本发明专利技术公开了一种微波超声共处理碳纤维表面的化学改性方法及装置，该方法先对碳纤维预处理，去除碳纤维中的定型剂；再酸化处理；将酸化后的碳纤维加入到化学改性溶液中，超声预分散，再加入反应引发剂，进行微波辐射，即完成化学改性。该装置包括具有控温系统的水箱，水箱内设有用于装化学改性溶液的容腔，水箱的底部设有超声发生器，水箱的上方设有可透射微波的封闭盖，封闭盖的上方设有微波发生器。本发明专利技术成本低、操作简单、适用性强、效率高、处理效果优良，不仅能增加碳纤维表面粗糙度，也可在碳纤维表面引入特定的反应官能团，改善碳纤维表面浸润性，增加碳纤维与树脂之间的结合强度，提升碳纤维复合材料的使用性能。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种微波超声共处理碳纤维表面的化学改性方法及装置，该方法先对碳纤维预处理，去除碳纤维中的定型剂；再酸化处理；将酸化后的碳纤维加入到化学改性溶液中，超声预分散，再加入反应引发剂，进行微波辐射，即完成化学改性。该装置包括具有控温系统的水箱，水箱内设有用于装化学改性溶液的容腔，水箱的底部设有超声发生器，水箱的上方设有可透射微波的封闭盖，封闭盖的上方设有微波发生器。本专利技术成本低、操作简单、适用性强、效率高、处理效果优良，不仅能增加碳纤维表面粗糙度，也可在碳纤维表面引入特定的反应官能团，改善碳纤维表面浸润性，增加碳纤维与树脂之间的结合强度，提升碳纤维复合材料的使用性能。【专利说明】一种微波超声共处理碳纤维表面的化学改性方法及装置
本专利技术专利属于碳纤维表面改性
，涉及一种微波超声共处理碳纤维表面的化学改性方法及装置。
技术介绍
碳纤维是一种高比强度、高比模量的纤维材料，其热膨胀系数小、耐低温性能好，并且具有耐疲劳、抗蠕变、摩擦系数低等一系列优异的性能，是近年来树脂基复合材料最重要的增强材料。近些年对碳纤维的研究主要集中于碳纤维增强树脂基复合材料，这种复合材料具有强度高、模量高、密度小、尺寸稳定等一系列优异性能，已广泛用于航空航天、汽车、船舶、军事工业和体育运动器材等领域。但是碳纤维表面呈惰性、比表面积小，边缘活性碳原子少，表面能低，与树脂基体的浸润性较差，界面粘接强度较小，造成复合材料层间剪切强度较低，严重影响碳纤维复合材料的综合性能。为改善碳纤维与树脂基体的界面效果，提高界面的粘结强度，增强复合材料的层间剪切强度，需要对碳纤维进行表面处理。目前碳纤维表面处理可以分为两类:物理改性与化学改性。物理改性主要包括(I)等离子体处理法、⑵阳极电解或电沉积处理法、⑶高能辐射法、(4)表面氧化处理等，这些方法处理效率高，可在一定程度下提高碳纤维表面粗糙度，增加表面官能团数量，改善碳纤维表面浸润性，但是存在引入官能团单一，且对碳纤维力学性能影响较大。化学改性包括(I)表面接枝改性、(2)偶联剂改性等，这些方法可以向碳纤维表面引入特定的官能团，能够与树脂基体反应，且改性后碳纤维力学性能能够得到提高，但是存在反应效率低，速率低的问题。结合物理与化学改性的优缺点，有必要探索一种高效地、能够引入特定官能团的碳纤维表面改性方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种微波超声共处理碳纤维表面的化学改性方法及装置，将物理改性与化学改性结合在一起,有效地提高了化学改性反应的速率,改善了化学改性的效果。为了达到上述目的，本专利技术采取如下的技术方案:一种微波超声共处理碳纤维表面的化学改性方法，具体包括以下步骤:I)将碳纤维浸入到溶剂当中，超声处理碳纤维，去除碳纤维中的定型剂；2)将去除定型剂后的碳纤维加入到酸溶液中，同时进行超声分散和微波辐射，对碳纤维进行酸化处理；3)将酸化后的碳纤维加入到化学改性溶液中，超声预分散，然后加入反应引发剂，再用微波发生器进行微波辐射，即完成了对碳纤维表面的化学改性。所述的溶剂为丙酮、石油醚、甲醇、四氢呋喃、丁酮中的一种或几种任意比例的混合溶液。所述步骤I)的具体步骤为:将碳纤维浸入到溶剂中，在200?800W的功率、20?80kHz的频率及60?8(TC的温度下超声分散3?1h,去除碳纤维中的定型剂,然后将碳纤维取出洗涤、干燥，即得到去除定型剂后的碳纤维。所述步骤2)的具体步骤为:将去除定型剂后的碳纤维按(0.1?I):100的质量比加入到质量浓度为63%?69%的浓硝酸中，在200?800W的功率及20?80kHz的频率下超声处理30?90min，同时用功率为100?400W、频率为2.45?1GHz的微波发生器微波辐射20-40min，然后将碳纤维取出洗涤、干燥，即得到酸化后的碳纤维。