專(zhuān)利名稱(chēng)：一種超聲波增強(qiáng)的碳纖維表面液態(tài)化學(xué)改性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于碳纖維表面改性技術(shù)領(lǐng)域，涉及ー種使用高強(qiáng)度和高功率超聲波增強(qiáng)的碳纖維表面液態(tài)化學(xué)改性的方法。
背景技術(shù)：
碳纖維是指經(jīng)高溫碳化，含碳量超過(guò)85%以上的纖維材料，包括碳素纖維和石墨纖維。碳素纖維是有機(jī)纖維經(jīng)1000 2300で處理后，含碳量為859Γ95%的纖維；石墨纖維是有機(jī)纖維經(jīng)2300°C以上處理，含碳量在98%以上的纖維，碳纖維作為ー種高性能纖維，因具有比強(qiáng)度高、比模量高、熱膨脹系數(shù)小、摩擦系數(shù)低、耐低溫性能良好等特性而成為近年來(lái)樹(shù)脂基復(fù)合材料最重要的增強(qiáng)材料，被廣泛應(yīng)用在航空航天構(gòu)件和體育用品中。碳纖維表面呈惰性，比表面積小，邊緣活性碳原子少，表面能低和樹(shù)脂浸潤(rùn)性及兩相界面粘結(jié)性差，復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度(Interlaminar Shearing Strength, ILSS)低。從而影響復(fù)合材料綜合性能的發(fā)揮，制約了碳纖維在先進(jìn)復(fù)合材料領(lǐng)域的進(jìn)ー步推廣應(yīng)用。為了改善碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的性能，須對(duì)碳纖維表面進(jìn)行改性，以提高碳纖維與其他材料的粘結(jié)能力。為改善碳纖維與樹(shù)脂基體等的黏合性、提高復(fù)合材料的層間剪切カ而須進(jìn)行的表面處理。目的是增加碳纖維的極性基團(tuán)如羧基、羰基和內(nèi)酯等官能團(tuán)，増加表面積，提高與樹(shù)脂母體的浸潤(rùn)性和黏合力。前對(duì)碳纖維表面進(jìn)行改性的方法較多，主要包括(I)液相氧化法(2)等離子體處理法(3)陽(yáng)極電解或電沉積處理法(4)臭氧處理法；(5)氣相氧化法
(6)表面高能輻射法(7)共聚改性法以及偶聯(lián)劑處理法等。這些方法都能基本滿(mǎn)足碳纖維表面性能改性需要，但是エ藝較為復(fù)雜，處理時(shí)間長(zhǎng)，表面改性不均勻等問(wèn)題，因此需要探索新的碳纖維表面改性方法。超聲波能產(chǎn)生聲空化作用，能夠產(chǎn)生瞬間的沖擊壓，引起分子的高速運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而在液體內(nèi)產(chǎn)生了局部的高溫、高壓，誘發(fā)霧化等一系列作用。將超聲波技術(shù)引入材料的表面改性中，可以提高材料的表面改性質(zhì)量，縮短改性時(shí)間，同時(shí)降低消耗，減小環(huán)境污染。將高強(qiáng)度和高功率超聲波技術(shù)與現(xiàn)有纖維表面改性技術(shù)相結(jié)合，將會(huì)有助于解決目前碳纖維表面改性中存在的不足。中國(guó)專(zhuān)利CN200810100876. 8公開(kāi)了ー種PBO纖維的超聲化學(xué)表面改性方法，文章“超聲氧化處理對(duì)碳纖維表面性能的影響”(機(jī)械工程材料，2011年，第11期，第28-31頁(yè))介紹了ー種碳纖維氧化改性，其中超聲波源作用在燒杯上并傳遞到溶液，使用濃硫酸和濃硝酸混合液進(jìn)行改性。由于濃硝酸的揮發(fā)性，強(qiáng)腐蝕性和強(qiáng)氧化性，導(dǎo)致這種改性方法具有一定的危險(xiǎn)性和改性程度難以控制。

發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問(wèn)題為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出ー種使用高強(qiáng)度和高功率超聲波增強(qiáng)的碳纖維表面液態(tài)化學(xué)改性的方法。
