[发明专利]聚丙烯腈基碳纤维表面改性方法

说明书

技术领域

本发明涉及聚丙烯腈基碳纤维的制备方法，具体地说，涉及一种聚丙烯腈基碳纤维表面改性方法。

背景技术

碳纤维是含碳量在90％以上的无机高分子纤维，利用各种有机纤维在惰性气体中、高温状态下碳化而制得，它具有碳石墨材料固有的本征特性又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。碳纤维不但具有高比强度和比模量、高导电性、低热膨胀系数、耐高温、抗腐蚀、抗蠕变等一系列优异性能，广泛应用于航空航天、国防军事等尖端领域以及交通运输、土木建筑、高级体育用品、医疗用品等众多领域。

聚丙烯腈碳纤维是生产碳纤维的主要方法，聚丙烯腈碳纤维的制造包括聚合、纺丝、预氧化、碳化、表面处理及上浆等多道工序，因而碳纤维的生产是多学科、多技术的集成。

表面处理工序是碳纤维的生产中重要的一个环节。由于碳纤维表面呈惰性、比表面积小、表面能低，与树脂之间的浸润性及界面粘结性能差，从而影响到整个复合材料的性能。为了改善碳纤维和树脂基体的粘合性，提高复合材料的层间剪切力，必须对其表面进行处理。目的是增加碳纤维表面的极性基团如羧基、羰基等官能团，增加表面积，提高与树脂基体的浸润性。近年来，采用了多种方法对碳纤维进行表面改性，包括：气相氧化、液相氧化、电化学阳极氧化法、偶联剂处理、化学接枝、低温等离子体等方法。

中国专利CN1032042A公开了一种碳纤维表面改性的气相氧化法，即用浓度为0.5～15mg/L的臭氧连续导入碳纤维表面处理炉对碳纤维进行表面处理，经处理后碳纤维复合材料的层间剪切强度有所提高，但此法对纤维拉伸强度的损伤较大，另外随着纤维的不同，处理温度的不同，气相氧化处理结果也不尽相同。

美国专利USP3723607公开了臭氧氧化碳纤维表面的处理方法，该法是以空气或氧气经旋风分离器、过滤器、干燥器等进行严格的干燥净化除尘后，通过臭氧发生器的高压放电环境而产生臭氧，使得碳纤维在臭氧环境中处理。效果可以但工艺复杂。

美国专利USP3J13094公开了一种碳纤维表面改性的液相氧化法，但其描述的工艺较为复杂，处理时间长，不可能与碳纤维生产线相匹配，通常多用于实验室研究。

刘鸿鹏等人在文章《新型炭材料》2005，20(1)，39～43中报道，以NH4HCO3为电解质对碳纤维进行连续表面处理，结果发现，经电化学表面处理后，碳纤维表面由憎液性变为亲液性，有利于提高碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)的层间剪切强度，电化学阳极氧化法虽具有工业实用价值，但经电解阳极氧化处理后的碳纤维，必须先经热水水洗工序洗去电解液，再经干燥工序，然后才能上浆。这种方法涉及到废水处理和能耗等问题，且工艺上比较繁杂。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种聚丙烯腈基碳纤维表面改性的方法，以解决现有方法处理后碳纤维复合材料的层间剪切强度和纤维拉伸强度无法同时满足要求，且工艺繁杂的技术问题。

本发明的技术方案如下：

一种聚丙烯腈基碳纤维表面改性的方法，包括如下步骤：在惰性气体氛围中对聚丙烯腈基碳纤维进行等离子体处理；对等离子体处理后的碳纤维再通过接枝液进行雾化处理。

经雾化处理后的碳纤维经上浆、烘干及收丝，制得成品碳纤维，并与树脂基体环氧E-51复合制成碳纤维复合材料。

所述聚丙烯腈基碳纤维单束丝为1000～3000根，丝束股数为50～100股，走丝速度为3～5m/min。

所述聚丙烯腈基碳纤维进行等离子体处理前，进行1500℃以下的高温碳化。

所述惰性气体选自氩气、氦气、氮气中的至少一种。

所述等离子体处理采用的是介质阻挡放电等离子体发生装置，通过在介质阻挡放电等离子体发生装置内形成等离子体均匀分布，其放电功率为1000W～6000W。

所述接枝液选自马来酸酐、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酰胺、甲基丙烯酸、丙烯酸中的至少一种。

所述的接枝液的溶剂为去离子水，该接枝液的质量百分比浓度为1％～10％。

将接枝液利用计量泵从溶液储罐中抽出，计量泵出口管道与净化压缩空气管道混合，在一种雾化处理装置中，经由雾化喷嘴，从上至下垂直喷向运行中的碳纤维。

所述接枝液的泵供量在0.05～0.3L/min，净化压缩空气的压力在0.4～0.6MPa。