[發明專利]碳纖維表面二氧化鈦涂層的制備方法

無效

• 申請號: 200810035822.8
• 申請日: 2008-04-10
• 公開（公告）號: CN101250811A
• 公開（公告）日: 2008-08-27
• 發明（設計）人: 夏存娟;王浩偉
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: D06M11/46
• 分類號: D06M11/46;D06M101/40
• 代理公司: 上海交達專利事務所
• 代理人: 王錫麟;王桂忠

技術領域

本發明涉及一種復合材料技術領域的的制備方法，具體是一種碳纖維表面二氧化鈦涂層的制備方法。

背景技術

碳纖維是一種常用的復合材料增強纖維，它具有低密度、高強度、高模量、低熱膨脹、耐輻射、易編制加工以及較好的熱、電性能等優良特性，在金屬基、聚合物基復合材料中獲得廣泛的應用。但碳纖維抗氧化性能較差，在400℃以上的空氣中即出現明顯的失重和強度降低，且碳纖維與某些基體的浸潤性不好，難以形成致密、性能優良的復合材料。因此阻礙了碳纖維在航空航天等需要輕質、高強、高模材料領域的應用。在碳纖維表面形成致密的保護性涂層可有效地解決上述問題。現有技術中涂層制備有化學氣相沉積法、物理氣相沉積法、電化學方法和溶膠-凝膠浸滲燒結法。其中溶膠-凝膠浸滲燒結法制備涂層簡單易行，所制備涂層化學純度高，可應用于大規模生產，有著獨特的優越性。

經對現有技術的文獻檢索發現，董興廣等在《纖維復合材料》(2005年03期28-31頁)上發表的《射頻法涂層碳纖維的高溫氧化性》，該文中提出采用射頻法制備碳纖維表面抗氧化涂層，具體方法為：在700-800℃下通過射頻加熱碳纖維進行化學氣相沉積，該方法易對碳纖維表面造成損傷，且制備過程的控制工藝要求高，設備復雜，不宜進行大規模生產。

發明內容

本發明針對現有技術中存在的以上不足，提供了一種碳纖維表面二氧化鈦涂層的制備方法。本發明采用的碳纖維直徑為5-10μm，獲得的涂層厚度小于1μm，且厚度可控，涂層平整、不易脫落，制備工藝簡單。碳纖維表面涂層后，仍具體良好的可編織性，滿足制備碳纖維增強復合材料的應用要求。

本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括以下步驟：

第一步，采用醇類作溶劑，鈦酸丁酯在酸性條件下發生水解反應，形成二氧化鈦先驅體溶液；

第二步，使用得到的二氧化鈦先驅體溶液浸滲經預處理的碳纖維，分離碳纖維和二氧化鈦先驅體，并去除碳纖維表面過量的二氧化鈦先驅體；

第三步，然后升溫使溶劑揮發，后經燒結，發生縮聚反應，使碳纖維單絲表面形成二氧化鈦涂層。

所述的醇類，是指甲醇、乙醇、正丁醇中的一種。

所述的鈦酸丁酯，其用量小于二氧化鈦先驅體溶液總質量的20％。

所述的酸性條件是通過添加醋酸使二氧化鈦先驅體溶液pH值為1-3。

所述的浸滲，其時間為5-30分鐘，浸滲過程中可采用超聲震蕩方法促進浸滲，減少碳纖維間的涂層短接現象。

所述的預處理的碳纖維，其預處理包括有機溶劑除膠和表面氧化刻蝕。通過預處理，改變碳纖維表面的官能團，提高碳纖維的表面活性，使涂層與碳纖維結合緊密。

所述的分離碳纖維和二氧化鈦先驅體，分離速度為0.5-20mm/s。通過改變分離速度，可以一定程度控制膜層厚度。

所述的去除碳纖維表面過量的二氧化鈦先驅體，其方法為濾紙吸干、甩干、機械擠壓中的一種。通過去除過量纖維表面過量二氧化鈦先驅體，使所制得的纖維表面膜層完整、不易開裂。

所述的升溫，是指升溫至100℃-150℃，升溫過程在氬氣保護下進行。

所述的燒結，其溫度為450℃-500℃。

本發明中，經過二氧化鈦先驅體溶液浸滲的碳纖維在溶劑揮發后，可在碳纖維冷卻至室溫后再次使用二氧化鈦先驅體溶液浸滲，然后再緩慢升溫使溶劑揮發，該過程可最多重復3次，一定程度控制膜層厚度。

本發明采用的碳纖維直徑為6μm-8μm，制備獲得的二氧化鈦涂層厚度小于1μm，涂層平整、不易脫落。

本發明獲得的具有二氧化鈦涂層的碳纖維，其熱氧化溫度比無涂層的碳纖維提高了100℃以上，保持了無涂層碳纖維所具有的柔順性和可編織性，同時解決碳纖維與某些復合材料基體間的界面浸潤性和相容性問題。本發明的在碳纖維表面涂覆二氧化鈦的方法，簡便易行，可進行大規模的工業生產。采用該方法生產的具有二氧化鈦涂層的碳纖維，其涂層厚度小于1μm，涂層平整光滑。使用該碳纖維或其編織物可與不同基體復合獲得復合材料。

具體實施方式

下面對本發明的實施例作詳細說明：本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。

實例1：取鈦酸四頂酯10g，水2g，甲醇60g，加入醋酸使溶液pH＝3，攪拌2小時后，獲得二氧化鈦先驅體溶液。

碳纖維為吉林碳素廠生產，直徑6-8μm，每束碳纖維有1000根單絲。