CN114622400A - 一种增强碳纤维抗氧化性能和电热性能的表面改性方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及纤维材料表面改性技术领域，具体提供一种增强碳纤维抗氧化性能和电热性能的表面改性方法，包括如下步骤：步骤一、将碳纤维束置于惰性气体氛围中进行高温热处理20～120min；步骤二、将步骤一得到的碳纤维束置于硝酸溶液中浸渍3～24h后取出洗净并干燥；步骤三、对步骤二得到的洁净碳纤维进行电镀处理1～30min，电镀液包含硫酸盐、氯化物、缓冲剂和润湿剂，镍离子浓度为100～400g/L，pH保持在3.5～5.5；步骤四、将步骤三得到的镀镍碳纤维彻底洗净并干燥。本发明通过调节电镀参数可以在碳纤维表面镀制不同厚度且结合良好、均匀的镍镀层，并提高碳纤维的抗氧化性能和电热性能，工艺简捷、生产效率高，有应用于工业和民用电热元件方面的潜力。
Description
技术领域
本发明属于纤维材料表面改性技术领域，具体涉及一种增强碳纤维抗氧化性能和电热性能的表面改性方法。
背景技术
碳纤维因具备高比强度、高比模量、低密度、耐腐蚀等众多优良特性，被视作理想的增强材料，在国防、航空、航天、建筑、化工等多个领域发挥着重要的作用。因具备良好的导电导热性能，碳纤维也常作为导电基材和电加热元件应用于工业和民用领域。但由于结构上存在着杂质、晶体缺陷等，碳纤维在高温有氧环境中的抗氧化性能较差，从而造成材料的性能下降。同时，相较于金属丝而言，碳纤维的电阻率仍然较大。
为了提高碳纤维的抗氧化性能，目前广泛采取溶胶-凝胶法、气相沉积法、热喷法等在碳纤维表面制备抗氧化涂层。如中国发明专利CN110820323A公开了一种碳纤维表面Si-C-O陶瓷抗氧化涂层的制备方法，先将丙基三甲氧基硅烷和苯基三甲氧基硅烷的混合单体加入到氢氧化钾水溶液中，反应并过滤得到先驱体，而后将先驱体溶解在二甲苯中得到先驱体溶液，随之将碳纤维浸渍在先驱体溶液中并干燥，接着在氩气气氛中烧结，经过重复浸渍、干燥、烧结，最后在碳纤维表面得到抗氧化Si-C-O陶瓷涂层。这些方法制备的涂层改善了碳纤维耐高温、抗氧化的能力，同时也对碳纤维的力学性能有增强作用，但对碳纤维的导电导热性能几乎没有关注。
为了提高碳纤维的导电性，通常采用电镀、化学镀、溅射等方法对碳纤维作表面金属化处理，同时也可以改善碳纤维与基体的润湿性。中国发明专利CN111005047A公开了一种碳纤维均匀电镀铜层的制备方法，先将碳纤维作脱浆处理，后通过电镀法在碳纤维表面制备了结合力好、无粘连的铜镀层。但铜的抗氧化性能较差，不能显著提高碳纤维的抗氧化性能。中国发明专利CN105908493A公开了一种金属改性碳纤维、制备方法及应用，采用两步电镀工艺在碳纤维表面制备了铁及铁-钴-镍双层磁性层，导磁性高，工艺简便，能实现连续生产，但材料的抗氧化性能仍有待提高。
发明内容
针对现有碳纤维表面改性处理技术的不足，本发明提供了一种增强碳纤维抗氧化性能和电热性能的表面改性方法，首先对碳纤维进行高温热处理和硝酸浸渍预处理，随后通过对电镀液成分、浓度、pH值和电镀时间、电流密度、电镀温度的控制，制备出不同厚度且结合良好、均匀的镍镀层，并提高碳纤维的抗氧化性能和电热性能，以拓宽其在工业和民用电热元件方面的应用。
本发明是这样实现的：
一种增强碳纤维抗氧化性能和电热性能的表面改性方法，包括如下步骤：
步骤一、将碳纤维束置于惰性气体氛围中进行高温热处理20～120min；
步骤二、将步骤一得到的碳纤维束置于硝酸溶液中浸渍3～24h后取出洗净并干燥；
