧离子共价结合到碳纤维基底。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，供应气态组合物的步骤还包括：
将水供应到加热单元，以形成大量蒸汽；
对蒸汽进行加压；以及
通过喷嘴喷射蒸汽。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，碳纤维基底是用于制造增强型聚合复合物的碳纤维，其中，气态组合物是蒸汽，引导等离子流的步骤将蒸汽分解成氢氧离子和氢离子，其中，在结合步骤期间，使氢氧离子结合到碳纤维基底。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，气态组合物选自于由蒸汽、甲醇、乙醇、氨和羟基胺组成的组。
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