CN105699377A - 一种碳纤维径向结构的表征方法 - Google Patents

一种碳纤维径向结构的表征方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105699377A
CN105699377A CN201610042167.3A CN201610042167A CN105699377A CN 105699377 A CN105699377 A CN 105699377A CN 201610042167 A CN201610042167 A CN 201610042167A CN 105699377 A CN105699377 A CN 105699377A
Authority
CN
China
Prior art keywords
carbon fiber
radial structure
sulfuric acid
described step
potassium permanganate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201610042167.3A
Other languages
English (en)
Inventor
刘仁虎
王雪飞
张永刚
钱鑫
李德宏
杨建行
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Original Assignee
Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS filed Critical Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Priority to CN201610042167.3A priority Critical patent/CN105699377A/zh
Publication of CN105699377A publication Critical patent/CN105699377A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/28—Preparing specimens for investigation including physical details of (bio-)chemical methods covered elsewhere, e.g. G01N33/50, C12Q
    • G01N1/32—Polishing; Etching
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N2021/8444—Fibrous material

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Chemical Or Physical Treatment Of Fibers (AREA)

Abstract

本发明涉及一种碳纤维径向结构的表征方法，包括如下步骤：1)通过显微镜测得待测碳纤维的直径，并测定其体密度；2)将待测碳纤维置于刻蚀液中，以碳纤维为阳极，石墨为阴极，经电流处理，进行刻蚀；3)经刻蚀后的样品进行清洗、干燥，再次测定待测碳纤维的直径以及内层的体密度。该方法将碳纤维置于刻蚀液中电流处理，操作简便，制样方法简单，样本数量多，测试时间短，成本低。

