[发明专利]粘胶基碳布电化学表面处理方法及其装置

说明书

本发明涉及粘胶基碳布表面处理方法及装置，特别是涉及使用电化学氧化法的表面处理方法及用于该方法的装置。

碳纤维具有许多优良性能，是一种难得的高性能材料，在宇宙飞船、航天飞机、导弹以及一般工业部门中得到越来越广泛的应用。但是碳纤维单独使用时，不能发挥其优异性能，它要和树脂等其它物质制成复合材料后才能体现其价值。这样就要求纤维和树脂之间有良好的粘结能力，然而由于碳纤维的表面比较光滑，比表面积小，表面缺少能和树脂起作用的极性基团，导致它与树脂之间不能发生良好的粘结，在复合材料中表现出来就是层间剪切强度（ILSS）较低。为了充分发挥碳纤维的优异性能，我们就有必要对碳纤维的表面进行处理，改善它的表面性质。

碳纤维表面处理的方法很多，其中电化学氧化方法是利用碳纤维的导电性能，把它作为阳极，在一定的电流条件下，纤维连续通过电解液，依靠阳极的电化学氧化反应来完成的。它的基本过程是：在电流的作用下，电解液中的阴离子靠近阳极，并在阳极附近放电，产生初生态氧，初生态氧进一步在纤维表面形成各种含氧的极性基团。这些基团可以和树脂之间发生键合，同时，这些基团的引入也提高了纤维的比表面能，使得树脂能够在纤维表面铺展开并获得良好的接触。另外，处理后还可以增大纤维的比表面积，以增大纤维和树脂之间的接触面，从而来提高复合材料的ILSS。

国内外许多研究人员[Kozlowski，C. et al，Carbon，24，357（1986）]通过多次研究表明，电解液的性质对电解过程有着很重要的影响。他们分别用酸类、碱类和盐类物质作电解质，氧化的结果都能在纤维表面引入含氧的官能团，但官能团含量的多少则与电解质的种类有着明显的关系。用酸作电解质时，处理后碳纤维表面的酸性官能团较多，用铵盐作电解质时，处理后在纤维表面还能引入含氮的官能团。电流条件也有相当的影响，Fizter等人（16th Bienn.Conf.Carbon，1983，extended abstracts and program，p494）研究指明，在电极电压高于1.9V时进行氧化，碳纤维很容易发生降解，在低于1.9V时，随着电压的增大，电流加强，纤维表面的极性官能团会增加，处理后复合材料的ILSS也得到提高;一般电解是在常温下进行，处理几分钟到几十分钟。在电解刚开始时，随着时间的延长，纤维表面的极性官能团会随着增加，但继续延长时间，纤维表面的极性官能团的增加趋势变缓，反而会引起纤维损伤，所以合理控制处理时间也是很重要的。

国外虽有以电化学氧化法作碳纤维表面处理用于工业化生产的报导（JP  61，174，470和JP58，115，123），但是具体的工艺和设备均属商业秘密，未见详细报导。

本发明的目的在于提供一种用电化学氧化法表面处理粘胶基碳布的方法及该方法的专用装置，用该方法和装置处理过的粘胶基碳布与树脂基质之间的粘结力有明显提高。

本发明提供一种用于复合材料的粘胶基碳布电化学表面处理方法，碳布通过石墨辊连续进入电解槽，在槽中上下穿越若干个浸没在电解液中的石墨阴极后离开电解槽，电解槽中的电解液为酸类，如硫酸、硝酸、磷酸、醋酸，也可以是铵盐类，如醋酸铵、醋酸氢铵、碳酸铵等，电解液的浓度为0.1-5.0摩尔/升，碳布在0.2-20毫安/厘米²的电流密度下处理2-30分钟。

本发明电解装置包括电解槽9、稳压电源12、传动装置、石墨辊5和电刷6、电解槽9中平行设置的若干个石墨阴极10、通过石墨辊5和塑料导布辊11进入电解槽9的碳布阳极，可以在调速下于电解槽9中连续进行表面电化学处理。

碳布经电化学氧化处理后对其各项物理性能均无不良影响，而经向断裂强度获得明显提高，这从表1得到验证。