[发明专利]一种碳纤维的增强方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纤维的增强方法，特别涉及采用静电喷涂法将碳纳米管涂覆于碳纤维表面以弥补其表面结构缺陷进而增加碳纤维强度的方法。

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，已被广泛应用于交通运输、体育运动器材、建筑乃至航空航天领域。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，以拉伸强度为例，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。

发明内容

本发明提供了一种碳纤维的增强方法，它采用了一种新的“后期修复”的方法来弥补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：

一种碳纤维的增强方法，它采用静电喷涂法将碳纳米管涂覆于碳纤维表面以弥补其表面结构缺陷进而增加其强度。该方法包括：

将碳纳米管用分散液配制成喷涂液，碳纳米管为功能化碳纳米管，取自羟基化碳纳米管、羧基化碳纳米管或氨基化碳纳米管中的一种，功能化基团的含量为1～5wt.％，分散液为离子液体与水的混合物，其中离子液体的含量为1.0～10.5体积％，离子液体取自1，3-二甲基咪唑对甲苯磺酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑对甲苯磺酸盐、氯化1-辛基-3-甲基咪唑或5-溴-2-甲基-3-硝基吡啶中的一种，喷涂液中碳纳米管的含量为16～48g/L；

喷涂液施加10～40kV的正极静电，碳纤维丝束平展且接地构成喷涂液接受体；

通过静电喷射将喷涂液喷涂于碳纤维表面，喷射距离控制为5～30cm，以碳纤维与碳纳米管的重量比计，碳纤维上碳纳米管的喷涂量控制为1000∶(0.4～10)。

上述功能化碳纳米管为功能化单壁碳纳米管和/或功能化多壁碳纳米管，长度一般为10～30μm，功能化基团的含量最好为2～3.5wt.％；离子液体最好为1，3-二甲基咪唑对甲苯磺酸盐或1-丁基-3-甲基咪唑对甲苯磺酸盐，分散液中离子液体的含量最好为2.0～6.5体积％；喷涂液中碳纳米管的含量最好为25～38g/L。

上述喷射距离最好控制为10～20cm；喷涂液最好施加20～30kV的正极静电；以碳纤维与碳纳米管的重量比计，碳纤维上碳纳米管的喷涂量最好控制为1000∶(2～8)。