CN114474787B - 一种碳素纤维基树脂复合材料制备伞骨的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种碳素纤维基树脂复合材料制备伞骨的方法,其包括下述步骤:S1、将丙烯腈和第二单体、第三单体进行共聚生成聚丙烯腈树脂,然后经溶剂溶解制得纺丝液;S2、将步骤S1制得的纺丝液采用湿法或者干湿法进行纺丝、水洗、牵伸、干燥和定型制取聚丙烯腈纤维;S3、将步骤S2制得的聚丙烯腈纤维进行预氧化处理;S4、将步骤S3制得的预氧化纤维在氮气气氛中进行碳化处理;S5、将步骤S4碳化处理后的碳纤维进行石墨化处理;S6、将步骤S5处理后的碳纤维浸泡于液相氧化剂中,通过对碳纤维进行表面改性处理,得到改性碳纤维材料;S7、将步骤S6处理后的碳纤维与高分子共聚物复合制取碳素纤维复合材料;S8、用步骤S7制得的碳素纤维复合材料与碳纤维复合制备伞骨零件。
Description
技术领域
本发明涉及碳素纤维技术领域,具体涉及一种碳素纤维基树脂复合材料制备伞骨的方法。
背景技术
雨伞在我国,已经有了悠久的历史,随着科技的发展,雨伞也不断推陈出新,从之前旧时代的油纸伞,到现在各式各样、种类繁多的雨伞。随着伞面的改变,伞骨也有了改变。
近年来,玻璃纤维伞骨制折伞,因其抗风性能相对更佳、绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好、拉伸强度高及重量轻的优势,在被开发成功后在市场上得到广泛的应用。但就玻璃纤维制作的折伞结构上来分析,虽然玻璃纤维伞骨具有极轻的重量和良好的弹性,但其结构强度仍有不足,故而无法承受较大的应力,尤其是在雨伞结构配置上。
碳纤维是由有机纤维在惰性气体中经高温碳化而成的纤维状碳化合物,其碳含量在90%以上。由于其石墨微晶结构沿纤维轴方向择优取向,因此沿纤维轴方向有很高的强度和模量。碳纤维的密度小,因此比强度和比模量高。是目前已大量生产的高性能纤维中具有最高的比强度和最高的比模量的纤维,同时还兼具其他多种优良性能,如低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、震动衰减性高、电及热传导性高、热膨胀系数低、光穿透性高、非磁体但有电磁屏蔽性等。
公开日为2021年5月4日的中国专利ZL202021733944.7公开一种新型连接件及伞骨架, 它涉及伞骨技术领域。其公开的技术方案为包括碳纤维连杆、设于所述碳纤维连杆至少一端上的保护套,以及设于所述保护套上的塑胶接头,所述伞骨架包括:由内至外依次铰接的第一伞骨、第二伞骨和第三伞骨,所述第二伞骨和所述第三伞骨均为碳纤维连接件。也就是说,碳纤维材料在雨伞伞骨中已经得到运用,当然类似的用碳纤维制作伞骨的专利文献还有很多。
当然碳纤维也存在不足的地方,那就是其制作成本相对较高,本发明提出一个解决问题的方向:利用成本较低的树脂材料和碳素纤维进行复合制备碳素纤维基树脂复合材料,并将其应用于雨伞的整个骨架,包括伞骨架零件、伞架固定连接件配件、伞珠、伞头、伞尾、伞中棒、上下巢等,并由此在保留碳纤维材料的优良特性的情况下,降低伞骨的制作成本,进而通过碳素纤维复合材料制得轻量化、低成本、高性能的伞骨。
发明内容
本发明的目的就是提供一种碳素纤维基树脂复合材料制备伞骨的方法,用该方法制得的伞骨可以解决上述背景技术中提到的技术问题。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:一种碳素纤维基树脂复合材料制备伞骨的方法,包括下述步骤:
