[其他]碳纤维表面的电沉积处理

说明书

本发明是用于碳纤维表面处理的电沉积方法。

碳纤维是沿纤维轴向取向的石墨晶层结构，它的表面积小、表面能低表面化学活性低。因此，在用碳纤维增强环氧树脂制成复合材料时，碳纤维与树脂间的粘结差，表现为复合材料的层间剪切强度值低，影响复合材料的使用。为了改善碳纤维与树脂间的粘结，人们提出了一系列的碳纤维表面处理方法。有氧化法，包括用氧化剂溶液的湿法氧化法，用气态氧化剂的干法氧化法和利用电化学过程的电解氧化法。有涂层法，包括浸涂有机或高分子化合物的、气相沉积碳或碳化硅层的、生长碳化硅晶须的、使用单体的电聚合和使用聚合物的电沉积法。有利用不同气体的等离子体的方法。这些方法的处理效果各不相同，所得复合材料的剪切强度在600-1100公斤/厘米²之间不等。值得注意的是，使用氧化法需要防腐设备和高温，而氧化还会降低纤维的束丝强度，复合材料的冲击强度随之降低;无机涂层法往往要求特殊的反应气氛和高温;等离子体法要求产生等离子体的专门设备。而其中使用聚合物的电沉积法却另有特点。

现有的碳纤维表面电沉积法〔1、2〕，是将没有任何表面处理的碳纤维浸在固体量为2.5-10%的烯类单体与马来酸酐的含羧基共聚物的铵盐水溶液中，其中苯乙烯-马来酸酐共聚物的分子量为1600，甲基乙烯基醚-马来酸酐共聚物的分子量大于500000，用10-50伏的电压，在1-10分钟内将前述共聚物沉积在作为阳极的碳纤维表面上，再用溶剂洗涤5分钟。共聚物在碳纤维表面的电沉积改善了碳纤维与环氧树脂间的粘结。用经这样处理的碳纤维增强的环氧树脂复合材料的层间剪切强度可达680公斤/厘米²，而冲击强度并不降低，甚至还能提高。电沉积法并不损伤碳纤维，使用的设备简单，采用的沉积液无毒害污染，在室温下进行并可连续操作。但所得复合材料强度仍不理想，其原因之一是采用电压控制并不能明确地反映发生在碳纤维表面单位面积上的沉积过程及其数量概念。

本发明的目的在于选择含羧基共聚物的较佳分子量范围，选择合理的电沉积参数-电流密度加以控制，使电沉积处理对碳纤维增强环氧树脂复合材料的剪切强度的改善效果更为明显。

用烯类单体与马来酸酐的含羧基共聚物，如苯乙烯与马来酸酐、乙酸乙烯酯与马来酸酐、甲基丙烯酸甲酯与马来酸酐等的共聚物，数均分子量在2000-6000之间，配成固体含量在1.5-5.0%之间的铵盐水溶液作为电沉积液。共聚物的负离子在直流电场的作用下将向作为阳极的碳纤维运动，并在纤维表面沉积下来，以形成均匀的聚合物层。

电沉积装置（见附图）由电沉积槽2和直流稳压电源1组成。沉积槽2中有不锈钢板阴极3和与碳纤维4接触的钢辊阳极5。以聚四氟乙烯作导轮6、7、8。将电沉积槽2和洗涤槽（未画出）连接于碳纤维生产线上，可对碳纤维表面作连续处理。

将待处理的、表面洁净无任何涂层的碳纤维4作为阳极，浸在上述沉积液9中，以0.3-1.0毫安/厘米²的电流密度沉积处理20-100秒。接着在溶剂（丙酮或水）中洗涤2-10分钟，再烘干。

用按上述步骤处理的碳纤维浸渍环氧树脂作成预浸料，按所用环氧树脂-固化剂体系的固化条件加压加温固化成型。得到的复合材料的层间剪切强度（用短梁剪切法测定）将达800～1130公斤/厘米²，冲击强度比用未处理纤维的提高10%

实施例1：

以单体比为1∶1，分子量为2500的乙酸乙烯酯-马来酸酐交替共聚物含量在2.5%的铵盐水溶液作电沉积液，以0.5毫安/厘米²的沉积电流密度，40秒的电沉积时间连续地处理束丝强度为25000公斤/厘米²级的碳纤维。再在丙酮中洗涤后烘干。用648环氧树脂100份。以三氟化硼-单乙胺5份作固化剂的丙酮溶液浸渍电沉积处理的碳纤维，烘干制成预浸料。再热压成型为单向碳纤维增强复合材料，其层间剪切强度为820公斤/厘米²。

实施例2：