[发明专利]增强碳纤维的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种增强碳纤维的方法，特别涉及采用改进电雾化沉积法将石墨烯修复碳纤维表面结构缺陷进而增加碳纤维抗拉强度的方法。 

背景技术

碳纤维几乎可被认为是迄今为止比强度和比模量最高的非金属材料，除了优异的力学性能外，它还兼具其他多种优良性能，如低密度耐高温、抗化学腐蚀、低电阻、高热导、低热膨胀、耐辐射等，已成为航空航天领域不可缺少的先进复合材料的增强材料，在交通运输、能源、体育运动器材、土木建筑等领域也有广泛的应用前景。然而，现有碳纤维产品的强度与弹性模量实际上与理论值存在很大差距，以抗拉强度为例，一般仅为理论值的3～5％。导致这种现象的根本原因是碳纤维普遍存在结构缺陷，特别如聚丙烯腈基的碳纤维因其原丝以溶液纺丝法制备，纤维在凝固成形的同时伴随溶剂的逸出，最终制得的碳纤维结构缺陷尤为严重。碳纤维的结构缺陷包括内部缺陷(如空洞)和表面缺陷(如凹陷和裂纹)，而表面缺陷是造成强度下降的主要因素，其权重甚至可达90％。 

现有技术中，人们较多地通过提高原丝质量、改进预氧化和碳化工艺等以期减少结构缺陷的形成，但就碳纤维产品强度实际值与理论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]一文公开了一种采用共混纺丝法将单壁碳纳米管混入原丝制备沥青基碳纤维的方法，以提高碳纤维的力学性能和电性能，据称含5wt.％单壁碳纳米管的沥青基复合碳纤维拉伸强度和弹性模量分别提高了90％和150％。然而该方法主要弥补了碳纤维内部结构缺陷，对表面结构缺陷的弥补作用有限。另外，碳纳米管的表面能极大，要均匀地分散于纺丝原液中绝非易事，故难以实现大规模的工业化应用。另外也可见“后期修复”的尝试，如中国专利申请03137023.3公开了一种高强度碳纤维的制造方法，它将CH₄和Ar以一定配比通入等离子发生器，遂将碳纤维通过等离子体高温区，在碳纤维进行石墨化的同时，甲烷在高温电弧等离子体的作用下裂解产生离子碳渗碳至碳纤维表面和内部，从而弥补其结构缺陷。非常可喜的是它对碳纤维表面结构缺陷修复的针对性较强，但显然这种方法的“修复，，效率不够理想，工业化应用的成本会较高。程博闻等在中国专利申请号201010211436.7、 201010211437.1、201010211410.2等中公开了一种采用静电喷涂碳纳米管的方法来增加碳纤维的强度，该方法工艺简单，碳纤维强度提高100％以上。但该技术存在不足在于：碳纳米管尺度相对较大，尽管其直径在几至几十纳米，但其长度范围在几微米至几十微米之间，远高于碳纤维表面结构缺陷尺寸(约几十至几百纳米之间)，这样容易造成静电喷涂过程中仅有部分碳纳米管进入碳纤维的表面结构缺陷中(径向射入)，绝大部分碳纳米管覆盖在碳纤维表面；另外，由于碳纳米管的长径比大，在静电喷涂过程中，碳纳米管之间会相互缠结而成团，影响喷射效果。 

发明内容

本发明提供了一种增强碳纤维的方法，它采用了石墨烯后修复碳纤维表面结构缺陷，进而增加碳纤维的强度。效果和效率均十分理想，适于工业化实施，较好地解决了现有技术存在的技术问题。 

以下是本发明具体的技术方案： 

一种增强碳纤维的方法，它采用改进电雾化沉积法将石墨烯植入于碳纤维的表面结构缺陷进而增加其强度。该方法包括以下过程： 

1)碳纤维电晕放电处理：将预氧化、炭化后的碳纤维束1通过传送带6传送至高压电晕放电区进行电晕放电处理，电晕放电装置包括高压电源2、尖端放电装置3和接地电极板4组成，其中高压电源2为负电发生器，其负极通过导线21与尖端放电装置3相连，正极通过导线22接地；通过控制传送带6的行进速度5～30m/h，高压电源2的电晕放电电压-5～-30kV，放电距离(尖端放电装置3和接地电极板4间距)为1～5cm； 

2)石墨烯悬浮液配置：将石墨烯用溶剂和少许分散剂配制成均一稳定悬浮液，石墨烯为功能化石墨烯，取自氨基化、磺酸化或羟基化石墨烯中的一种，功能化基团的含量为0.5～4wt.％，溶剂为二甲基乙酰胺、二甲基甲酰胺、四氢呋喃或乙醇有机溶剂中的一种，悬浮液中石墨烯的含量为10～60g/L；