專利名稱：一種碳纖維表面復(fù)合涂層的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)合涂層的制備方法。
背景技術(shù)：
碳纖維是纖維狀的碳材料，密度比金屬鋁低，但強(qiáng)度卻高于鋼鐵，并且具有耐腐 蝕、高模量的特性。碳纖維產(chǎn)業(yè)在發(fā)達(dá)國家支柱產(chǎn)業(yè)升級乃至國民經(jīng)濟(jì)整體素質(zhì)提高方面 發(fā)揮著重要作用，對我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和傳統(tǒng)材料的更新?lián)Q代也有重要意義。先進(jìn)碳纖 維復(fù)合材料在航空、航天、軍事、建筑等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。碳纖維復(fù)合材料界面對其 性能起著決定性的作用，已經(jīng)被公認(rèn)為貫穿復(fù)合材料發(fā)展始終的基礎(chǔ)性與共性的研究課 題。界面直接影響碳纖維復(fù)合材料纖維與樹脂基體之間的應(yīng)力分散與傳遞，從而影響復(fù)合 材料的損傷積累與裂紋傳播的歷程，進(jìn)而影響碳纖維復(fù)合材料的斷裂韌性。
總所周知，酚醛樹脂是熱固性樹脂，固化后的樹脂結(jié)構(gòu)具有三維網(wǎng)絡(luò)高度交聯(lián)的 特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)主體是大比例的苯環(huán)，元素中以碳元素為主，原子間鍵能高，分子鏈間內(nèi)聚力大， 所以酚醛樹脂有著在熱解后具有高殘?zhí)悸屎统商拷Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度高的特點(diǎn)。酚醛樹脂炭化制成的 炭材料除用于耐燒蝕材料領(lǐng)域外，還可以在許多功能性領(lǐng)域中應(yīng)用，如高吸附、高分離性材 料，高導(dǎo)電材料，高導(dǎo)熱材料，高耐腐材料等領(lǐng)域。具體制品主要有碳/碳復(fù)合材料，活性炭 纖維，炭泡沫，炭(質(zhì))氣體分離膜，炭電極，玻璃炭，木陶瓷等。
碳纖維的類石墨結(jié)構(gòu)決定了其表面呈化學(xué)惰性，由于碳纖維表面惰性大、表面能 低，缺乏有化學(xué)活性的官能團(tuán)，反應(yīng)活性低，與基體的粘結(jié)性差，界面中存在較多的缺陷，直 接影響了復(fù)合材料的力學(xué)性能，表現(xiàn)為CFRP的偏軸強(qiáng)度較低。特別是碳纖維自身的機(jī)械強(qiáng) 度高，但其機(jī)械強(qiáng)度在復(fù)合材料中未得到充分體現(xiàn)。為了改善界面性能，充分利用界面效應(yīng) 的有利因素，可以通過對碳纖維進(jìn)行表面改性的辦法來提高其對基體的浸潤性和粘結(jié)性。 國內(nèi)外對碳纖維表面改性的研究進(jìn)行得十分活躍，常用的碳纖維表面處理方法有氣相氧 化法、液相氧化法、陽極氧化法、等離子體氧化法、表面涂層改性法等，也有采用兩種或兩種 以上表面處理法，先后或同時對碳纖維進(jìn)行表面處理，稱之為復(fù)合表面處理法?？傮w上講， 物理法工藝簡單、易操作，界面改善效果不夠明顯，導(dǎo)致最終得到的碳纖維復(fù)合材料中碳纖 維與樹脂基體之間存在弱界面現(xiàn)狀；化學(xué)法復(fù)雜，效果較好，經(jīng)化學(xué)處理的碳纖維表面形成 了大量的羥基、羰基等極性基團(tuán)，這使得碳纖維與基體樹脂的粘結(jié)得到了相當(dāng)程度的改善， 但是化學(xué)處理給碳纖維的結(jié)構(gòu)與性能帶來相當(dāng)程度的損傷，導(dǎo)致最終得到的碳纖維復(fù)合材 料中碳纖維與樹脂基體之間存在弱界面現(xiàn)狀。因此，尋求一種工藝簡單、界面結(jié)構(gòu)可控、界 面增強(qiáng)效果明顯的碳纖維表面改性技術(shù)是提高碳纖維復(fù)合材料品質(zhì)的重要課題。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要解決現(xiàn)有方法制備的碳纖維復(fù)合材料中碳纖維與樹脂基體之 間存在弱界面現(xiàn)狀的問題，而提供一種碳纖維表面復(fù)合涂層的制備方法。
