專利名稱：基于超聲強(qiáng)化的碳纖維表面處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于超聲強(qiáng)化的碳纖維表面處理方法。
背景技術(shù)：
由于碳纖維具有高比強(qiáng)度、高比模量，耐高溫、耐高蝕、耐疲勞、抗蠕變，導(dǎo)電、傳熱性能好、熱系數(shù)小等一系列優(yōu)異的性能，碳纖維及其復(fù)合材料成為極其重要的戰(zhàn)略物資之一。與一般碳素材料的相比，還具有一般碳素材料所不具有的特性，比如其外形有顯著的各向異性、柔軟，可加工成各種織物，沿纖維軸向表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度等，因此其長(zhǎng)纖或短纖被廣泛的應(yīng)用為增強(qiáng)填料，制備出綜合性能優(yōu)良的復(fù)合材料，并大量應(yīng)用于在航天航空、軍事、海上石油、建筑、文體、工業(yè)與運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。碳纖維復(fù)合材料的性能不僅取決于組成材料，更取決于碳纖維的表面性能、纖維與基體材料的結(jié)合程度以及界面上的應(yīng)力傳遞方式等，良好的界面結(jié)合能有效地傳遞載荷，充分發(fā)揮增強(qiáng)纖維的高強(qiáng)高模特性，提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。但未處理的碳纖維表面能低，表面呈現(xiàn)出憎液性，從而導(dǎo)致它與樹(shù)脂兩相界面之間的粘接性能相當(dāng)差，不能充分發(fā)揮出復(fù)合材料潛在的力學(xué)性能。界面的性質(zhì)直接影響著復(fù)合材料的各項(xiàng)力學(xué)性能，尤其是層間剪切、斷裂、抗沖擊等性能，因此隨著復(fù)合材料科學(xué)和應(yīng)用的發(fā)展，復(fù)合材料界面及其力學(xué)行為越來(lái)越受到重視。有研究表明，碳纖維經(jīng)表面處理后能顯著改善纖維與基體樹(shù)脂之間的界面粘接，充分發(fā)揮增強(qiáng)纖維的高強(qiáng)度和高模量特性，使其強(qiáng)度利用率達(dá)到80%以上，而未經(jīng)表面處理碳纖維的強(qiáng)度利用率僅為55%。因此，碳纖維的表面處理成為其在樹(shù)脂基復(fù)合材料使用時(shí)考慮的一個(gè)重要因素。碳纖維表面經(jīng)常會(huì)有很多空隙、凹槽、雜質(zhì)等，這對(duì)碳纖維的質(zhì)量有很大負(fù)面影響，同時(shí)未經(jīng)表面處理的碳纖維表面羥基、羰基等極性基團(tuán)很少，使得其與樹(shù)脂基體界面粘結(jié)性差，制備出的復(fù)合材料性能難以達(dá)到要求。為了解決上述問(wèn)題，通常采用的方法是對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理。碳纖維表面處理對(duì)纖維與基體樹(shù)脂之間的界面性質(zhì)有重要影響，特別是在纖維與聚合物之間形成有效的界面粘結(jié)方面。過(guò)弱的化學(xué)鍵合使得纖維與基體間載荷傳遞差，過(guò)強(qiáng)的界面結(jié)合導(dǎo)致復(fù)合材料韌性下降，表面處理技術(shù)可以在碳纖維表面發(fā)生一系列物理、化學(xué)反應(yīng)，增加其表面形態(tài)的復(fù)雜化和極 性基團(tuán)的含量，從而提高碳纖維與基體樹(shù)脂的界面性能，以實(shí)現(xiàn)提高復(fù)合材料整體性能。碳纖維表面性能主要取決于表面形態(tài)結(jié)構(gòu)、比表面積、活性比表面積、表面能和表面官能團(tuán)等，通過(guò)對(duì)碳纖維表面處理來(lái)改變碳纖維的這些表面物理、化學(xué)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)提高碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能有著重要的意義。這些參數(shù)中，碳纖維表面的官能團(tuán)是影響碳纖維表面性能的最重要的因素之一，因?yàn)楸砻婀倌軋F(tuán)可以提高碳纖維表面的極性，增強(qiáng)其與基體材料之間的潤(rùn)濕性和粘接程度。