一種碳纖維表面處理的方法
【專利摘要】本發明提供了一種碳纖維表面處理的方法，將碳纖維置于處理劑溶液中后進行超聲波處理，所述處理劑包含溶劑、強堿性化合物、硅油和/或改性硅油與化學處理劑。與現有技術中采用蒸汽或化學改性處理碳纖維相比，本發明采用超聲波對碳纖維進行表面處理，首先，超聲波在液體中傳播可產生能量的激化和突發，利用瞬間沖擊力可擊散碳纖維，提高了碳纖維的可開松性，易使纖維之間呈單纖狀態，進而提高了成網均勻性和碳纖維熱場材料的熱力學穩定性；其次，瞬間沖力還可擊散表面雜質或削弱雜質與物體之間的吸附作用，促使雜質與物體間加速脫離，使處理后的碳纖維具有較好的柔軟性及抗靜電性，并改善了碳纖維的易脆特性。
【專利說明】 一種碳纖維表面處理的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于材料改性【技術領域】，尤其涉及一種碳纖維表面處理的方法。
【背景技術】
[0002]碳纖維是含碳量大于90%的纖維狀碳材料，其具有高拉伸強度、高拉伸模量、低密度、耐高溫、抗燒蝕、抗腐蝕、高導電和熱導、低熱膨脹自潤滑與生物相容性好等優良性能，是理想的耐燒蝕、結構和功能性復合材料組元。目前，碳纖維及其復合材料主要應用于宇航、航空、原子能等尖端科技工業以及體育器材的制造等方面。
[0003]作為一種新型高性能纖維，碳纖維纖維疊層制成的網胎與碳布經針刺形成的預制件均具有特殊的高溫力學及熱學性能，兩者均具有優異的高溫強度、耐磨損和耐高溫燒蝕等特性，因此被廣泛應用于高溫熱場材料中。但由于碳纖維自身易脆、易斷、剛性大、彈性模量小等特點，纖維之間勾結強力較差，導致后期生產加工不便，因此必須對其碳纖維進行表面處理改善其表面活性。
[0004]申請號為201010547718.4的中國專利公開了一種碳纖維復合針刺預制體及制備方法，其中碳纖維改性的方法為:將長度為4(T50mm的碳纖維短絲噴灑水分，使短纖維的濕度保持在5%左右，之后加熱到30°C，保溫25h。采用此方法處理后的碳纖維短絲由于沒有經過水浴或化學處理改性，只是在碳纖維表面噴灑了一定的水分，因此，處理后的碳纖維表面仍含有大量膠質而粘連在一起，分散性和柔軟性均沒有得到很好的提高，影響后道成網和針刺效果，進而影響網胎的整體質量。
[0005]申請號為02138191.7的中國專利公開了一種可針刺無紡織物及準三維預制件，其采用纖維長度為5(Tl00mm的聚丙烯腈基碳纖維，經蒸汽或化學改性處理、機械松散、梳理、針刺制成面密度為4(Tl20g/m2的薄層網胎。用蒸汽或化學改性處理方法得到的碳纖維，纖維間離散性較差、易粘連成塊，影響后道開松、梳理效果，進而影響網胎的均勻性，給產品性能帶來很大的隱患。
【發明內容】
[0006]有鑒于此，本發明要解決的技術問題在于提供一種碳纖維表面處理的方法，該方法處理的碳纖維分散性較好。
[0007]本發明提供了一種碳纖維表面處理的方法，將碳纖維置于處理劑溶液中后進行超聲波處理，所述處理劑包含溶劑、強堿性化合物、硅油和/或改性硅油與化學處理劑。
[0008]優選的，所述碳纖維的長度為4(T80mm。
[0009]優選的，所述超聲波處理的頻率為28?60KHz。
[0010]優選的，所述超聲波處理的溫度為2(T80°C，時間為l(T60min。
[0011]優選的，所述溶劑選自水、丙酮和乙醇中的一種或多種。
[0012]優選的，所述強堿性化合物為氫氧化鈉或氫氧化鉀。
[0013]優選的，所述化學處理劑為抗靜電整理劑或柔順劑。[0014]優選的，所述碳纖維與處理劑溶液的質量比為(1:50)~(I: 100)。
[0015]優選的，所述溶劑、強堿性化合物、硅油和/或改性硅油與化學處理劑的質量比為(I ~4):1:1:1。
[0016]優選的，所述處理劑的質量為處理劑溶液質量的1%~8%。
[0017]本發明提供了一種碳纖維表面處理的方法，將碳纖維置于處理劑溶液中后進行超聲波處理，所述處理劑包含溶劑、強堿性化合物、硅油和/或改性硅油與化學處理劑。與現有技術中采用蒸汽或化學改性處理碳纖維相比，本發明采用超聲波對碳纖維進行表面處理，首先，超聲波在液體中傳播可產生能量的激化和突發，利用瞬間沖擊力可擊散碳纖維，提高了碳纖維的可開松性，易使纖維之間呈單纖狀態，進而提高了成網均勻性和碳纖維熱場材料的熱力學穩定性；其次，瞬間沖力還可擊散表面雜質或削弱雜質與物體之間的吸附作用，促使雜質與物體間加速脫離，使處理后的碳纖維具有較好的柔軟性及抗靜電性，并改善了碳纖維的易脆特性。