步骤三、对步骤二得到的洁净碳纤维进行电镀处理1～30min，电镀液包含硫酸盐、氯化物、缓冲剂和润湿剂，镍离子浓度为100～400g/L，pH保持在3.5～5.5；
步骤四、将步骤三得到的镀镍碳纤维彻底洗净并干燥。
进一步地，步骤一中所述的高温热处理采用石英管或刚玉管的电阻丝进行加热，加热速率为3～20℃/min，热处理温度为300～500℃，所述的惰性气体为氮气或氩气。
进一步地，步骤二中所述的浸渍温度为10～60℃。
进一步地，步骤三中所述的硫酸盐是电镀液的主盐和导电盐，浓度为100～350g/L。
进一步地，步骤三所述的氯化物是电镀液的阳极活化剂，能够在加速阳极溶解的同时提高电镀液的电导率和分散能力，浓度为10～100g/L；
进一步地，步骤三中所述的缓冲剂为硼酸，用以控制电镀液的pH值，浓度为20～60g/L。
进一步地，步骤三中所述的润湿剂为十二烷基硫酸钠、2-乙基己基硫酸钠或辛基硫酸钠中的一种，可以缓解电镀过程中形成的氢气的集聚现象，浓度为0.025～0.8g/L。
进一步地，步骤三中所述的电镀过程温度控制在35～60℃，电流密度为0.05～2A/dm2。
进一步地，步骤三中所述的电镀液采用1％～10％的硫酸溶液调节高pH值，采用1％～10％的氢氧化钠或碳酸镍溶液调节低pH值。
进一步地，步骤三所述的电镀过程需在磁力搅拌或超声震荡环境中进行。
进一步地，步骤二、步骤四中所述的清洁碳纤维和镀镍碳纤维均采用五道逆流纯水洗及无水乙醇洗。
本发明具有如下有益效果：
1、金属镍具备良好的导电性、抗氧化性和延展性，作为镀层可赋予碳纤维金属特征，有效提升其电热性能，并保护高温环境中碳纤维的微观结构，从而有助于提高其抗氧化性能；
2、经过高温热处理和硝酸浸渍预处理的碳纤维与镍镀层结合紧密，并且通过调整电镀条件可以制备不同厚度和微观结构的镀层；
3、本发明工艺简捷，生产效率高，无需特殊设备，可应用于工业和民用电热器材，并且可以根据实际需求选择不同的碳纤维材料和镀镍方法，具备广阔的市场应用前景。
附图说明
图1为碳纤维表面改性前后的X射线衍射(XRD)曲线对比图。
图2为碳纤维表面改性前后的截面扫描电子显微镜(SEM)对比图。
图3为表面改性前后的碳纤维在0.8V恒定电压下的热平衡状态红外热像图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明
作进一步说明。
实施例1
一种增强碳纤维抗氧化性能和电热性能的表面改性方法，包括如下步骤：
步骤一、将碳纤维束置于刚玉管管式炉内，在氮气氛围中以3℃/min的加热速率加热至400℃，进行热处理30min；
步骤二、将步骤一得到的碳纤维束置于60℃硝酸溶液中浸渍3h，随后取出用五道逆流纯水洗及无水乙醇洗净并干燥；
步骤三、对步骤二得到的洁净碳纤维在速率为150rpm的磁力搅拌下进行电镀镍处理8min，电流密度为0.2A/dm2，温度控制在50℃，其中电镀液组成：硫酸镍250g/L、氯化镍35g/L、硼酸38g/L和十二烷基硫酸钠0.1g/L，并采用3％的硫酸溶液和3％的氢氧化钠溶液调节pH值，使其保持在3.8；
步骤四、将步骤三得到的镀镍碳纤维通过五道逆流纯水洗及无水乙醇彻底洗净并干燥。
实施例2
一种增强碳纤维抗氧化性能和电热性能的表面改性方法，包括如下步骤：
步骤一、将碳纤维束置于石英管管式炉内，在氩气氛围中以5℃/min的加热速率加热至450℃，进行热处理60min；
步骤二、将步骤一得到的碳纤维束置于硝酸溶液中在室温下浸渍10h，随后取出用五道逆流纯水洗及无水乙醇洗净并干燥；