一種碳纖維表面復(fù)合涂層的制備方法，具體是按以下步驟完成的一、碳纖維的預(yù)處理首先對碳纖維進(jìn)行纖維表面的預(yù)處理，預(yù)處理lmirTl20min，取出后得到表面預(yù)處理的碳纖維，采用去離子水對表面預(yù)處理的碳纖維進(jìn)行洗滌，洗滌lmirTl20min，然后將洗滌后表面預(yù)處理的碳纖維置于烘箱中，在溫度為90°C飛00°C下烘干lmirTeOmin，即完成碳纖維的預(yù)處理，得到預(yù)處理碳纖維；二、涂覆將預(yù)處理碳纖維放入酚醛樹脂漿料中浸泡，浸泡lmirT300min，取出后即得到表面涂覆酚醛樹脂預(yù)聚物的碳纖維；三、固化在壓力 O.1MPa IOOMPa和溫度為40°C 400°C下對步驟二得到的表面涂覆酚醛樹脂預(yù)聚物的碳纖維進(jìn)行固化處理，固化處理lmirT300min，即得到表面涂覆體型酚醛樹脂的碳纖維；四、炭化對步驟三得到的表面涂覆體型酚醛樹脂的碳纖維進(jìn)行炭化處理，即得到微孔全碳涂層的碳纖維；五、涂層官能團(tuán)化將步驟四得到的微孔全碳涂層的碳纖維浸入處理液中，并在壓力為O.1MPa IOOMPa和溫度為(TC 400°C下反應(yīng)lmirT300min，即得到碳纖維表面復(fù)合涂層。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)一、本發(fā)明制備的碳纖維表面復(fù)合涂層為多孔涂層，這種涂層極大的增大了碳纖維的表面粗糙度與表面能，使基體樹脂充分濕潤碳纖維，有效地在碳纖維與基體之間起到應(yīng)力傳遞作用，與未改性的碳纖維相比，復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度分別提高了 16%飛2%;且碳纖維表面復(fù)合涂層的吸附能力明顯提高，是良好的催化劑載體；二、本發(fā)明制備的碳纖維表面復(fù)合涂層為交聯(lián)涂層，與碳纖維聯(lián)系緊密，不易剝離，穩(wěn)定性好；三、本發(fā)明制備的碳纖維表面復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)可控，可以通過調(diào)節(jié)酚醛樹脂漿料的化學(xué)組成與組分配比，賦予碳纖維不同的功能或者應(yīng)用于不同種類的樹脂基體復(fù)合材料；四、本發(fā)明制備的碳纖維表面復(fù)合涂層的制備方法是一種連續(xù)法，制備方法簡單，效率高，效果好，易于工業(yè)化生產(chǎn)。


圖1是具體實施方式
二十的制備流程示意圖。
具體實施方式
具體實施方式
一本實施方式是一種碳纖維表面復(fù)合涂層的制備方法，具體是按以下步驟完成的一、碳纖維的預(yù)處理首先對碳纖維進(jìn)行纖維表面的預(yù)處理，預(yù)處理lmirTl20min，取出后得到表面預(yù)處理的碳纖維，采用去離子水對表面預(yù)處理的碳纖維進(jìn)行洗滌，洗滌lmirTl20min，然后將洗滌后表面預(yù)處理的碳纖維置于烘箱中，在溫度為 900C飛00°C下烘干lmirTeOmin，即完成碳纖維的預(yù)處理，得到預(yù)處理碳纖維；二、涂覆將預(yù)處理碳纖維放入酚醛樹脂漿料中浸泡，浸泡lmirT300min，取出后即得到表面涂覆酚醛樹脂預(yù)聚物的碳纖維；三、固化在壓力O.1MPa IOOMPa和溫度為40°C 400°C下對步驟二得到的表面涂覆酚醛樹脂預(yù)聚物的碳纖維進(jìn)行固化處理，固化處理lmirT300min，即得到表面涂覆體型酚醛樹脂的碳纖維；四、炭化對 步驟三得到的表面涂覆體型酚醛樹脂的碳纖維進(jìn)行炭化處理，即得到微孔全碳涂層的碳纖維；五、涂層官能團(tuán)化將步驟四得到的微孔全碳涂層的碳纖維浸入處理液中，并在壓力為O.1MPa^lOOMPa和溫度為0°C 400°C下反應(yīng) Imin 300min,即得到碳纖維表面復(fù)合涂層。
本實施方式制備的碳纖維表面復(fù)合涂層為多孔涂層，這種涂層極大的增大了碳纖維的表面粗糙度與表面能，使基體樹脂充分濕潤碳纖維，有效地在碳纖維與基體之間起到應(yīng)力傳遞作用，與未改性的碳纖維相比，復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度分別提高了 16%飛2%;且碳纖維表面復(fù)合涂層的吸附能力明顯提高，是良好的催化劑載體。
本實施方式制備的碳纖維表面復(fù)合涂層為交聯(lián)涂層，與碳纖維聯(lián)系緊密，不易剝離，穩(wěn)定性好。
