CN104231296A - 一种深冷处理对碳纤维复合材料的改性方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种深冷处理对碳纤维复合材料的改性方法，其特征在于，具体步骤包括：将碳纤维复合材料样品放置于具有深冷介质的深冷处理设备中，将容器密闭，进行深冷处理，所述的处理温度为恒温零下100℃至零下200℃、处理时间为1小时-15小时；深冷处理后，通过程序升温进行回温或将样品从深冷处理设备中取出自然回温。由于树脂在深冷条件下具有比碳纤维更大的收缩率，使树脂与纤维的抱合压力增大，导致界面作用增强。从而提高了碳纤维复合材料的拉伸性能高、弯曲性能、层间剪切性能和耐磨性能等综合性能。本发明工艺方法简单、操作方便且无污染，具有重要的实际意义和产业化应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种对碳纤维复合材料进行深冷处理以提高其综合性能的改性方法，属于高性能纤维复合材料改性领域。
背景技术
碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成结构材料。碳纤维复合材料因其高强度(是钢铁的5倍)、出色的耐热性(可以耐受2000℃以上的高温)、出色的抗热冲击性、低热膨胀系数(变形量小)、热容量小(节能)、比重小(钢的1/5)以及优秀的抗腐蚀与辐射性能越来越受到重视，在不同领域的应用也的到拓展。但是由于碳纤维表面光滑且缺少活跃的极性基团，使其难以与树脂进行很好的粘合，导致碳纤维复合材料的界面性能较差，影响了碳纤维复合材料在相关领域的应用。
目前，碳纤维复合材料的界面改性一般采用化学方法和物理方法。化学改性是通过氧化处理、化学接枝等方法，通过给碳纤维复合材料表面添加特定的官能团来改变其性能；而物理技术一般是依靠等离子体、射线-激光处理、涂覆处理等在纤维表面通过刻蚀、活化和接枝的综合作用，改善纤维表面的物理和化学状态，增加纤维表面的自由能，进而达到提高纤维与基体之间的粘结强度的目的。
深冷处理又称超低温处理或超亚冷处理，它是常规冷处理的延伸。深冷处理工艺一般被认为是以液氮作为深冷介质，将被处理样品装在一定的容器内，不同的材料按其特定的降温曲线，控制降温速率，缓慢地将样品降到液氮温度，保温一定时间，再按升温曲线，缓慢升到室温的处理过程。这种工艺不仅主要用于黑色金属材料及其合金，有色金属材料及其合金等，能使金属工具在抗磨料磨损、抗腐蚀磨损、减少内应力以及提高材料的稳定性等方面都显示出一定程度的改善。
迄今为止，将深冷处理工艺应用于碳纤维复合材料的改性处理的研究，鲜有报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种操作简单，效果明显且无污染的碳纤维聚合物基复合材料改性方法。本发明可增加碳纤维和树脂界面粘合性能，提高碳纤维复合材料的综合性能。
为了解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案实现的：
一种深冷处理对碳纤维复合材料的改性方法，其特征在于，具体步骤包括：将碳纤维复合材料样品放置于具有深冷介质的深冷处理设备中，将容器密闭，进行深冷处理，所述的处理温度为恒温零下100℃至零下200℃、处理时间为1小时-15小时；深冷处理后，通过程序升温进行回温或将样品从深冷处理设备中取出自然回温。
优选地，所述的深冷处理采用在程序控制状态下缓慢降温，降温速度为1℃/min-20℃/min，或直接将样品放入超低温环境中迅速降温，一分钟之内使环境温度从室温将至深冷处理温度。
优选地，所述的碳纤维复合材料包括基体树脂以及设于基体树脂中用作增强体的碳纤维。
更优选地，所述的碳纤维为有机纤维基碳纤维。
