專利名稱：一種提高碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料界面性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提高復(fù)合材料界面性能的方法。
背景技術(shù)：
目前，比強度和比模量高的先進樹脂基復(fù)合材料在高科技領(lǐng)域和國防建設(shè)中已占有越來越重要的位置，這種復(fù)合材料由增強纖維和樹脂基體組成。碳纖維是最常用的也是最重要的增強體，由于碳纖維表面平滑并呈現(xiàn)化學(xué)惰性，導(dǎo)致碳纖維與樹脂基體浸潤性差，嚴重地影響了復(fù)合材料整體優(yōu)異性能的發(fā)揮。因此，提高碳纖維與樹脂基體之間的界面結(jié)合性能已成為碳纖維復(fù)合材料優(yōu)先發(fā)展的方向之一。
目前，國內(nèi)外研究提高碳纖維復(fù)合材料界面性能的方法有很多，可歸納為氧化法和非氧化法兩大類。氧化法是指使用氧化劑通過氧化作用提高碳纖維表面活性官能團的方法，如在氧氣、臭氧、硝酸、高錳酸鉀或過氧化氫等環(huán)境下進行氧化；非氧化法是指以涂層、接枝、刻蝕等作用來改善纖維表面的方法，如等離子體法、化學(xué)接枝法、偶聯(lián)劑法等。但這些改性方法有的改性效果不理想，有的難以實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，有的則對纖維增強體損傷較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種提高碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料界面性能的方法，該方法可彌補現(xiàn)有方法存在的界面改性效果差，難以實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，對纖維增強體損傷較大等缺陷。
本發(fā)明包括以下步驟a、高能射線輻照將去掉雜質(zhì)的碳纖維放入密閉容器中，抽真空至密閉容器內(nèi)的壓力低于0.2個標準大氣壓，向密閉容器內(nèi)沖入惰性氣體達1個標準大氣壓，再將密閉容器內(nèi)的惰性氣體抽出，反復(fù)2～5次，然后將充滿惰性氣體的密閉容器經(jīng)高能射線輻照，輻照劑量率為0.6～6KGy/h，輻照劑量為60～800KGy；b、接枝反應(yīng)抽去經(jīng)高能射線輻照后的密閉容器內(nèi)的惰性氣體，在負壓條件下將5～100wt％丙烯酸溶液吸入密閉容器中浸沒碳纖維，在10～90℃的溫度條件下反應(yīng)3～10h后，取出碳纖維并用去離子水反復(fù)沖洗3～6次，然后再將沖洗后的碳纖維放入去離子水中煮沸5～15min后烘干，最后將烘干后的碳纖維與環(huán)氧樹脂熱壓復(fù)合成型。
本發(fā)明具有以下有益效果一、本發(fā)明在惰性氣體保護下，利用高能射線輻照碳纖維，由于高能射線是利用電離輻射誘發(fā)物理、化學(xué)變化的，它不會使處理過的材料帶有放射性，且輻射處理可以在室溫、無催化劑的情況下引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，無需考慮待處理材料所處的物理狀態(tài)。二、由于丙烯酸具有不飽和的雙鍵，并且化學(xué)活性較強，碳纖維在惰性氣體保護下，利用高能射線輻照產(chǎn)生碳自由基，當輻照后的碳纖維與丙烯酸溶液接觸后，丙烯酸在碳自由基的誘導(dǎo)下產(chǎn)生了新的自由基，并與碳自由基發(fā)生反應(yīng)，從而使丙烯酸在碳纖維表面發(fā)生接枝反應(yīng)，增加了碳纖維表面的含氧官能團，提高了碳纖維對樹脂基體的浸潤性，從而使碳纖維與樹脂基體之間界面結(jié)合性能大幅度提高，并且在高能射線輻照下，碳纖維的強度非但沒有下降反而有一定程度的提高。三、經(jīng)本發(fā)明的方法制備的碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料與未處理的碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料相比較，層間剪切強度提高了5～19％，碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的彎曲強度提高了3～16％。四、經(jīng)本方法制備成的碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在保持碳纖維高力學(xué)性能的前提下，還提高了碳纖維的表面活性，該方法操作簡單，便于工業(yè)化生產(chǎn)。