S1、将丙烯腈和第二单体、第三单体进行共聚生成聚丙烯腈树脂,然后经溶剂溶解制得纺丝液;
S2、将步骤S1制得的纺丝液采用湿法或者干湿法进行纺丝、水洗、牵伸、干燥和定型制取聚丙烯腈纤维;
S3、将步骤S2制得的聚丙烯腈纤维进行预氧化处理;
S4、将步骤S3制得的预氧化纤维在氮气气氛中进行碳化处理;
S5、将步骤S4碳化处理后的碳纤维进行石墨化处理;
S6、将步骤S5处理后的碳纤维浸泡于液相氧化剂中,通过对碳纤维进行表面改性处理,得到改性碳纤维材料;
S7、将步骤S6处理后的碳纤维与高分子共聚物复合制取碳素纤维复合材料;
S8、用步骤S7制得的碳素纤维复合材料与碳纤维复合制备伞骨零件;
前述步骤S7包括下述步骤:
S71、以高分子共聚物制备共聚树脂切片;
S72、将步骤S71的切片在100~125 oC下真空干燥10~12小时;
S73、将步骤S6制得的改性碳纤维材料与干燥后的切片混合均匀,改性碳纤维材料与切片的质量比例为1~4:9~6;
S74、将步骤S73的混合物于搅拌釜中进行密练处理,搅拌釜温度设为200~230 oC,搅拌速度20~50转/分钟,密练时间为20~35分钟,密练结束后取出冷却至室温;
S75、将步骤S74密练后的混合物通过高分子造粒机造粒制得碳素纤维复合材料原料;
S76、将步骤S75制得的复合材料原料再次真空干燥10~12小时,通过注塑机注塑成型为复合材料薄膜,该薄膜用离型纸进行承载和收卷;
前述步骤S8包括下述步骤:
S81、将碳纤维束沿预浸机上均匀有序铺展;
S82、在碳纤维束的上侧和下侧均匀铺设步骤S76制得的碳素纤维复合材料薄膜;
S83、将步骤S82的材料进行热压处理制备预浸料,热压辊的温度设定为80~120 oC,预浸料的线速度为2~5m/分钟,热压次数为14~20次,预浸料的厚度为0.18~0.25mm;
S84、根据伞骨零件的尺寸,步骤S83的预浸料取适当尺寸层铺设于成型模具中,在模压机下进行成型固化,模具的加热温度设定为120~180 oC,压力设定为2~5Mpa,成型后开模冷切成型制得伞骨零件。
进一步的改进是,上述碳素纤维基树脂复合材料制备伞骨的方法,步骤S1包括下述步骤:
S11、将第二单体甲基丙烯酸按质量百分比为3%~4%的比例、第三单体丙烯酸或丁烯酸按质量百分比为0.2%~1.2%的比例与丙烯腈混合均匀在反应釜中进行共聚反应;
S12、将步骤S11制得的共聚物用溶剂溶解成粘度适宜的纺丝液,其中溶剂为二甲基亚砜,引发剂为偶氮二异丁腈,反应温度设定为60±2oC,氮气环境下反应时间8~10小时;
进一步的改进是,上述碳素纤维基树脂复合材料制备伞骨的方法,所述溶剂替换为硫氰酸钠或者硝酸。
进一步的改进是,上述碳素纤维基树脂复合材料制备伞骨的方法,所述步骤S3的预氧化温度为230~280 oC,保温时间为0.5~3小时,预氧化过程中通过风机对预氧化腔室进行连续式空气交换。
进一步的改进是,上述碳素纤维基树脂复合材料制备伞骨的方法,所述步骤S4中,所述碳化处理过程中分隔成三个碳化区:
S41、第一碳化区,碳化温度设为300~800 oC;
S42、第二碳化区,碳化温度设为800~1200 oC;
S43、第三碳化区,碳化温度设为1200~1500 oC;
进一步的改进是,上述碳素纤维基树脂复合材料制备伞骨的方法,所述步骤S5中,石墨化处理包括下述步骤:
S51、在氩气气氛条件下,对碳化纤维进行预热处理,预热温度介于1500~2000 oC;