本實施方式制備的碳纖維表面復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)可控，可以通過調(diào)節(jié)酚醛樹脂漿料的化學(xué)組成與組分配比，賦予碳纖維不同的功能或者應(yīng)用于不同種類的樹脂基體復(fù)合材料。
具體實施方式
二 本實施方式與具體實施方式
一的不同點(diǎn)是步驟一中所述的預(yù)處理液為酸處理、等離子體處理或伽馬射線處理。其他與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一或二之一不同點(diǎn)是步驟一中首先將碳纖維浸入預(yù)處理液中進(jìn)行纖維表面的預(yù)處理，預(yù)處理5mirTll0min，取出后得到表面預(yù)處理的碳纖維，采用去離子水對表面預(yù)處理的碳纖維進(jìn)行洗滌，洗滌5mirTll0min，然后將洗滌后表面預(yù)處理的碳纖維置于烘箱中，在溫度為80°C 360°C下烘干5mirT55min，即完成碳纖維的預(yù)處理，得到預(yù)處理碳纖維。其他與具體實施方式
一或二相同。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一至三之一不同點(diǎn)是步驟一中首先將碳纖維浸入預(yù)處理液中進(jìn)行纖維表面的預(yù)處理，預(yù)處理15mirTl00min，取出后得到表面預(yù)處理的碳纖維，采用去離子水對表面預(yù)處理的碳纖維進(jìn)行洗滌，洗滌15mirTl00min，然后將洗滌后表面預(yù)處理的碳纖維置于烘箱中，在溫度為100°C 340°C下烘干15mirT45min， 即完成碳纖維的預(yù)處理，得到預(yù)處理碳纖維。其他與具體實施方式
一至三相同。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
一至四之一不同點(diǎn)是步驟一中首先將碳纖維浸入預(yù)處理液中進(jìn)行纖維表面的預(yù)處理，預(yù)處理30mirT70min，取出后得到表面預(yù)處理的碳纖維，采用去離子水對表面預(yù)處理的碳纖維進(jìn)行洗滌，洗滌30mirT70min，然后將洗滌后表面預(yù)處理的碳纖維置于烘箱中，在溫度為150°C 30(TC下烘干20mirT40min，即完成碳纖維的預(yù)處理，得到預(yù)處理碳纖維。其他與具體實施方式
一至四相同。
具體實施方式
六本實 施方式與具體實施方式
一至五之一不同點(diǎn)是步驟一中首先將碳纖維浸入預(yù)處理液中進(jìn)行纖維表面的預(yù)處理，預(yù)處理30mirT70min，取出后得到表面預(yù)處理的碳纖維，采用去離子水對表面預(yù)處理的碳纖維進(jìn)行洗滌，洗滌30mirT70min，然后將洗滌后表面預(yù)處理的碳纖維置于烘箱中，在溫度為180°C 260°C下烘干20mirT40min，即完成碳纖維的預(yù)處理，得到預(yù)處理碳纖維。其他與具體實施方式
一至五相同。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
一至六之一不同點(diǎn)是步驟二中所述的酚醛樹脂漿料的制備方法如下首先按重量份數(shù)稱取100份的酚類化合物、9(Γ250份的醛類化合物、O. f 10份的催化劑和f300份的去離子水，然后放入聚合反應(yīng)釜中進(jìn)行混合，混勻后在溫度20°C 200°C下反應(yīng)lmirT600min，即得到酚醛樹脂漿料。其他與具體實施方式
一至六相同。
具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
七的不同點(diǎn)是所述的酚類化合物為苯酚、鄰甲酚、間甲酚、對甲酚、鄰氯苯酚、對氯苯酚、1-萘酚、對氨基酚和鄰氨基酚中的一種或其中幾種的混合物。其他與具體實施方式
七相同。
本實施方式所述的酚類化合物為混合物時，各組分之間按任意比混合。
具體實施方式
九本實施方式與具體實施方式
七的不同點(diǎn)是所述的醛類化合物為甲醛、正丙醛、異丁醛、乙醛、鄰苯二甲醛、肉桂醛、乙二醛、苯甲醛、鄰氯苯甲醛和福爾馬林中的一種或其中幾種的混合物。其他與具體實施方式
七相同。
本實施方式所述的醛類化合物為混合物時，各組分之間按任意比混合。
本實施方式所述的福爾馬林為質(zhì)量濃度為35°/Γ40%的甲醛水溶液。
具體實施方式
