CN107604675B - 一种基于气相碳纳米管分散雾的定向碳纳米管改性碳纤维表面的接触端处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于气相碳纳米管分散雾的定向碳纳米管改性碳纤维表面的接触端处理方法，主要步骤为：(1)将碳纳米管、上浆剂、稀释剂均匀混合为半流质态；(2)将混合物通过脉冲电弧分散为气相碳纳米管雾；(3)将碳纤维靠近电弧的放电点；(4)使电弧放电点与碳纤维产生相对匀速移动；(5)再将碳纤维置于烘箱烘烤；(6)烘烤结束后将碳纤维冷却至室温即可完成碳纳米管改性碳纤维表面的接触端处理。

Description

一种基于气相碳纳米管分散雾的定向碳纳米管改性碳纤维表 面的接触端处理方法
技术领域
本发明涉及新材料领域，特别是一种碳纳米管改性碳纤维表面的接触端处理方法。
背景技术
碳纤维作为新型碳材料的典型应用代表，以其优异的力学、电学及化学稳定性广泛应用于高端复合材料等的制造，成为特别是包括航空航天、轻量化装备、军事工业等在内的众多领域的重点研究对象，是当今先进制造及先进装备不可或缺的关键性材料。
碳纤维表面光滑，化学活性低；受此影响而造成易与复合材料基体发生脱粘的领域难题，为此以提高碳纤维表面粗糙度为代表的诸多技术被相继公开。其主要包括有电化学刻蚀、生长或附着微纳米颗粒等。其中，有技术将碳纳米管通过CVD技术生长于碳纤维表面或是将碳纳米管混入浆液中涂覆于碳纤维表面再或是将碳纳米管直接进行气相分散将其附着于碳纤维表面。上述通过碳纳米管改性碳纤维的技术中，均是利用碳纳米管具有较高长径比以及优异的力学性能，可极大增加碳纤维的表面粗糙度；但也均有各自不足：将碳纳米管通过CVD技术生长于碳纤维表面将对碳纤维内部结构造成不可逆转损坏且成本高昂无法规模化生产；将碳纳米管混入浆液中涂覆于碳纤维表面会在液体表面张力作用下不可避免的造成碳纳米管“倒伏”于碳纤维表面，将大为削弱其界面增强效果；将碳纳米管直接进行气相分散将其附着于碳纤维表面需要在碳纤维表面涂覆有足够厚度的树脂层(行业内一般称为上浆剂)来对碳纳米管起到粘连作用，但过厚的树脂层不利于碳纤维制品加工过程中的弯曲与软化，最终造成加工难度大和加工成本高等问题。
本发明使用到了一种碳纳米管的气相分散技术，如发明专利：201510963821.X，该技术可将碳纳米管分散为单根或少根形貌于空气之中。
发明内容
针对现有多元纳米材料分散技术的不足，本发明提供了一种基于气相碳纳米管分散雾的定向碳纳米管改性碳纤维表面的接触端处理方法，该方法可在碳纤维本体不引入额外上浆剂的基础上解决定向碳纳米管与碳纤维接触端的牢固粘连问题。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种基于气相碳纳米管分散雾的定向碳纳米管改性碳纤维表面的接触端处理方法，该方法包括以下步骤：
(1)将碳纳米管、上浆剂、稀释剂均匀混合为半流质态；
(2)将步骤(1)所述半流质态混合物通过脉冲电弧分散为气相碳纳米管雾；
(3)将正常的出厂碳纤维尽可能近的靠近步骤(2)所述的电弧的放电点即气相碳纳米管雾的产生点；
(4)通过移动步骤(3)所述碳纤维或移动步骤(2)、(3)所述电弧的放电点使电弧放电点与碳纤维产生相对匀速移动，放电点在碳纤维上的垂直投影须通过待处理碳纤维的全部长度；
(5)将步骤(4)处理完的碳纤维置于烘箱烘烤；
(6)步骤(5)所述烘烤结束后将碳纤维冷却至室温即可完成碳纳米管改性碳纤维表面的接触端处理。
作为本发明的进一步改进，所述“上浆剂”为碳纤维出厂时为方便集束所普遍采用的一种树脂溶液或乳液，其具体配方与碳纤维出厂时所涂覆的上浆剂配方一致。
作为本发明的进一步改进，所述“稀释剂”一般为与“上浆剂”溶剂一致或相溶的液体，水性上浆剂可采用水或去离子水作为稀释剂，其目的为在电弧放电中汽化作为分散工质以及吸收热量来保护上浆剂组分避免其分解。
作为本发明的进一步改进，碳纳米管、上浆剂、稀释剂的比例一般并不固定，一般要求混合物中的液体物质含量质量分数大于50％，一般要求混合物中的上浆剂所含固体成分小于10％。
作为本发明的进一步改进，所述“电弧分散”为一种已公开的碳纳米管分散技术，具体实施可参照技术公开内容。
作为本发明的进一步改进，所述“脉冲电弧分散”为“电弧分散”适用于本发明环境的一种改进，目的是减少气相碳纳米管雾的生成量以使碳纤维上的碳纳米管密度合适，若采用20000V的分散电压、30W的分散功率，脉冲参数为：频率0.5-5HZ，通电时长1-100ms。脉冲参数应随电弧的分散参数以及放电点与碳纤维相对移动速率的变化而变化，因此该参数并不局限于上述所给出的数值。
作为本发明的进一步改进，所述“放电点与碳纤维产生相对匀速移动”移动速率一般为1mm-100mm/s。
作为本发明的进一步改进，所述“烘烤”，温度为100-200摄氏度，烘烤时间为20-60min，其目的是软化树脂层使碳纳米管表面树脂与碳纤维表面树脂相互融合。
本发明的有益效果是，本发明通过碳纳米管分散期间所包裹上的上浆剂对碳纳米管与碳纤维接触端进行粘结，避免碳纤维本体引入过厚上浆剂的同时，进一步增强了碳纳米管与复合材料基体的结合力，该方法效果明显，操作简单，适用于碳纤维的规模化处理。
附图说明
附图为基于气相碳纳米管分散雾的定向碳纳米管改性碳纤维表面的接触端处理SEM照片
具体实施方式
下面对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的方法或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
具体步骤如下：
(1)将碳纳米管、上浆剂、去离子水按质量比1：1：4均匀混合；
(2)将步骤(1)所述混合物压成块状并与脉冲高压直流电源阴极连接，使用钨制柱状电极与脉冲高压直流电源阳极连接，并保持阴极与阳极相邻末端间隔1mm，接通电源，完成碳纳米管气相分散；
具体的，高压直流电源采用20000V电压、100W的最大功率；脉冲参数为：频率0.5-5HZ，通电时长1-100ms
(3)将正常的出厂碳纤维靠近步骤(2)所述的阴极与阳极相邻末端，使碳纤维束带带面朝向阴极与阳极相邻末端之间在阴极的电弧的放电点即气相碳纳米管雾的产生点，距离为2mm；
(4)通过移动碳纤维或移动电弧的放电点使电弧放电点与碳纤维产生相对匀速移动，相对速度为5mm/s；
(5)将步骤(4)处理完的碳纤维置于烘箱，150摄氏度烘烤20min；
(6)步骤(5)所述烘烤结束后将碳纤维冷却至室温即可完成碳纳米管改性碳纤维表面的接触端处理。