具體實施例方式
具體實施方式
一本實施方式的一種提高碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料界面性能的方法由以下步驟完成a、高能射線輻照將去掉雜質(zhì)的碳纖維放入密閉容器中，抽真空至密閉容器內(nèi)的壓力低于0.2個標準大氣壓，再向密閉容器內(nèi)沖入惰性氣體達1個標準大氣壓，再將密閉容器內(nèi)的惰性氣體抽出，反復(fù)2～5次，然后將充滿惰性氣體的密閉容器經(jīng)高能射線輻照，輻照劑量率為0.6～6KGy/h，輻照劑量為60～800KGy；b、接枝反應(yīng)抽去經(jīng)高能射線輻照后的密閉容器內(nèi)的惰性氣體，在負壓(壓力低于0.5個標準大氣壓)條件下將5～100wt％丙烯酸溶液吸入密閉容器中浸沒碳纖維，在10～90℃的溫度條件下反應(yīng)3～10h后，取出碳纖維并用去離子水反復(fù)沖洗3～6次，然后再將沖洗后的碳纖維放入去離子水中煮沸5～15min后烘干，最后將烘干后的碳纖維與環(huán)氧樹脂熱壓復(fù)合成型。
本實施方式中的高能射線為γ射線，惰性氣體為N2。
具體實施例方式
二本實施方式與具體實施方式
一的不同點是本實施方式在a步驟中，將去掉雜質(zhì)的碳纖維放入密閉容器中，抽真空至密閉容器內(nèi)的壓力為0.15個標準大氣壓，向密閉容器內(nèi)沖入惰性氣體達1個標準大氣壓，再將密閉容器內(nèi)的惰性氣體抽出，反復(fù)2次，以排除吸附在碳纖維表面的氧氣，然后將充滿惰性氣體的密閉容器經(jīng)高能射線輻照，輻照劑量率為0.6KGy/h，輻照劑量為60KGy。采用上述技術(shù)參數(shù)，可使碳纖維在惰性氣體保護下經(jīng)高能射線輻照產(chǎn)生碳自由基濃度比未輻照時提高了約2倍。
具體實施例方式
三本實施方式與具體實施方式
一的不同點是本實施方式在a步驟中，將去掉雜質(zhì)的碳纖維放入密閉容器中，抽真空至密閉容器內(nèi)的壓力為0.05個標準大氣壓，再向密閉容器內(nèi)沖入N2達1個標準大氣壓，再將密閉容器內(nèi)的N2抽出，反復(fù)3次，以排除吸附在碳纖維表面的氧氣，然后將充滿N2的密閉容器經(jīng)高能射線輻照，輻照劑量率為6KGy/h，輻照劑量為300KGy。采用上述技術(shù)參數(shù)，可使碳纖維在N2保護下經(jīng)高能射線輻照產(chǎn)生碳自由基濃度比未輻照時提高了約3倍。
具體實施例方式
四本實施方式與具體實施方式
一的不同點是本實施方式在a步驟中，將去掉雜質(zhì)的碳纖維放入密閉容器中，抽真空至密閉容器內(nèi)的壓力為0.02個標準大氣壓，再向密閉容器內(nèi)沖入惰性氣體達1個標準大氣壓，再將密閉容器內(nèi)的惰性氣體抽出，反復(fù)5次，以排除吸附在碳纖維表面的氧氣，然后將充滿惰性氣體的密閉容器經(jīng)高能射線輻照，輻照劑量率為3KGy/h，輻照劑量為800KGy。采用上述技術(shù)參數(shù)，可使碳纖維在惰性氣體保護下經(jīng)高能射線輻照產(chǎn)生碳自由基濃度比未輻照時提高了約2.6倍。
具體實施例方式
五本實施方式與具體實施方式
一的不同點是本實施方式在a步驟中，將去掉雜質(zhì)的碳纖維放入密閉容器中，抽真空至密閉容器內(nèi)的壓力為0.01個標準大氣壓，再向密閉容器內(nèi)沖入N2達1個標準大氣壓，再將密閉容器內(nèi)的N2抽出，反復(fù)4次，以排除吸附在碳纖維表面的氧氣，然后將充滿N2的密閉容器經(jīng)γ射線輻照，輻照劑量率為5KGy/h，輻照劑量為180KGy。采用上述技術(shù)參數(shù)，可使碳纖維在N2保護下經(jīng)γ射線輻照產(chǎn)生碳自由基濃度比未輻照時提高了約2.4倍。
具體實施例方式
六本實施方式與具體實施方式