十本實施方式與具體實施方式
七的不同點(diǎn)是所述的催化劑為氫氧化鈉、氫氧化鉀、氨水和氫氧化鋰中的一種或其中幾種的混合物。其他與具體實施方式
七相同。
本實施方式所述的催化劑為混合物時，各組分之間按任意比混合。
具體實施方式
十一本實施方式與具體實施方式
一至十之一不同點(diǎn)是步驟二中所述的酚醛樹脂漿料濃度為O. 001Wt9T70wt%。其他與具體實施方式
一至十相同。
具體實施方式
十二 本實施方式與具體實施方式
一至i^一之一不同點(diǎn)是步驟二中將預(yù)處理碳纖維放入酚醛樹脂漿料中浸泡，浸泡20mirT280min，取出后即得到表面涂覆酚醛樹脂預(yù)聚物的碳纖維。其他與具體實施方式
一至十一相同。
具體實施方式
十三本實施方式與具體實施方式
一至十二之一不同點(diǎn)是步驟二中將預(yù)處理碳纖維放入酚醛樹脂漿料中浸泡，浸泡50mirT250min，取出后即得到表面涂覆酚醛樹脂預(yù)聚物的碳纖維。其他與具體實施方式
一至十二相同。
具體實施方式
十四本實施方式與具體實施方式
一至十三之一不同點(diǎn)是步驟二中將預(yù)處理碳纖維放入酚醛樹脂漿料中浸泡，浸泡100mirT200min，取出后即得到表面涂覆酚醛樹脂預(yù)聚物的碳纖維。其他與具體實施方式
一至十三相同。
具體實施方式
十五本實施方式與具體實施方式
一至十四之一不同點(diǎn)是步驟二中將預(yù)處理碳纖維放入酚醛樹脂漿料中浸泡，浸泡120mirTl80min，取出后即得到表面涂覆酚醛樹脂預(yù)聚物的碳纖維。其他與具體實施方式
一至十四相同。
具體實施方式
十六本實施方式與具體實施方式
一至十五之一不同點(diǎn)是步驟三中在壓力IMPa 99MPa和溫度為50°C 380°C下對步驟二得到的表面涂覆酚醛樹脂預(yù)聚物的碳纖維進(jìn)行固化處理，固化處理5mirT290min，即得到表面涂覆體型酚醛樹脂的碳纖維。其他與具體實施方式
一至十五相同。
具體實施方式
十七本實施方式與具體實施方式
一至十六之一不同點(diǎn)是步驟三中在壓力5MPa 95MPa和溫度為80°C 320°C下對步驟二得到的表面涂覆酚醛樹脂預(yù)聚物的碳纖維進(jìn)行固化處理，固化處理15mirT275min，即得到表面涂覆體型酚醛樹脂的碳纖維。其他與具體實施方式
一至十六相同。
具體實施方式
十八本實施方式與具體實施方式
一至十七之一不同點(diǎn)是步驟三中在壓力15MPa 85MPa和溫度為100°C 300°C下對步驟二得到的表面涂覆酚醛樹脂預(yù)聚物的碳纖維進(jìn)行固化處理，固化處理30mirT250min，即得到表面涂覆體型酚醛樹脂的碳纖維。 其他與具體實施方式
一至十七相同。
具體實施方式
十九本實施方式與具體實施方式
一至十八之一不同點(diǎn)是步驟三中在壓力30MPa 70MPa和溫度為150°C 250°C下對步驟二得到的表面涂覆酚醛樹脂預(yù)聚物的碳纖維進(jìn)行固化處理，固化處理100mirT200min，即得到表面涂覆體型酚醛樹脂的碳纖維 。其他與具體實施方式
一至十八相同。
具體實施方式
二十結(jié)合圖1，本實施方式與具體實施方式
一至十九之一不同點(diǎn)是步驟四中所述的炭化處理具體操作過程如下首先將步驟三得到的表面涂覆體型酚醛樹脂的碳纖維放入炭化爐中，然后在lmirTl200min內(nèi)完成從20°C升溫至1600°C，升溫至 1600°C即完成表面涂覆體型酚醛樹脂的碳纖維的炭化處理，得到微孔全碳涂層的碳纖維。 其他與具體實施方式
一至十九相同。
本實施方式所述的炭化爐為單側(cè)加熱式加熱爐，步驟三得到的表面涂覆體型酚醛樹脂的碳纖維在lmirTl200min內(nèi)從低溫一側(cè)移動到高溫一側(cè)，最終實現(xiàn)從20°C到1600°C 的升溫。
本實施方式制備的碳纖維表面復(fù)合涂層的制備方法是一種連續(xù)法，制備流程示意圖如圖1所示，圖1是本實施方式的制備流程示意圖，圖中的I為碳纖維，2為碳纖維導(dǎo)入輥，3為碳纖維預(yù)處理池，4為碳纖維清洗池，5為烘箱，6為酚醛預(yù)聚釜，7為浸膠池，8為固化爐，9為梯度高溫炭化爐，10為碳纖維處理池，11為碳纖維表面復(fù)合涂層導(dǎo)出輥，12為碳纖維表面復(fù)合涂層，本實施方式制備的碳纖維表面復(fù)合涂層流程為，碳纖維I通過碳纖維導(dǎo)入輥2依次經(jīng)過碳纖維預(yù)處理池3、碳纖維清洗池4、烘箱5、浸膠池7、固化爐8、梯度高溫炭化爐9和碳纖維處理池10，最后經(jīng)碳纖維表面復(fù)合涂層導(dǎo)出輥11導(dǎo)出即得到碳纖維表面復(fù)合涂層，通過酚醛預(yù)聚釜6制備酚醛樹脂漿料，并注入浸膠池7中。