技術(shù)方案一種超聲波增強(qiáng)的碳纖維表面液態(tài)化學(xué)改性的方法，其特征在于步驟如下步驟I :將表面預(yù)處理后的碳纖維浸于化學(xué)溶液中，在超聲波功率20(T2000W、超聲波頻率2(Tl00kHz、水浴溫度2(T70°C的條件下，超聲振蕩15 40min產(chǎn)生表面改性；所述化學(xué)溶液為硅烷偶聯(lián)劑、酸性重鉻酸鉀、次氯酸鈉、過(guò)氧化氫、甲基磺酸、甲酸或過(guò)硫酸鉀；步驟2 ，采用去離子水清洗改性后的碳纖維，在6(T18(TC真空烘干，得到化學(xué)改性的超聲波增強(qiáng)的碳纖維。所述硅烷偶聯(lián)劑的濃度為90 99wt%。 所述酸性重鉻酸鉀的濃度為10 20被％。所述次氯酸鈉的濃度為10 20%。所述過(guò)氧化氫的濃度為20 40wt%。所述甲基磺酸的濃度為7(Tl00wt%。所述甲酸的濃度為7(Tl00wt%。所述過(guò)硫酸鉀的濃度為90 99被％。所述碳纖維為碳纖維絲或碳纖維布。所述碳纖維表面處理的步驟為步驟a :將碳纖維在丙酮沸騰溫度下抽提24tT48h，去除碳纖維表面涂層；步驟b :將步驟a處理后的碳纖維置于去離子水中浸泡24h ；步驟c :將步驟b處理后的碳纖維在真空烘箱中于120°C下進(jìn)行烘干處理，完成碳纖維的表面預(yù)處理。有益效果本發(fā)明提出的ー種使用高強(qiáng)度和高功率超聲波增強(qiáng)的碳纖維表面液態(tài)化學(xué)改性的方法，可以有效改善纖維的性能，使其復(fù)合材料的成型エ藝性和整體綜合性能得到改善。利用超聲波具有的空化作用，與在實(shí)驗(yàn)室條件和エ業(yè)化生產(chǎn)條件下都易于實(shí)現(xiàn)，且操作最為簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本最低的化學(xué)法相結(jié)合，以便解決傳統(tǒng)化學(xué)法改性碳纖維表面時(shí)存在的エ藝較為復(fù)雜，處理時(shí)間長(zhǎng)，表面改性不均勻等問(wèn)題。使碳纖維與其他材料結(jié)合的界面性能得以改善。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在干，碳纖維表面改性所用設(shè)備投資費(fèi)用低，發(fā)明成本低、操作簡(jiǎn)單、適用性強(qiáng)、處理效果好、纖維性能損失小，質(zhì)量可靠。大量縮短改性時(shí)間，降低化學(xué)品用量和產(chǎn)品成本，減少環(huán)境污染，適用于エ業(yè)化生產(chǎn)。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步描述實(shí)施例I :將表面預(yù)處理后的碳纖維浸于98wt%硅烷偶聯(lián)劑溶液中，在超聲波功率300W、超聲波頻率50kHz、水浴溫度70°C的條件下，繼續(xù)超聲振蕩IOmin ；取出上述改性后的碳纖維，用去離子水清洗；將上述清洗后的改性碳纖維取出，于50°C烘干，即獲得表面改性后的碳纖維。實(shí)施例2:
將表面預(yù)處理后的碳纖維浸于98wt%甲基磺酸溶液中，在超聲波功率300W、超聲波頻率60kHz、水浴溫度70°C的條件下，超聲振蕩40min ；取出上述改性后的碳纖維，用蒸餾水反復(fù)清洗。將上述清洗后的改性碳纖維取出，于50°C烘干，即獲得表面改性后的碳纖維。實(shí)施例3 將表面預(yù)處理后的碳纖維浸于90wt%甲酸溶液中，在超聲波功率100W、超聲波頻率20kHz、水浴溫度50°C的條件下，超聲振蕩30min ；取出上述改性后的碳纖維，用蒸餾水反復(fù)清洗。將上述清洗后的改性碳纖維取出，于50°C烘干，即獲得表面改性后的碳纖維。 上述實(shí)施例中碳纖維表面處理的步驟為步驟a :將碳纖維在丙酮沸騰溫度下抽提24tT48h，去除碳纖維表面涂層；步驟b :將步驟a處理后的碳纖維置于去離子水中浸泡24h ；步驟c :將步驟b處理后的碳纖維在真空烘箱中于120°C下進(jìn)行烘干處理，完成碳纖維的表面預(yù)處理。上述實(shí)施例步驟I中還可以浸于濃度為l(T20wt%的酸性重鉻酸鉀中；或濃度為10 20%的次氯酸鈉中；或濃度為2(T40wt%的過(guò)氧化氫中；或濃度為9(T99wt%的過(guò)硫酸鉀中。
權(quán)利要求
