CN103590233A - 一种深冷处理对碳纤维进行界面改性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种深冷处理对碳纤维进行界面改性的方法，其特征在于，具体步骤包括：将碳纤维样品放置于具有深冷介质的深冷处理设备中，将容器密闭；设置深冷处理工艺参数：降温速度为1℃／min-5℃／min，处理温度为恒温零下100℃至零下200℃，处理时间为3小时-15小时；回温，得到改性碳纤维。本发明能够在不损失碳纤维力学性能的前提下，增大其表面的粗糙度达到提高碳纤维与树脂的界面粘合性能的目的。界面粘合性能的提高可使复合材料内部的应力能够均匀传递，满足高性能碳纤维增强树脂复合材料的更高需求。

Description

一种深冷处理对碳纤维进行界面改性的方法

技术领域

本发明涉及一种对碳纤维进行深冷处理以提高其综合性能的改性方法，属于高性能纤维改性领域。

背景技术

碳纤维是伴随着军工事业的发展而成长起来的新型材料，属于高新技术产品。不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。它因具有高比强度、高比模量、低密度、线膨胀系数小、抗蠕变、抗疲劳等优异的力学性能和动态性能；良好的耐化学腐蚀性，耐高温、耐低温、导电、传热和热膨胀系数小等突出的热性能以及优良的介电性能而受到广泛关注。作为纤维增强复合材料，在密度和强度方面具有更显著的优点。与传统金属材料相比，碳纤维复合材料质量轻，强度高，韧度高，具有明显的优势。与同为新型材料的硅基纤维复合材料相比，碳基纤维的拉伸强度约为其3-7倍。因此凭借其优良的性能，已经在航空航天、汽车、结构加固工程、新能源开发、休闲用品等各个领域得到广泛的应用。但是，碳纤维的耐冲击性较差，容易损伤，表面光滑、惰性大、表面能低、有化学活性的官能团少，在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象等缺点，界面中有较多的缺陷，从而直接影响了复合材料的力学性能，限制了碳纤维高性能的发挥。

目前，碳纤维改性一般采用化学方法和物理方法。化学改性是通过氧化处理、化学接枝等方法，通过给碳纤维表面添加特定的官能团来改变其性能；而物理技术一般是依靠等离子体、射线-激光处理、涂覆处理等在纤维表面通过刻蚀、活化和接枝的综合作用，改善纤维表面的物理和化学状态，增加纤维表面的自由能，进而达到提高纤维与基体之间的粘结强度的目的。

深冷处理又称超低温处理或超亚冷处理，它是常规冷处理的延伸。深冷处理工艺一般被认为是以液氮作为深冷介质，将被处理样品装在一定的容器内，不同的材料按其特定的降温曲线，控制降温速率，缓慢地将样品降到液氮温度，保温一定时间，再按升温曲线，缓慢升到室温的处理过程。这种工艺不仅主要用于黑色金属材料及其合金，有色金属材料及其合金等，能使金属工具在抗磨料磨损、抗腐蚀磨损、减少内应力以及提高材料的稳定性等方面都显示出一定程度的改善。迄今为止，将深冷处理工艺应用于碳纤维性能的改性处理中，还未见报道。发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种操作简单，增大碳纤维表面粗糙度，进而改善其与树脂基体界面间的黏接性能，提高碳纤维综合性能的深冷处理工艺。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种深冷处理对碳纤维进行界面改性的方法，其特征在于，具体步骤包括：将碳纤维样品放置于具有深冷介质的深冷处理设备中，将容器密闭；设置深冷处理工艺参数：降温速度为1℃／min-5℃／min，处理温度为恒温零下100℃至零下200℃，处理时间为3小时-15小时；回温，得到改性碳纤维。

优选地，所述的碳纤维为有机纤维基碳纤维。

更优选地，所述的碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维，沥青基碳纤维，纤维素基碳纤维或酚醛树脂基碳纤维。

优选地，所述的深冷介质为液氮。

优选地，所述的回温过程选择程序升温进行回温或将碳纤维从深冷处理设备中取出自然回温。

本发明所述的深冷处理，等同于超低温处理或超亚冷处理，指的是将被处理对象置于特定的、可控的低温环境中，使其材料的微观组织结构产生变化，从而达到提高或改善材料性能的一种技术。

本发明的深冷技术应用通常以液氮作为冷源，利用其相变(气化)吸热来获得低温环境。氮气是大气中的最主要成份之一，无毒无味，因而深冷技术的应用对环境无害，属于绿色制造技术范畴。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明将碳纤维置于深冷介质中经过一系列的改性处理，提高其与树脂的粘合能力。本发明能够在不损失碳纤维力学性能的前提下，增大其表面的粗糙度达到提高碳纤维与树脂的界面粘合性能的目的。界面粘合性能的提高可使复合材料内部的应力能够均匀传递，满足高性能碳纤维增强树脂复合材料的更高需求。本发明不仅能改善碳纤维树脂的界面结合性能，还包括表面摩擦性能、表面粗糙度、拉伸性能、耐磨损性能等综合性能。