本實施方式制備方法簡單，效率高，效果好，易于工業(yè)化生產(chǎn)。
具體實施方式
二十一本實施方式與具體實施方式
一至十九之一不同點(diǎn)是步驟四中所述的炭化處理具體操作過程如下首先將步 驟三得到的表面涂覆體型酚醛樹脂的碳纖維放入炭化爐中，然后依次在100°C下加熱10mirT30min，在200°C下加熱10mirT30min， 在 30CTC下加熱 IOmin 120min,在 50CTC下加熱 Imin 120min,在 70CTC下加熱 Imin 60min, 在900°C下加熱lmirT40min，即完成表面涂覆體型酚醛樹脂的碳纖維的炭化處理，得到微孔全碳涂層的碳纖維。其他與具體實施方式
一至十九相同。
具體實施方式
二十二 本實施方式與具體實施方式
一至二i^一之一不同點(diǎn)是步驟五中所述的處理液的制備方法如下將I份的納米粒子在超聲粉碎儀的作用下分散在 10(Tl000份的水中，分散均勻后得到納米粒子分散液，即為處理液，其中所述的納米粒子為富勒烯、二氧化硅、二氧化鈦、石墨烯、碳納米管、聚倍半硅氧烷、鐵氧體和金粒子中的一種或其中幾種的混合物。其他與具體實施方式
一至二十一相同。
本實施方式所述的納米粒子為混合物時，各組分之間按任意比混合。
本實施方式所述的金粒子為納米級的金屬金的粒子。
具體實施方式
二十三本實施方式與具體實施方式
一至二十二之一不同點(diǎn)是步驟五中將步驟四得到的微孔全碳涂層的碳纖維浸入處理液中，并在壓力為O. lMPa^99MPa 和溫度為5°C 390°C下反應(yīng)5mirT295min，即得到碳纖維表面復(fù)合涂層。其他與具體實施方式
一至二十二相同。
具體實施方式
二十四本實施方式與具體實施方式
一至二十三之一不同點(diǎn)是步驟五中將步驟四得到的微孔全碳涂層的碳纖維浸入處理液中，并在壓力為O. lMPa^95MPa 和溫度為15°C 385°C下反應(yīng)15mirT285min，即得到碳纖維表面復(fù)合涂層。其他與具體實施方式
一至二十三相同。
采用下述試驗驗證本發(fā)明效果
試驗一一種碳纖維表面復(fù)合涂層的制備方法，具體是按以下步驟完成的一、碳纖維的預(yù)處理首先對碳纖維進(jìn)行纖維表面的酸處理，酸處理lOmin，取出后得到表面預(yù)處理的碳纖維，采用去離子水對表面預(yù)處理的碳纖維進(jìn)行洗滌，洗滌5min，然后將洗滌后表面 預(yù)處理的碳纖維置于烘箱中，在溫度為200°C下烘干lOmin，即完成碳纖維的預(yù)處理，得到 預(yù)處理碳纖維；二、涂覆將預(yù)處理碳纖維放入酚醛樹脂漿料中浸泡，浸泡lOmin，取出后即 得到表面涂覆酚醛樹脂預(yù)聚物的碳纖維；三、固化在壓力IMPa和溫度為240°C下對步驟二 得到的表面涂覆酚醛樹脂預(yù)聚物的碳纖維進(jìn)行固化處理，固化處理30min，即得到表面涂覆 體型酚醛樹脂的碳纖維；四、炭化對步驟三得到的表面涂覆體型酚醛樹脂的碳纖維進(jìn)行 炭化處理，即得到微孔全碳涂層的碳纖維；五、涂層官能團(tuán)化將步驟四得到的微孔全碳涂 層的碳纖維浸入處理液中，并在壓力為O.1MPa和溫度為80°C下反應(yīng)20min，即得到碳纖維 表面復(fù)合涂層。
本試驗所述的酸處理具體操作如下將碳纖維浸入濃硫酸/濃硝酸混合液中超聲 浸泡處理，其中所述的濃硫酸/濃硝酸混合液制備方法如下在攪拌和冰浴條件下將濃硝 酸加入濃硫酸中，然后在10°C下攪拌混勻，其中所述的濃硫酸和濃硝酸按體積比為4:1。
本試驗步驟二中所述的酚醛樹脂漿料的制備方法如下首先按重量份數(shù)稱取3份 的苯酚、3份的福爾馬林、O. 06份的氫氧化鈉和93. 94份去離子水，然后放入聚合反應(yīng)釜中 進(jìn)行混合，混勻后在溫度85°C下反應(yīng)lOmin，即得到濃度為4. 8wt%的酚醛樹脂漿料。
本試驗步驟四中所述的炭化處理具體操作過程如下首先將步驟三得到的表面涂 覆體型酚醛樹脂的碳纖維放入炭化爐中，然后在120min內(nèi)完成從240°C升溫900°C，升溫至 900°C即完成表面涂覆體型酚醛樹脂的碳纖維的炭化處理，得到微孔全碳涂層的碳纖維。
本試驗步驟五中所述的處理液的制備方法如下將I份的富勒烯在超聲粉碎儀的 作用下分散在500份的水中，分散均勻后得到富勒烯分散液，即為處理液。