更优选地，所述的碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维，沥青基碳纤维，纤维素基碳纤维，或酚醛树脂基碳纤维。
更优选地，所述的碳纤维以碳纤维短纤维，碳纤维长纤维，碳纤维无纺布，碳纤维二维织物及碳纤维三维织物形式设于基体树脂中。
更优选地，所述的基体树脂为热固性树脂或热塑性树脂。
更优选地，所述的热固性树脂为环氧树脂，不饱和聚酯树脂，聚酰亚胺树脂或热固性聚氨酯树脂。
更优选地，所述的热塑性树脂为聚丙烯，聚苯硫醚，聚氯乙烯，或聚碳酸酯。
优选地，所述的深冷介质为液氮。
所述的深冷处理等同于超低温处理或超亚冷处理，指的是将被处理对象置于特定的、可控的超低温环境中，使其材料的微观组织结构产生变化，从而达到提高或改善材料性能的一种方法。所述的超低温环境为液氮环境或其他方式得到的超低温环境。所述的深冷处理可以改善碳纤维复合材料的综合性能。所述的综合性能不仅包括碳纤维树脂的界面结合性能，还包括表面摩擦性能、弯曲性能、耐磨损性能、层间剪切性能等综合性能。
本发明所述深冷技术应用通常以液氮作为冷源，利用其相变(汽化)吸热来获得低温环境。氮气是大气中的最主要成份之一，无毒无味，因而深冷技术的应用对环境无害，属于绿色制造技术范畴。
由于树脂在深冷条件下具有比碳纤维更大的收缩率，使树脂与纤维的抱合压力增大，导致界面作用增强。从而在改善碳纤维与树脂基体的粘结性能的基础上，显著提高碳纤维复合材料的拉伸性能、弯曲性能、层间剪切性能，耐磨性能等综合性能，并且具有工艺方法简单、操作方便，无污染，处理成本低的优点，具有显著的经济效益和社会效益，拥有良好的工业应用前景。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明中经深冷处理的碳纤维复合材料具有更为优异的综合性能，可满足不同领域内的应用需求，同时提高碳纤维材料复合材料的使用寿命。
(2)本发明中经深冷处理的碳纤维复合材料弯曲性能、层间剪切能提高明显，充分挖掘了碳纤维复合材料的潜力。
(3)本发明中碳纤维复合材料经深冷处理后树脂与纤维的粘合力增强，形成了良好的粘合界面，提高了碳纤维增强复合材料的综合性能。
(4)本发明的深冷处理工艺过程及深冷处理设备结构简单，与其他改性处理工艺相比，更节约能源及生产成本，具有良好的发展前景。
(5)本发明所述深冷处理技术以液氮作为冷源，利用其相变(汽化)吸热来获得低温环境、无毒无味、环境友好，属于绿色制造技术范畴。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
一种深冷处理对碳纤维复合材料的改性方法，所述的碳纤维复合材料为碳纤维(T300)无纺布毡增强不饱和聚酯树脂复合材料，其包括基体树脂以及设于基体树脂中用作增强体的碳纤维，所述的基体树脂和碳纤维的体积比为50∶50，所述的基体树脂为不饱和聚酯，所述的碳纤维为T300，以二维非织造织物形式设于基体树脂中。所述碳纤维复合材料为自行制备，碳纤维为T300纤维，长度3厘米-6厘米，纤维单丝直径6微米；织物组织结构：针刺无纺布毡；不饱和聚酯树脂牌号：901-VP。
制备方法采用真空辅助树脂转移成型法，制备方法采用真空辅助树脂转移成型法，具体步骤：将4层碳纤维无纺布铺层放入模具内，真空辅助成型过程中，真空模具一侧的导管插入配比好的环氧树脂中，另外一侧的导管连接真空泵抽真空，辅助树脂在真空压力下通过导流管均匀的浸润织物内部缝隙，待树脂完全均匀浸润织物后，将复合材料保温固化。复合材料样品尺寸为：长30厘米，宽25厘米，厚度4毫米。
