CN106319924A - 一种中高强度碳纤维的表面处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种中高强度碳纤维的表面处理方法，包括以下步骤：1)将含碳质量比高于90％的中高强度碳纤维用丙烯酸进行浸泡处理30s～120s，然后用去离子水冲洗干净；2)将步骤1)冲洗干净后的中高强度碳纤维引入连续化电化学处理设备中，以石墨板、不锈钢板、铜板或镍板作为阴极，用弱碱性电解液进行电化学氧化处理，处理温度为20～60℃，控制施加电流密度0.1～10mA/cm2，处理20～240s，随后水洗、干燥、上浆、收卷制得。该处理方法不仅能够提高碳纤维的拉伸强度与剪切强度，而且不会损伤碳纤维本体的抗张强度。

Description

一种中高强度碳纤维的表面处理方法
技术领域
本发明属于碳纤维处理技术领域，具体涉及一种中高强度碳纤维的表面处理方法。
背景技术
碳纤维是含碳量大于90％的纤维状炭材料。它具有高拉伸强度、高拉伸模量、低密度、耐高温、抗烧蚀、耐腐蚀、高电导和热导、低热膨胀自润滑和生物相容性好等优良性能，是理想的耐烧蚀、结构和功能性复合材料组元。目前，碳纤维及其复合材料主要应用于宇航、航空、原子能等尖端科技工业以及体育器材的制造等方面。作为复合材料的增强体，碳纤维本体强度以及其与基体材料之间的界面作用是制备优质复合材料的关键所在。具有高强度的碳纤维比表面积小，表面为憎液性，致使碳纤维与树脂基体间的结合能力差。通过各种表面处理手段，如空气氧化、液相氧化、气液双效、等离子体氧化和电化学氧化等方法可以改善碳纤维表面性能，提高其与树脂基体的粘结强度，但碳纤维本体的抗张强度同时也会受到损伤。
在各种表面处理方法中，电化学氧化方法因其拥有可连续生产、简单易操作、处理条件温和易于控制等特点，已在工业上得到广泛应用，但其同样存在以损伤碳纤维本征抗张强度为代价提高碳纤维表面性能的弊端。碳纤维抗张强度的降低主要源于表面处理过程中深度氧化刻蚀作用在碳纤维表面引入了新的缺陷。这些缺陷来自于外层有序晶体层剥落后露出的内部无序结构在纤维本体上增加的薄弱点。针对碳纤维表面处理过程抗张强度降低的成因，我们通过适度刻蚀作用对碳纤维表面缺陷进行修饰；并通过适当的电化学处理在碳纤维上产生细晶化作用，减小晶粒尺寸，产生大量新生晶界，阻止裂纹的扩展；达到同时提高碳纤维本征抗张强度和层间剪切强度的目的。
目前以改善碳纤维表面结构提高抗张强度为目的研究极少，更鲜有以电化学氧化方法同时提高碳纤维本征抗张强度及其复合材料层间剪切强度的报道。
发明内容
本发明提出一种中高强度碳纤维的表面处理方法，该处理方法不仅能够提高碳纤维的拉伸强度与剪切强度，而且不会损伤碳纤维本体的抗张强度。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种中高强度碳纤维的表面处理方法，包括以下步骤：
1)将含碳质量比高于90％的中高强度碳纤维用丙烯酸进行浸泡处理30s～120s，然后用去离子水冲洗干净；
2)将步骤1)冲洗干净后的中高强度碳纤维引入连续化电化学处理设备中，以石墨板、不锈钢板、铜板或镍板作为阴极，用弱碱性电解液进行电化学氧化处理，处理温度为20～60℃，控制施加电流密度0.1～10mA/cm2，处理20～240s，随后水洗、干燥、上浆、收卷制得。
进一步，所述弱碱性电解液的配方为：0.01～1mol/L的草酸铵、0.04～0.4mol/L柠檬酸以及0.01～0.8mol/L柠檬酸钠，溶剂为水。
进一步，中高强度碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维或沥青基碳纤维。
进一步，所述中高强度碳纤维为强度大于2.5Gpa的碳纤维。
进一步，步骤2)施加电流密度为1～4mA/cm2。
进一步，所述步骤2)电化学氧化处理时间为60～120s。
本发明的有益效果：
1、本发明先用丙烯酸溶液对中高强度碳纤维进行浸泡处理，不仅能够去除碳纤维表面的杂质，而且能够活化其表面的基团，通过大量实验发现丙烯酸处理时间不能够超过120s，否则后续的连续化电化学处理会引起碳纤维本体的抗张强度的损伤。
2、电化学氧化处理的电解液选用柠檬酸-柠檬酸钠与草酸铵组成的电解液，不仅能够很好的与丙烯酸处理过的碳纤维产生协同配合作用，而且避免之前单独使用草酸铵作为电解液带来的碳纤维本体的损伤。
具体实施方式
以下各例均使用含碳质量比＞90％，抗张强度3.25Gpa，层间剪切强度为73.0Mpa的聚丙烯腈碳纤维为未改性碳纤维。但本发明不局限在此碳纤维。