一的不同點是本實施方式在b步驟中，抽去經(jīng)高能射線輻照后的密閉容器內(nèi)的惰性氣體，在負壓條件下將30wt％丙烯酸溶液吸入密閉容器中浸沒碳纖維，在50℃的溫度條件下反應(yīng)3h后，取出碳纖維并用去離子水反復(fù)沖洗3次，然后再將沖洗后的碳纖維放入去離子水中煮沸5min，以去掉碳纖維表面殘留的共聚物，最后放入烘干箱中烘干，并將烘干后的碳纖維與環(huán)氧樹脂熱壓復(fù)合成型。采用上述技術(shù)參數(shù)，碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料的層間剪切強度比未處理的碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料的層間剪切強度提高了15％。
具體實施例方式
七本實施方式與具體實施方式
一的不同點是本實施方式在b步驟中，抽去經(jīng)高能射線輻照后的密閉容器內(nèi)的惰性氣體，在負壓條件下將5wt％丙烯酸溶液吸入密閉容器中浸沒碳纖維，在20℃的溫度條件下反應(yīng)4h后，取出碳纖維并用去離子水反復(fù)沖洗4次，然后再將沖洗后的碳纖維放入去離子水中煮沸10min，以去掉碳纖維表面殘留的共聚物，最后放入烘干箱中烘干，并將烘干后的碳纖維與環(huán)氧樹脂熱壓復(fù)合成型。采用上述技術(shù)參數(shù)，可將經(jīng)高能射線輻照后的碳纖維在不與空氣接觸的情況下與丙烯酸溶液發(fā)生接枝反應(yīng)，碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料的層間剪切強度比未處理的碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料的層間剪切強度提高了14％。
具體實施例方式
八本實施方式與具體實施方式
一的不同點是本實施方式在b步驟中，抽去經(jīng)高能射線輻照后的密閉容器內(nèi)的惰性氣體，在負壓條件下將100％丙烯酸溶液吸入密閉容器中浸沒碳纖維，在90℃的溫度條件下反應(yīng)10h后，取出碳纖維并用去離子水反復(fù)沖洗6次，然后再將沖洗后的碳纖維放入去離子水中煮沸15min，以去掉碳纖維表面殘留的共聚物，最后放入烘干箱中烘干，并將烘干后的碳纖維與環(huán)氧樹脂熱壓復(fù)合成型。采用上述技術(shù)參數(shù)，可將經(jīng)高能射線輻照后的碳纖維在不與空氣接觸的情況下與丙烯酸溶液發(fā)生接枝反應(yīng)，碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料的層間剪切強度比未處理的碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料的層間剪切強度提高了16％。
具體實施例方式
九本實施方式與具體實施方式
一的不同點是本實施方式在b步驟中，抽去經(jīng)γ射線輻照后的密閉容器內(nèi)的N2，在負壓條件下將50wt％丙烯酸溶液吸入密閉容器中浸沒碳纖維，在10℃的溫度條件下反應(yīng)6h后，取出碳纖維并用去離子水反復(fù)沖洗5次，然后再將沖洗后的碳纖維放入去離子水中煮沸10min后放入烘干箱中烘干，最后將烘干后的碳纖維與環(huán)氧樹脂熱壓復(fù)合成型。采用上述技術(shù)參數(shù)，可將經(jīng)γ射線輻照后的碳纖維在不與空氣接觸的情況下與丙烯酸溶液發(fā)生接枝反應(yīng)，碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料的層間剪切強度比未處理的碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料的層間剪切強度提高了17％。
具體實施例方式
十本實施方式與具體實施方式
一的不同點是本實施方式在a步驟之前還增加有a′步驟將碳纖維放在丙酮中抽提24h，以去掉碳纖維表面的雜質(zhì)。
具體實施例方式