所述的改性方法的具体步骤为：将清洁的碳纤维(T300)无纺布毡增强不饱和聚酯树脂复合材料样品放置于具有深冷介质液氮的深冷处理设备(SLX-100R)中，将深冷处理设备的容器盖紧密闭，以免低温液氮泄露，影响温度控制的准确性及处理效果，设置深冷处理工艺参数如表3，在程序控制状态下缓慢降温进行深冷处理。
表1深冷处理参数表
| 降温速度(℃/分钟) | 保冷温度/℃ | 保冷时间/(h) | 回温方式 | 深冷介质 |
| 10 | -190 | 10 | 自然回温 | 液氮 |
处理完毕后，容器环境温度达到室温，将碳纤维(T300)无纺布毡增强不饱和聚酯树脂复合材料从深冷处理设备中取出，放置在室温环境中自然回温，即完成改性处理过程。经过深冷处理后，碳纤维(T300)无纺布毡增强不饱和聚酯树脂复合材料的拉伸强度提高30％-35％，弯曲强度提高30-40％，弯曲强度模量提高20-30％，层间剪切强度提高30-35％。
实施例2
一种深冷处理对碳纤维复合材料的改性方法，所述的碳纤维复合材料为二维碳纤维(T300)机织物增强环氧树脂复合材料，其包括基体树脂以及设于基体树脂中用作增强体的碳纤维，所述的基体树脂和碳纤维的重量比为55∶45，所述的基体树脂为环氧树脂，所述的碳纤维为T300，以碳纤维二维织物形式设于基体树脂中。所述碳纤维复合材料为自行制备，碳纤维织物参数：经纬纱规格均为12K的T300纤维，经纬密度5根/厘米，织物组织结构：二维平纹织物；环氧树脂牌号：JL-235。制备方法采用真空辅助树脂转移成型法，具体步骤与实施例1相同。复合材料样品尺寸为：长30厘米，宽25厘米，厚度4毫米。
所述的改性方法的具体步骤为：将清洁的二维碳纤维(T300)机织物增强环氧树脂复合材料样品放置于具有深冷介质液氮的深冷处理设备(SLX-100R)中，将深冷处理设备的容器盖紧密闭，以免低温液氮泄露，影响温度控制的准确性及处理效果，设置深冷处理工艺参数如表2，在程序控制状态下缓慢降温进行深冷处理。
表2深冷处理参数表
处理完毕后，容器环境温度达到室温，将二维碳纤维(T300)机织物增强环氧树脂复合材料从深冷处理设备中取出，放置在室温环境中自然回温，即完成改性处理过程。经过深冷处理后，二维碳纤维(T300)机织物增强环氧树脂复合材料的弯曲强度提高5-10％，弯曲强度模量提高10-15％，层间剪切强度提高10％-15％。
实施例3
一种深冷处理对碳纤维复合材料的改性方法，所述的碳纤维复合材料为二维碳纤维(T700)机织物增强环氧树脂复合材料，其包括基体树脂以及设于基体树脂中用作增强体的碳纤维，所述的基体树脂和碳纤维的体积比为55∶45。所述的基体树脂为环氧树脂，所述的碳纤维为T700，以碳纤维二维织物形式设于基体树脂中。所述碳纤维复合材料为自行制备，碳纤维织物参数：经纬纱粗细均为12K的T700纤维(型号：T700SC-12000-50C)，经纬密度5根/厘米，织物组织结构：二维平纹织物；环氧树脂牌号：JL-235。制备方法采用真空辅助树脂转移成型法，具体步骤如实例1所述。复合材料样品尺寸为：长30厘米，宽25厘米，厚度4毫米。
所述的改性方法的具体步骤为：将清洁的二维碳纤维(T700)机织物增强环氧树脂复合材料样品放置于具有深冷介质液氮的深冷处理设备(SLX-100R)中，将深冷处理设备的容器盖紧密闭，以免低温液氮泄露，影响温度控制的准确性及处理效果，设置深冷处理工艺参数如表3，在程序控制状态下缓慢降温进行深冷处理；深冷处理后，通过程序升温进行回温。
表3深冷处理参数表
处理完毕后，容器环境温度达到室温，将二维碳纤维(T700)机织物增强环氧树脂复合材料取出，即完成改性处理过程。经过深冷处理后，二维碳纤维(T700)机织物增强环氧树脂复合材料弯曲强度提高20-30％，弯曲强度模量提高10-15％，层间剪切强度提高20-30％。
实施例4