Claims (5)

1.一种基于气相碳纳米管分散雾的定向碳纳米管改性碳纤维表面的接触端处理方法，该方法包括以下步骤：
(1)将碳纳米管、上浆剂、稀释剂均匀混合为半流质态；
(2)将步骤(1)所述半流质态混合物通过脉冲电弧分散为气相碳纳米管雾；
(3)将正常的出厂碳纤维尽可能近的靠近步骤(2)所述的电弧的放电点即气相碳纳米管雾的产生点；
(4)通过移动步骤(3)所述碳纤维或移动步骤(2)、(3)所述电弧的放电点使电弧放电点与碳纤维产生相对匀速移动，放电点在碳纤维上的垂直投影须通过待处理碳纤维的全部长度；
(5)将步骤(4)处理完的碳纤维置于烘箱烘烤；
(6)步骤(5)所述烘烤结束后将碳纤维冷却至室温即可完成碳纳米管改性碳纤维表面的接触端处理。
2.根据权利要求1所述的一种基于气相碳纳米管分散雾的定向碳纳米管改性碳纤维表面的接触端处理方法，其特征在于：稀释剂与上浆剂溶剂一致或相溶的液体。
3.根据权利要求1所述的一种基于气相碳纳米管分散雾的定向碳纳米管改性碳纤维表面的接触端处理方法，其特征在于：脉冲电弧参数为：频率0.5-5Hz ，通电时长1-100ms。
4.根据权利要求1所述的一种基于气相碳纳米管分散雾的定向碳纳米管改性碳纤维表面的接触端处理方法，其特征在于：放电点与碳纤维产生相对匀速移动的移动速率为1mm-100mm/s。
5.根据权利要求1所述的一种基于气相碳纳米管分散雾的定向碳纳米管改性碳纤维表面的接触端处理方法，其特征在于：烘烤温度为100-200摄氏度，烘烤时间为20-60min。
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