S52、在石墨化处理设备上设置两个通电导辊,预热后的碳纤维分别绕设于该两个导辊上,并且在各通电导辊的上游和下游做绝缘处理,同时保持碳化室的温度介于2000±50oC,两个通电导辊分别与电源的正极和负极电连接;
在两个通电导辊之间的牵伸率设定为2.5±0.2%,根据纤维线速度设置两个通电导辊的距离确保石墨化时间不低于40S。
进一步的改进是,上述碳素纤维基树脂复合材料制备伞骨的方法,所述步骤S6中,碳纤维改性处理的包括下述步骤:
S61、在60~80 oC条件下,采用10%质量百分比浓度的硝酸或硫酸中的一种、与40%质量百分比浓度的过氧化氢、次氯酸钠、高锰酸钾或重铬酸钾中的一种进行混合;
S62、将碳纤维浸泡于前述改性处理剂中,浸泡时间为30~55分钟;
S63、将步骤S62改性处理后的碳纤维用去离子水进行2次清洗至中性;
S64、用热风对清洗后的碳纤维进行烘干处理,烘干温度不超过100 oC;
进一步的改进是,上述碳素纤维基树脂复合材料制备伞骨的方法 ,所述高分子共聚物由己内酰胺或己二酸己二胺盐作为原材料。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
首先,作为本发明一个解决技术问题的思路:伞骨包括中棒、伞珠、伞头、伞尾、上下巢、伞杆、支撑杆等除了伞布及少数金属配件以外的其它各组成部分。不同的伞骨其在雨伞中安装的位置不一样,相应的功能也不一样,受力情况不一样,对伞骨的强度要求也不一样,因此,伞骨强度要求的差异化引导发明人基于碳纤维的生产工艺寻找一种成本低、适用广的用碳素纤维基树脂复合材料制备伞骨的方法。
其次、基于碳纤维的各向异性、伞骨尺寸小的特点,本发明制备碳素纤维基树脂复合材料时,在高分子共聚物中添加不同比例的经改性处理后的碳素纤维材料,并经过相应的密练处理作为碳纤维的预浸树脂,使得碳纤维的优良特性在一些小尺寸伞骨部件中得以延续和体现,并规避了基于纤维束自身各向异性带来的不利影响,这样的取舍相对于对碳纤维材料通过不同加载方向或者不同成型工艺来说,其工艺得以简化,生产效率大大提高,并且基于改性碳素纤维材料在高分子聚合物中的含量可以灵活调整,从而不管是在伞骨结构的研发阶段还是批量生产阶段,生产厂家均可以根据产品的实际使用情况随时调整碳素纤维材料的添加比例,这一优点是发明人基于长期的伞骨制作经验,加上福州大学材料科学与工程学院各专家的指导,探索出来的一种更具有操作性和产业化前景的用碳素纤维基树脂复合材料制备伞骨的方法。
再次、本发明针对伞骨经过反复试制,在碳纤维预浸料热压成型过程中,针对产品结构尺寸小、局部受力大的特点,采取低温状态下多次热压固化的方式,使小尺寸伞骨的强度、性能保持稳定,并且多模同时制作可以确保生产效率不会降低。
进一步的改进是,基于伞骨尺寸小的特点,尤其对于一些定制化的产品,本发明可以在生产现场对碳纤维进行石墨化处理,通过对碳纤维通电以自生热的方式实现石墨化处理,这对于需要频繁进行雨伞打样的企业来说,通过控制碳纤维的牵伸率改变其石墨化处理效果,并最终对碳素纤维基树脂复合材料的特性进行控制和改性,特别是对自动开合伞等需要承受巨大冲击力产品制作来说提供了广阔的试制与试验空间。
实施方式
下面将结合本发明实施例,对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一个实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例公开一种碳素纤维基树脂复合材料制备伞骨的方法,包括下述步骤:
S1、将丙烯腈和第二单体、第三单体进行共聚生成聚丙烯腈树脂,然后经溶剂溶解制得纺丝液;
具体地说:步骤S1包括下述步骤:
S11、将第二单体甲基丙烯酸按质量百分比为3%的比例、第三单体丙烯酸按质量百分比为1%的比例与丙烯腈混合均匀在反应釜中进行共聚反应;所述第三单体也可以是丁烯酸,各单体的添加量在各自限定的质量百分比范围内在实验试制中是可行的,发明人没有发现不同含量对最终的伞骨强度带来不同的影响。聚合反应的温度采用常规的60 oC即可,反应时间一般采取15~18小时均可。
S12、将步骤S11制得的共聚物用溶剂溶解成粘度适宜的纺丝液,其中溶剂为二甲基亚砜,引发剂为偶氮二异丁腈,溶解过程中施以间歇性搅拌,反应温度设定为60±2oC,氮气环境下反应时间8小时,其中所述溶剂二甲基亚砜可以替换为硫氰酸钠或者硝酸。溶剂和引发剂用量为公知常识,即所配制的纺丝液适宜湿法或者干湿法纺丝即可。
S2、将步骤S1制得的纺丝液采用湿法或者干湿法进行纺丝、水洗、牵伸、干燥和定型制取聚丙烯腈纤维,本步骤采用公知的聚合物纺丝处理工艺,本实施例不予赘述;
S3、将步骤S2制得的聚丙烯腈纤维进行预氧化处理;
作为发明人所在的雨伞制作行业,实践中采取的预氧化条件为:预氧化温度为230~280 oC,一般取260 oC,保温时间为0.5~3小时,一般取1小时,对于生产淡季,温度设定得低一些,保温时间长一些,预氧化过程中通过风机对预氧化腔室进行连续式空气交换,同时风机的出风口设有加热器和导流板,加热器将空气加热到比预氧化炉的温度低50 oC左右,导流板用于将热空气沿纤维的轴向方向进行导流。
S4、将步骤S3制得的预氧化纤维在氮气气氛中进行碳化处理;
本实施例中,所述碳化处理过程中分隔成三个碳化区,表现在碳化炉沿生产线方向由三个碳化区组成:
S41、第一碳化区,碳化温度设为800 oC;
S42、第二碳化区,碳化温度设为1200 oC;
S43、第三碳化区,碳化温度设为1500 oC;
虽然各碳化区的温度可以相应设定,但实际上预氧处理后的纤维在进入碳化炉后是一个持续升温的过程,甚至在相邻的两个碳化区域,两者的温度没有明显的落差,至于碳化炉本身,则可以根据生产的产量采购相应的具备三个碳化区的碳化炉。当然对于旦数较小的纤维来说,其各个碳化区的温度可以相应降低,比如第一碳化区设定在300~500 oC,第二碳化区设定在800~1000 oC,第三碳化区设定在1200~1300 oC。碳化炉中的氮气中氧含量一般控制在2ppm以下,同时露点在-70℃或更低。本步骤中,低温碳化阶段设定为5~10分钟,高温碳化时间设定为3分钟。
S5、将步骤S4碳化处理后的碳纤维进行石墨化处理;
在本实施例中,所述石墨化处理包括下述步骤:
S51、在氩气气氛条件下,对碳化纤维进行预热处理,预热温度介于1500~2000oC,一般取2000 oC;
S52、在石墨化处理设备上设置两个通电导辊,预热后的碳纤维分别绕设于该两个通电导辊上,并且在各通电导辊的上游和下游做绝缘处理,同时保持碳化室的温度介于2000 oC左右,两个通电导辊分别与电源的正极和负极电连接;
在两个通电导辊之间的牵伸率设定为2.5%,根据纤维线速度设置两个通电导辊的距离确保石墨化时间不低于40S。根据公式距离l=V x T(速度x时间),假设纤维的线速度是2m/min,则两个通电导辊的距离为1.33m左右,取1.5m即可。
