復合材料用紙張的表面處理方法
【專利摘要】復合材料用紙張的表面處理方法，本發明涉及紙張的表面處理方法。本發明是要解決現有的紙張增強的復合材料中紙強增加體易吸濕且與樹脂基體的相容性差的技術問題。本方法：將待處理的紙張進行等離子體處理后，再在表面涂覆硅烷偶聯劑溶液，干燥后即可。本方法處理后的紙張可作為樹脂基復合材料的增強體。
【專利說明】復合材料用紙張的表面處理方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及紙張的表面處理方法。
【背景技術】
[0002] 目前，復合材料的應用日漸廣泛，碳纖維、玻璃纖維、凱芙拉纖維等作為增強材料 制得的復合材料在比模量、彈性模量、比強度、抗拉強度等方面都變現出優異的性能，在航 天航空、汽車行業等領域得到了廣泛的應用，但玻璃纖維和碳纖維復合材料在給人類生活 帶來方便的同時，又給人類帶來了資源短缺、回收利用及環境影響等新的問題。植物纖維 增強樹脂復合材料是利用天然可再生植物纖維與樹脂基體復合而成的一種新型復合材料 如以天然植物纖維為增強體的環氧樹脂復合材料，為樹脂復合材料的應用開辟了新的途 徑。其中以天然植物纖維制備而成的紙張作為增強體的復合材料，因為植物纖維張價格便 宜，來源廣泛，可大大降低復合材料的成本，但是紙張增強的復合材料存在因紙張增強體易 吸濕，同時又因為紙張中的天然植物纖維具有較強的極性，而樹脂為非極性物質，極性不 同，而使紙張增強體與樹脂基體相容性差，使紙強增強的復合材料的界面膠合性能差，使紙 張在樹脂復合材料中的應用受到制約。
【發明內容】
[0003]本發明是要解決現有的紙張增強的復合材料中紙強增加體易吸濕且與樹脂基體 的相容性差的技術問題，而提供復合材料用紙張的表面處理方法。
[0004]本發明的復合材料用紙張的表面處理方法按以下步驟進行：
[0005]-、將待處理的紙張放置于改性室內，再將改性室抽真空；
[0006] 二、將用于產生等離子體的氣體通入改性室內；
[0007]三、啟動等離子體發生裝置，使產生的等離子體作用于紙張表面，進行等離子體處 理；
[0008] 四、以水和/或醇為溶劑，將硅烷偶聯劑配成質量百分濃度為0. 5%?1%濃度的 溶液，涂于經步驟三處理的紙張表面，干燥后，完成復合材料用紙張的表面處理。
[0009]本發明的方法是在高真空環境中，通過等離子體發生裝置形成高能量的等離子 體，對紙張的表面進行轟擊，以氧氣為例，說明在紙張的表面發生如下物理化學變化：
[0010] (1)紙張表面的部分高分子鏈斷開，形成化學反應活性高的自由基；
[0011] (2)以等離子體狀態存在的氧氣原子和離子等自由基，迅速與紙張表面的自由基 結合，形成新的化學鍵；
[0012] (3)紙張表面受到轟擊和刻蝕，微觀結構由光滑變粗糙，有利于脲醛樹脂、環氧樹 月旨、或不飽和聚酯樹脂的滲透。涂覆硅烷偶聯劑層，更提高了紙張與樹脂界面膠合性能。
[0013]本發明方法，紙張經等離子體進行表面處理后，紙張纖維表面形態發生了顯著變 化，以氧氣作為等離子體發生源時，引入了多種含氧基團，使表面易粘性和親水性增強，有 利于粘結、涂覆，使紙張與樹脂進行更好復合，得到性能較高的復合材料。
[0014] 本發明的方法還具有工藝簡單、操作方便、加工速度快、處理效果好、成本低、不易 引起環境污染、節能等優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015] 圖1為試驗1的等離子體處理過程示意圖。圖中1為改性氣源，2為減壓閥，3為 流量計，4為改性室，5為改性室蓋，6為開口容器，7為待處理的紙張，8為真空泵，9為等離 子體發生器；
[0016] 圖2是實施例1中試樣0'拉伸斷面的SEM圖；
[0017]圖3是實施例1中試樣1'拉伸斷面的SEM圖；
[0018] 圖4是實施例1中試樣2'拉伸斷面的SEM圖；
[0019] 圖5是實施例1中試樣3'拉伸斷面的SEM圖；
