[發明專利]增加碳纖維強度的方法

無效

• 申請號: 201010211410.2
• 申請日: 2010-06-25
• 公開（公告）號: CN102296459A
• 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;D01F11/12;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

本發明涉及一種增加碳纖維強度的方法，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?！癗anotube?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?？上驳氖撬鼘μ祭w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

本發明提供了一種增加碳纖維強度的方法，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：

一種增加碳纖維強度的方法，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。該方法包括：

將碳納米管用分散液配制成噴涂液，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10～40g/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∶(0.5～10)。

上述碳納米管可以為單壁碳納米管和/或多壁碳納米管，長度一般為10～30μm；噴涂液中碳納米管的含量最好為15～30g/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∶(3～8)。

本發明的技術關鍵之一是選擇碳納米管這一理想的修復材料來實施對碳纖維表面結構缺陷的修復。一般認為當碳纖維受到外力作用時，纖維表面的裂紋最易成為纖維的斷裂點，在外力作用下，裂紋的尖端將產生應力集中，由于缺乏塑性變形，集中的應力不易緩和與釋放，只能以裂紋迅速傳播和擴展來形成新的表面，最終導致碳纖維斷裂。碳納米管的直徑為納米級，遠低于碳纖維表面裂紋尺寸，在靜電噴射電場作用下，碳納米管非常容易填充到裂紋中。因碳納米管具有比表面積大、表面能高、表面原子所占比例高等特點，碳納米管與碳納米管、碳納米管與碳纖維之間的分子間作用力(范德華力)極高，裂紋一側的載荷能夠快速通過填充于裂紋中的碳納米管傳遞至裂紋的另一側，進而能有效抑制裂紋處的應力集中。另外，碳納米管具有極大的長徑比以及非常優異的機械強度，填充到碳纖維表面結構缺陷中以及包覆于表面的碳納米管易相互纏結，形成物理交聯構成網絡結構，當碳纖維受到外力作用時，這種網狀結構有效地分擔了外力載荷，使載荷縱橫向均勻擴散，這進一步提高了碳纖維的整體載荷承受能力。