本实施例中,石墨化温度取较高值,因此牵伸率设定为2.5%,这样可以增加石墨化处理后纤维的抗拉模量和弹性模量,但是对于制作伞珠、伞巢、伞把等部件,可以采取相对较低的石墨化温度和较低的牵伸率。
S6、将步骤S5处理后的碳纤维浸泡于液相氧化剂中,通过对碳纤维进行表面改性处理,得到改性碳纤维材料,所述改性处理的包括下述步骤:
S61、在80oC条件下,采用10%质量百分比浓度的硝酸与40%质量百分比浓度的次氯酸钠进行混合;本步骤中,所述硝酸可以用硫酸替代,次氯酸钠可以用过氧化氢、高锰酸钾或重铬酸钾进行替代;
S62、将碳纤维浸泡于前述改性处理剂中,浸泡时间为35分钟;
S63、将步骤S62改性处理后的碳纤维用去离子水进行2次清洗至中性;
S64、用热风对清洗后的碳纤维进行烘干处理,烘干温度不超过100 oC;
S7、将步骤S6处理后的碳纤维与高分子共聚物复合制取碳素纤维复合材料;
具体地说包括下述步骤:
S71、以高分子共聚物制备共聚树脂切片,所述高分子共聚物由己内酰胺或己二酸己二胺盐作为原材料。
S72、将步骤S71的切片在120 oC下真空干燥10~12小时;
S73、将步骤S6制得的改性碳纤维材料与干燥后的切片混合均匀,改性碳纤维材料与切片的质量比例为1~4:9~6,本实施例取1:9用于制作中棒、支撑骨、支骨等,取4:6用于制作伞巢、伞珠、伞把等;
S74、将步骤S73的混合物于搅拌釜中进行密练处理,搅拌釜温度设为230 oC,搅拌速度30转/分钟,密练时间为35分钟,密练结束后取出冷却至室温;
S75、将步骤S74密练后的混合物通过高分子造粒机造粒制得碳素纤维复合材料原料;
S76、将步骤S75制得的复合材料原料再次真空干燥10~12小时,通过注塑机注塑成型为复合材料薄膜,该薄膜用离型纸进行承载和收卷;
S8、用步骤S7制得的碳素纤维复合材料与碳纤维复合制备伞骨零件,具体地说包括下述步骤:
S81、将碳纤维束沿预浸机上均匀有序铺展;
S82、在碳纤维束的上侧和下侧均匀铺设步骤S76制得的碳素纤维复合材料薄膜;
S83、将步骤S82的材料进行热压处理制备预浸料,在复合前需要将复合材料薄膜的离型纸移除,热压辊的温度设定为120 oC,预浸料的线速度为5m/分钟,热压次数为20次,预浸料的厚度为0.20mm;
S84、根据伞骨零件的尺寸,步骤S83的预浸料取适当尺寸层铺设于成型模具中,在模压机下进行成型固化,模具的加热温度设定为180 oC,压力设定为5Mpa,成型后开模冷切成型制得伞骨零件,该成型固化工艺用于伞骨中短、厚的部件,但是对于细长的部件,相应的加热温度可以下调一些,压力相应降低,但模具保温保压时间可以设置为3~5小时。
在前述实施例的各个步骤中,除了有特别说明,各步骤的工艺参数在各相应的限定范围内都是可行的,如果不是基于生产的便利性的经济性,除步骤S11共聚时间外,其它时间限定并非不可突破的。
总体来说,本发明兼顾碳素纤维的高性能和树脂材料的低成本的特点,综合两者的优势,制备出不同碳素纤维比例的碳素纤维基树脂复合物材料来应用于伞骨材料的制备。考虑伞骨不同部位性能需求的不同,在保障制备出来的材料能够满足实际需要及技术指标的前提下,能够降低其生产成本同时减轻伞骨材料的重量,制备出轻量化、低成本、高性能的伞骨用碳素纤维复合材料,实现其在伞骨制备中的应用,由此制得的雨伞具有轻便、耐腐蚀及抗强风等优点。
Claims (8)
1.一种碳素纤维基树脂复合材料制备伞骨的方法,其特征在于包括下述步骤:
S1、将丙烯腈和第二单体、第三单体进行共聚生成聚丙烯腈树脂,然后经溶剂溶解制得纺丝液;
S2、将步骤S1制得的纺丝液采用湿法或者干湿法进行纺丝、水洗、牵伸、干燥和定型制取聚丙烯腈纤维;
S3、将步骤S2制得的聚丙烯腈纤维进行预氧化处理;
S4、将步骤S3制得的预氧化纤维在氮气气氛中进行碳化处理;
S5、将步骤S4碳化处理后的碳纤维进行石墨化处理;
S6、将步骤S5处理后的碳纤维浸泡于液相氧化剂中,通过对碳纤维进行表面改性处理,得到改性碳纤维材料;
S7、将步骤S6处理后的碳纤维与高分子共聚物复合制取碳素纤维复合材料;
S8、用步骤S7制得的碳素纤维复合材料与碳纤维复合制备伞骨零件;
前述步骤S1包括下述步骤:
S11、将第二单体甲基丙烯酸按质量百分比为3%~4%的比例、第三单体丙烯酸或丁烯酸按质量百分比为0.2%~1.2%的比例与丙烯腈混合均匀在反应釜中进行共聚反应;
前述步骤S7包括下述步骤:
S71、以高分子共聚物制备共聚树脂切片;
S72、将步骤S71的切片在100~125 oC下真空干燥10~12小时;
S73、将步骤S6制得的改性碳纤维材料与干燥后的切片混合均匀,改性碳纤维材料与切片的质量比例为1~4:9~6;
S74、将步骤S73的混合物于搅拌釜中进行密练处理,搅拌釜温度设为200~230 oC,搅拌速度20~50转/分钟,密练时间为20~35分钟,密练结束后取出冷却至室温;
S75、将步骤S74密练后的混合物通过高分子造粒机造粒制得碳素纤维复合材料原料;
S76、将步骤S75制得的复合材料原料再次真空干燥10~12小时,通过注塑机注塑成型为复合材料薄膜,该薄膜用离型纸进行承载和收卷;
前述步骤S8包括下述步骤:
S81、将碳纤维束沿预浸机上均匀有序铺展;
S82、在碳纤维束的上侧和下侧均匀铺设步骤S76制得的碳素纤维复合材料薄膜;
S83、将步骤S82的材料进行热压处理制备预浸料,热压辊的温度设定为80~120 oC,预浸料的线速度为2~5m/分钟,热压次数为14~20次,预浸料的厚度为0.18~0.25mm;
S84、根据伞骨零件的尺寸,步骤S83的预浸料取适当尺寸层铺设于成型模具中,在模压机下进行成型固化,模具的加热温度设定为120~180 oC,压力设定为2~5Mpa,成型后开模冷切成型制得伞骨零件。
2.根据权利要求1所述的碳素纤维基树脂复合材料制备伞骨的方法,其特征在于,步骤S1还包括下述步骤:
S12、将步骤S11制得的共聚物用溶剂溶解成粘度适宜的纺丝液,其中溶剂为二甲基亚砜,引发剂为偶氮二异丁腈,反应温度设定为60±2oC,氮气环境下反应时间8~10小时。
3.根据权利要求2所述的碳素纤维基树脂复合材料制备伞骨的方法,其特征在于:所述溶剂替换为硫氰酸钠或者硝酸。
4.根据权利要求1所述碳素纤维基树脂复合材料制备伞骨的方法,其特征在于:步骤S3的预氧化温度为230~280 oC,保温时间为0.5~3小时,预氧化过程中通过风机对预氧化腔室进行连续式空气交换。
5.根据权利要求1至4任一权利要求所述的碳素纤维基树脂复合材料制备伞骨的方法,其特征在于:步骤S4中,所述碳化处理过程中分隔成三个碳化区:
S41、第一碳化区,碳化温度设为300~800 oC;
S42、第二碳化区,碳化温度设为800~1200 oC;
S43、第三碳化区,碳化温度设为1200~1500 oC。
6.根据权利要求1所述的碳素纤维基树脂复合材料制备伞骨的方法,其特征在于:步骤S5中,石墨化处理包括下述步骤:
S51、在氩气气氛条件下,对碳化纤维进行预热处理,预热温度介于1500~2000 oC;
S52、在石墨化处理设备上设置两个通电导辊,预热后的碳纤维分别绕设于该两个导辊上,并且在各通电导辊的上游和下游做绝缘处理,同时保持碳化室的温度介于2000±50oC,两个通电导辊分别与电源的正极和负极电连接;
在两个通电导辊之间的牵伸率设定为2.5±0.2%,根据纤维线速度设置两个通电导辊的距离确保石墨化时间不低于40S。
7.根据权利要求1所述的碳素纤维基树脂复合材料制备伞骨的方法,其特征在于:步骤S6中,碳纤维改性处理的包括下述步骤:
S61、在60~80 oC条件下,采用10%质量百分比浓度的硝酸或硫酸中的一种、与40%质量百分比浓度的过氧化氢、次氯酸钠、高锰酸钾或重铬酸钾中的一种进行混合;
S62、将碳纤维浸泡于S61制备的处理剂中,浸泡时间为30~55分钟;
S63、将步骤S62改性处理后的碳纤维用去离子水进行2次清洗至中性;
S64、用热风对清洗后的碳纤维进行烘干处理,烘干温度不超过100 oC。
8.根据权利要求1所述的碳素纤维基树脂复合材料制备伞骨的方法 ,其特征在于:所述步骤S71中的高分子共聚物由己内酰胺或己二酸己二胺盐作为原材料。
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JPH02169763A (ja) * | 1988-12-12 | 1990-06-29 | Mitsubishi Rayon Co Ltd | 表面改質炭素繊維及びその製造方法 |
JPH03227325A (ja) * | 1990-01-31 | 1991-10-08 | Nobuatsu Watanabe | 炭素繊維の表面改質方法 |
JPH08209457A (ja) * | 1995-02-07 | 1996-08-13 | Toray Ind Inc | 炭素繊維およびその製造方法 |
CN109423703A (zh) * | 2017-08-24 | 2019-03-05 | 通用汽车环球科技运作有限责任公司 | 在具有增强可模制性的复合材料的前驱体形成过程中对连续碳纤维的改性 |
CN112813539A (zh) * | 2021-02-05 | 2021-05-18 | 天津工业大学 | 一种聚丙烯腈基碳纤维的制备方法 |
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---|---|---|---|---|
JPH02169763A (ja) * | 1988-12-12 | 1990-06-29 | Mitsubishi Rayon Co Ltd | 表面改質炭素繊維及びその製造方法 |
JPH03227325A (ja) * | 1990-01-31 | 1991-10-08 | Nobuatsu Watanabe | 炭素繊維の表面改質方法 |
JPH08209457A (ja) * | 1995-02-07 | 1996-08-13 | Toray Ind Inc | 炭素繊維およびその製造方法 |
CN109423703A (zh) * | 2017-08-24 | 2019-03-05 | 通用汽车环球科技运作有限责任公司 | 在具有增强可模制性的复合材料的前驱体形成过程中对连续碳纤维的改性 |
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