[发明专利]基于超声强化的碳纤维表面处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于超声强化的碳纤维表面处理方法。

背景技术

由于碳纤维具有高比强度、高比模量，耐高温、耐高蚀、耐疲劳、抗蠕变，导电、传热性能好、热系数小等一系列优异的性能，碳纤维及其复合材料成为极其重要的战略物资之一。与一般碳素材料的相比，还具有一般碳素材料所不具有的特性，比如其外形有显著的各向异性、柔软，可加工成各种织物，沿纤维轴向表现出很高的强度等，因此其长纤或短纤被广泛的应用为增强填料，制备出综合性能优良的复合材料，并大量应用于在航天航空、军事、海上石油、建筑、文体、工业与运输等领域。

碳纤维复合材料的性能不仅取决于组成材料，更取决于碳纤维的表面性能、纤维与基体材料的结合程度以及界面上的应力传递方式等,良好的界面结合能有效地传递载荷，充分发挥增强纤维的高强高模特性，提高复合材料的力学性能。但未处理的碳纤维表面能低，表面呈现出憎液性，从而导致它与树脂两相界面之间的粘接性能相当差，不能充分发挥出复合材料潜在的力学性能。界面的性质直接影响着复合材料的各项力学性能，尤其是层间剪切、断裂、抗冲击等性能，因此随着复合材料科学和应用的发展，复合材料界面及其力学行为越来越受到重视。有研究表明，碳纤维经表面处理后能显著改善纤维与基体树脂之间的界面粘接，充分发挥增强纤维的高强度和高模量特性，使其强度利用率达到80%以上，而未经表面处理碳纤维的强度利用率仅为55%。因此,碳纤维的表面处理成为其在树脂基复合材料使用时考虑的一个重要因素。

碳纤维表面经常会有很多空隙、凹槽、杂质等，这对碳纤维的质量有很大负面影响，同时未经表面处理的碳纤维表面羟基、羰基等极性基团很少，使得其与树脂基体界面粘结性差，制备出的复合材料性能难以达到要求。为了解决上述问题，通常采用的方法是对碳纤维进行表面处理。碳纤维表面处理对纤维与基体树脂之间的界面性质有重要影响，特别是在纤维与聚合物之间形成有效的界面粘结方面。过弱的化学键合使得纤维与基体间载荷传递差，过强的界面结合导致复合材料韧性下降，表面处理技术可以在碳纤维表面发生一系列物理、化学反应，增加其表面形态的复杂化和极性基团的含量，从而提高碳纤维与基体树脂的界面性能，以实现提高复合材料整体性能。

碳纤维表面性能主要取决于表面形态结构、比表面积、活性比表面积、表面能和表面官能团等，通过对碳纤维表面处理来改变碳纤维的这些表面物理、化学和结构参数对提高碳纤维复合材料的力学性能有着重要的意义。这些参数中，碳纤维表面的官能团是影响碳纤维表面性能的最重要的因素之一，因为表面官能团可以提高碳纤维表面的极性，增强其与基体材料之间的润湿性和粘接程度。碳纤维的表面处理方法较多（包括气相氧化法、液相氧化法、阳极氧化法、等离子表面处理法等），但在线配套方法较少，目前碳纤维处理较为成熟、在线配套使用的主要方法是电化学氧化法和臭氧氧化法。臭氧氧化法是将碳纤维臭氧中进行高温处理，处理后的碳纤维表面积、表面粗糙度都有所增加，可以提高纤维与树脂基体的浸润性，但臭氧氧化的条件较为剧烈，易对纤维体产生较大损伤；电化学氧化法是以碳纤维作为阳极在电解池中进行，电解液包括苛性钠、硝、硫、磷酸，以及钾的重铬酸盐和高锰酸盐溶液等，电解液易腐蚀器件，污染环境，而且还存在操作繁琐、处理效率低等缺点。因此，研究和开发具有实际应用价值的碳纤维表面处理技术具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术而提供一种基于超声强化的碳纤维表面处理方法，该方法设备要求低，操作环境绿色无污染，表面处理快捷高效，易于在线生产。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：基于超声强化的碳纤维表面处理方法，其特征在于包括有以下步骤：将碳纤维浸渍于表面处理槽内的液体介质之中，通过设置在表面处理槽上方或者下方的超声发生器或超声阵列对液体介质进行超声辐射，所述的超声发生器或超声阵列所发射的超声波频率范围为10-300kHz，超声波强度为0.1-10W/cm²，超声处理时间根据超声波强度和频率进行调整，其范围为0.5-20分钟，以达到对碳纤维表面处理的目的。

按上述方案，所述的碳纤维为碳纤维长丝，通过设置在表面处理槽内的牵引装置对碳纤维长丝进行牵伸。

按上述方案，所述的碳纤维为短切碳纤维或碳纤维粉，通过设置在表面处理槽内的隔板来支撑短切碳纤维或碳纤维粉。

按上述方案，所述的液体介质为水、脱气水、双氧水溶液、硝酸溶液、硫酸溶液、乙醇和丙酮中的任意一种或几种的混合。

按上述方案，所述的液体介质温度为20-75度。