2、本发明中经深冷处理的碳纤维具有更为优异的综合力学性能，可满足不同领域内的应用需求，同时提高碳纤维材料的使用寿命。

3、本发明中经深冷处理的碳纤维耐摩擦性能及拉伸性能有明显的提高，充分挖掘了碳纤维材料的潜力。

4、本发明中碳纤维经深冷处理后表面粗糙化，表明能增加的同时与树脂基体的接触面积也增大，有利于碳纤维与树脂形成良好的粘合界面，提高芳纶增强复合材料的综合性能。

5、本发明的深冷处理工艺过程及深冷处理设备结构简单，与其他改性处理工艺相比，更节约能源及生产成本，具有良好的发展前景。

6、本发明所述深冷处理技术以液氮作为冷源，利用其相变(气化)吸热来获得低温环境、无毒无味、环境友好，属于绿色制造技术范畴。

7、本发明由于采用深冷处理，既能在提高碳纤维的耐磨损性能和拉伸性能的前提下，同时明显地改善碳纤维与树脂基体的粘结性能，可显著提高碳纤维增强树脂复合材料的整体力学性能，且工艺方法简单、操作方便，降低改性工艺的生产成本，具有显著的经济效益和社会效益，拥有良好的工业应用前景。

附图说明

图1a为深冷处理碳纤维(T300)前的表面粗糙程度图；

图1b为深冷处理碳纤维(T300)后的表面粗糙程度图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，作详细说明如下。

实施例1：深冷处理方法改性聚丙烯腈基碳纤维(T300)

将清洁的聚丙烯腈基碳纤维(T300)放置在深冷处理设备(SLX-100R)中。将深冷处理设备的容器盖紧密闭，以免低温液氮泄露，影响温度控制的准确性及处理效果，按表1中的深冷处理参数表设定深冷处理和回温参数，进行深冷处理后程序升温进行回温。

表1深冷处理参数表

处理完毕后，容器环境温度达到室温，将聚丙烯腈基碳纤维(T300)用专用设备取出，即完成改性处理过程。经过深冷处理后，聚丙烯腈基碳纤维(T300)表面粗糙度明显增加(如图1a和1b所示)。经测试，聚丙烯腈基碳纤维(T300)与热固性环氧树脂的界面粘合强度提高25％以上，且拉伸性能提高5％左右。

实施例2：深冷处理方法改性聚丙烯腈基碳纤维(T700)

将清洁的聚丙烯腈基碳纤维(T700)放置在深冷处理设备(SLX-100R)中。将深冷处理设备的容器盖紧密闭，以免低温液氮泄露，影响温度控制的准确性及处理效果，按表2中的深冷处理参数表设定深冷处理和回温参数，进行深冷处理后程序升温进行回温。

表2深冷处理参数表

处理完毕后，容器环境温度达到室温，将聚丙烯腈基碳纤维(T700)用专用设备取出，即完成改性处理过程。经过深冷处理后，聚丙烯腈基碳纤维(T700)与热固性环氧树脂的界面粘合强度提高25％以上，且拉伸性能提高5％左右。

实施例3深冷处理方法改性沥青基碳纤维

将清洁的沥青基碳纤维放置在深冷处理设备(SLX-100R)中。将深冷处理设备的容器盖紧密闭，以免低温液氮泄露，影响温度控制的准确性及处理效果，按表3中的深冷处理参数表设定深冷处理，进行深冷处理后将碳纤维从深冷处理设备中取出自然回温。

表3深冷处理参数表

处理完毕后，容器环境温度达到室温，将聚丙烯腈基碳纤维用专用设备取出，即完成改性处理过程。经过深冷处理后，沥青基碳纤维与热固性环氧树脂的界面粘合强度提高20％以上，且拉伸性能提高5％左右。

Claims (5)

1.一种深冷处理对碳纤维进行界面改性的方法，其特征在于，具体步骤包括：将碳纤维样品放置于具有深冷介质的深冷处理设备中，将容器密闭；设置深冷处理工艺参数：降温速度为1℃／min-5℃／min，处理温度为恒温零下100℃至零下200℃，处理时间为3小时-15小时；回温，得到改性碳纤维。

2.如权利要求1所述的深冷处理对碳纤维进行界面改性的方法，其特征在于，所述的碳纤维为有机纤维基碳纤维。

3.如权利要求2所述的深冷处理对碳纤维进行界面改性的方法，其特征在于，所述的碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维，沥青基碳纤维，纤维素基碳纤维或酚醛树脂基碳纤维。

4.如权利要求1所述的深冷处理对碳纤维进行界面改性的方法，其特征在于，所述的深冷介质为液氮。

5.如权利要求1所述的深冷处理对碳纤维进行界面改性的方法，其特征在于，所述的回温过程选择程序升温进行回温或将碳纤维从深冷处理设备中取出自然回温。

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