通過檢測可知本試驗制備的碳纖維表面復(fù)合涂層的纖維與環(huán)氧樹脂的層間剪切 強(qiáng)度為78MPa。
試驗二 一種碳纖維表面復(fù)合涂層的制備方法，具體是按以下步驟完成的一、碳 纖維的預(yù)處理首先對碳纖維進(jìn)行纖維表面的等離子體處理，等離子體處理5min，取出后 得到表面預(yù)處理的碳纖維，采用去離子水對表面預(yù)處理的碳纖維進(jìn)行洗滌，洗滌5min，然 后將洗滌后表面預(yù)處理的碳纖維置于烘箱中，在溫度為200°C下烘干lOmin，即完成碳纖 維的預(yù)處理，得到預(yù)處理碳纖維；二、涂覆將預(yù)處理碳纖維放入酚醛樹脂漿料中浸泡，浸 泡lOmin，取出后即得到表面涂覆酚醛樹脂預(yù)聚物的碳纖維；三、固化在壓力IMPa和溫 度為240°C下對步驟二得到的表面涂覆酚醛樹脂預(yù)聚物的碳纖維進(jìn)行固化處理，固化處理 30min，即得到表面涂覆體型酚醛樹脂的碳纖維；四、炭化對步驟三得到的表面涂覆體型 酚醛樹脂的碳纖維進(jìn)行炭化處理，即得到微孔全碳涂層的碳纖維；五、涂層官能團(tuán)化將步 驟四得到的微孔全碳涂層的碳纖維浸入處理液中，并在壓力為O.1MPa和溫度為80°C下反 應(yīng)20min，即得到碳纖維表面復(fù)合涂層。
本試驗所述的等離子體處理具體操作如下將碳纖維浸入等離子體處理池中，并 在強(qiáng)度為SeV下進(jìn)行等離子體處理。
本試驗步驟二中所述的酚醛樹脂漿料的制備方法如下首先按重量份數(shù)稱取3份 的苯酚、2. 9份的福爾馬林、O.1份的乙醛、O. 06份的氫氧化鈉和93. 94份去離子水，然后放 入聚合反應(yīng)釜中進(jìn)行混合，混勻后在溫度85°C下反應(yīng)lOmin，即得到濃度為4. 8wt%的酚醛 樹脂漿料。
本試驗步驟四中所述的炭化處理具體操作過程如下首先將步驟三得到的表面涂 覆體型酚醛樹脂的碳纖維放入炭化爐中，然后在120min內(nèi)完成從240°C升溫900°C，升溫至 900°C即完成表面涂覆體型酚醛樹脂的碳纖維的炭化處理，得到微孔全碳涂層的碳纖維。
本試驗步驟五中所述的處理液的制備方法如下將I份的二氧化硅在超聲粉碎儀 的作用下分散在500份的水中，分散均勻后得到二氧化硅分散液，即為處理液。
通過檢測可知本試驗制備的碳纖維表面復(fù)合涂層的纖維與環(huán)氧樹脂的層間剪切 強(qiáng)度為85MPa。
試驗三一種碳纖維表面復(fù)合涂層的制備方法，具體是按以下步驟完成的一、 碳纖維的預(yù)處理首先對碳纖維進(jìn)行纖維表面的伽馬射線處理，伽馬射線處理5min，取出 后得到表面預(yù)處理的碳纖維，采用去離子水對表面預(yù)處理的碳纖維進(jìn)行洗滌，洗滌5min， 然后將洗滌后表面預(yù)處理的碳纖維置于烘箱中，在溫度為200°C下烘干5min，即完成碳纖 維的預(yù)處理，得到預(yù)處理碳纖維；二、涂覆將預(yù)處理碳纖維放入酚醛樹脂漿料中浸泡，浸 泡lOmin，取出后即得到表面涂覆酚醛樹脂預(yù)聚物的碳纖維；三、固化在壓力IMPa和溫 度為240°C下對步驟二得到的表面涂覆酚醛樹脂預(yù)聚物的碳纖維進(jìn)行固化處理，固化處理 30min,即得到表面涂覆體型酚醛樹脂的碳纖維；四、炭化對步驟三得到的表面涂覆體型 酚醛樹脂的碳纖維進(jìn)行炭化處理，即得到微孔全碳涂層的碳纖維；五、涂層官能團(tuán)化將步 驟四得到的微孔全碳涂層的碳纖維浸入處理液中，并在壓力為O.1MPa和溫度為80°C下反 應(yīng)20min，即得到碳纖維表面復(fù)合涂層。
本試驗所述的伽馬射線處理具體操作如下將碳纖維浸入伽馬射線處理池中，并 在強(qiáng)度為12eV下進(jìn)行伽馬射線處理。
本試驗步驟二中所述的酚醛樹脂漿料的制備方法如下首先按重量份數(shù)稱取2. 8 份的苯酚、O. 2份的萘酚、3份的福爾馬林、O. 06份的氫氧化鈉和93. 94份去離子水，然后放 入聚合反應(yīng)釜中進(jìn)行混合，混勻后在溫度85°C下反應(yīng)lOmin，然后采用乙醇進(jìn)行稀釋，即得 到濃度為2wt%的酚醛樹脂漿料。
本試驗步驟四中所述的炭化處理具體操作過程如下首先將步驟三得到的表面涂 覆體型酚醛樹脂的碳纖維放入炭化爐中，然后在120min內(nèi)完成從240°C升溫900°C，升溫至 900°C即完成表面涂覆體型酚醛樹脂的碳纖維的炭化處理，得到微孔全碳涂層的碳纖維。
本試驗步驟五中所述的處理液的制備方法如下將I份的二氧化鈦在超聲粉碎儀 的作用下分散在500份的水中，分散均勻后得到二氧化鈦分散液，即為處理液。
