[发明专利]一种纤维表面可控刻蚀方法

说明书

技术领域

本发明涉及纤维表面可控刻蚀方法。

背景技术

高性能纤维产业在发达国家支柱产业升级乃至国民经济整体素质提高方面发挥着重要作用，对我国产业结构的调整和传统材料的更新换代也有重要意义。先进纤维复合材料在航空、航天、军事、建筑等领域发挥着重要的作用。纤维复合材料界面对其性能起着决定性的作用，已经被公认为贯穿复合材料发展始终的基础性与共性的研究课题。界面直接影响纤维复合材料的纤维与树脂基体之间的应力分散与传递，从而影响复合材料的损伤积累与裂纹传播的历程，进而影响纤维复合材料的断裂韧性。

绝大多数高性能有机纤维（如碳纤维增强聚合物复合材料，CFRP）的表面呈化学惰性，由于纤维表面惰性大、表面能低，缺乏有化学活性的官能团，反应活性低，与基体的粘结性差，界面中存在较多的缺陷，直接影响了复合材料的力学性能，表现为CFRP的偏轴强度较低，特别是纤维自身的机械强度高，但其机械强度在复合材料中未得到充分体现。为了改善界面性能，充分利用界面效应的有利因素，可以通过对纤维进行表面改性的办法来提高其对基体的浸润性和粘结性。国内外对纤维表面改性的研究进行得十分活跃，常用的纤维表面处理方法有：气相氧化法、液相氧化法、阳极氧化法、等离子体氧化法、表面涂层改性法等，也有采用两种或两种以上表面处理法，先后或同时对纤维进行表面处理，称之为复合表面处理法。总体上讲，物理法工艺简单、易操作，界面改善效果不够明显；化学法复杂，效果较好，经化学处理的纤维表面形成了大量的羟基、羰基等极性基团，这使得纤维与基体树脂的粘结得到了相当程度的改善，但是化学处理给纤维的结构与性能带来相当程度的损伤从而影响界面结合强度。

发明内容

本发明是要解决现有对纤维进行表面改性的办法不能有效提高界面结合强度的问题，而提出一种纤维表面可控刻蚀方法。

本发明中的一种纤维表面可控刻蚀方法按以下步骤进行：

一、连续纤维通过辐照炉，通过速度为0.0001cm/min~100cm/min，同时用加捻机控制纤维捻度为0.0001r/cm~20r/cm，与此同时，高能粒子发生器产生高能粒子束，高能粒子束通过光栅或者模版后打在前进中的加捻纤维表面上，对纤维进行刻蚀；

二、连续纤维经过0.1min~600min的刻蚀后，从辐照炉导出，进入溶剂超声清洗池，被刻蚀掉的纤维屑层被溶剂清洗掉，露出规整的微纳米凹槽，从而得到大比表面积的改性纤维。

本发明包括以下优点：

1、本发明中的纤维表面刻蚀技术，与传统物理表面处理方法相比增加了基体与纤维之间的浸润性和粘结性，显著改善界面结合强度；与传统化学法表面处理方法相比，由于仅涉及纤维表面损伤，因而纤维的结构与性能得到最大程度的保留，同样显著改善界面结合强度；

2、本发明中的纤维表面刻蚀结构可控，可以通过调节射线的辐照模式以及纤维的捻度获得不同尺寸与分布的刻蚀条纹或者空洞；

3、本发明的纤维表面刻蚀技术具有控制方法简单，效率高的特点，易于进行工业化规模大生产。

附图说明

图1是连续纤维刻蚀工艺生产线示意图；图2是模版法辐照处理工艺示意图；图3是衍射法辐照处理工艺示意图。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式中的一种纤维表面可控刻蚀方法按以下步骤进行：

一、连续纤维通过辐照炉，通过速度为0.0001cm/min~100cm/min，同时用加捻机控制纤维捻度为0.0001r/cm~20r/cm，与此同时，高能粒子发生器产生高能粒子束，高能粒子束通过光栅或者模版后打在前进中的加捻纤维表面上，对纤维进行刻蚀；

二、连续纤维经过0.1min~600min的刻蚀后，从辐照炉导出，进入溶剂超声清洗池，被刻蚀掉的纤维屑层被溶剂清洗掉，露出规整的微纳米凹槽，从而得到大比表面积的改性纤维。

本发明包括以下优点：

1、本发明中的纤维表面刻蚀技术，与传统物理表面处理方法相比增加了基体与纤维之间的浸润性和粘结性，显著改善界面结合强度；与传统化学法表面处理方法相比，由于仅涉及纤维表面损伤，因而纤维的结构与性能得到最大程度的保留，同样显著改善界面结合强度；

2、本发明中的纤维表面刻蚀结构可控，可以通过调节射线的辐照模式以及纤维的捻度获得不同尺寸与分布的刻蚀条纹或者空洞；