專利名稱：一種超聲波增強的碳纖維表面液態(tài)化學改性的方法
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，涉及ー種使用高強度和高功率超聲波增強的碳纖維表面液態(tài)化學改性的方法。
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樹脂基復合材料最重要的增強材料，被廣泛應用在航空航天構(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，表面能低和樹脂浸潤性及兩相界面粘結(jié)性差，復合材料層間剪切強度(Interlaminar Shearing Strength, ILSS)低。從而影響復合材料綜合性能的發(fā)揮，制約了碳纖維在先進復合材料領(lǐng)域的進ー步推廣應用。為了改善碳纖維增強樹脂基復合材料的性能，須對碳纖維表面進行改性，以提高碳纖維與其他材料的粘結(jié)能力。為改善碳纖維與樹脂基體等的黏合性、提高復合材料的層間剪切カ而須進行的表面處理。目的是增加碳纖維的極性基團如羧基、羰基和內(nèi)酯等官能團，増加表面積，提高與樹脂母體的浸潤性和黏合力。前對碳纖維表面進行改性的方法較多，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足碳纖維表面性能改性需要，但是エ藝較為復雜，處理時間長，表面改性不均勻等問題，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，引起分子的高速運動，進而在液體內(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，縮短改性時間，同時降低消耗，減小環(huán)境污染。將高強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，將會有助于解決目前碳纖維表面改性中存在的不足。中國專利CN200810100876. 8公開了ー種PBO纖維的超聲化學表面改性方法，文章“超聲氧化處理對碳纖維表面性能的影響”(機械工程材料，2011年，第11期，第28-31頁)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行改性。由于濃硝酸的揮發(fā)性，強腐蝕性和強氧化性，導致這種改性方法具有一定的危險性和改性程度難以控制。

發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問題為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出ー種使用高強度和高功率超聲波增強的碳纖維表面液態(tài)化學改性的方法。
技術(shù)方案一種超聲波增強的碳纖維表面液態(tài)化學改性的方法，其特征在于步驟如下步驟I :將表面預處理后的碳纖維浸于化學溶液中，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；所述化學溶液為硅烷偶聯(lián)劑、酸性重鉻酸鉀、次氯酸鈉、過氧化氫、甲基磺酸、甲酸或過硫酸鉀；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，得到化學改性的超聲波增強的碳纖維。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下進行烘干處理，完成碳纖維的表面預處理。有益效果本發(fā)明提出的ー種使用高強度和高功率超聲波增強的碳纖維表面液態(tài)化學改性的方法，可以有效改善纖維的性能，使其復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，與在實驗室條件和エ業(yè)化生產(chǎn)條件下都易于實現(xiàn)，且操作最為簡單、生產(chǎn)成本最低的化學法相結(jié)合，以便解決傳統(tǒng)化學法改性碳纖維表面時存在的エ藝較為復雜，處理時間長，表面改性不均勻等問題。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)點在干，碳纖維表面改性所用設(shè)備投資費用低，發(fā)明成本低、操作簡單、適用性強、處理效果好、纖維性能損失小，質(zhì)量可靠。大量縮短改性時間，降低化學品用量和產(chǎn)品成本，減少環(huán)境污染，適用于エ業(yè)化生產(chǎn)。
具體實施例方式現(xiàn)結(jié)合實施例對本發(fā)明作進ー步描述實施例I :將表面預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。實施例2:
將表面預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。實施例3 將表面預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下進行烘干處理，完成碳纖維的表面預處理。上述實施例步驟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%的過氧化氫中；或濃度為9(T99wt%的過硫酸鉀中。
權(quán)利要求
1.一種超聲波增強的碳纖維表面液態(tài)化學改性的方法，其特征在于步驟如下 步驟I :將表面預處理后的碳纖維浸于化學溶液中，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；所述化學溶液為硅烷偶聯(lián)劑、酸性重鉻酸鉀、次氯酸鈉、過氧化氫、甲基磺酸、甲酸或過硫酸鉀； 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，得到化學改性的超聲波增強的碳纖維。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述超聲波增強的碳纖維表面液態(tài)化學改性的方法，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所述超聲波增強的碳纖維表面液態(tài)化學改性的方法，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所述超聲波增強的碳纖維表面液態(tài)化學改性的方法，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所述超聲波增強的碳纖維表面液態(tài)化學改性的方法，其特征在于所述過氧化氫的濃度為2(T40wt%。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述超聲波增強的碳纖維表面液態(tài)化學改性的方法，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所述超聲波增強的碳纖維表面液態(tài)化學改性的方法，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所述超聲波增強的碳纖維表面液態(tài)化學改性的方法，其特征在于所述過硫酸鉀的濃度為90 99被％。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述超聲波增強的碳纖維表面液態(tài)化學改性的方法，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所述超聲波增強的碳纖維表面液態(tài)化學改性的方法，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下進行烘干處理，完成碳纖維的表面預處理。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超聲波增強的碳纖維表面液態(tài)化學改性的方法，技術(shù)特征在于將碳纖維浸于配置好的化學溶液中，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，用去離子水反復清洗并取出；在60～180℃真空烘干。其中所用的化學溶劑為硝酸、酸性重鉻酸鉀、次氯酸鈉、過氧化氫、甲基磺酸、甲酸或過硫酸鉀等中的至少一種。該方法可以形成高性能的碳纖維，進一步提高碳纖維的力學性能。本發(fā)明成本低、操作簡單、適用性強、處理效果好、纖維性能損失小，質(zhì)量可靠。
文檔編號C08K9/04GK102851940SQ20121031650
公開日2013年1月2日 申請日期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 申請人:西北工業(yè)大學