碳纖維的表面處理方法較多(包括氣相氧化法、液相氧化法、陽(yáng)極氧化法、等離子表面處理法等)，但在線配套方法較少，目前碳纖維處理較為成熟、在線配套使用的主要方法是電化學(xué)氧化法和臭氧氧化法。臭氧氧化法是將碳纖維臭氧中進(jìn)行高溫處理，處理后的碳纖維表面積、表面粗糙度都有所增加，可以提高纖維與樹(shù)脂基體的浸潤(rùn)性，但臭氧氧化的條件較為劇烈，易對(duì)纖維體產(chǎn)生較大損傷；電化學(xué)氧化法是以碳纖維作為陽(yáng)極在電解池中進(jìn)行，電解液包括苛性鈉、硝、硫、磷酸，以及鉀的重鉻酸鹽和高錳酸鹽溶液等，電解液易腐蝕器件，污染環(huán)境，而且還存在操作繁瑣、處理效率低等缺點(diǎn)。因此，研究和開(kāi)發(fā)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的碳纖維表面處理技術(shù)具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)而提供一種基于超聲強(qiáng)化的碳纖維表面處理方法，該方法設(shè)備要求低，操作環(huán)境綠色無(wú)污染，表面處理快捷高效，易于在線生產(chǎn)。本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是基于超聲強(qiáng)化的碳纖維表面處理方法，其特征在于包括有以下步驟將碳纖維浸潰于表面處理槽內(nèi)的液體介質(zhì)之中，通過(guò)設(shè)置在表面處理槽上方或者下方的超聲發(fā)生器或超聲陣列對(duì)液體介質(zhì)進(jìn)行超聲輻射，所述的超聲發(fā)生器或超聲陣列所發(fā)射的超聲波頻率范圍為10-300kHz，超聲波強(qiáng)度為O. I-IOff/cm2，超聲處理時(shí)間根據(jù)超聲波強(qiáng)度和頻率進(jìn)行調(diào)整，其范圍為O. 5-20分鐘，以達(dá)到對(duì)碳纖維表面處理的目的。按上述方案，所述的碳纖維為碳纖維長(zhǎng)絲，通過(guò)設(shè)置在表面處理槽內(nèi)的牽引裝置對(duì)碳纖維長(zhǎng)絲進(jìn)行牽伸。按上述方案，所述的碳纖維為短切碳纖維或碳纖維粉，通過(guò)設(shè)置在表面處理槽內(nèi)的隔板來(lái)支撐短切碳纖維或碳纖維粉。按上述方案，所述的液體介質(zhì)為水、脫氣水、雙氧水溶液、硝酸溶液、硫酸溶液、こ醇和丙酮中的任意ー種或幾種的混合。按上述方案，所述的液體介質(zhì)溫度為20-75度。按上述方案，所述的表面處理槽內(nèi)的液體介質(zhì)的液面高度h與超聲波頻率相互相對(duì)應(yīng)，并滿足以下方程液面高度h=液體介質(zhì)的聲速X超聲波頻率X (2n+l)/4，其中η為整數(shù)，且η <4。當(dāng)η大于4吋，必須提高超聲發(fā)生器的功率。本發(fā)明的碳纖維設(shè)置在超聲波變幅桿附近，或者設(shè)置在超聲波的波峰處，因?yàn)樵诔暡ǖ牟ǚ逄?，或者超聲變幅桿附近區(qū)域內(nèi)，才有較高的能量，才會(huì)有更多的超聲空化氣泡壓潰，從而用于碳纖維表面處理。本發(fā)明通過(guò)ー個(gè)簡(jiǎn)易超聲發(fā)生器或者超聲波陣列(由多個(gè)超聲發(fā)生器組成)來(lái)完成的，超聲發(fā)生器既可以安置在表面處理槽的槽底，也可在其上方，碳纖維浸潰于表面處理槽內(nèi)的液體介質(zhì)之中進(jìn)行牽伸，同時(shí)，超聲發(fā)生器通過(guò)對(duì)液體介質(zhì)進(jìn)行超聲輻射一段時(shí)間，從而達(dá)到對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理的目的。本發(fā)明的基本原理及過(guò)程液體介質(zhì)中的微小氣泡核在超聲波的作用下，形成空化氣泡，并成長(zhǎng)大，同時(shí)在外力的作用下壓潰，壓潰的瞬間會(huì)在其周圍的極小空間范圍內(nèi)產(chǎn)生出5000Κ的高溫和超過(guò)500個(gè)大氣壓的高壓，溫度變化率高達(dá)109K/S，在超聲空化氣泡壓潰時(shí)產(chǎn)生的局部高溫、高壓環(huán)境下，水被分解并產(chǎn)生羥基自由基，從而將其他物質(zhì)氧化。同時(shí)，在空化氣泡聲收縮的過(guò)程中，空化氣泡表面很薄的液相層的溫度和壓カ達(dá)到水的臨界點(diǎn)(647Κ，2. 