1.一種超聲波增強(qiáng)的碳纖維表面液態(tài)化學(xué)改性的方法，其特征在于步驟如下 步驟I :將表面預(yù)處理后的碳纖維浸于化學(xué)溶液中，在超聲波功率20(T2000W、超聲波頻率2(Tl00kHz、水浴溫度2(T70°C的條件下，超聲振蕩15 40min產(chǎn)生表面改性；所述化學(xué)溶液為硅烷偶聯(lián)劑、酸性重鉻酸鉀、次氯酸鈉、過(guò)氧化氫、甲基磺酸、甲酸或過(guò)硫酸鉀； 步驟2 :，采用去離子水清洗改性后的碳纖維，在6(T18(TC真空烘干，得到化學(xué)改性的超聲波增強(qiáng)的碳纖維。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述超聲波增強(qiáng)的碳纖維表面液態(tài)化學(xué)改性的方法，其特征在于所述娃燒偶聯(lián)劑的濃度為90 99wt*%。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述超聲波增強(qiáng)的碳纖維表面液態(tài)化學(xué)改性的方法，其特征在于所述酸性重鉻酸鉀的濃度為10 20被％。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述超聲波增強(qiáng)的碳纖維表面液態(tài)化學(xué)改性的方法，其特征在于所述次氯酸鈉的濃度為10 20%。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述超聲波增強(qiáng)的碳纖維表面液態(tài)化學(xué)改性的方法，其特征在于所述過(guò)氧化氫的濃度為2(T40wt%。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述超聲波增強(qiáng)的碳纖維表面液態(tài)化學(xué)改性的方法，其特征在于所述甲基磺酸的濃度為7(Tl00wt%。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述超聲波增強(qiáng)的碳纖維表面液態(tài)化學(xué)改性的方法，其特征在于所述甲酸的濃度為7(Tl00wt%。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述超聲波增強(qiáng)的碳纖維表面液態(tài)化學(xué)改性的方法，其特征在于所述過(guò)硫酸鉀的濃度為90 99被％。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述超聲波增強(qiáng)的碳纖維表面液態(tài)化學(xué)改性的方法，其特征在于所述碳纖維為碳纖維絲或碳纖維布。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述超聲波增強(qiáng)的碳纖維表面液態(tài)化學(xué)改性的方法，其特征在于所述碳纖維表面處理的步驟為 步驟a :將碳纖維在丙酮沸騰溫度下抽提24tT48h，去除碳纖維表面涂層； 步驟b :將步驟a處理后的碳纖維置于去離子水中浸泡24h ； 步驟c :將步驟b處理后的碳纖維在真空烘箱中于120°C下進(jìn)行烘干處理，完成碳纖維的表面預(yù)處理。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超聲波增強(qiáng)的碳纖維表面液態(tài)化學(xué)改性的方法，技術(shù)特征在于將碳纖維浸于配置好的化學(xué)溶液中，在超聲波功率200W～2KW、超聲波頻率20～100kHz、水浴溫度20～70℃的條件下，超聲振蕩15～40min產(chǎn)生表面改性；取出改性后的碳纖維，用去離子水反復(fù)清洗并取出；在60～180℃真空烘干。其中所用的化學(xué)溶劑為硝酸、酸性重鉻酸鉀、次氯酸鈉、過(guò)氧化氫、甲基磺酸、甲酸或過(guò)硫酸鉀等中的至少一種。該方法可以形成高性能的碳纖維，進(jìn)一步提高碳纖維的力學(xué)性能。本發(fā)明成本低、操作簡(jiǎn)單、適用性強(qiáng)、處理效果好、纖維性能損失小，質(zhì)量可靠。
文檔編號(hào)C08K9/04GK102851940SQ20121031650
公開(kāi)日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2012年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月30日
發(fā)明者蔣建軍, 鄧超, 方良超, 史景文 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)