通過檢測可知本試驗制備的碳纖維表面復(fù)合涂層的纖維與環(huán)氧樹脂的層間剪切 強(qiáng)度為92MPa。
試驗四一種碳纖維表面復(fù)合涂層的制備方法，具體是按以下步驟完成的一、碳 纖維的預(yù)處理首先對碳纖維進(jìn)行纖維表面的伽馬射線處理，伽馬射線處理5min，取出后 得到表面預(yù)處理的碳纖維，采用去離子水對表面預(yù)處理的碳纖維進(jìn)行洗滌，洗滌5min，然 后將洗滌后表面預(yù)處理的碳纖維置于烘箱中，在溫度為200°C下烘干lOmin，即完成碳纖 維的預(yù)處理，得到預(yù)處理碳纖維；二、涂覆將預(yù)處理碳纖維放入酚醛樹脂漿料中浸泡，浸 泡lOmin，取出后即得到表面涂覆酚醛樹脂預(yù)聚物的碳纖維；三、固化在壓力IMPa和溫 度為240°C下對步驟二得到的表面涂覆酚醛樹脂預(yù)聚物的碳纖維進(jìn)行固化處理，固化處理 30min,即得到表面涂覆體型酚醛樹脂的碳纖維；四、炭化對步驟三得到的表面涂覆體型酚醛樹脂的碳纖維進(jìn)行炭化處理，即得到微孔全碳涂層的碳纖維；五、涂層官能團(tuán)化將步 驟四得到的微孔全碳涂層的碳纖維浸入處理液中，并在壓力為O.1MPa和溫度為80°C下反 應(yīng)20min，即得到碳纖維表面復(fù)合涂層。
本試驗所述的伽馬射線處理具體操作如下將碳纖維浸入伽馬射線處理池中，并 在強(qiáng)度為12eV下進(jìn)行伽馬射線處理。
本試驗步驟二中所述的酚醛樹脂漿料的制備方法如下首先按重量份數(shù)稱取3份 的苯酚、3份的福爾馬林、O. 06份的氫氧化鈉和93. 94份去離子水，然后放入聚合反應(yīng)釜中 進(jìn)行混合，混勻后在溫度85°C下反應(yīng)lOmin，即得到濃度為4. 8wt%的酚醛樹脂漿料。
步驟四中所述的炭化處理具體操作過程如下首先將步驟三得到的表面涂覆體型 酚醛樹脂的碳纖維放入炭化爐中，然后依次在100°C下加熱lOmin，在200°C下加熱lOmin， 在300 °C下加熱20min，在500 °C下加熱20min，在700 °C下加熱20min，在900 °C下加熱 lOmin，即完成表面涂覆體型酚醛樹脂的碳纖維的炭化處理，得到微孔全碳涂層的碳纖維。
本試驗步驟五中所述的處理液的制備方法如下將I份的石墨烯在超聲粉碎儀的 作用下分散在500份的水中，分散均勻后得到石墨烯分散液，即為處理液。
通過檢測可知本試驗制備的碳纖維表面復(fù)合涂層的纖維與環(huán)氧樹脂的層間剪切 強(qiáng)度為72MPa。
權(quán)利要求
1.一種碳纖維表面復(fù)合涂層的制備方法，其特征在于碳纖維表面復(fù)合涂層的制備方法是按以下步驟完成的一、碳纖維的預(yù)處理首先對碳纖維進(jìn)行纖維表面的預(yù)處理，預(yù)處理lmirTl20min，取出后得到表面預(yù)處理的碳纖維，采用去離子水對表面預(yù)處理的碳纖維進(jìn)行洗滌，洗滌lmirTl20min，然后將洗滌后表面預(yù)處理的碳纖維置于烘箱中，在溫度為900C飛00°C下烘干lmirTeOmin，即完成碳纖維的預(yù)處理，得到預(yù)處理碳纖維；二、涂覆將預(yù)處理碳纖維放入酚醛樹脂漿料中浸泡，浸泡lmirT300min，取出后即得到表面涂覆酚醛樹脂預(yù)聚物的碳纖維；三、固化在壓力0.1MPa 100MPa和溫度為40°C 400°C下對步驟二得到的表面涂覆酚醛樹脂預(yù)聚物的碳纖維進(jìn)行固化處理，固化處理lmirT300min，即得到表面涂覆體型酚醛樹脂的碳纖維；四、炭化對步驟三得到的表面涂覆體型酚醛樹脂的碳纖維進(jìn)行炭化處理，即得到微孔全碳涂層的碳纖維；五、涂層官能團(tuán)化將步驟四得到的微孔全碳涂層的碳纖維浸入處理液中，并在壓力為0.1MPa^l00MPa和溫度為0°C 400°C下反應(yīng)1min 300min,即得到碳纖維表面復(fù)合涂層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳纖維表面復(fù)合涂層的制備方法，其特征在于步驟一中所述的預(yù)處理液為酸處理、等離子體處理或伽馬射線處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳纖維表面復(fù)合涂層的制備方法，其特征在于步驟二中所述的酚醛樹脂漿料的制備方法如下首先按重量份數(shù)稱取100份的酚類化合物、9(Γ250份的醛類化合物、0.1~ 