十一本實施方式的一種提高碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料界面性能的方法由以下步驟完成a、γ射線輻照用約20cm的鐵絲框纏繞線密度為0.0627g/m的碳纖維100圈，將碳纖維放入一個直徑為6cm、長約30cm的帶有玻璃塞的玻璃管中，在玻璃塞上涂抹少量的凡士林，以保證密封性，抽真空至玻璃管內(nèi)的壓力達到0.05個標準大氣壓，向玻璃管內(nèi)沖入N2達1個標準大氣壓，再將玻璃管內(nèi)N2抽出，反復(fù)3次，然后將充滿N2的玻璃管放在紙箱中用γ射線輻照，輻照劑量率為6KGy/h，輻照劑量為300KGy；b、接枝反應(yīng)抽去經(jīng)γ射線輻照后的玻璃管內(nèi)的N2，在負壓條件下將30wt％的丙烯酸溶液吸入玻璃管中浸沒碳纖維，在20℃的溫度條件下反應(yīng)4h后，取出碳纖維并用去離子水反復(fù)沖洗4次，然后再將沖洗后的碳纖維放入裝有去離子水的燒杯中煮沸10min后放入烘干箱中烘干，最后將烘干后的碳纖維取出涼干，并與質(zhì)量比為環(huán)氧樹脂∶四氫鄰苯二甲酸酐∶芐基二甲胺＝100∶70∶1的膠液熱壓復(fù)合成型。所制備的碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的層間剪切強度高達90.6MPa，與未處理的碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的層間剪切強度(76.2MPa)相比提高了18.9％，彎曲強度提高了14％。改性處理后的碳纖維拉伸強度也提高了近10％。
權(quán)利要求
1.一種提高碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料界面性能的方法，其特征在于它包括以下步驟a、高能射線輻照將去掉雜質(zhì)的碳纖維放入密閉容器中，抽真空至密閉容器內(nèi)的壓力低于0.2個標準大氣壓，再向密閉容器內(nèi)沖入惰性氣體達1個標準大氣壓，再將密閉容器內(nèi)的惰性氣體抽出，反復(fù)2～5次，然后將充滿惰性氣體的密閉容器經(jīng)高能射線輻照，輻照劑量率為0.6～6KGy/h，輻照劑量為60～800KGy；b、接枝反應(yīng)抽去經(jīng)高能射線輻照后的密閉容器內(nèi)的惰性氣體，在負壓條件下將5～100wt％丙烯酸溶液吸入密閉容器中浸沒碳纖維，在10～90℃的溫度條件下反應(yīng)3～10h后，取出碳纖維并用去離子水反復(fù)沖洗3～6次，然后再將沖洗后的碳纖維放入去離子水中煮沸5～15min后烘干，最后將烘干后的碳纖維與環(huán)氧樹脂熱壓復(fù)合成型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料界面性能的方法，其特征在于a步驟中，將去掉雜質(zhì)的碳纖維放入密閉容器中，抽真空至密閉容器內(nèi)的壓力為0.15個標準大氣壓，再向密閉容器內(nèi)沖入惰性氣體達1個標準大氣壓，再將密閉容器內(nèi)的惰性氣體抽出，反復(fù)2次，然后將充滿惰性氣體的密閉容器經(jīng)高能射線輻照，輻照劑量率為0.6KGy/h，輻照劑量為60KGy。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料界面性能的方法，其特征在于a步驟中，將去掉雜質(zhì)的碳纖維放入密閉容器中，抽真空至密閉容器內(nèi)的壓力為0.05個標準大氣壓，再向密閉容器內(nèi)沖入惰性氣體達1個標準大氣壓，再將密閉容器內(nèi)的惰性氣體抽出，反復(fù)3次，然后將充滿惰性氣體的密閉容器經(jīng)高能射線輻照，輻照劑量率為6KGy/h，輻照劑量為300KGy。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料界面性能的方法，其特征在于a步驟中，將去掉雜質(zhì)的碳纖維放入密閉容器中，抽真空至密閉容器內(nèi)的壓力為0.02個標準大氣壓，再向密閉容器內(nèi)沖入惰性氣體達1個標準大氣壓，再將密閉容器內(nèi)的惰性氣體抽出，反復(fù)5次，然后將充滿惰性氣體的密閉容器經(jīng)高能射線輻照，輻照劑量率為3KGy/h，輻照劑量為800KGy。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料界面性能的方法，其特征在于a步驟中，將去掉雜質(zhì)的碳纖維放入密閉容器中，抽真空至密閉容器內(nèi)的壓力為0.01個標準大氣壓，再向密閉容器內(nèi)沖入N2達1個標準大氣壓，再將密閉容器內(nèi)的N2抽出，反復(fù)4次，以排除吸附在碳纖維表面的氧氣，然后將充滿N2的密閉容器經(jīng)γ射線輻照，輻照劑量率為5KGy/h，輻照劑量為180KGy。