21 X 107Pa)，使其處于超臨界狀態(tài)，這種超臨界水具有極強(qiáng)的氧化性，所產(chǎn)生的羥基自由基以及該過(guò)程中形成的超臨界水，對(duì)碳纖維進(jìn)行在線表面處理。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明利用超聲空化場(chǎng)中產(chǎn)生的羥基自由基和超臨界水對(duì)碳纖維表面進(jìn)行表面處理來(lái)增加碳纖維表面的含氧官能團(tuán)，改善碳纖維的表面形態(tài)以及表面粗糙度等以提高碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能，在對(duì)碳纖維進(jìn)行表面氧化處理的同時(shí)，還可以通過(guò)超聲清洗除去碳纖維在生產(chǎn)過(guò)程中形成的油污，與其它傳統(tǒng)方法相比它具有處理設(shè)備簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)易、不造成環(huán)境危害、處理速度快捷高效，且非常易于實(shí)現(xiàn)配套在線生產(chǎn)的特點(diǎn)。此外，本發(fā)明所提出的超聲強(qiáng)化處理技術(shù)不僅僅局限與應(yīng)用在碳纖維表面處理領(lǐng)域，還可應(yīng)用于其它諸多需要增加面極性官能團(tuán)或改善表面活性場(chǎng)合。


圖I為本發(fā)明的超聲強(qiáng)化處理示意圖，其中超聲發(fā)生器位于表面處理槽上方；
圖2為本發(fā)明的超聲強(qiáng)化處理示意圖，其中超聲發(fā)生器位于表面處理槽下方；
圖3為本發(fā)明可調(diào)整處理時(shí)間的超聲強(qiáng)化處理示意圖，其中超聲發(fā)生器位于表面處理槽上方；
圖4為本發(fā)明可調(diào)整處理時(shí)間的超聲強(qiáng)化處理示意圖，其中超聲發(fā)生器位于表面處理槽下方；
圖5為短切碳纖維或碳纖維粉的超聲強(qiáng)化處理示意圖，其中超聲發(fā)生器位于表面處理槽上方；
圖6為短切碳纖維或碳纖維粉的超聲強(qiáng)化處理示意圖，其中超聲發(fā)生器位于表面處理槽下方；
圖7是進(jìn)行處理前的碳纖維SEM 圖8是采用圖I的裝置進(jìn)行處理后的碳纖維SEM I-碳纖維長(zhǎng)絲；2_超聲發(fā)生器；3_棍筒；4_液體介質(zhì)；5_表面處理槽；6_托盤；7_短切碳纖維。
具體實(shí)施例方式為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于下面的實(shí)施例。實(shí)施例I
超聲強(qiáng)化表面處理碳纖維是通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)易超聲發(fā)生器或者其陣列來(lái)完成的，該超聲發(fā)生器2如圖1-2所示安裝在表面處理槽5上方或下方，碳纖維長(zhǎng)絲I浸潰于表面處理槽內(nèi)的液體介質(zhì)4之中進(jìn)行牽伸，同時(shí)，超聲發(fā)生器通過(guò)對(duì)液體介質(zhì)進(jìn)行超聲輻射一段時(shí)間，從而達(dá)到表面處理碳纖維的目的。該發(fā)生器功率為1000W (平均超聲波強(qiáng)度為lW/cm2)，發(fā)生超聲波頻率為20kHz，液體介質(zhì)為雙氧水溶液(濃度5%)，液體介質(zhì)溫度為30度，作用時(shí)間為2分鐘，這里的作用時(shí)間可以通過(guò)牽引速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。對(duì)不能調(diào)節(jié)牽引速度生產(chǎn)線可以采用圖3-4中提到方法通過(guò)多個(gè)輥筒3在超聲波處理槽中來(lái)回牽引以增加處理時(shí)間，超聲波經(jīng)雙氧水液體介質(zhì)傳導(dǎo)作用于碳纖維表面，從而達(dá)到表面處理碳纖維的目的。圖7-8是采用圖I的裝置進(jìn)行處理前后的碳纖維SEM圖，比較處理前后的碳纖維SEM圖發(fā)現(xiàn)，處理后的碳纖維中無(wú)定形雜質(zhì)明顯減少，碳纖維表面干凈平滑，未見(jiàn)過(guò)度氧化所致的裂痕和凹槽。
實(shí)施例2
