[发明专利]一种干喷湿纺碳纤维的表面处理方法

说明书

一种干喷湿纺碳纤维的表面处理方法，属于碳纤维表面处理技术领域。碳含量高于90％的干喷湿纺碳纤维经过连续化的电化学处理设备，以石墨板为阴极，以摩尔浓度为0.01～4mol/L碳酸氢铵水溶液为电解液，在电解温度为10～40℃下进行电化学表面处理，控制处理时间为10～300s，调节电流密度为0.1～10A·m^‑2，电极间距为150～400mm，处理后依次经过100℃水洗，经过掺杂质量分数为0.1～10％的单分散纳米TiO₂的水性环氧树脂上浆，最后收卷。本方法处理后复合材料层间剪切强度提高，同时碳纤维拉伸强度没有损失。此外纳米TiO₂一方面起到补强作用另一方面提高碳纤维与树脂的结合。

技术领域：

本发明涉及一种干喷湿纺碳纤维的表面处理方法，尤其涉及一种通过使用掺杂单分散纳米TiO₂的水性上浆剂，提高复合材料层间剪切强度的同时不降低碳纤维的拉伸强度，并且绿色无污染，属于碳纤维表面处理技术领域。

背景技术：

碳纤维是近代发展起来的一种新型增强材料，是一种可用作功能材料和结构材料的理想增强体。它具有低密高强、模量高、膨胀系数低，同时又具有耐高温、耐腐蚀且导电导热又减震等优点，因此碳纤维增强复合材料拥有其他复合材料不可取代的优良性能而被广泛应用于民用工业及军事领域。高性能碳纤维复合材料掀起的应用热潮将碳纤维工业的发展推向更高的地位，而碳纤维复合材料也由此被誉为21世纪的新材料。然而碳纤维的制备过程中会经过在高温惰性气体中炭化的过程，而这一过程中会出现随着非碳元素逸出而碳元素聚集的情况，这一结构会导致碳纤维表面张力下降，表面活性降低，所以未经处理的碳纤维：表面官能团少，不易与其他的聚合物复合，因此极大地限制其应用。

从目前碳纤维表面处理研究的技术来看，湿纺碳纤维的研究从方法到机理都比较透彻，且方法明显存在多样性，以T700、T1000 碳纤维为代表的干喷湿纺纤维应用前景十分广阔，但其表面十分光滑，表面惰性极强，其与树脂的结合性能本身就比T300要低，不经过表面处理完全不能发挥它们应有的作用。但目前对于干喷湿纺碳纤维的表面处理研究十分有限，多以等离子体处理为主，虽然等离子体处理具有其独特的优势，但处理后的纤维具有更高的表面自由能，化学性质等并不稳定，更易受环境影响。

电化学表面处理易操作，便于与生产线相匹配从而达到连续化生产的目的，改性效果也十分显著，因此就碳纤维表面处理的诸多方法来说，该方法最为经济实用。

现有技术中干喷湿纺碳纤维的上浆剂中大多使用有机溶剂，或单纯的水性上浆剂，水性上浆剂绿色环保无污染，不会对操作者产生负面的影响，同时掺杂纳米颗粒一方面可以起到补强的作用，另一方面可以提高树脂基体与碳纤维的界面结合。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种干喷湿纺碳纤维的表面处理方法，在引入适当官能团并经过掺杂纳米颗粒的水性上浆剂上浆，即对纤维表面进行修饰后，达到在提高复合材料层间剪切强度的同时不降低碳纤维拉伸强度目的。从而得到一种操作简单、工艺稳定、绿色环保的电化学表面处理干喷湿纺碳纤维的方法。

本发明为一种干喷湿纺碳纤维的表面处理方法，以干喷湿纺碳纤维为原料，在碳酸氢铵溶液中进行电化学氧化，然后经过掺杂纳米颗粒TiO₂的水性环氧树脂上浆剂上浆。具体步骤及方法如下：

干喷湿纺碳纤维经过连续化电化学处理设备，以石墨板为阴极，以0.01～4mol/L碳酸氢铵水溶液为电解质，在电解温度为10～40℃下进行电化学表面处理，控制处理时间为10～300s，调节电流密度为0.1～10A·m^-2，电极间距为150～400mm，处理后依次经过100℃水洗，经过掺杂质量分数为0.1～10％的单分散纳米TiO₂的水性环氧树脂上浆，最后收卷。

上述处理过程中调节电流密度较好范围是：1.40～7.38A·m^-2。