[發明專利]等離子體處理涂覆納米二氧化硅的碳纖維表面改性的方法

無效

• 申請號: 200810202621.2
• 申請日: 2008-11-12
• 公開（公告）號: CN101413210A
• 公開（公告）日: 2009-04-22
• 發明（設計）人: 張迎晨;鄒靜;吳紅艷;邱夷平
• 申請（專利權）人: 東華大學;中原工學院
• 主分類號: D06M10/06
• 分類號: D06M10/06;D06M11/79;D06M11/00;C08K9/00;D06M101/40
• 代理公司: 上海泰能知識產權代理事務所
• 代理人: 黃志達;謝文凱

技術領域

本發明屬碳纖維及其復合材料的制備領域，特別是涉及等離子體處理涂覆納米二氧化硅的碳纖維表面改性的方法。

背景技術

碳纖維的軸向強度和模量高，無蠕變，耐疲勞性好，比熱及導電性介于非金屬和金屬之間，熱膨脹系數小，耐藥品性好，纖維的密度低，X射線透過性好。缺點是耐沖擊性較差，容易損傷；在熱強酸作用下發生氧化，與金屬復合時，會發生金屬碳化、滲碳及電化學腐蝕現象。為此復合前須經表面處理，包括鍍鎳等。碳纖維有長絲、短纖維、短切纖維等，可加工成織物、氈、席、帶、紙及其他材料，如金屬涂層纖維。長絲和纖維織物一般加工成預浸料。此外，還可不經碳化和石墨化生產聚丙烯腈預氧化絲和活性炭纖維。碳纖維除用作絕熱保溫材料外，一般不單獨使用，常加入樹脂(見彩圖)、金屬、陶瓷和混凝土等，構成相應的復合材料，用于制作飛機結構材料、火箭外殼、宇宙機械、高爾夫球棒、球拍、機動船、電波屏蔽除電材料、電視機天線、離心分離機的高速轉子、工業機器人、汽車板簧及驅動軸、人工韌帶等身體代用材料等。

在正常的碳纖維加工過程中，表面處理進行氣相或液相氧化等，賦予纖維化學活性，以增大對樹脂的親和性。上漿處理防止纖維損傷，提高與樹脂母體的親和性。

為改善碳纖維與樹脂基體等的黏合性、提高復合材料的層間剪切力而須進行的表面處理。目的是增加碳纖維的極性基團如羧基、羰基和內酯等官能團，增加表面積，提高與樹脂母體的浸潤性和黏合力。表面處理法有五種：(1)液相氧化法，氧化劑為1N?Na2Cr2O7或6N?HNO3等；(2)等離子體處理法，使等離子體聚合物附著于碳纖維表面上或起刻蝕作用；(3)陽極電解或電沉積處理法，使帶羧基等的共聚體負離子在電場作用下均勻地沉積在碳纖維表面；(4)臭氧處理法；(5)氣相氧化法，采用O2+Cl2在約1000℃進行。

液相氧化方法(USP3J1I13094)，工藝較為復雜，處理時間長，不可能與碳纖維生產線相匹配，通常多用于實驗室研究機理或間歇式表面處理。

具有工業實用價值的主要是電解陽極氧化和氣相氧化方法。

電解陽極氧化法(特開昭56～53275)處理時間短，效果顯著，但經電解陽極氧化處理后的碳纖維，必須先經熱水水洗工序洗掉金屬離子，再經干燥工序，然后才能浸漬保護膠。

工藝比較繁雜。

氣相氧化法：美國專利(usP3723607)公開了臭氧氧化碳纖維表面處理方法，該法是以空氣或氧氣經旋風分離器、過濾器、干燥器等進行嚴格的干燥凈化除塵后，通過臭氧發生器的高壓放電環隙而產生臭氧，碳纖維在1200度高溫下的惰性氣體氣氛中先處理數十秒，然后在臭氧環境中處理。效果可以但工藝復雜。

碳纖維作為優良的復合材料增強劑，在高性能復合材料中得到廣泛應用。但其高溫抗氧化性較差，在400℃以上的空氣即發生強烈的失重和強度降低。此外，碳纖維與金屬基體的相容性差，主要表現在：易與基體發生有害的化學反應，與金屬基體的界面潤濕性不理想，熱膨脹系數不匹配。對碳纖維涂層可有效地解決這一問題。涂層方法很多，包括PVD、CVD、電鍍、化學鍍和sol-gel等技術。

低溫等離子體處理技術是目前進行碳纖維表面改性技術中研究最多的一種方法。但傳統低溫等離子體處理技術在連續化速度太慢，處理中需保持一定真空度，條件比較苛刻，在工業化生產方面不是很理想，急需一種新的碳纖維表面處理方法。目前現有的等離子體處理碳纖維表面改性技術專利沒有涉及利用納米材料制備溶膠技術，更沒有提到利用納米二氧化硅溶膠技術涂覆碳纖維，特別是經納米二氧化硅溶膠涂覆后的碳纖維再經等離子體技術進行表面改性的方法。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供等離子體處理涂覆納米二氧化硅的碳纖維表面改性的方法，該方法可以有效改善纖維的性能，使其復合材料的成型工藝性和整體綜合性能得到改善。

本發明的等離子體處理涂覆納米二氧化硅的碳纖維表面改性的方法，包括：

(1)納米二氧化硅利用超聲波震蕩技術配制成有機溶劑或水的0.01～15％溶膠液或有機-無機納米顆粒的先驅液與二氧化硅納米顆粒經雜化反應制得溶膠液；

(2)將上述溶膠液涂敷在碳纖維表面，可以使用噴涂，浸軋等方法，然后烘干；