步骤三、对步骤二得到的洁净碳纤维在超声震荡环境中进行电镀镍处理5min，电流密度为0.4A/dm2，温度控制在45℃，其中镀液组成：硫酸镍200g/L、氯化钠15g/L、硼酸45g/L和十二烷基硫酸钠0.05g/L，并采用5％的硫酸溶液和5％的碳酸镍溶液调节pH值，使其保持在4.0；
步骤四、将步骤三得到的镀镍碳纤维通过五道逆流纯水洗及无水乙醇彻底洗净并干燥。
实施例3
一种增强碳纤维抗氧化性能和电热性能的表面改性方法，包括如下步骤：
步骤一、将碳纤维束置于石英管管式炉内，在氮气氛围中以8℃/min的加热速率加热至400℃，进行热处理90min；
步骤二、将步骤一得到的碳纤维束置于硝酸溶液中在室温下浸渍24h，随后取出用五道逆流纯水洗及无水乙醇洗净并干燥；
步骤三、对步骤二得到的洁净碳纤维在超声震荡环境中进行电镀镍处理30min，电流密度为0.05A/dm2，温度控制在35℃，其中镀液组成：硫酸镍200g/L、硫酸钠80，氯化钠12g/L、硼酸30g/L和十二烷基硫酸钠0.08g/L，并采用3％的硫酸溶液和3％的氢氧化钠溶液调节pH值，使其保持在5.0；
步骤四、将步骤三得到的镀镍碳纤维通过五道逆流纯水洗及无水乙醇彻底洗净并干燥。
X射线衍射(XRD)测试与结论：由图1的碳纤维表面改性前后的X射线衍射(XRD)曲线对比图可知，碳纤维在经过表面镀镍以后，出现了镍的{111}、{200}和{220}面衍射峰，且峰形尖锐，说明镍成功镀在碳纤维表面，且所镀镍的结晶度较高。同时，碳纤维的{101}面衍射峰消失，{002}面衍射峰强度明显降低，这说明镍镀层完好地包覆在了碳纤维表面，因而削弱了检测信号。
扫描电子显微镜(SEM)测试与结论：图2为各实施例在扫描电镜下的截面微观形貌对比图，其中a为原样，b为实施例1样品，c为实施例2样品，d为实施例4样品。由此可以观察到，镍镀层较好地包覆在碳纤维表面，无明显的空隙、脱落现象，纤维与镀层结合较为紧密。同时，控制不同的电镀条件得到了不同厚度的镍镀层。
抗氧化性能测试与结论：为了考察碳纤维原样和各实施例的抗氧化性能，对各样品做了空气氛围中的热重(TG)测试，测试温度范围为30℃-800℃，下表为测试结果。
表1不同实例初始氧化温度与800℃时的质量残余率
由上表可知，经过高温热处理和硝酸浸渍预处理碳纤维的抗氧化性能相较于原纤维均有不同程度的降低，这是因为硝酸氧化了碳纤维的表面，使其表面活性和粗糙度增加的同时也造成了碳纤维的结构缺陷，致使其抗氧化性能下降。但经过表面镀镍处理以后，各实施例碳纤维的初始氧化温度均有所提高，到达800℃高温下的质量残余率均得到了大幅度的增加，说明镍镀层在升温过程中较好地保护了碳纤维的微观结构，从而提升了其抗氧化性能。
力学性能测试与结论：
表2不同实例断裂强度与断裂伸长率
由上述数据可知，经过高温热处理和硝酸浸渍预处理碳纤维的力学性能相较于原纤维均有不同程度的降低，如上段抗氧化性能测试中的阐述所言，经过预处理后的碳纤维产生了表面结构缺陷，因而断裂强度降低。但在表面镀镍的过程中，镍晶粒吸附在碳纤维的表面，并逐步形成了镀层，弥补了碳纤维表面的结构缺陷。因而相较于预处理后的碳纤维，各实施例力学性能均有所改善，并且通过调节厚度可以接近甚至达到碳纤维原样的力学强度。
电热性能测试与结论：图3为各实施例在通入0.8V恒定电压下达到的热平衡温度，其中a为原样，b为实施例1样品，c为实施例2样品，d为实施例4样品。由图可知，在该恒定电压下，相较于原样，实施例1、实施例2和实施例3样品发热温度分别提升了41.4％，58.1％，和48.5％，电热性能均得到了大幅度的增强。
尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，但应当认识到本发明的实施方式并不受上述实施例的限制。应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。
