[发明专利]表面为二氧化钛涂层的制备方法

说明书

技术领域

 本发明涉及一种复合材料技术领域的的制备方法，具体是一种表面为二氧化钛涂层的制备方法。

背景技术

碳纤维是一种常用的复合材料增强纤维，它具有低密度、高强度、高模量、低热膨胀、耐辐射、易编制加工以及较好的热、电性能等优良特性，在金属基、聚合物基复合材料中获得广泛的应用。但碳纤维抗氧化性能较差，在 400 ℃ 以上的空气中即出现明显的失重和强度降低，且碳纤维与某些基体的浸润性不好，难以形成致密、性能优良的复合材料。因此阻碍了碳纤维在航空航天等需要轻质、高强、高模材料领域的应用。在碳纤维表面形成致密的保护性涂层可有效地解决上述问题。现有技术中涂层制备有化学气相沉积法、物理气相沉积法、电化学方法和溶胶一凝胶浸渗烧结法。其中溶胶一凝胶浸渗烧结法制备涂层简单易行，所制备涂层化学纯度高，可应用于大规模生产，有着独特的优越性。

经对现有技术的文献检索发现，董兴广等在 《 纤维复合材料 》 （ 2005 年 03 期 28 - 31 页）上发表的 《 射频法涂层碳纤维的高温氧化性 》 ，该文中提出采用射频法制备碳纤维表面抗氧化涂层，具体方法为：在 700 - 800 ℃ 下通过射频加热碳纤维进行化学气相沉积，该方法易对碳纤维表面造成损伤，且制备过程的控制工艺要求高，设备复杂，不宜进行大规模生产。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的以上不足，提供了一种表面为二氧化钛涂层的制备方法。本发明采用的碳纤维直径为 5 - 10 μm ，获得的涂层厚度小于 1 μm , 且厚度可控，涂层平整、不易脱落，制备工艺简单。碳纤维表面涂层后，仍具体良好的可编织性，满足制备碳纤维增强复合材料的应用要求。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

第一步，采用醇类作溶剂，钛酸丁酷在酸性条件下发生水解反应，形成二氧化钛先驱体溶液；第二步，使用得到的二氧化钛先驱体溶液浸渗经预处理的碳纤维，分离碳纤维和二氧化钛先驱体，并去除碳纤维表面过量的二氧化钛先驱体；

第三步，然后升温使溶剂挥发，后经烧结，发生缩聚反应，使碳纤维单丝表面形成二氧化钛涂层。所述的醇类，是指甲醇、乙醇、正丁醇中的一种。所述的钛酸丁醋，其用量小于二氧化钛先驱体溶液总质量的 20 ％。所述的酸性条件是通过添加醋酸使二氧化钛先驱体溶液 pH 值为 1 -3 。所述的浸渗，其时间为 5 - 30 分钟，浸渗过程中可采用超声震荡方法促进浸渗，减少碳纤维间的涂层短接现象。所述的预处理的碳纤维，其预处理包括有机溶剂除胶和表面氧化刻蚀。通过预处理，改变碳纤维表面的官能团，提高碳纤维的表面活性，使涂层与碳纤维结合紧密。所述的分离碳纤维和二氧化钛先驱体，分离速度为 0 . 5 -20mm/ S 。通过改变分离速度，可以一定程度控制膜层厚度。所述的去除碳纤维表面过量的二氧化钛先驱体，其方法为滤纸吸干、甩干、机械挤压中的一种。通过去除过量纤维表面过量二氧化钛先驱体，使所制得的纤维表面膜层完整、不易开裂。所述的升温，是指升温至 100 ℃ -150 ℃ ，升温过程在氢气保护下进行。所述的烧结，其温度为 450 ℃ - 500 ℃ 。本发明中，经过二氧化钛先驱体溶液浸渗的碳纤维在溶剂挥发后，可在碳纤维冷却至室温后再次使用二氧化钛先驱体溶液浸渗，然后再缓慢升温使溶剂挥发，该过程可最多重复 3 次，一定程度控制膜层厚度。本发明采用的碳纤维直径为 6 μm -8 μm ，制备获得的二氧化钛涂层厚度小于 1 μm ，涂层平整、不易脱落。本发明获得的具有二氧化钛涂层的碳纤维，其热氧化温度比无涂层的碳纤维提高了 100 ℃ 以上，保持了无涂层碳纤维所具有的柔顺性和可编织性，同时解决碳纤维与某些复合材料基体间的界面浸润性和相容性问题。本发明的在碳纤维表面涂覆二氧化钛的方法，简便易行，可进行大规模的工业生产。采用该方法生产的具有二氧化钛涂层的碳纤维，其涂层厚度小于 1 μm ，涂层平整光滑。使用该碳纤维或其编织物可与不同基体复合获得复合材料。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实例 1 ：取钛酸四顶酯 10g，水 2g ，甲醇 60g，加入醋酸使溶液 pH = 3 ，搅拌 2 小时后，获得二氧化钛先驱体溶液。

碳纤维为吉林碳素厂生产，直径 6 - 8 μm ，每束碳纤维有 1000 根单丝。