10份的催化劑和f300份的去離子水，然后放入聚合反應(yīng)釜中進(jìn)行混合，混勻后在溫度20°C 200°C下反應(yīng)lmin~600min，即得到酚醛樹脂漿料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種碳纖維表面復(fù)合涂層的制備方法，其特征在于所述的酚類化合物為苯酚、鄰甲酚、間甲酚、對甲酚、鄰氯苯酚、對氯苯酚、1-萘酚、對氨基酚和鄰氨基酚中的一種或其中幾種的混合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種碳纖維表面復(fù)合涂層的制備方法，其特征在于所述的醛類化合物為甲醛、正丙醛、異丁醛、乙醛、鄰苯二甲醛、肉桂醛、乙二醛、苯甲醛、鄰氯苯甲醛和福爾馬林中的一種或其中幾種的混合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種碳纖維表面復(fù)合涂層的制備方法，其特征在于所述的催化劑為氫氧化鈉、氫氧化鉀、氨水和氫氧化鋰中的一種或其中幾種的混合物。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳纖維表面復(fù)合涂層的制備方法，其特征在于步驟二中所述的酚醛樹脂漿料濃度為0. 001wt°r70wt%.
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳纖維表面復(fù)合涂層的制備方法，其特征在于步驟四中所述的炭化處理具體操作過程如下首先將步驟三得到的表面涂覆體型酚醛樹脂的碳纖維放入炭化爐中，然后在lmin~l200min內(nèi)完成從20 V升溫至1600 V，升溫至1600 V即完成表面涂覆體型酚醛樹脂的碳纖維的炭化處理，得到微孔全碳涂層的碳纖維。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳纖維表面復(fù)合涂層的制備方法，其特征在于步驟四中所述的炭化處理具體操作過程如下首先將步驟三得到的表面涂覆體型酚醛樹脂的碳纖維放入炭化爐中，然后依次在100°C下加熱10min~30min，在200°C下加熱10min~30min，在300°C下加熱 10min 120min,在 50°C下加熱 1min 120min,在 70°C下加熱 1min 60min,在900°C下加熱lmn~40min，即完成表面涂覆體型酚醛樹脂的碳纖維的炭化處理，得到微孔全碳涂層的碳纖維。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳纖維表面復(fù)合涂層的制備方法，其特征在于步驟五中所述的處理液的制備方法如下將I份的納米粒子在超聲粉碎儀的作用下分散在10(Tl0 00份的水中，分散均勻后得到納米粒子分散液，即為處理液，其中所述的納米粒子為富勒烯、二氧化硅、二氧化鈦、石墨烯、碳納米管、聚倍半硅氧烷、鐵氧體和金粒子中的一種或其中幾種的混合物。
全文摘要
一種碳纖維表面復(fù)合涂層的制備方法，它涉及一種復(fù)合涂層的制備方法。本發(fā)明的目的是要解決現(xiàn)有方法制備的碳纖維復(fù)合材料中碳纖維與樹脂基體之間存在弱界面現(xiàn)狀的問題。方法一、碳纖維的預(yù)處理；二、涂覆；三、固化；四、炭化；五、涂層官能團(tuán)化，即得到碳纖維表面復(fù)合涂層。優(yōu)點(diǎn)復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度分別提高了16%~62%；二、與碳纖維聯(lián)系緊密，不易剝離，穩(wěn)定性好；三、可以通過調(diào)節(jié)酚醛樹脂漿料的化學(xué)組成與組分配比，賦予碳纖維不同的功能或者應(yīng)用于不同種類的樹脂基體復(fù)合材料；四、是一種連續(xù)法，制備方法簡單，效率高，效果好，易于工業(yè)化生產(chǎn)。本發(fā)明主要用于制備碳纖維表面復(fù)合涂層。
文檔編號D06M11/46GK103031724SQ20131001744
公開日2013年4月10日 申請日期2013年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月17日
發(fā)明者黎俊, 黃玉東, 胡幀, 宋元軍, 劉麗 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)