Claims (11)
1.一种增强碳纤维抗氧化性能和电热性能的表面改性方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一、将碳纤维束置于惰性气体氛围中进行高温热处理20～120min；
步骤二、将步骤一得到的碳纤维束置于硝酸溶液中浸渍3～24h后取出洗净并干燥；
步骤三、对步骤二得到的洁净碳纤维进行电镀处理1～30min，电镀液包含硫酸盐、氯化物、缓冲剂和润湿剂，镍离子浓度为100～400g/L，pH保持在3.5～5.5；
步骤四、将步骤三得到的镀镍碳纤维彻底洗净并干燥。
2.根据权利要求1所述一种增强碳纤维抗氧化性能和电热性能的表面改性方法，其特征在于：
所述的高温热处理采用石英管或刚玉管的电阻丝进行加热，加热速率为3～20℃/min，热处理温度为300～500℃，所述的惰性气体为氮气或氩气。
3.根据权利要求1所述一种增强碳纤维抗氧化性能和电热性能的表面改性方法，其特征在于：
所述的浸渍温度为10～60℃。
4.根据权利要求1所述一种增强碳纤维抗氧化性能和电热性能的表面改性方法，其特征在于：
所述的硫酸盐是电镀液的主盐和导电盐，浓度为100～350g/L。
5.根据权利要求1所述一种增强碳纤维抗氧化性能和电热性能的表面改性方法，其特征在于：
所述的氯化物是电镀液的阳极活化剂，能够在加速阳极溶解的同时提高电镀液的电导率和分散能力，浓度为10～100g/L。
6.根据权利要求1所述一种增强碳纤维抗氧化性能和电热性能的表面改性方法，其特征在于：
所述的缓冲剂为硼酸，用以控制电镀液的pH值，浓度为20～60g/L。
7.根据权利要求1所述一种增强碳纤维抗氧化性能和电热性能的表面改性方法，其特征在于：
所述的润湿剂为十二烷基硫酸钠、2-乙基己基硫酸钠或辛基硫酸钠中的一种，可以缓解电镀过程中形成的氢气的集聚现象，浓度为0.025～0.8g/L。
8.根据权利要求1所述一种增强碳纤维抗氧化性能和电热性能的表面改性方法，其特征在于：
所述的电镀过程温度控制在35～60℃，电流密度为0.05～2A/dm2。
9.根据权利要求1所述一种增强碳纤维抗氧化性能和电热性能的表面改性方法，其特征在于：
步骤三中所述的电镀液采用1％～10％的硫酸溶液调节高pH值，采用1％～10％的氢氧化钠或碳酸镍溶液调节低pH值。
10.根据权利要求1所述一种增强碳纤维抗氧化性能和电热性能的表面改性方法，其特征在于：
所述的电镀过程需在磁力搅拌或超声震荡环境中进行。
11.根据权利要求1所述一种增强碳纤维抗氧化性能和电热性能的表面改性方法，其特征在于：
所述的清洁碳纤维和镀镍碳纤维均采用五道逆流纯水洗及无水乙醇洗。
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Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20030049703A (ko) * | 2001-12-17 | 2003-06-25 | 한국화학연구원 | 전해도금법에 의한 니켈 도금된 탄소섬유의 제조 방법 |
| CN103694951A (zh) * | 2013-11-29 | 2014-04-02 | 中国人民武装警察部队工程大学 | 一种CuO/Ni/碳纤维复合吸波材料及其制备方法 |
| CN103806265A (zh) * | 2012-11-08 | 2014-05-21 | 无锡新三洲特钢有限公司 | 一种复合氧化处理提高碳纤维表面电镀铜结合力的方法 |