[0020] 圖6是實施例1中試樣4'拉伸斷面的SEM圖；
[0021] 圖7是實施例1中試樣5'拉伸斷面的SEM圖。
【具體實施方式】
【具體實施方式】 [0022] 一：本實施方式的復合材料用紙張的表面處理方法按以下步驟進 行：
[0023] -、將待處理的紙張放置于改性室內，再將改性室抽真空；
[0024] 二、將用于產生等離子體的氣體通入改性室內；
[0025] 三、啟動等離子體發生裝置，使產生的等離子體作用于紙張表面，進行等離子體處 理；
[0026] 四、以水和/或醇為溶劑，將硅烷偶聯劑配成質量百分濃度為0. 5%?1%的溶液， 涂于經步驟三處理的紙張表面，干燥后，完成復合材料用紙張的表面處理。
【具體實施方式】 [0027] 二：本實施方式與一不同的是步驟一中改性室抽真空 后的真空度為5?30Pa。其它與一相同。
[0028] 本實施方式中改性室的真空度值越小，越易于形成等離子體，處理強度越高。
【具體實施方式】 [0029] 三：本實施方式與一不同的是步驟一中改性室抽真空 后的真空度為6?20Pa。其它與一相同。
【具體實施方式】 [0030] 四：本實施方式與一至三之一不同的是步驟二中用于 產生等離子體的氣體是氨氣、氧氣、惰性氣體或空氣。其它與一至三之一相 同。
[0031] 本實施方式中產生的等離子體為冷等離子體。所述的惰性氣體為氮氣或氦氣。
【具體實施方式】 [0032] 五：本實施方式與一至四之一不同的是步驟三中等離 子體發生裝置是射頻等離子體發生器或微波等離子體發生器。其它與一至四 之一相同。
[0033] 本實施方式中等離子體發生器給用于產生等離子氣體的氧氣、氮氣等發生源提供 環境，使其變成等離子體。
[0034]
【具體實施方式】六：本實施方式與【具體實施方式】一至五之一不同的是步驟三中離子 體發生裝置的處理功率為50?500W。其它與【具體實施方式】一至五之一相同。
[0035] 本實施方式中等離子體發生器的功率越大，處理強度越高。
【具體實施方式】 [0036] 七：本實施方式與一至五之一不同的是步驟三中離子 體發生裝置的處理功率為100?300W。其它與一至五之一相同。
【具體實施方式】 [0037] 八：本實施方式與一至七之一不同的是步驟三中等離 子體作用于紙張表面的處理時間為〇. 5?25min。其它與一至七之一相同。
【具體實施方式】 [0038] 九：本實施方式與一至七之一不同的是步驟三中等離 子體作用于紙張表面的處理時間為20min。其它與一至七之一相同。
【具體實施方式】 [0039] 十：本實施方式與一至九之一不同的是步驟四中硅烷 偶聯劑的質量百分濃度為〇. 8%。其它與一至九之一相同。
【具體實施方式】 [0040] i^一 ：本實施方式與一至十之一不同的是所述的紙包 括凸版紙、新聞紙、膠版紙、銅版紙、畫報紙、書面紙、壓紋紙、字典紙、書寫紙、白板紙或牛皮 紙。其它與一至十之一相同。
[0041] 以下通過實施例驗證本發明的有益效果：
[0042] 實施例1:(參考附圖1)本實施例的復合材料用紙張的表面處理方法按以下步驟 進行：
[0043] -、將待處理的報紙7放置于改性室內的開口有機玻璃容器6,再將改性室4抽真 空至真空室內的絕對壓力為15Pa;
[0044] 二、將氧氣以40ml/min的流量通入改性室4內；
[0045] 三、啟動等離子體發生器9,等離子體發生器的功率為100W，使產生的等離子體 作用于紙張表面，分別進行等離子體處理5min(試樣1)、10min(試樣2)、20min(試樣3)、 30min(試樣 4)、40min(試樣 5);
[0046] 四、以乙醇為溶劑，將硅烷偶聯劑配成質量百分濃度為0.5%的溶液，涂于經步驟 三處理的報紙表面，干燥后，完成復合材料用報紙的表面處理。