超聲強(qiáng)化表面處理短切碳 纖維的簡(jiǎn)易超聲發(fā)生器可通過(guò)圖5或圖6所示設(shè)備完成，置于托盤6上的短切碳纖維7通過(guò)加壓浸潰于槽內(nèi)的液體介質(zhì)之中，開(kāi)啟超聲發(fā)生器通過(guò)對(duì)液體介質(zhì)進(jìn)行超聲輻射一段時(shí)間，從而達(dá)到表面處理碳纖維的目的。加壓條件為0.1 MPa,超聲發(fā)生器功率為2000 W (平均聲強(qiáng)為2 W/cm2)，超聲波頻率為30 kHz，液體介質(zhì)為脫氣水，液體介質(zhì)溫度為30度，作用時(shí)間為20分鐘，短切纖維表面處理程度可以通過(guò)調(diào)節(jié)超聲波處理時(shí)間進(jìn)行控制。
權(quán)利要求
1.基于超聲強(qiáng)化的碳纖維表面處理方法，其特征在于包括有以下步驟將碳纖維浸潰于表面處理槽內(nèi)的液體介質(zhì)之中，通過(guò)設(shè)置在表面處理槽上方或者下方的超聲發(fā)生器或超聲陣列對(duì)液體介質(zhì)進(jìn)行超聲輻射，所述的超聲發(fā)生器或超聲陣列所發(fā)射的超聲波頻率范圍為10-300kHz，超聲波強(qiáng)度為O. l-iow/cm2，超聲處理時(shí)間根據(jù)超聲波強(qiáng)度和頻率進(jìn)行調(diào)整，其范圍為O. 5-20分鐘，以達(dá)到對(duì)碳纖維表面處理的目的。
2.按權(quán)利要求I所述的基于超聲強(qiáng)化的碳纖維表面處理方法，其特征在于所述的碳纖維為碳纖維長(zhǎng)絲，通過(guò)設(shè)置在表面處理槽內(nèi)的牽引裝置對(duì)碳纖維長(zhǎng)絲進(jìn)行牽伸。
3.按權(quán)利要求I所述的基于超聲強(qiáng)化的碳纖維表面處理方法，其特征在于所述的碳纖維為短切碳纖維或碳纖維粉，通過(guò)設(shè)置在表面處理槽內(nèi)的隔板來(lái)支撐短切碳纖維或碳纖維粉。
4.按權(quán)利要求I或2或3所述的基于超聲強(qiáng)化的碳纖維表面處理方法，其特征在于所述的液體介質(zhì)為水、脫氣水、雙氧水溶液、硝酸溶液、硫酸溶液、乙醇和丙酮中的任意一種或幾種的混合。
5.按權(quán)利要求4所述的基于超聲強(qiáng)化的碳纖維表面處理方法，其特征在于所述的液體介質(zhì)溫度為20-75度。
6.按權(quán)利要求I或2或3所述的基于超聲強(qiáng)化的碳纖維表面處理方法，其特征在于所述的表面處理槽內(nèi)的液體介質(zhì)的液面高度h與超聲波頻率相互相對(duì)應(yīng)，并滿足以下方程液面高度h=液體介質(zhì)的聲速X超聲波頻率X (2n+l)/4，其中η為整數(shù)，且η彡4。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于超聲強(qiáng)化的碳纖維表面處理方法，包括有以下步驟將碳纖維浸漬于表面處理槽內(nèi)的液體介質(zhì)之中，通過(guò)設(shè)置在表面處理槽上方或者下方的超聲發(fā)生器或超聲陣列對(duì)液體介質(zhì)進(jìn)行超聲輻射，超聲處理時(shí)間根據(jù)超聲波強(qiáng)度和頻率進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到對(duì)碳纖維表面處理的目的。本發(fā)明的有益效果是改善碳纖維的表面形態(tài)以及表面粗糙度等以提高碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能，在對(duì)碳纖維進(jìn)行表面氧化處理的同時(shí)，還可以通過(guò)超聲清洗除去碳纖維在生產(chǎn)過(guò)程中形成的油污，與其它傳統(tǒng)方法相比它具有處理設(shè)備簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)易、不造成環(huán)境危害、處理速度快捷高效，且非常易于實(shí)現(xiàn)配套在線生產(chǎn)的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)D06M101/40GK102628212SQ20121009893
公開(kāi)日2012年8月8日 申請(qǐng)日期2012年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月6日
發(fā)明者吳超群, 周少鋒, 廖繼莉, 黃進(jìn) 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)