比较实施例1
将碳纤维通过盛有30℃，0.5mol/l草酸铵水溶液的电化学处理槽，通过时间为100s，不施加电流，随后在室温下清洗，100℃干燥，上胶、收取制品。
实施例1
将含碳质量比高于90％的中高强度碳纤维用丙烯酸进行浸泡处理30s，然后用去离子水冲洗干净；将冲洗干净后的中高强度碳纤维引入连续化电化学处理设备中，以石墨板作为阴极，用弱碱性电解液进行电化学氧化处理，处理温度为25℃，控制施加电流密度0.4mA/cm2，处理30s，随后水洗、干燥、上浆、收卷制得。其中，弱碱性电解液的配方为：0.2mol/L的草酸铵、0.06mol/L柠檬酸以及0.12mol/L柠檬酸钠，溶剂为水。
实施例2
将含碳质量比高于90％的中高强度碳纤维用丙烯酸进行浸泡处理60s，然后用去离子水冲洗干净；将冲洗干净后的中高强度碳纤维引入连续化电化学处理设备中，以镍板作为阴极，用弱碱性电解液进行电化学氧化处理，处理温度为35℃，控制施加电流密度1.6mA/cm2，处理80s，随后水洗、干燥、上浆、收卷制得。其中，弱碱性电解液的配方为：0.4mol/L的草酸铵、0.2mol/L柠檬酸以及0.4mol/L柠檬酸钠，溶剂为水。
实施例3
将含碳质量比高于90％的中高强度碳纤维用丙烯酸进行浸泡处理90s，然后用去离子水冲洗干净；将冲洗干净后的中高强度碳纤维引入连续化电化学处理设备中，以镍板作为阴极，用弱碱性电解液进行电化学氧化处理，处理温度为50℃，控制施加电流密度6mA/cm2，处理100s，随后水洗、干燥、上浆、收卷制得。其中，弱碱性电解液的配方为：0.8mol/L的草酸铵、0.3mol/L柠檬酸以及0.6mol/L柠檬酸钠，溶剂为水。
实施例4
将含碳质量比高于90％的中高强度碳纤维用丙烯酸进行浸泡处理120s，然后用去离子水冲洗干净；将冲洗干净后的中高强度碳纤维引入连续化电化学处理设备中，以镍板作为阴极，用弱碱性电解液进行电化学氧化处理，处理温度为60℃，控制施加电流密度8mA/cm2，处理120s，随后水洗、干燥、上浆、收卷制得。其中，弱碱性电解液的配方为：1mol/L的草酸铵、0.4mol/L柠檬酸以及0.8mol/L柠檬酸钠，溶剂为水。
实施例5
将对实施例1、实施例1-5改性后的碳纤维根据GB3362-2005测试碳纤维本体抗拉强度，根据GB3357-82测试碳纤维及复合材料层间剪切强度，结果如下：
对比实施例1的拉伸强度为3.23GPa，层间剪切强度为74.8MPa；
实施例1的拉伸强度为4.45GPa，层间剪切强度为85.6MPa；
实施例2的拉伸强度为4.57GPa，层间剪切强度为87.4MPa；
实施例3的拉伸强度为4.85GPa，层间剪切强度为90.5MPa；
实施例4的拉伸强度为5.01GPa，层间剪切强度为91.4MPa。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种中高强度碳纤维的表面处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将含碳质量比高于90％的中高强度碳纤维用丙烯酸进行浸泡处理30s～120s，然后用去离子水冲洗干净；
2)将步骤1)冲洗干净后的中高强度碳纤维引入连续化电化学处理设备中，以石墨板、不锈钢板、铜板或镍板作为阴极，用弱碱性电解液进行电化学氧化处理，处理温度为20～60℃，控制施加电流密度0.1～10mA/cm2，处理20～240s，随后水洗、干燥、上浆、收卷制得。
2.根据权利要求1所述的中高强度碳纤维的表面处理方法，其特征在于，所述弱碱性电解液的配方为：0.01～1mol/L的草酸铵、0.04～0.4mol/L柠檬酸以及0.01～0.8mol/L柠檬酸钠，溶剂为水。
3.根据权利要求2所述的中高强度碳纤维的表面处理方法，其特征在于，中高强度碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维或沥青基碳纤维。
4.根据权利要求1或2所述的中高强度碳纤维的表面处理方法，其特征在于，所述中高强度碳纤维为强度大于2.5Gpa的碳纤维。
5.根据权利要求1或2所述的中高强度碳纤维的表面处理方法，其特征在于，步骤2)施加电流密度为1～4mA/cm2。
6.根据权利要求1或2所述的中高强度碳纤维的表面处理方法，其特征在于，所述步骤2)电化学氧化处理时间为60～120s。
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