Description

一种碳纤维径向结构的表征方法
技术领域
本发明涉及碳纤维的表征领域，具体涉及一种碳纤维径向结构的表征方法。
背景技术
碳纤维具有高拉伸强度、高拉伸模量、耐高温、耐化学腐蚀、导电性好等优异性能，被广泛应用于航空航天、汽车制造、风力发电、高档体育器材等领域。
用于碳纤维制备的先驱体纤维自身存在径向结构差异，而且这种差异会在高温热处理过程中加剧。最终形成的碳纤维结构中表层为有序性较好的石墨结构，内层石墨结构有序性较差。由于碳纤维力学性能与其结构密切相关，有序的石墨结构会使碳纤维具有较高的拉伸模量和强度。因此，针对碳纤维径向结构的表征成为碳纤维材料的表征评价重点。传统的透射电镜能够观察到碳纤维径向结构的差异，但是用于电镜评价样品的制备非常困难，而且很难区分皮层与芯层，也不能实现沿直径方向的逐步评价。拉曼光谱的径向结构评价也能够提供纤维在直径上的结构差异，但是其石墨特征结构主要针对具有非常规整结构的碳纤维，主要针对超高温热处理的碳纤维(温度高于2000℃)，不能很好适用于1800℃下处理获得的碳纤维。此外，研究碳纤维径向结构方法还可用物理摩擦将纤维内层裸露出来再进行表征分析，但该方法不仅操作十分复杂，而且因为碳纤维直径只有微米级，所需样品较难得到，且存在随机性，只能从众多纤维单丝样品中选择合适单丝样品进行评价拉曼光谱评价，仍无法获知检测点在纤维中的深度。
中国发明专利(公开号CN105021621A)公开一种石墨烯的表征方法，至少包括以下步骤：提供一形成于衬底上的石墨烯，将所述石墨烯连同其下的衬底一起放入腐蚀性溶液中浸泡预设时间，然后取出所述石墨烯及所述衬底，将所述衬底放置于显微镜下，观测所述衬底上石墨烯的表面形貌，并根据所述石墨烯下方所述衬底的腐蚀程度判断所述石墨烯表面的破损情况。上述发明中需要使用衬底，实验过程比较复杂；并且仅使用腐蚀性溶液浸泡反应过慢，耗时过长。
因此，本领域急需操作简便、制样方法简单、耗时短、成本低，不易受外界干扰的碳纤维径向结构的测定方法。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种碳纤维径向结构的表征方法。
为了解决上述技术问题，本发明所提供的技术方案为：一种碳纤维径向结构的表征方法，包括如下步骤：
1)通过显微镜测得待测碳纤维的直径，并测定其体密度；
2)将待测碳纤维置于刻蚀液中，以碳纤维为阳极，石墨为阴极，经电流处理，进行刻蚀；
3)经刻蚀后的样品进行清洗、干燥，再次测定待测碳纤维的直径以及内层的体密度。
上述技术方案中，将待测碳纤维置于刻蚀液中，并经电流处理，能够高效的刻蚀掉碳纤维的表层，通过测定体密度可知表层已被刻蚀。其次，通过调节电流密度、刻蚀液种类、刻蚀液浓度以及处理时间，可以对碳纤维进行不同深度的径向刻蚀，然后对碳纤维的径向结构进行表征。上述技术方案，实验过程简单，在电流作用下，刻蚀液刻蚀效率提高，刻蚀时间缩短。
作为优选，所述的步骤2)中电流密度为0.1～40A/m2。作为进一步优选，所述的步骤2)中处理时间为5min～2h。上述的电流密度和处理时间能够加快碳纤维在刻蚀液中的刻蚀，不仅改变了无电流时，刻蚀液基本对碳纤维无刻蚀的现象，而且提高电流密度、刻蚀液浓度或是增加处理时间都能尽快获得内层碳纤维。
作为优选，所述的步骤2)中刻蚀液为硫酸溶液、高锰酸钾溶液、高锰酸钾与硫酸混合溶液、高锰酸钾与磷酸混合溶液、或者高锰酸钾、硫酸与磷酸三者混合溶液。作为进一步优选，所述的步骤2)中刻蚀液为高锰酸钾溶液(质量分数0.5～5wt％)、高锰酸钾与硫酸混合溶液(硫酸浓度10～98％，高锰酸钾质量分数0.5～5wt％)、高锰酸钾与磷酸混合溶液(磷酸浓度5～80％，高锰酸钾质量分数0.5～5wt％)、或者高锰酸钾、硫酸与磷酸(硫酸浓度10～98％，磷酸浓度5～80％，高锰酸钾质量分数0.5～5wt％)三者混合溶液。上述刻蚀液配合电流处理，都能够高效得对碳纤维的表层进行刻蚀，提高刻蚀的效率。
作为进一步优选，所述的步骤2)中刻蚀液为硫酸溶液，硫酸溶液的质量分数为10～98％。
作为优选，所述的步骤2)中干燥的温度为80～300℃，干燥的时间为10min以上。合适的干燥温度与时间，使得后续的表征更加的精确，减少干扰因素。
作为进一步优选，所述的步骤2)中干燥的温度为100～120℃，干燥的时间为30～60min。
作为进一步优选，所述的步骤2)中电流密度为6～32A/m2，处理时间为10～50min；所述的刻蚀液为硫酸溶液，硫酸溶液的质量分数为15％～50％。上述的技术方案中，通过电流密度、处理时间以及刻蚀液组成、浓度相互辅助配合，能够使得待测碳纤维的表层易于被刻蚀；并且通过调节这些参数，来进一步控制刻蚀的径向深度，使得表征更加的方便精确。
同现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
(1)操作简便，制样方法简单，样本数量多，测试时间短，成本低。
(2)原料适用范围广，碳纤维材料的体密度范围一般为1.6～1.93g/cm3。
(3)测试结果较为直观，可获得碳纤维直径变化以及碳纤维沿直径方向的径向结构差异。
具体实施方式
径向结构
本文所用的术语“径向结构”指碳纤维在制备过程中由外而内形成的渐变结构。
碳纤维
本文所用的术语“碳纤维”指碳纤维制备过程中，高温碳化阶段产生的纤维，也包括低温碳化阶段和超高温碳化阶段产生的纤维，体密度范围一般为1.6～1.93g/cm3。
刻蚀液
本文所用的术语“刻蚀液”指能在电流作用下用于逐渐刻蚀碳纤维外层，从而逐步裸露纤维内层的溶液。
实施例1：
碳纤维密度为1.768g/cm3，硫酸溶液浓度40wt％，电流大小为13和26A/m2时，处理时间15分钟，刻蚀后直径分别为纤维原直径的87％和78％，纤维体密度分别是1.755g/cm3和1.736g/cm3。
实施例2：
碳纤维密度为1.854g/cm3，硫酸溶液浓度50wt％，电流大小为22和26A/m2时，处理时间50分钟，刻蚀后直径分别为纤维原直径的78％和69％，纤维体密度分别是1.816g/cm3和1.802g/cm3。
实施例3：
碳纤维密度为1.768g/cm3，硫酸溶液浓度17wt％，电流大小为2、4和6A/m2时，处理时间40分钟，刻蚀后直径分别为纤维原直径的91％、90％和85％，纤维体密度分别是1.759g/cm3、1.758g/cm3和1.749g/cm3。
实施例4：
碳纤维密度为1.768g/cm3，硫酸溶液浓度30wt％，电流大小为7、14和21A/m2时，处理时间15分钟，刻蚀后直径分别为纤维原直径的91％、90％和85％，纤维体密度分别是1.759g/cm3、1.758g/cm3和1.749g/cm3。
实施例5：
碳纤维密度为1.768g/cm3，硫酸溶液浓度50wt％，电流大小为13、19和26A/m2时，处理时间15分钟，刻蚀后直径分别为纤维原直径的87％、83％和78％，纤维体密度分别是1.755g/cm3、1.743g/cm3和1.736g/cm3。
实施例6：
碳纤维密度为1.668g/cm3，硫酸溶液浓度40wt％，电流大小为26和32A/m2时，处理时间15分钟，刻蚀后直径分别为纤维原直径的89％和83％，纤维体密度分别是1.657g/cm3和1.652g/cm3。
从实施例1-6的测定结果可以看出，1.6～1.93g/cm3体密度范围内的碳纤维经过硫酸在电流密度下处理后，均不同程度地显示出结构差异。要达到快速测定则可适当提高硫酸浓度和电流密度，从而缩短刻蚀时间。
实施例7：
重复实施例1-6，不同之处在于采用的刻蚀液是高锰酸钾溶液(质量分数3wt％)、高锰酸钾与硫酸混合溶液(硫酸浓度40％，高锰酸钾质量分数3wt％)、高锰酸钾与磷酸混合溶液(磷酸浓度50％，高锰酸钾质量分数3wt％)，或者，高锰酸钾、硫酸与磷酸(硫酸浓度40％，磷酸浓度50％，高锰酸钾质量分数3wt％)三者混合溶液。
实验结果表明，利用高锰酸钾溶液、高锰酸钾与硫酸混合溶液、高锰酸钾与磷酸混合溶液，或者，高锰酸钾、硫酸与磷酸三者混合溶液都能观察到纤维直径的减小，从而能够测得碳纤维体密度随直径的变化。从而证明，本发明的方法可利用本领域技术人员已知的各种刻蚀液，只要所述刻蚀液能够在电流作用下将纤维表面逐渐剥离，获得直径的变化，就能获得碳纤维径向结构随直径的变化。
对比例
重复实施例1-6，不同之处在于刻蚀时没有电流。
得到的结果表明，在没有电流情况下，在硫酸中浸泡15分钟，直径基本没有降低；延长硫酸浸泡时间，也不能使直径和体密度出现明显变化。因此，必须有电流的情况下，才能获得直径或是结构上的差异。
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。

