[發明專利]一種用于碳纖維表面改性的處理方法

有效

• 申請號: 201711402839.8
• 申請日: 2017-12-22
• 公開（公告）號: CN108193482B
• 公開（公告）日: 2020-06-16
• 發明（設計）人: 田艷紅;張學軍;楊延風
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: D06M11/58
• 分類號: D06M11/58;D06M11/56;D06M13/432;C25D11/02;D06M101/40
• 代理公司: 北京五月天專利商標代理有限公司 11294
• 代理人: 王振華

本發明涉及一種用于碳纖維表面改性的處理方法，碳纖維在進行電化學處理時采用復配電解液，所述的復配電解液由溶劑和化合物組成，其中溶劑為有機試劑和無機試劑復配的混合溶劑，所述的有機試劑和無機試劑選自水、乙二醇、甘油、草酸、乙腈，所述的化合物選自含氮化合物。該處理方法不僅可提高碳纖維表面氧含量，同時增加了碳纖維表面氮含量，使碳纖維與樹脂基體的粘接性能更優異。

技術領域

本發明屬于電化學和纖維材料領域，具體涉及一種用于碳纖維表面改性的處理方法。

背景技術

碳纖維是20世紀50年代后發展起來的一種增強材料，它具有高比強度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、導電和熱膨脹系數小等一系列優異性能，因此被廣泛用于航空航天、體育器材等領域。碳纖維主要作為復合材料的增強體使用，其表面活性直接影響著復合材料界面粘接性能。碳纖維經過高溫碳化或石墨化熱處理后，表面光滑，活性點少，化學反應性差，需要通過表面改性處理工藝在纖維表面引入活性官能團，提高其與樹脂基體的粘接強度。碳纖維工業上廣泛使用的表面處理方法是電化學陽極氧化法，其氧化反應緩和，易于控制，處理效果顯著。目前電化學陽極氧化處理采用的電解液以無機銨鹽水溶液為主，其在碳纖維表面主要引入的是氧，其他元素如氮含量很低，通常在2%左右（XPS測試結果）。隨著碳纖維應用鄰域的不斷擴展，樹脂基體種類也越來越多，對碳纖維表面化學反應活性也提出了更高的需求，在碳纖維表面引入更多的氮，利于其表面活性的提高，可適用于更多的應用環境。

發明內容

為了解決現有技術中存在的問題，本發明提供一種用于碳纖維表面改性的處理方法，選用有機、無機復配的電解液，提高碳纖維表面引入含氧及氮活性官能團的能力，改進處理效果，在提高表面氧含量的同時，增加氮的含量。

為達到本發明的目的，本發明采用如下技術方案：一種用于碳纖維表面改性的處理方法，碳纖維在進行電化學處理時采用復配電解液，所述的復配電解液由溶劑和化合物組成，其中溶劑為有機試劑和無機試劑復配的混合溶劑，所述的有機試劑和無機試劑選自水、乙二醇、甘油、草酸、乙腈，所述的化合物選自含氮化合物。

在本發明的優選的實施方式中，所述的含氮化合物優選為尿素、硫酸氫銨、碳酸銨、乙酸銨、磷酸銨、磷酸氫二銨、磷酸二氫銨中的一種或幾種，其質量濃度為1%-10%。

在本發明的優選的實施方式中，所述的復配電解液的溶劑中，水的質量含量為2-20%。在該范圍內能最好的平衡碳纖維表面的氧和氮的含量。水的含量太少，不利于碳纖維表面氧含量的提高，水的含量太多，不利于碳纖維表面氮含量的提高。

在本發明的優選的實施方式中，所述的碳纖維為以瀝青、聚丙烯腈為原料，最終熱處理溫度在1200-3000℃范圍內得到的碳纖維。

在本發明的優選的實施方式中，電解液配置方法如下：

（1）將有機試劑和無機試劑混合成復配的混合溶劑；

（2）將氮化合物溶解在上述復配溶劑中；

（3）添加適量的碳酸鈉、碳酸鉀或氯化鈉以改善電解液的導電性。

在本發明的優選的實施方式中，所述的電化學處理采用循環伏安技術，使用的掃描速度為5mv/s---500mv/s，更優選為20 mv/s---300 mv/s，掃描電位范圍在-1.4~1.7V，操作溫度在室溫至70℃。通過掃描速度、掃描電位范圍、循環次數及溫度等以獲得最優的碳纖維表面的氧和氮含量。

在本發明的優選的實施方式中，所述的電化學處理采用恒電流電解氧化技術，使用的電流密度為0.5---5mA/cm²，時間0.5-5min，操作溫度在室溫至70℃。通過碳纖維表面的電流密度、電解時間、溫度等以獲得最優的碳纖維表面的氧和氮含量。