[發明專利]碳纖維的增強方法

無效

• 申請號: 201010211408.5
• 申請日: 2010-06-25
• 公開（公告）號: CN102296458A
• 公開（公告）日: 2011-12-28
• 發明（設計）人: 程博聞;季春曉;康衛民;陸正鳴;黃翔宇;嚴國良;朱宗元;李全祥;劉禮華
• 申請（專利權）人: 中國石油化工股份有限公司
• 主分類號: D06M11/74
• 分類號: D06M11/74;D06M101/40
• 代理公司: 上海東方易知識產權事務所 31121
• 代理人: 沈原

技術領域

本發明涉及一種碳纖維的增強方法，特別涉及采用靜電噴涂法將碳納米管涂覆于碳纖維表面以彌補其表面結構缺陷進而增加碳纖維強度的方法。

背景技術

碳纖維幾乎可被認為是迄今為止比強度和比模量最高的非金屬材料，已被廣泛應用于交通運輸、體育運動器材、建筑乃至航空航天領域。然而，現有碳纖維產品的強度與彈性模量實際上與理論值存在很大差距，以拉伸強度為例，一般僅為理論值的3～5％。導致這種現象的根本原因是碳纖維普遍存在結構缺陷，特別如丙烯腈基的碳纖維因其原絲以溶液紡絲法制備，纖維在凝固成形的同時伴隨溶劑的逸出，最終制得的碳纖維結構缺陷尤為嚴重。碳纖維的結構缺陷包括內部缺陷(如空洞)和表面缺陷(如凹陷和裂紋)，而表面缺陷是造成強度下降的主要因素，其權重甚至可達90％。

現有技術中，人們較多地通過提高原絲質量、改進預氧化和碳化工藝等以期減少結構缺陷的形成，但就碳纖維產品強度實際值與理論值差距的改善比例而言收效甚微。“Nanotube?composite?carbon?fibers”[《Applied?Physics?Letters》1999，75(7)，P1329～1334]一文公開了一種采用共混紡絲法將單壁碳納米管混入原絲制備瀝青基碳纖維的方法，以提高碳纖維的力學性能和電性能，據稱含5wt.％單壁碳納米管的瀝青基復合碳纖維拉伸強度和彈性模量分別提高了90％和150％。然而該方法主要彌補了碳纖維內部結構缺陷，對表面結構缺陷的彌補作用有限。另外，碳納米管的表面能極大，要均勻地分散于紡絲原液中絕非易事，故難以實現大規模的工業化應用。另外也可見“后期修復”的嘗試，如中國專利申請03137023.3公開了一種高強度碳纖維的制造方法，它將CH₄和Ar以一定配比通入等離子發生器，遂將碳纖維通過等離子體高溫區，在碳纖維進行石墨化的同時，甲烷在高溫電弧等離子體的作用下裂解產生離子碳滲碳至碳纖維表面和內部，從而彌補其結構缺陷。非常可喜的是它對碳纖維表面結構缺陷修復的針對性較強，但顯然這種方法的“修復”效率不夠理想，工業化應用的成本會較高。

發明內容

本發明提供了一種碳纖維的增強方法，它采用了一種新的“后期修復”的方法來彌補碳纖維表面結構缺陷，進而增加碳纖維的強度。效果和效率均十分理想，適于工業化實施，較好地解決了現有技術存在的技術問題。

以下是本發明具體的技術方案：

一種碳纖維的增強方法，它采用靜電噴涂法將碳納米管涂覆于碳纖維表面以彌補其表面結構缺陷進而增加其強度。該方法包括：

將碳納米管用分散液配制成噴涂液，碳納米管為功能化碳納米管，取自羥基化碳納米管、羧基化碳納米管或氨基化碳納米管中的一種，功能化基團的含量為1～5wt.％，分散液為二甲基甲酰胺、丙酮或乙醇中的一種，噴涂液中碳納米管的含量為15～45g/L；

噴涂液施加10～40kV的正極靜電，碳纖維絲束平展且接地構成噴涂液接受體；

通過靜電噴射將噴涂液噴涂于碳纖維表面，噴射距離控制為5～30cm，以碳纖維與碳納米管的重量比計，碳纖維上碳納米管的噴涂量控制為1000∶(0.4～10)。

上述功能化碳納米管為功能化單壁碳納米管和/或功能化多壁碳納米管，長度一般為10～30μm，功能化基團的含量最好為2～3.5wt.％；噴涂液中碳納米管的含量最好為18～35g/L。

上述噴射距離最好控制為10～20cm；噴涂液最好施加20～30kV的正極靜電；以碳纖維與碳納米管的重量比計，碳纖維上碳納米管的噴涂量最好控制為1000∶(2～8)。