Claims (8)

1.一种碳纤维径向结构的表征方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)通过显微镜测得待测碳纤维的直径，并测定其体密度；
2)将待测碳纤维置于刻蚀液中，以碳纤维为阳极，石墨为阴极，经电流处理，进行刻蚀；
3)经刻蚀后的样品进行清洗、干燥，再次测定待测碳纤维的直径以及内层的体密度。
2.根据权利要求1所述的碳纤维径向结构的表征方法，其特征在于，所述的步骤2)中电流密度为0.1～40A/m2。
3.根据权利要求2所述的碳纤维径向结构的表征方法，其特征在于，所述的步骤2)中处理时间为5min～2h。
4.根据权利要求1所述的碳纤维径向结构的表征方法，其特征在于，所述的步骤2)中刻蚀液为硫酸溶液、高锰酸钾溶液、高锰酸钾与硫酸混合溶液、高锰酸钾与磷酸混合溶液、或者高锰酸钾、硫酸与磷酸三者混合溶液。
5.根据权利要求4所述的碳纤维径向结构的表征方法，其特征在于，所述的步骤2)中刻蚀液为硫酸溶液，硫酸溶液的质量分数为10％～98％。
6.根据权利要求1所述的碳纤维径向结构的表征方法，其特征在于，所述的步骤2)中干燥的温度为80～300℃，干燥的时间为10min以上。
7.根据权利要求6所述的碳纤维径向结构的表征方法，其特征在于，所述的步骤2)中干燥的温度为100～120℃，干燥的时间为30～60min。
8.根据权利要求1所述的碳纤维径向结构的表征方法，其特征在于，所述的步骤2)中电流密度为6～32A/m2，处理时间为10～50min；所述的刻蚀液为硫酸溶液，硫酸溶液的质量分数为15％～50％。
CN201610042167.3A 2016-01-21 2016-01-21 一种碳纤维径向结构的表征方法 Pending CN105699377A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610042167.3A CN105699377A (zh) 2016-01-21 2016-01-21 一种碳纤维径向结构的表征方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610042167.3A CN105699377A (zh) 2016-01-21 2016-01-21 一种碳纤维径向结构的表征方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN105699377A true CN105699377A (zh) 2016-06-22