一种深冷处理对碳纤维复合材料的改性方法，所述的碳纤维复合材料为二维碳纤维(T700)机织物增强不饱和聚酯树脂复合材料，其包括基体树脂以及设于基体树脂中用作增强体的碳纤维，所述的基体树脂和碳纤维的重量比为55∶45，所述的基体树脂为不饱和聚酯，所述的碳纤维为T700，以碳纤维二维织物形式设于基体树脂中。所述碳纤维复合材料为自行制备，碳纤维织物参数：经纬纱粗细均为12K的T700纤维(型号：T700SC-12000-50C)，经纬密度5根/厘米，织物组织结构：二维平纹织物；不饱和聚酯树脂牌号：901-VP。制备方法采用真空辅助树脂转移成型法，具体步骤与实施例1相同。复合材料样品尺寸为：长30厘米，宽25厘米，厚度4毫米。
所述的改性方法的具体步骤为：将清洁的二维碳纤维(T700)机织物增强不饱和聚酯树脂复合材料样品放置于具有深冷介质液氮的深冷处理设备(SLX-100R)中，将深冷处理设备的容器盖紧密闭，以免低温液氮泄露，影响温度控制的准确性及处理效果，设置深冷处理工艺参数如表4，在程序控制状态下缓慢降温进行深冷处理；深冷处理后，通过程序升温进行回温，深冷处理后，通过程序升温进行回温。
表4深冷处理参数表
处理完毕后，容器环境温度达到室温，将二维碳纤维(T700)机织物增强不饱和聚酯树脂复合材料从深冷处理设备中取出，即完成改性处理过程。经过深冷处理后，二维碳纤维(T700)机织物增强不饱和聚酯树脂复合材料的弯曲强度提高15-25％，弯曲模量提高10-15％，层间剪切强度提高15-25％。
Claims (10)
1.一种深冷处理对碳纤维复合材料的改性方法，其特征在于，具体步骤包括：将碳纤维复合材料样品放置于具有深冷介质的深冷处理设备中，将容器密闭，进行深冷处理，所述的处理温度为恒温零下100℃至零下200℃、处理时间为1小时-15小时；深冷处理后，通过程序升温进行回温或将样品从深冷处理设备中取出自然回温。
2.如权利要求1所述的深冷处理对碳纤维复合材料的改性方法，其特征在于，所述的深冷处理采用在程序控制状态下缓慢降温，降温速度为1℃/min-20℃/min，或直接将样品放入超低温环境中迅速降温，一分钟之内使环境温度降到液氮温度。
3.如权利要求1所述的深冷处理对碳纤维复合材料的改性方法，其特征在于，所述的碳纤维复合材料包括基体树脂以及设于基体树脂中用作增强体的碳纤维。
4.如权利要求3所述的深冷处理对碳纤维复合材料的改性方法，其特征在于，所述的碳纤维为有机纤维基碳纤维。
5.如权利要求3所述的深冷处理对碳纤维复合材料的改性方法，其特征在于，所述的碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维，沥青基碳纤维，纤维素基碳纤维，或酚醛树脂基碳纤维。
6.如权利要求3所述的深冷处理对碳纤维复合材料的改性方法，其特征在于，所述的碳纤维以碳纤维短纤维，碳纤维长纤维，碳纤维无纺布，碳纤维二维织物及碳纤维三维织物形式设于基体树脂中。
7.如权利要求3所述的深冷处理对碳纤维复合材料的改性方法，其特征在于，所述的基体树脂为热固性树脂或热塑性树脂。
8.如权利要求7所述的深冷处理对碳纤维复合材料的改性方法，其特征在于，所述的热固性树脂为环氧树脂，不饱和聚酯树脂，聚酰亚胺树脂或热固性聚氨酯树脂。
9.如权利要求7所述的深冷处理对碳纤维复合材料的改性方法，其特征在于，所述的热塑性树脂为聚丙烯，聚苯硫醚，聚氯乙烯，或聚碳酸酯。
10.如权利要求1所述的深冷处理对碳纤维复合材料的改性方法，其特征在于， 所述的深冷介质为液氮。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20141224 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |