[发明专利]提高中强碳纤维表面活性的γ射线处理方法

说明书

本发明叙述了一种改善中强丙烯腈碳纤维表面活性的γ射线处理方法。

碳纤维由于具有高的强度及弹性模量，良好的润滑及耐磨性，密度小，成本低等优点，而成为目前最受重视的增强纤维。但碳纤维表面光滑且惰性大和树脂基体粘结强度差，因而碳纤维增强复合材料的层间剪切强度低，这一薄弱环节影响了高性能碳/树脂复合材料的广泛应用。通过对碳纤维表面进行适当的处理以改善碳纤维表面的活性，增强碳纤维与基体间的界面粘结强度则成为人们关注的热点。目前碳纤维表面处理的液相、气相氧化法；表面镀(表面接枝)或涂层法等有不少文献报导(C A Baillie,J F Watts,JECastle,M G Baeler.Composite Science anel Technology,1993,48:97～102:GM Wu,J M Schultz,et al.Polymer Composites,1995,16(4):284～287；Lu Y,Xue G,Wu F,Wang X.J.Adhesion Sci.Technol.,1996,10(1):47～60；满华元，王鉴，余宗森.复合材料学报，1993,10(4):97-102；贺福，王润娥，复合材料学报，1988,5(1):56-61)。

本发明的目的在于提供一种改善碳纤维表面活性的γ射线辐照处理方法，造成碳纤维表层的石墨相、表面粗糙和含氧活性基团的产生，增加碳纤维与树脂间的粘结强度，提高碳纤维复合材料的层间剪切强度。

具体地讲，本发明的目的通过以下措施来实现：

本发明是将中强丙烯腈碳纤维在⁶⁰Co源上空气中辐照处理，辐照剂量为10～40000戈瑞。将辐照后的碳纤维用自来水和丙酮反复冲洗、滤干，即成为本发明所述处理方法处理后的碳纤维。

本发明所述的改善碳纤维表面活性的处理方法，具体条件为：碳纤维，中强度聚丙烯腈基碳纤维，纤维直径为6～7微米，炭含量大于90％：辐照条件，射线源为⁶⁰Co，辐射剂量率2.6×10³戈瑞/时，辐照剂量为30～40000戈瑞，空气中辐照。本发明的中强度碳纤维表面处理方法简单，碳纤维表面处理后活性高并无酸残留，可工业化连续处理，适合于碳纤维复合材料中碳纤维和碳布的表面处理及活化。

本发明的特点如下：1．碳纤维表面处理前后的力学性能

碳纤维的抗拉强度、杨氏模量和断裂伸长(×抗拉强度，+扬氏模量，·断裂伸长)与辐照剂量的关系如图1。抗拉强度、杨氏模量和断裂伸长在YG003A电子拉力机上进行测试，取20根单丝数据的平均值(数据采用相比值，即处理样品的性能与未处理样品性能的比值)。在1×10²～1×10³戈瑞剂量时，三项指标分别提高了27～41％,10～13％,16～40％。2．碳纤维表面处理前后的活性

a)表面形貌：电子显微镜观察表面形貌如图2(a．未辐照碳纤维，b．辐照碳纤维)。辐照处理增加了碳纤维表面的粗糙程度，

b)表面活性基团：X光电子能谱仪分析表面含氧量(表1)。辐照碳纤维后表面氧含量、羟基和羧基基团显著增加，活性增加。

c)表面石墨化：拉曼光谱仪分析表面石墨化的程度(图3,a．未辐照碳纤维，b．辐照碳纤维)。经γ射线处理的碳纤维表面石墨化程度增加。3．碳纤维表面处理前后的润湿性

碳纤维表面处理后与水和甘油的毛细润湿表明，经γ射线处理的碳纤维表面能由未处理时的35.8毫牛顿·米^-1增加到60.9～175.9毫牛顿·米^-1；活化能由未处理碳纤维时的18.9×10³焦耳/摩尔降低到16.8～8.3×10³焦耳/摩尔，碳纤维表面处理后润湿性增加。

实施例1：