Family

ID=56228406

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610042167.3A Pending CN105699377A (zh) 2016-01-21 2016-01-21 一种碳纤维径向结构的表征方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105699377A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106932443A (zh) * 2017-03-29 2017-07-07 哈尔滨工业大学 一种基于等离子体刻蚀技术的碳纤维径向结构与性能的研究方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101167649A (zh) * 2007-11-27 2008-04-30 扬州大学 纳米碳电极的一种制备方法
CN105021621A (zh) * 2014-04-30 2015-11-04 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种石墨烯的表征方法
CN105063994A (zh) * 2015-08-20 2015-11-18 北京化工大学 一种碳纤维的表面处理方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101167649A (zh) * 2007-11-27 2008-04-30 扬州大学 纳米碳电极的一种制备方法
CN105021621A (zh) * 2014-04-30 2015-11-04 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种石墨烯的表征方法
CN105063994A (zh) * 2015-08-20 2015-11-18 北京化工大学 一种碳纤维的表面处理方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
王经武: "《塑料改性技术》", 28 February 2004, 化学工业出版社 *
童忠良: "《新型功能复合材料制备新技术》", 31 October 2010, 化学工业出版社 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106932443A (zh) * 2017-03-29 2017-07-07 哈尔滨工业大学 一种基于等离子体刻蚀技术的碳纤维径向结构与性能的研究方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Vautard et al. Influence of surface defects on the tensile strength of carbon fibers
Ehlert et al. Carboxyl functionalization of carbon fibers through a grafting reaction that preserves fiber tensile strength
CN102879346B (zh) 聚合物树脂中金属元素含量的测定方法
CN108793127B (zh) 一种可批量生产石墨烯无纺布的生产工艺
Meng et al. The effect of oxidation treatment by KClO3/H2SO4 system on intersurface performance of carbon fibers
CN104211058A (zh) 一种由导电聚合物聚苯胺制备石墨烯的方法
CN107532341A (zh) 碳纤维及碳纤维的制造方法
CN109205595A (zh) 高导电柔性石墨烯管及其制备方法
CN102135486A (zh) 一种聚丙烯腈基原丝纺丝凝固浴浓度快速检测方法
Kaur et al. Unraveling the dependency on multiple passes in laser-induced graphene electrodes for supercapacitor and H2O2 sensing
CN108309307A (zh) 打印三维石墨烯弹性体多维度运动可穿戴传感器
Sun et al. Stripping mechanism of PAN-based carbon fiber during anodic oxidation in NaOH electrolyte
CN103575754A (zh) 一种碳纤维预氧丝皮芯结构的测定方法
CN105699377A (zh) 一种碳纤维径向结构的表征方法
CN109023592A (zh) 一种高拉伸强度高拉伸模量碳纤维及其制备方法
ŚLOSARCZYK et al. Thermal and electrical characterization of the carbon nanofibers based cement composites
CN111809388B (zh) 一种石墨烯锰铁氧体涂层织物的制备方法及其应用
Toyoda et al. Exfoliation of nitric acid intercalated carbon fibers: effects of heat-treatment temperature of pristine carbon fibers and electrolyte concentration on the exfoliation behavior
CN102766271B (zh) 一种利用氧化溶液对丁腈橡胶表面化学改性的方法
CN104179001A (zh) 一种表面经过湿法化学改性的碳布的制备方法
CN106596614A (zh) 一种聚丙烯腈预氧化纤维皮芯结构的检测方法
CN110277557A (zh) 多元素掺杂、高比表面积、纤维状生物碳材料的制备方法与储钠性能
Choi et al. A novel concentration detection method of hydrogen peroxide using microwave cavity perturbation technique
CN109468712A (zh) 高模量碳纤维及调控热稳定化纤维氧环结构制备高模量碳纤维的方法
CN108862250A (zh) 一种氮掺杂石墨烯的制备方法

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: 20160622

RJ01 Rejection of invention patent application after publication