CN106906646A - 一种碳纤维表面金属化处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于非金属材料表面处理技术领域，具体涉及一种碳纤维表面金属化处理方法。本方法为，碳纤维先经过表面除胶、粗化处理、敏化处理和活化处理，再进行预镀，预镀液为镍金属盐、醋酸钠、酒石酸钾钠、次亚磷酸钠的混合液，最后进行化学镀，化学镀液为镍金属盐、醋酸钠、柠檬酸钠、次亚磷酸盐的混合液。本发明解决了现有碳纤维表面金属化处理方法存在实验条件苛刻，操作复杂及需设备要求较高的问题，其工艺路线简单，原料易得，生产成本低，无污染。
Description
技术领域
本发明属于非金属材料表面处理技术领域，具体涉及一种碳纤维表面金属化处理方法。
背景技术
作为一种新型非金属材料，碳纤维的应用遍及航天航空，建筑，消防，文体等各个方面。碳纤维是一种具有高强度，高模量的材料，但碳纤维浸润性差，与基体复合时界面结合强度较弱，所以需要在碳纤维表面包覆上一层能与基体金属很好结合，甚至能发生化学反应产生化学性质稳定的结合物的“媒介”物质。
当前，对碳纤维的表面金属化处理方法比较多，常见的有电镀、气相沉积、热喷涂技术等。气相沉积是指反应物在气态条件下发生化学反应，生产固态物质沉积在基体表面的工艺。但气相沉积法生产条件较难控制且对设备要求较高。电镀是利用电解原理在某些金属表面上镀上一薄层其它金属或合金的过程，但电镀成本较高，不适合批量生产。且气相沉积与电镀目前大多对中短纤维进行表面金属化处理。而热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热至溶化或半溶化状态，并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法，热喷涂技术虽然操作简单，操作灵活，但其工艺对工件尺寸要求较高，只适宜大型构件表面处理。
发明内容
本发明的目的在于提供一种碳纤维表面金属化处理方法，解决了现有碳纤维表面金属化处理方法存在实验条件苛刻，操作复杂及需设备要求较高的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种碳纤维表面金属化处理方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，预处理
步骤1.1表面除胶：将碳纤维进行高温灼烧，灼烧温度为400～500℃，时间30～50min；
步骤1.2粗化处理：将除胶后的碳纤维浸入20～30wt％的硝酸溶液煮沸，时间30～50min；
步骤1.3敏化处理：将粗化后的碳纤维浸入氯化亚锡敏化液中进行敏化5～10 min，其中，氯化亚锡敏化液成分为氯化亚锡、盐酸和锡，用量：氯化亚锡：10～20g/L，盐酸：30～40g/L，锡：3～5g/L；
步骤1.4活化处理：将敏化后的碳纤维浸入氯化钯活化液中活化3～8 min，氯化钯活化液由氯化钯和盐酸混合而成，其用量为：氯化钯：0.1～0.5g/L，盐酸：20～35ml/L，即得到预处理的碳纤维；
步骤2，预镀
将步骤1得到预处理的碳纤维在预镀液中进行预镀，预镀液为镍金属盐、醋酸钠、酒石酸钾钠和次亚磷酸钠的混合液，用量为：镍金属盐：20～40g/L，醋酸钠：10～30g/L，酒石酸钾钠：1～3mg/L，次亚磷酸钠：10～30g/L，调节预镀液的pH为4～6，温度为60～80℃，预镀时间为5～10min；
步骤3，化学镀
将步骤2所得的预镀后的碳纤维进行化学镀，化学镀液为镍金属盐、醋酸钠、柠檬酸钠、次亚磷酸盐和稳定剂的混合液，用量为：镍金属盐：30～50g/L，醋酸钠：20～40g/L，柠檬酸钠：30～60g/L，次亚磷酸盐：30～50g/L，稳定剂：0.01～1mg/L，调节镀液的pH为5～8，温度为60～80℃，化学镀时间为30～50min，最终制得表面有金属镀层的碳纤维。
本发明的特点还在于，
步骤3化学镀液中的镍金属盐可以为硫酸镍，氯化镍中任一种。
步骤3化学镀液中次亚磷酸盐为次亚磷酸钠或次亚磷酸钾中任一种。
步骤3化学镀液中稳定剂为酒石酸钠钾、硫代硫酸钠中任一种，或其两者任意比例的混合液。
步骤3化学镀液中调节镀液pH采用氨水、乳酸中任一种，或二者任意比例的混合液。
本发明的有益效果在于：
1）本发明一种碳纤维表面金属化处理方法，先对碳纤维进行预处理，使得碳纤维表面在粗化、敏化和活化后，碳纤维表面粗糙度增大，增强了碳纤维与表面金属之间界面粘结状况；
2）本发明一种碳纤维表面金属化处理方法，经预处理后采用预镀和化学镀，碳纤维表面在活化过程中表面吸附一层具有催化活性的贵金属钯微粒，次亚磷酸盐在钯金属的催化作用下释放出初生态的氢原子，初生态的原子氢吸附在贵金属的表面，镀液中的金属阳离子被还原，从而在贵金属表面上沉积金属镀层，解决了碳纤维浸润性差和与基体材料的界面粘结性差的问题，并而提高了碳纤维的强度，耐热性和耐化学腐蚀性；
3）本发明一种碳纤维表面金属化处理方法，其工艺路线简单，原料易得，生产成本低，无污染。
附图说明
图1为预处理后碳纤维的扫描电镜图；
图2为化学镀处理后碳纤维的扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种碳纤维表面金属化处理方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，预处理
步骤1.1表面除胶：将碳纤维进行高温灼烧，灼烧温度为400～500℃，时间30～50min；
步骤1.2粗化处理：将除胶后的碳纤维浸入20～30wt％的硝酸溶液煮沸，时间30～50min；
步骤1.3敏化处理：将粗化后的碳纤维浸入氯化亚锡敏化液中进行敏化5～10 min，其中，氯化亚锡敏化液成分为氯化亚锡、盐酸和锡，用量：氯化亚锡：10～20g/L，盐酸：30～40g/L，锡：3～5g/L；
步骤1.4活化处理：将敏化后的碳纤维浸入氯化钯活化液中活化3～8 min，氯化钯活化液由氯化钯和盐酸混合而成，其用量为：氯化钯：0.1～0.5g/L，盐酸：20～35ml/L，即得到预处理的碳纤维；
步骤2，预镀
将步骤1得到预处理的碳纤维在预镀液中进行预镀，预镀液为镍金属盐、醋酸钠、酒石酸钾钠和次亚磷酸钠的混合液，用量为：镍金属盐：20～40g/L，醋酸钠：10～30g/L，酒石酸钾钠：1～3mg/L，次亚磷酸钠：10～30g/L，调节镀液的pH为4～6，温度为60～80℃，预镀时间为5～10min；
步骤3，化学镀
将步骤2所得的预镀后的碳纤维进行化学镀，化学镀液为镍金属盐、醋酸钠、柠檬酸钠、次亚磷酸盐和稳定剂的混合液，用量为：镍金属盐：30～50g/L，醋酸钠：20～40g/L，柠檬酸钠：30～60g/L，次亚磷酸盐：30～50g/L，稳定剂：0.01～1mg/L，调节镀液的pH为5～8，温度为60～80℃，化学镀时间为30～50min，最终制得表面有金属镀层的碳纤维。
步骤3化学镀液中的镍金属盐可以为硫酸镍，氯化镍。
步骤3化学镀液中次亚磷酸盐为次亚磷酸钠或次亚磷酸钾。
步骤3化学镀液中稳定剂为酒石酸钠钾、硫代硫酸钠，或其两者任意比例的混合液。
步骤3化学镀液中调节镀液pH采用氨水、乳酸，或二者任意比例的混合液。
本发明一种碳纤维表面金属化处理方法，先对碳纤维进行预处理，使得碳纤维表面在粗化、敏化和活化后，碳纤维表面粗糙度增大，增强了碳纤维与表面金属之间界面粘结状况；采用预镀和化学镀，镍金属盐作为主反应物，在纤维表面包覆形成致密的金属层，金属层无孔隙且厚度均匀，改善了纤维光滑且无活性基团的惰性表面，解决了碳纤维浸润性差和与基体材料的界面粘结性差的问题，并而提高了碳纤维的强度，耐热性和耐化学腐蚀性；其工艺路线简单，原料易得，生产成本低，无污染。
由图1可知，预处理过的纤维表面出现凹凸不平的刻蚀和斑痕，为粒子的附着提供了着位点；由图2可知，金属镀层能够和纤维表面较好的结合在一起，表面较为均匀。
实施例1
步骤1，预处理
步骤1.1表面除胶：将碳纤维进行高温灼烧，灼烧温度为400℃，时间40min；
步骤1.2粗化处理：将除胶后的碳纤维浸入20wt％的硝酸溶液煮沸，时间40min；
步骤1.3敏化处理：将粗化后的碳纤维浸入氯化亚锡敏化液中进行敏化5 min，其中，氯化亚锡敏化液成分为氯化亚锡、盐酸和锡，用量：氯化亚锡：15g/L，盐酸：35g/L，锡：5g/L；
步骤1.4活化处理：将敏化后的碳纤维浸入氯化钯活化液中活化8 min，氯化钯活化液由氯化钯和盐酸混合而成，其用量为：氯化钯：0.3g/L，盐酸：30ml/L，即得到预处理的碳纤维；
步骤2，预镀
将步骤1得到预处理的碳纤维在预镀液中进行预镀，预镀液为硫酸镍、醋酸钠、酒石酸钾钠和次亚磷酸钠的混合液，用量为：硫酸镍：20g/L，醋酸钠：10g/L，酒石酸钾钠：1mg/L，次亚磷酸钠：10g/L，调节镀液的pH为4，温度为80℃，预镀时间为5min；
步骤3，化学镀
将步骤2所得的预镀后的碳纤维进行化学镀，化学镀液为硫酸镍、醋酸钠、柠檬酸钠、次亚磷酸钠和硫代硫酸钠的混合液，用量为：硫酸镍：30g/L，醋酸钠：40g/L，柠檬酸钠：30g/L，次亚磷酸盐：40/L，硫代硫酸钠：0.01mg/L，调节镀液的pH为5，温度为80℃，化学镀时间为50min，最终制得表面有金属镍层的碳纤维。
经上述处理，如图2所示，测量得到镀层镍层厚度为1.5μm。
实施例2
步骤1，预处理
步骤1.1表面除胶：将碳纤维进行高温灼烧，灼烧温度为450℃，时间30min；
步骤1.2粗化处理：将除胶后的碳纤维浸入25wt％的硝酸溶液煮沸，时间30min；
步骤1.3敏化处理：将粗化后的碳纤维浸入氯化亚锡敏化液中进行敏化7min，其中，氯化亚锡敏化液成分为氯化亚锡、盐酸和锡，用量：氯化亚锡：20g/L，盐酸：40g/L，锡：3g/L；
步骤1.4活化处理：将敏化后的碳纤维浸入氯化钯活化液中活化5 min，氯化钯活化液由氯化钯和盐酸混合而成，其用量为：氯化钯：0.1g/L，盐酸：20ml/L，即得到预处理的碳纤维；
步骤2，预镀
将步骤1得到预处理的碳纤维在预镀液中进行预镀，预镀液为硫酸镍、醋酸钠、酒石酸钾钠和次亚磷酸钠的混合液，用量为：硫酸镍：30g/L，醋酸钠：20g/L，酒石酸钾钠：2mg/L，次亚磷酸钠：20g/L，采用乳酸调节镀液的pH为5，温度为70℃，预镀时间为8min；
步骤3，化学镀
将步骤2所得的预镀后的碳纤维进行化学镀，化学镀液为硫酸镍、醋酸钠、柠檬酸钠、次亚磷酸钠和酒石酸钠钾的混合液，用量为：硫酸镍：40g/L，醋酸钠：30g/L，柠檬酸钠：50g/L，次亚磷酸钠：30g/L，酒石酸钠钾：0.5mg/L，调节镀液的pH为5，温度为70℃，化学镀时间为40min，最终制得表面有金属镍层的碳纤维。
实施例3
步骤1，预处理
步骤1.1表面除胶：将碳纤维进行高温灼烧，灼烧温度为500℃，时间50min；
步骤1.2粗化处理：将除胶后的碳纤维浸入30wt％的硝酸溶液煮沸，时间50min；
步骤1.3敏化处理：将粗化后的碳纤维浸入氯化亚锡敏化液中进行敏化6 min，其中，氯化亚锡敏化液成分为氯化亚锡、盐酸和锡，用量：氯化亚锡：10g/L，盐酸：30g/L，锡：4g/L；
步骤1.4活化处理：将敏化后的碳纤维浸入氯化钯活化液中活化8 min，氯化钯活化液由氯化钯和盐酸混合而成，其用量为：氯化钯：0.5g/L，盐酸：35ml/L，即得到预处理的碳纤维；
步骤2，预镀
将步骤1得到预处理的碳纤维在预镀液中进行预镀，预镀液为硫酸镍、醋酸钠、酒石酸钾钠和次亚磷酸钠的混合液，用量为：硫酸镍： 40g/L，醋酸钠：30g/L，酒石酸钾钠：3mg/L，次亚磷酸钠：30g/L，调节镀液的pH为6，温度为60℃，预镀时间为10min；
步骤3，化学镀
将步骤2所得的预镀后的碳纤维进行化学镀，化学镀液为氯化镍、醋酸钠、柠檬酸钠、次亚磷酸盐和酒石酸钠钾的混合液，用量为：氯化镍： 50g/L，醋酸钠：20g/L，柠檬酸钠：60g/L，次亚磷酸盐：50g/L，酒石酸钠钾：1mg/L，采用氨水调节镀液的pH为6，温度为60℃，化学镀时间为30min，最终制得表面有金属镍层的碳纤维。
实施例4
步骤1，预处理
步骤1.1表面除胶：将碳纤维进行高温灼烧，灼烧温度为480℃，时间30min；
步骤1.2粗化处理：将除胶后的碳纤维浸入28wt％的硝酸溶液煮沸，时间45min；
步骤1.3敏化处理：将粗化后的碳纤维浸入氯化亚锡敏化液中进行敏化10 min，其中，氯化亚锡敏化液成分为氯化亚锡、盐酸和锡，用量：氯化亚锡：18g/L，盐酸：38g/L，锡：4.5g/L；
步骤1.4活化处理：将敏化后的碳纤维浸入氯化钯活化液中活化3min，氯化钯活化液由氯化钯和盐酸混合而成，其用量为：氯化钯：0.4g/L，盐酸：25ml/L，即得到预处理的碳纤维；
步骤2，预镀
将步骤1得到预处理的碳纤维在预镀液中进行预镀，预镀液为氯化镍、醋酸钠、酒石酸钾钠和次亚磷酸钠的混合液，用量为：氯化镍：25g/L，醋酸钠：15g/L，酒石酸钾钠：1.5mg/L，次亚磷酸钠：15g/L，调节镀液的pH为5，温度为65℃，预镀时间为6min；
步骤3，化学镀
将步骤2所得的预镀后的碳纤维进行化学镀，化学镀液为氯化镍、醋酸钠、柠檬酸钠、次亚磷酸钾和酒石酸钠钾的混合液，用量为：氯化镍：45g/L，醋酸钠：25g/L，柠檬酸钠：45g/L，次亚磷酸钾：45g/L，酒石酸钠钾：0.8mg/L，采用氨水与乳酸1：1混合液调节镀液的pH为5，温度为80℃，化学镀时间为50min，最终制得表面有金属镀层的碳纤维。
本发明一种碳纤维表面金属化处理方法，先对碳纤维进行预处理，使得碳纤维表面在粗化、敏化和活化后，碳纤维表面粗糙度增大，增强了碳纤维与表面金属之间界面粘结状况；采用预镀和化学镀，镍金属盐作为主反应物，在纤维表面包覆形成致密的金属层，金属层无孔隙且厚度均匀，改善了纤维光滑且无活性基团的惰性表面，解决了碳纤维浸润性差和与基体材料的界面粘结性差的问题，并而提高了碳纤维的强度，耐热性和耐化学腐蚀性；其工艺路线简单，原料易得，生产成本低，无污染。
Claims (5)
1.一种碳纤维表面金属化处理方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1，预处理
步骤1.1表面除胶：将碳纤维进行高温灼烧，灼烧温度为400～500℃，时间30～50min；
步骤1.2粗化处理：将除胶后的碳纤维浸入20～30wt％的硝酸溶液煮沸，时间30～50min；
步骤1.3敏化处理：将粗化后的碳纤维浸入氯化亚锡敏化液中进行敏化5～10 min，其中，氯化亚锡敏化液成分为氯化亚锡、盐酸和锡，用量：氯化亚锡：10～20g/L，盐酸：30～40g/L，锡：3～5g/L；
步骤1.4活化处理：将敏化后的碳纤维浸入氯化钯活化液中活化3～8 min，氯化钯活化液由氯化钯和盐酸混合而成，其用量为：氯化钯：0.1～0.5g/L，盐酸：20～35ml/L，即得到预处理的碳纤维；
步骤2，预镀
将步骤1得到预处理的碳纤维在预镀液中进行预镀，预镀液为镍金属盐、醋酸钠、酒石酸钾钠和次亚磷酸钠的混合液，用量为：镍金属盐：20～40g/L，醋酸钠：10～30g/L，酒石酸钾钠：1～3mg/L，次亚磷酸钠：10～30g/L，调节镀液的pH为4～6，温度为60～80℃，预镀时间为5～10min；
步骤3，化学镀
将步骤2所得的预镀后的碳纤维进行化学镀，化学镀液为镍金属盐、醋酸钠、柠檬酸钠、次亚磷酸盐和稳定剂的混合液，用量为：镍金属盐：30～50g/L，醋酸钠：20～40g/L，柠檬酸钠：30～60g/L，次亚磷酸盐：30～50g/L，稳定剂：0.01～1mg/L，调节镀液的pH为5～8，温度为60～80℃，化学镀时间为30～50min，最终制得表面有金属镀层的碳纤维。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维表面金属化处理方法，其特征在于，所述步骤2预镀液和步骤3化学镀液中的镍金属盐可以为硫酸镍，氯化镍。
3.根据权利要求1或2所述的一种碳纤维表面金属化处理方法，其特征在于，所述步骤3化学镀液中次亚磷酸盐为次亚磷酸钠或次亚磷酸钾。
4.根据权利要求3所述的一种碳纤维表面金属化处理方法，其特征在于，所述步骤3化学镀液中稳定剂为酒石酸钠钾、硫代硫酸钠，或其两者任意比例的混合液。
5.根据权利要求1或4所述的一种碳纤维表面金属化处理方法，其特征在于，所述步骤3化学镀液中调节镀液pH采用氨水、乳酸，或二者任意比例的混合液。
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