[0047] 在真空泵的抽吸作用下，改性室內形成高真空環境（真空度：15Pa);改性源為氧 氣，經過減壓閥減壓后，通過流量計控制以40ml/min的流量（由于真空度要求，流量較小， 以免真空泵負荷太大）。試驗表明，只要有氧氣進入即可，流量越小越容易達到既定真空度， 同時還節省處理介質。真空度是關鍵參數，流量大小最終也要符合真空度的要求。）進入改 性室內，改性室內放置等離子體發生器和開口有機玻璃容器，有機玻璃容器內盛待處理報 紙。蓋上改性室蓋，在15Pa的高真空環境下，調節等離子體發生器的功率為100W，氧氣分子 被離解成包含高反應活性自由基的冷等離子體，報紙接受高活性等離子體處理。
[0048] 本試驗報紙經氧氣等離子體處理和涂覆處理后，報紙表面原來對水親合性較低 的-C-C-鍵發生斷裂，并與氧氣等離子體進行化學接枝，形成極性基團（包括：-c= 0撥 基、-C00H梭基），表面C-C/C-H鍵含量降低35%，含氧基團（C-0/C= 0/-C00H等）提高 26%，另外出現Si，K，Na等元素，表明報紙表面得到有效刻蝕和化學鍵重組。
[0049] 經過報紙表面對環氧樹脂的潤濕性測試，未處理紙張表面與環氧樹脂的浸潤角為 10°?15°，而經過等離子體處理后，環氧樹脂完全浸漬紙張，完全浸潤時間為5s?10s， 所形成的極性基團在常溫大氣中保持活性的時間約為10天。由于潤濕角改變、極性基團形 成及表面刻蝕作用，經過處理的報紙與樹脂膠粘劑的界面膠合性能提高。
[0050] 試樣1、2、3、4和5的等離子體處理的時間依次加長，處理后完全浸潤時間隨處理 時間的增加而降低。
[0051] 將試樣1、2、3、4、5及未處理的報紙進行拉伸測試，結果如表1所示，
[0052] 表1報紙試樣的拉伸強度
【權利要求】
1. 復合材料用紙張的表面處理方法，其特征在于該方法按以下步驟進行： 一、 將待處理的紙張放置于改性室內，再將改性室抽真空； 二、 將用于產生等離子體的氣體通入改性室內； 三、 啟動等離子體發生裝置，使產生的等離子體作用于紙張表面，進行等離子體處理； 四、 以水和/或醇為溶劑，將硅烷偶聯劑配成質量百分濃度為0. 5 %?1 %的溶液，涂于 經步驟三處理的紙張表面，干燥后，完成復合材料用紙張的表面處理。
2. 根據權利要求1所述的復合材料用紙張的表面處理方法，其特征在于步驟一中改性 室抽真空后的氣壓為5?30Pa。
3. 根據權利要求1所述的復合材料用紙張的表面處理方法，其特征在于步驟一中改性 室抽真空后的氣壓為6?20Pa。
4. 根據權利要求1或2所述的復合材料用紙張的表面處理方法，其特征在于步驟二中 用于產生等離子體的氣體是氨氣、氧氣、惰性氣體或空氣。
5. 根據權利要求1或2所述的復合材料用紙張的表面處理方法，其特征在于步驟三中 等離子體發生裝置是射頻等離子體發生器或微波等離子體發生器。
6. 根據權利要求5所述的復合材料用紙張的表面處理方法，其特征在于射頻等離子體 發生器或微波等離子體發生器的處理功率為50?500W。
7. 根據權利要求5所述的復合材料用紙張的表面處理方法，其特征在于射頻等離子體 發生器或微波等離子體發生器的處理功率為100?300W。
8. 根據權利要求1或2所述的復合材料用紙張的表面處理方法，其特征在于步驟三中 等離子體作用于紙張表面的處理時間為0. 5?25min。
9. 根據權利要求1或2所述的復合材料用紙張的表面處理方法，其特征在于步驟三中 等離子體作用于紙張表面的處理時間為20min。
10. 根據權利要求1或2所述的復合材料用紙張的表面處理方法，其特征在于所述的紙 包括凸版紙、新聞紙、膠版紙、銅版紙、畫報紙、書面紙、壓紋紙、字典紙、書寫紙、白板紙或牛 皮紙。
【文檔編號】D21H25/00GK104441321SQ201410498702
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年9月25日 優先權日:2014年9月25日
【發明者】姜再興, 張東杰, 程浩, 王明強, 毛嬌, 白永平, 劉宇艷, 劉麗, 黃玉東 申請人:哈爾濱工業大學