[0018]實驗結果表明，本發明得到的處理后的碳纖維開松率可達90%以上。
【具體實施方式】
[0019]本發明提供了一種碳纖維表面處理的方法，該方法為:將碳纖維置于處理劑溶液中后進行超聲波處理 ，所述處理劑包含溶劑、強堿性化合物、硅油和/或改性硅油與化學處理劑。
[0020]其中，所述碳纖維的規格為本領域技術人員熟知的碳纖維的規格，并無特殊的限制，本發明中優選為3Κ、6Κ、12Κ、24Κ或48Κ。
[0021]所述碳纖維的長度為40~80mm,優選為40~70mm,更優選為40~60mm。所述碳纖維的來源可為市購，也可為將市購的連續碳纖維長絲進行切絲處理，得到本發明中長度為40~80mm的碳纖維。
[0022]所述處理劑中溶劑、強堿性化學物、硅油和/或改性硅油與化學處理劑的質量比為(I~4): 1:1:1，優選為(1.5~3.5)
[0023]所述溶劑為本領域技術人員熟知的溶劑即可，并無特殊的限制。本發明中所述溶劑優選為水、丙酮和乙醇中的一種或多種，更優選為丙酮或乙醇，所述水優選為去離子水，可減少水中電解質及雜質對碳纖維的影響。
[0024]所述強堿性化合物優選為氫氧化鉀或氫氧化鈉，使處理劑保持一個堿性的環境。
[0025]所述化學處理劑為本領域技術人員熟知的化學處理劑即可，并無特殊的限制，本發明中優選為抗靜電處理劑或柔順劑，更優選為抗靜電處理劑，再優選為脂肪胺聚氧乙烯醚(AC1200)類處理劑。
[0026]所述處理劑溶液中處理劑的質量含量為1%~8%，優選為3%~8%，更優選為4%~8%，所述處理劑溶液中的溶劑為本領域技術人員熟知的溶劑，優選為水、丙酮和乙醇中的一種或多種，更優選為水或乙醇，所述水優選為去離子水，可減少水中電解質及雜質對碳纖維的影響。
[0027]本發明中優選將處理劑溶液先加熱至25~80°C，優選為3(T80°C，更優選為40^80 0C，然后加入所述碳纖維。
[0028]本發明中所采用的試劑均為無毒無害，為環境友好型試劑，且在高溫下易揮發，不會給碳纖維帶來雜質，進而不會給最終的炭/炭復合材料帶來灰分和雜質，保證了光伏熱場材料晶體生長的純度。
[0029]按照本發明所述碳纖維與處理劑溶液的質量比為l:5(Tl:100，優選為1:50~1:80。
[0030]所述超聲波處理的頻率為28~60ΚΗζ，優選為30-50ΚΗζ。
[0031]所述超聲波處理的溫度為2(T80°C，優選為3(T80°C，更優選為45~80°C ;所述超聲波處理的時間為l(T60min，優選為2(T55min。[0032]高強度的超聲波在液體中傳播時，能夠產生能量的激化和突發即“空化效應”，可釋放出巨大的能量，產生高達幾百個大氣壓的局部瞬間壓力，形成沖擊波，使固體表面和液體介質收到極大的沖擊力和機械“破壞作用”，此能量足以打斷很強的化學鍵結合，因此，采用超聲波處理碳纖維，不僅可利用瞬間沖擊力擊散碳纖維束，還可擊散表面雜質或削弱雜質與物體之間的吸附作用，促使雜質與物體間加速脫離，使處理后的碳纖維具有較好的分散性，不易粘連，易開松，進而可提高以后使用過程中的成網均勻性和碳纖維熱場材料的熱力學穩定性，延長了炭/炭復合材料的使用壽命；同時也使處理后的碳纖維具有良好的柔軟性和抗靜電性，改善了碳纖維的易脆特性。
[0033]處理后的碳纖維使網胎的生產更均勻，便于生產，使用處理后的碳纖維制得的碳纖維針刺預制體的Z向纖維含量和層間剪切強度均得到提高，且針刺預制體也具有較好的樹脂浸潤性與熱場均勻性。
[0034]按照本發明，當處理劑中溶劑與處理劑溶液中的溶劑為丙酮或乙醇等非水溶劑時，優選還將處理后的碳纖維進行水洗，水洗的次數優選為廣3次。
[0035]本發明中，優選將超聲波處理后的碳纖維干燥。所述干燥優選在常壓空氣中進行，所述干燥的溫度優選為3(T50°C，逐漸升溫，所述干燥的時間優選為llh，更優選為4~8h。
[0036]按照本發明所述干燥后的碳纖維優選其含水率為1%~8%，更優選為5%~8%。
[0037]為了進一步說明本發明，以下結合實施例對本發明提供的一種碳纖維表面處理的方法進行詳細描述。
[0038]以下實施例中所用試劑均為市售。
[0039]實施例1
[0040]1.1將連續的6Κ碳纖維長絲切絲，得到長度為50mm的碳纖維。