| CN105908493A (zh) * | 2016-04-19 | 2016-08-31 | 郑州四维特种材料有限责任公司 | 金属改性碳纤维、制备方法及应用 |
| CN106801335A (zh) * | 2016-12-12 | 2017-06-06 | 东莞市佳乾新材料科技有限公司 | 一种高性能表面镀镍碳纤维的制备方法 |
| CN110318253A (zh) * | 2019-08-11 | 2019-10-11 | 西南石油大学 | 一种碳纤维表面改性抗氧化复合涂层的制备方法 |
| CN111228858A (zh) * | 2020-02-17 | 2020-06-05 | 大连理工大学 | 一种超疏水超亲油镀镍碳纤维的制备方法 |
| CN112144272A (zh) * | 2020-09-28 | 2020-12-29 | 天津工业大学 | 一种碳纤维化学镀镍表面改性的方法 |
-
2022
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Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20030049703A (ko) * | 2001-12-17 | 2003-06-25 | 한국화학연구원 | 전해도금법에 의한 니켈 도금된 탄소섬유의 제조 방법 |
| CN103806265A (zh) * | 2012-11-08 | 2014-05-21 | 无锡新三洲特钢有限公司 | 一种复合氧化处理提高碳纤维表面电镀铜结合力的方法 |
| CN103694951A (zh) * | 2013-11-29 | 2014-04-02 | 中国人民武装警察部队工程大学 | 一种CuO/Ni/碳纤维复合吸波材料及其制备方法 |
| CN105908493A (zh) * | 2016-04-19 | 2016-08-31 | 郑州四维特种材料有限责任公司 | 金属改性碳纤维、制备方法及应用 |
| CN106801335A (zh) * | 2016-12-12 | 2017-06-06 | 东莞市佳乾新材料科技有限公司 | 一种高性能表面镀镍碳纤维的制备方法 |
| CN110318253A (zh) * | 2019-08-11 | 2019-10-11 | 西南石油大学 | 一种碳纤维表面改性抗氧化复合涂层的制备方法 |
| CN111228858A (zh) * | 2020-02-17 | 2020-06-05 | 大连理工大学 | 一种超疏水超亲油镀镍碳纤维的制备方法 |
| CN112144272A (zh) * | 2020-09-28 | 2020-12-29 | 天津工业大学 | 一种碳纤维化学镀镍表面改性的方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 杨斌;刘敬萱;齐亮;肖翔鹏;汪航;: "碳纤维表面镀镍工艺研究", 有色金属科学与工程, no. 05, pages 49 - 54 * |
| 杨斌;刘敬萱;齐亮;肖翔鹏;谢义高;: "十二烷基硫酸钠对碳纤维表面镍镀层电沉积行为的影响研究", 表面技术, no. 04, pages 132 - 136 * |
| 赵晓莉;齐暑华;刘建军;韩笑;: "正交设计法优化碳纤维表面连续镀镍工艺及性能", 工程塑料应用, no. 03 * |
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