[发明专利]用于将官能团结合到基底的表面的方法和设备

说明书

技术领域

本公开涉及一种用于对基底的表面进行改性以包括附加的官能团的工艺。

背景技术

用于碳纤维、聚合复合物、玻璃纤维、金属基底、陶瓷基底和玻璃基底的表面处理包括火焰处理、电晕处理和气体等离子体处理。已知的是，使用此类表面处理向表面添加有限数量的官能团。可以添加官能团来促进附着并增加表面润湿性。

官能团的一个示例是羟基官能团（OH-）。还可以将其它类型的官能团接枝到基底上。由于氢氧离子和其它离子源在大气中的可用性有限，所以利用火焰处理、电晕处理或气体等离子体处理仅向表面添加有限数量的官能团。

对于提高聚合树脂与碳基底、金属基底、陶瓷基底和玻璃基底之间的界面附着，需要成本高效且稳健的工艺。此类基底的一个示例是碳纤维增强型聚合复合物，碳纤维增强型聚合复合物可以对减轻车辆组件的重量的问题提供一种潜在解决方案，以实现如政府法规所要求的更好的燃料经济性。

在碳纤维增强型聚合复合物中，大部分负荷由碳纤维承受。聚合物在纤维之间传递负荷。聚合物的负荷传递效率决定着复合物部件的机械性能。传统的碳纤维增强型聚合复合物中的纤维/基质界面受限于因缺乏对表面的牢固化学结合而引起的物理破裂。

改善聚合物对碳纤维表面的附着可以提高负荷传递效率。因为应对给定的负荷需要更少的碳纤维，所以负荷传递效率的提高可以减小碳纤维复合物部件的所需厚度并可以降低成本。

通过如下概述的本公开来解决上述问题和其它问题。

发明内容

由于所公开的用于向基底的表面添加官能团的方法和设备增加了在等离子体中可用的离子的量，所以其是独特的且创新的。例如，将蒸汽引入到等离子体中提高了等离子体中的氢氧（OH^-）离子的可用性。因此，可以增加表面上的羟基的数量。

根据本公开的一方面，提供了一种用于处理基底的方法。该方法包括将基底提供到工具的步骤和将气态组合物供应到工具的步骤。等离子流发生器产生等离子体，等离子体分解气态组合物以形成离子。当气态组合物被离子化时，离子合并成等离子体，离子可更自由地结合到基底。

根据所述方法的其它方面，引导等离子流的步骤还可以包括：使基底的表面破裂。在一个实施例中，基底可以是碳纤维，气态组合物可以是分解形成氢氧离子和氢离子的蒸汽。碳-碳链可以断裂，以结合到新的官能团。等离子流可以使氢氧离子结合到碳纤维基底。

根据本公开的一方面，提供了一种用于制造碳纤维增强型聚合复合物的方法。所述方法包括将碳纤维基底提供到工具的步骤和将蒸汽供应到预处理工具的步骤。朝向碳纤维基底引导等离子流穿过蒸汽，以分解蒸汽来形成氢氧离子和氢离子。一些氢氧离子随后结合到碳纤维。

根据所述方法的其它方面，引导等离子流发生器的步骤还可以包括：使碳纤维基底的表面破裂。所述方法还可以包括：使氢氧离子和氢离子共价结合到碳纤维基底中的破裂处。供应蒸汽的步骤还可以包括：将水供应到加热单元以形成蒸汽、对蒸汽进行加压以及通过喷嘴喷射蒸汽。

根据本公开的另一方面，公开了由碳纤维基底和聚合物树脂来制造碳纤维增强型聚合复合物的系统。所述系统包括：蒸汽发生器，向容纳碳纤维基底的预处理室提供蒸汽；以及等离子流发生器，朝向碳纤维基底引导等离子体穿过蒸汽。等离子流可用于分解蒸汽以形成氢氧离子和氢离子，并使氢氧离子结合到碳纤维。

根据本公开的另一方面，公开了一种用于制造碳纤维增强型聚合复合物的系统，所述系统包括：碳纤维基底；工具，容纳碳纤维基底；蒸汽发生器，将蒸汽供应到工具；以及等离子流发生器，朝向碳纤维基底引导穿过蒸汽的等离子体，以分解蒸汽并形成氢氧离子和氢离子，并使氢氧离子结合到碳纤维基底。等离子流发生器使碳纤维基底的表面破裂。氢氧离子共价结合到碳纤维。一定量的水被提供到加热单元，以形成蒸汽，提供泵以对蒸汽进行加压，提供喷嘴以喷射蒸汽。供应到加热单元的水量由质量流控制器控制。