[0041 ] 1.2將乙醇、氫氧化鈉、硅油與AC 1200按質量比2:1:1:1的比例混合，得到處理劑，將處理劑與去離子水配制成處理劑水溶液，處理劑的質量為處理劑水溶液質量的5%。
[0042]1.3將1.1中得到的碳纖維放入1.2中得到的處理劑水溶液中，碳纖維與處理劑水溶液的質量比為1:50，將超聲波的頻率設定為40KHz，加熱至60°C，對處理劑水溶液中的碳纖維進行處理30min，用濾網取出，輕輕擠壓至不再滴水。將處理后的碳纖維放入烘箱中，逐漸升溫至40°C，干燥4h。
[0043]利用顯微鏡對1.3中得到的處理后的碳纖維進行檢測，可知處理后的碳纖維呈分散狀態，開松率達90%以上，表面柔軟光滑。
[0044]將1.3中得到的處理后的碳纖維制成網胎，斷纖、廢纖率明顯減小，可知處理后的碳纖維韌性與柔軟性得到提高。
[0045]實施例2[0046]2.1將連續的12K碳纖維長絲切絲，得到長度為50mm的碳纖維。
[0047]2.2將乙醇、氫氧化鈉、硅油與AC1200按質量比3:1:1: I的比例混合，得到處理齊U，將處理劑與去離子水配制成處理劑水溶液，處理劑的質量為處理劑水溶液質量的8%。
[0048]2.3將2.1中得到的碳纖維放入2.2中得到的處理劑水溶液中，碳纖維與處理劑水溶液的質量比為1:50，將超聲波的頻率設定為28KHz，加熱至50°C，對處理劑水溶液中的碳纖維進行處理50min，用濾網取出，輕輕擠壓至不再滴水。將處理后的碳纖維放入烘箱中，逐漸升溫至40°C，干燥7h。
[0049]利用顯微鏡對2.3中得到的處理后的碳纖維進行檢測，可知處理后的碳纖維呈分散狀態，開松率達95%，表面柔軟光滑。
[0050]將2.3中得到的處理后的碳纖維制成網胎，斷纖、廢纖率明顯減小，可知處理后的碳纖維韌性與柔軟性得到提高。
[0051]實施例3
[0052]3.1將連續的12K碳纖維長絲切絲，得到長度為50mm的碳纖維。
[0053]3.2將乙醇、氫氧化鈉、硅油與AC1200按質量比3:1:1: I的比例混合，得到處理齊U，將處理劑與去離子水配制成處理劑水溶液，處理劑的質量為處理劑水溶液質量的8%。
[0054]3.3將3.1中得到的碳纖維放入3.2中得到的處理劑水溶液中，碳纖維與處理劑水溶液的質量比為1:100，將超聲波的頻率設定為40KHZ，加熱至60°C，對處理劑水溶液中的碳纖維進行處理30min，用濾網取出，輕輕擠壓至不再滴水。將處理后的碳纖維放入烘箱中，逐漸升溫至40 V，干燥8h。
[0055]利用顯微鏡對3.3中得到的處理后的碳纖維進行檢測，可知處理后的碳纖維呈分散狀態，開松率達95%，表面柔軟光滑。
[0056]將3.3中得到的處理后的碳纖維制成網胎，斷纖、廢纖率明顯減小，可知處理后的碳纖維韌性與柔軟性得到提高。
[0057]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種碳纖維表面處理的方法，其特征在于，將碳纖維置于處理劑溶液中后進行超聲波處理，所述處理劑包含溶劑、強堿性化合物、硅油和/或改性硅油與化學處理劑。
2.根據權利要求1所述的處理方法，其特征在于，所述碳纖維的長度為4(T80mm。
3.根據權利要求1所述的處理方法，其特征在于，所述超聲波處理的頻率為28飛OKHz。
4.根據權利要求1所述的處理方法，其特征在于，所述超聲波處理的溫度為2(T80°C，時間為l(T60min。
5.根據權利要求1所述的處理方法，其特征在于，所述溶劑選自水、丙酮和乙醇中的一種或多種。
6.根據權利要求1所述的處理方法，其特征在于，所述強堿性化合物為氫氧化鈉或氫氧化鉀。
7.根據權利要求1所述的處理方法，其特征在于，所述化學處理劑為抗靜電整理劑或柔順劑。
8.根據權利要求1所述的處理方法，其特征在于，所述碳纖維與處理劑溶液的質量比為(1:50)?(1:100)。
9.根據權利要求1所述的處理方法，其特征在于，所述溶劑、強堿性化合物、硅油和/或改性硅油與化學處理劑的質量比為(廣4):1:1:1。
10.根據權利要求1所述的處理方法，其特征在于，所述處理劑的質量為處理劑溶液質量的1%?8%。
【文檔編號】D06M10/06GK103835117SQ201210481067
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2012年11月22日 優先權日:2012年11月22日
【發明者】余超, 李鵬程, 於婷, 付江江 申請人:浙江昱輝碳纖維材料有限公司