一种炭纤维表面处理工艺

摘要

本发明涉及一种炭纤维表面处理工艺，技术方案为：炭纤维以一定的速度通过微波炉中的双氧水溶液，在微波辐射和双氧水氧化双重作用下，在炭纤维表面生成含氧和含氮基团。本发明的处理方法，使用常规频率的微波炉和低浓度的双氧水，设备投资少，对环境无污染，处理时间大大缩短，具有高效节能的特点。

权利要求

1.一种炭纤维表面处理工艺，其特征在于：在维持一定的双氧水浓度和温度的条件下，将炭纤维连续通过双氧水溶液并同时接受微波辐射，并维持一定的微波-双氧水联合处理时间，使炭纤维表面含氮和含氧基团增加、粗糙度增大；所述炭纤维处理时间在10s~600s。

2.如权利要求1所述的炭纤维表面处理工艺，其特征在于：所述微波频率为2.45GHz；

所述双氧水质量浓度为1%~25%；

所述双氧水温度控制在5℃~60℃；

所述炭纤维处理时间在10s~600s。

3.如权利要求1所述的炭纤维表面处理工艺，其特征在于：所述微波频率为2.45GHz；

所述双氧水质量浓度为2%~6%；

所述双氧水温度控制在20℃~40℃；

所述炭纤维处理时间在20s~60s。

4.一种如权利要求1所述的工艺处理得到的炭纤维产品，其特征在于：所述的炭纤维表面氧元素含量为10-14.8at.%，氮元素含量为1.5-6.0at.%。

说明书

一种炭纤维表面处理工艺

技术领域

[0001] 本发明涉及炭纤维加工及其复合材料领域，特别涉及一种炭纤维表面处理工艺。

背景技术

[0002] 炭纤维具有高强度、高模量、低密度、耐腐蚀、热膨胀系数小等优异性能，在先进复合材料（航空航天、高性能武器装备、精密仪器、能源开采与开发等领域）中的应用越来越广泛。但是，由于炭纤维表面的惰性，使其很难与树脂基体相容，导致炭纤维/树脂基体界面的结合力较弱，炭纤维的实际增强效果与理论值差距较大。目前针对这一问题，研究者和生产企业采用的办法就是：通过物理或化学的办法处理炭纤维，在其表面生成活性基团（羟基、羰基、羧基、氨基等）和提高表面粗糙度，以此为基础进行聚合或物理包覆，在炭纤维表面形成聚合物包覆层，具体包括等离子体表面处理法、电化学表面处理法（电化学氧化和电聚合）、气相氧化法（空气、二氧化碳、臭氧）、液相化学氧化法。以上方法在工业化生产中都存在一定的弊端，如液相化学氧化法处理时间长、化学试剂的污染严重；气相氧化法的温度较高、氧化气氛和程度较难控制；电化学表面处理法处理时间较长、电解液对环境有一定的污染；等离子体表面处理法快速有效，但是设备投资大，控制条件苛刻。为此，本发明提出一种简单、快速、设备投资小、易大规模生产的炭纤维表面处理技术，即微波辅助双氧水氧化法。

发明内容

[0003] 本发明目的在于提供一种快速有效的炭纤维表面处理工艺。

[0004] 为了实现上述目的，本发明技术方案是，利用微波辐射浸没在双氧水溶液中的炭纤维，在炭纤维表面生成含氧和含氮基团；其特征在于，在维持一定的双氧水浓度和温度的条件下，将炭纤维连续通过双氧水溶液并同时接受微波辐射，并维持一定的微波-双氧水联合处理时间，使炭纤维表面含氮和含氧基团增加、粗糙度增大。其工艺条件为：

[0005] 所述微波频率为2.45GHz，即为日常用微波炉的频率。

[0006] 所述双氧水质量浓度为1%~25%，优选2%~6%。

[0007] 所述双氧水温度控制在5℃~60℃，优选20℃~40℃。

[0008] 所述炭纤维处理时间在10s~600s，优选20s~60s。

[0009] 本发明的高效表现在，炭纤维在常温下通过本方法处理，处理时间30秒，经X射线光电子能谱（XPS）检测其表面氧元素含量为10-14.8at.%，氮元素含量为1.5-6.0at.%，at.%为原子数百分含量，Raman光谱证实处理后无定形程度增加，激光表面粗糙度分析表面处理后粗糙度增大。

[0010] 本发明的优点在于，使用常规频率的微波炉和低浓度的双氧水，设备投资少，对环境无污染，处理时间大大缩短，具有高效节能的特点。本发明的炭纤维表面处理工艺与其他表面处理工艺性能对比如表1所示。

[0011] 表1 炭纤维表面处理工艺对比

[0012]

具体实施方式

[0013] 结合实例进一步阐明本发明内容，但本发明不仅仅局限于以下实例。

[0014] 实例1：

[0015] 将炭纤维从质量浓度为5%的双氧水溶液中缓慢通过，并在炭纤维浸泡于双氧水中的同时用微波辐射，微波频率为2.45GHz进行辐射，维持微波辐射和双氧水氧化处理时间30秒，得到表面处理炭纤维。处理过程中，双氧水在微波-双氧水联合处理器、冷凝器和浓度调节器三者组成的系统中循环，以维持双氧水温度约为30℃及浓度约为5%。经XPS检测表面含氧和氮分别为14.8at.%和5.8at.%。

[0016] 实例2：

[0017] 将炭纤维从质量浓度为3%的双氧水溶液中缓慢通过，并在炭纤维浸泡于双氧水中