[发明专利]碳纤维表面电聚合处理方法

说明书

技术领域

本发明属碳纤维表面处理领域，特别是涉及一种碳纤维表面电聚合处理方法。

背景技术

碳纤维具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和 热膨胀系数小等一系列优异性能，被广泛应用于纤维增强树脂基复合材料。未经处理的碳 纤维比表面积小，表面能低，表面呈现出憎液性，因此碳纤维与基体树脂的粘接程度很难 达到应有的水平，进而不能发挥复合材料潜在的力学性能。纤维增强树脂基复合材料的机 械性能及其环境稳定性主要取决于碳纤维和树脂基体(大部分为环氧树脂)界面之间的粘 结效力，为了获得纤维和基体材料界面更好的粘结，不同的氧化处理方法被应用于碳纤维 的表面处理。

然而，现有的一些方法对于投入工业生产领域存在一些未解决的问题。这些方法对碳 纤维进行的氧化方法包括在浓硝酸溶液中的液相氧化法、高温气体氧化法、表面高分子涂 层法、等离子体处理等。然而，氧化处理法尽管可以在一定程度提高界面粘接力，但也存 在缺陷，氧化反应会在碳纤维的内部进行，这样就会降低碳纤维的拉伸强度；对于涂层法， 高分子物质仅仅通过物理作用吸附在碳纤维表面，表面涂层的平整性和耐久性都较差；等 离子体处理需要高真空环境，对设备的要求很高，较难应用于工业生产中。

碳纤维表面进行氧化刻蚀后，需要上浆提高碳纤维丝束的集束性，同时浆料也起到保 护碳纤维丝束的作用。浆料中的活性官能团可以连接碳纤维和树脂基体。进而增加碳纤维 增强复合材料中碳纤维和树脂间的界面粘接。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种碳纤维表面电聚合处理方法，该方法简单，成 本低，经过处理的碳纤维丝束的集束性提高，省去上浆步骤，碳纤维和树脂间的粘接力增 强，碳纤维增强复合材料的力学性能得到提升。

本发明的一种碳纤维表面电聚合处理方法，包括：

将碳纤维浸入含有乙烯单体、氧化性物质的电解质溶液中，碳纤维作为阴极通电发生 电解反应，表面形成聚合物膜层，反应时间为10～150s，电流密度为1.5～35A/m²；所述 氧化性物质的加入量为电解质溶液质量分数的0.2～25％；乙烯单体的加入量为电解质溶液 体积分数的0.3～6％。

所述的碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维或石墨纤维。

所述的乙烯单体为丙烯酸、丙烯酸甲酯、丙烯腈、顺丁烯二酸酐、丙烯酰胺、丙烯醛、 乙烯基吡咯烷酮、乙酸乙烯脂、乙烯甲基醚中的一种或几种。

所述的氧化性物质为过氧化氢、亚氯酸、次氯酸或亚硫酸。

所述的电解质为质量分数1～5％的磷酸、磷酸盐、碳酸铵或硫酸。

所述电解反应的阳极为石墨板、不锈钢板或镍板。

所述的时间为30～120s。

所述的电流密度为7～25A/m²。

过氧化氢的加入能有效缩短聚合反应时间。对于加入过氧化氢的量最好是电解质溶液 质量分数的0.2～25％。当过氧化氢少于0.2％(质量分数)，会观察到和乙烯单体的量少于 0.3％(体积分数)相同的现象，当过氧化氢的量大于25％时，碳纤维表面的聚合物层会出 现不均匀现象。过氧化氢加入量也适用于其他氧化性物质。

所述乙烯单体很快在碳纤维表面发生聚合反应，这些聚合物和树脂能够相互融合。

乙烯单体的量最好是电解质溶液体积分数的0.3～6％。当乙烯单体的体积量少于0.3％ 时，很难在碳纤维表面上形成足够量的聚合物。当乙烯单体的体积量大于6％时，会在碳 纤维表面形成过厚的覆盖层，造成表面不平整。

本发明将碳纤维浸入含有乙烯单体的电解质溶液中，碳纤维作为阴极，当电流通过时 发生电解反应。碳纤维通过的导辊上，用电刷和直流电源的负极连接，碳纤维丝束和导辊 紧贴运转的过程中就会带上负电。碳纤维浸渍于电解质中连续运行，电解质溶液中存在两 个导辊，协助碳纤维丝束导入和导出。

电解质溶液中加入的氧化性物质，例如过氧化氢会在碳纤维上还原分解成为自由基 HO·，这种活性基是乙烯单体在碳纤维表面聚合的引发剂。聚合反应的具体操作如下：