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料界面性能的方法，其特征在于b步驟中，抽去經(jīng)高能射線輻照后的密閉容器內(nèi)的惰性氣體，在負壓條件下將30wt％丙烯酸溶液吸入密閉容器中浸沒碳纖維，在50℃的溫度條件下反應(yīng)3h后，取出碳纖維并用去離子水反復(fù)沖洗3次，然后再將沖洗后的碳纖維放入去離子水中煮沸5min后放入烘干箱中烘干，最后將烘干后的碳纖維與環(huán)氧樹脂熱壓復(fù)合成型。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料界面性能的方法，其特征在于b步驟中，抽去經(jīng)高能射線輻照后的密閉容器內(nèi)的惰性氣體，在負壓條件下將5wt％丙烯酸溶液吸入密閉容器中浸沒碳纖維，在20℃的溫度條件下反應(yīng)4h后，取出碳纖維并用去離子水反復(fù)沖洗4次，然后再將沖洗后的碳纖維放入去離子水中煮沸10min，以去掉碳纖維表面殘留的共聚物，最后放入烘干箱中烘干，并將烘干后的碳纖維與環(huán)氧樹脂熱壓復(fù)合成型。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料界面性能的方法，其特征在于b步驟中，抽去經(jīng)高能射線輻照后的密閉容器內(nèi)的惰性氣體，在負壓條件下將100wt％丙烯酸溶液吸入密閉容器中浸沒碳纖維，在90℃的溫度條件下反應(yīng)10h后，取出碳纖維并用去離子水反復(fù)沖洗6次，然后再將沖洗后的碳纖維放入去離子水中煮沸15min后放入烘干箱中烘干，最后將烘干后的碳纖維與環(huán)氧樹脂熱壓復(fù)合成型。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料界面性能的方法，其特征在于b步驟中，抽去經(jīng)γ射線輻照后的密閉容器內(nèi)的N2，在負壓條件下將50wt％丙烯酸溶液吸入密閉容器中浸沒碳纖維，在10℃的溫度條件下反應(yīng)6h后，取出碳纖維并用去離子水反復(fù)沖洗5次，然后再將沖洗后的碳纖維放入去離子水中煮沸10min后放入烘干箱中烘干，最后將烘干后的碳纖維與環(huán)氧樹脂熱壓復(fù)合成型。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料界面性能的方法，其特征在于在a步驟之前還包括a′步驟將碳纖維放在丙酮中抽提24h。
全文摘要
一種提高碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料界面性能的方法，它涉及一種提高復(fù)合材料界面性能的方法。針對現(xiàn)有提高碳纖維復(fù)合材料界面性能方法，存在界面改性效果差，對纖維增強體損傷較大問題。本發(fā)明將碳纖維放入密閉容器中抽真空至壓力低于0.2個標準大氣壓，再沖入惰性氣體達1個標準大氣壓，再抽出惰性氣體，將密閉容器經(jīng)高能射線輻照，輻照劑量率為0.6～6KGy/h，輻照劑量為60～800KGy，之后，抽去密閉容器內(nèi)的惰性氣體，在負壓下將5～100wt％丙烯酸溶液吸入密閉容器中浸沒碳纖維反應(yīng)后，取出碳纖維用去離子水沖洗、煮沸、烘干后與環(huán)氧樹脂熱壓復(fù)合成型。經(jīng)本發(fā)明制備的碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的層間剪切強度提高了5～19％、彎曲強度提高了3～16％。
文檔編號C08K7/06GK1850903SQ200610010069
公開日2006年10月25日 申請日期2006年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月23日
發(fā)明者黃玉東, 徐志偉, 張春華, 劉麗, 陳盛洪 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)