所述的化学改性溶液是质量分数为10?30%的乙二胺的甲醇溶液、质量分数为5?30%的二己二胺的甲醇溶液、质量分数为5?20%的苯胺的N，N-二甲基甲酰胺溶液、质量分数为10?30 %的三聚氰胺的甲醇溶液、质量分数为10?30 %的间苯二胺的N，N- 二甲基甲酰胺溶液、质量分数为5?20%的聚酰胺胺的N，N-二甲基甲酰胺溶液或质量分数为5?20%的丙烯酰胺的N，N- 二甲基甲酰胺溶液；所述的反应引发剂为亚硝酸钠、过硫酸钾或过硫酸铵。所述步骤2)的具体步骤为:将酸化后的碳纤维加入到化学改性溶液中，在200?800W的功率、20?80kHz的频率及20?60°C的温度下超声预分散5?lOmin，然后加入反应引发剂，用功率为100?400W、频率为2.45?1GHz的微波发生器微波辐射5?20min。所述碳纤维的原料为聚丙烯基、黏胶丝或浙青纤维；所述碳纤维的形式为纤维丝束、布料、预浸料坯或短切纤维。一种微波超声共处理碳纤维表面的化学改性装置，包括具有控温系统的水箱，水箱内设有用于装化学改性溶液的容腔，水箱的底部设有超声发生器，水箱的上方设有可透射微波的封闭盖，封闭盖的上方设有微波发生器。所述的容腔内设有用于传送碳纤维的辊轮；所述的水箱上设有出水口和进水口。所述的微波发生器为可变频式微波发生器；超声发生器为可变频式超声发生器；封闭盖的材料为钢化玻璃。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果:本专利技术提供的微波超声共处理碳纤维表面的化学改性方法，其关键是采用了微波与超声的协同效应，将物理改性与化学改性结合在一起，有效地提高了化学改性反应的速率，改善了化学改性的效果，不仅可以增加碳纤维表面粗糙度，也可以在碳纤维表面引入特定的反应官能团，改善碳纤维表面浸润性，增加碳纤维与树脂之间的结合强度。本专利技术成本低、操作简单、适用性强、效率高、处理效果优良，将改性处理后的碳纤维用于制备碳纤维复合材料，能够进一步提升碳纤维复合材料的使用性能。本专利技术提供的微波超声共处理碳纤维表面的化学改性装置结构简单，投资成本低，适用性强，能够大幅缩短碳纤维的改性时间，使改性后的碳纤维性能能够得到提高，能够适用于工业化生产。【专利附图】【附图说明】图1为本专利技术提供的微波超声共处理碳纤维表面的化学改性装置的结构示意图；其中:1为微波发生器、2为封闭盖、3为水箱、4为辊轮、5为容腔、6为超声发生器、7为出水口、8为进水口 ；图2为本专利技术提供的微波超声共处理碳纤维表面的化学改性方法的流程图；图3为碳纤维的红外图谱，其中(a)为酸化后的碳纤维的红外图谱，(b)为用聚酰胺胺改性处理后的碳纤维的红外图谱；图4为碳纤维的静态接触角，其中(a)为未处理的碳纤维的静态接触角，(b)为酸化后的碳纤维的静态接触角，(C)为用聚酰胺胺改性处理后的碳纤维的静态接触角；图5为碳纤维的场发射电镜图，其中(a)为酸化后的碳纤维的场发射电镜图，(b)为聚酰胺胺改性后的碳纤维的场发射电镜图。【具体实施方式】下面结合实施例和附图对本专利技术做进一步的详细说明，所述是对本专利技术的解释而不是限定。参见图1，本专利技术提供的微波超声共处理碳纤维表面的化学改性装置包括具有控温系统的水箱3，水箱3内设有用于装化学改性溶液的容腔5，容腔5内设有用于传送碳纤维的辊轮4，水箱3上设有出水口 7和进水口 8，水箱3的底部设有超声发生器6，水箱3的上方设有可透射微波的封闭盖2，封闭盖2的上方本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种微波超声共处理碳纤维表面的化学改性方法，其特征在于，具体包括以下步骤：1)将碳纤维浸入到溶剂当中，超声处理碳纤维，去除碳纤维中的定型剂；2)将去除定型剂后的碳纤维加入到酸溶液中，同时进行超声分散和微波辐射，对碳纤维进行酸化处理；3)将酸化后的碳纤维加入到化学改性溶液中，超声预分散，然后加入反应引发剂，再用微波发生器进行微波辐射，即完成了对碳纤维表面的化学改性。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：段玉岗，王奔，李金键，王宏晓，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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