用于处理增强纤维的方法以及经处理的增强纤维技术

本发明专利技术提供经表面处理的纤维及处理各个纤维表面的方法。一种示例性方法包括使前驱气体在常压等离子体发生器内经受生成常压等离子体的放电以形成反应性物质流，所述反应性物质流包括反应性氧物质，以及将增强纤维暴露于所述反应性物质流中保持足以使氧气将所述增强纤维功能化的处理时间，由此使得所述增强纤维的复合材料基体界面粘附力或所述增强纤维的复合材料基体界面强度中的至少一者增大。所述前驱气体优选地包含载气和氧化性气体，所述氧化性气体以至多25体积％的量包含在所述前驱气体中。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利申请提供用于处理增强纤维的方法以及经处理的增强纤维。
技术介绍
纤维诸如碳纤维、陶瓷纤维和玻璃纤维被用作聚合物基体的增强纤维以形成结构复合材料。此类纤维强化结构复合材料必须满足每个具体应用的多种性能要求。对用于例如航空预浸材或制造轻型复合材料压力容器的纤维强化聚合物复合材料的一项重要性能要求是经固化的纤维强化结构复合材料的强度。需要不断改善用于此类高强度应用的纤维强化结构复合材料的强度。
技术实现思路
出人意料地发现，利用氧化性气体对增强纤维进行常压等离子体处理可改善由经处理的增强纤维制得的纤维强化聚合物复合材料的特性，特别是强度，甚至采用浓度相对较低的氧化性气体亦可。因此，在一个方面，本公开描述了一种用于处理增强纤维的方法(实施方案A)，该方法包括将包含载气和氧化性气体的前驱气体输送到常压等离子体发生器内生成常压等离子体的放电中以形成反应性物质流，其中氧化性气体构成前驱气体的至多25体积％，并将未经处理的增强纤维暴露于该反应性物质流中保持足以使氧气将增强纤维功能化的处理时间，由此使得经处理的增强纤维的复合材料基体界面粘附力或经处理的增强纤维的复合材料基体界面强度中的至少一者增大。反应性物质流包含由氧化性气体产生的反应性含氧物质。示例性实施方案列表B.根据实施方案A所述的方法，其中未经处理的纤维在该未经处理的纤维的外表面的至少一部分上具有胶料，另外，其中经处理的纤维基本上不含胶料。C.根据前述实施方案中任一项所述的方法，其中将未经处理的增强纤维暴露于反应性物质流中还包括使增强纤维与生成常压等离子体的放电保持距离，由此使得生成常压等离子体的放电不损伤增强纤维。D.根据前述实施方案中任一项所述的方法，其中氧化性气体包括O2、空气、N2O、NO2或它们的组合。E.根据前述实施方案中任一项所述的方法，其中载气包括氦气、氩气或它们的组合。F.根据前述实施方案中任一项所述的方法，其中生成常压等离子体的放电选自电气放电、火花放电、滑动弧放电、电晕放电、脉冲电晕放电、射频等离子体放电、微波频率放电、辉光放电、扩散阻挡放电、大气压射流放电或它们的组合。G.根据前述实施方案中任一项所述的方法，其中处理时间选自0.01秒至10分钟。H.根据前述实施方案中任一项所述的方法，还包括将等离子体处理区与环境气氛屏蔽，反应性物质流和增强纤维穿过等离子体处理区。I.根据实施方案H所述的方法，其中屏蔽包括包封等离子体处理区。J.根据实施方案H或I所述的方法，其中等离子体处理区保持在1×10-6个大气压至10个大气压的压力下。K.根据实施方案H、I或J中任一项所述的方法，所述方法还包括用吹扫气体吹扫等离子体处理区，其中该吹扫发生在暴露步骤之前、暴露步骤期间、暴露步骤之后或它们的组合。L.根据前述实施方案中任一项所述的方法，所述方法还包括将反应性气体流从常压等离子体发生器输送至未经处理的增强纤维，任选地其中输送包括将反应性物质流导向未经处理的增强纤维的外表面。M.根据实施方案L所述的方法，其中输送还包括将反应性物质流与环境气氛屏蔽。N.根据前述实施方案中任一项所述的方法，其中经处理的增强纤维的使用X射线光电子能谱(XPS)测得的表面氧浓度相对于未经处理的增强纤维的使用XPS测得的表面氧浓度增大至少10％。O.根据前述实施方案中任一项所述的方法，其中未经处理的增强纤维选自碳纤维、陶瓷纤维、玻璃纤维、(共)聚合物纤维或天然纤维。P.根据实施方案O所述的方法，其中未经处理的增强纤维不含胶料。在另一方面，本公开描述了一种使用前述用于处理增强纤维的工艺实施方案中的任一项工艺制造纤维强化复合材料的方法。在一些示例性实施方案中，纤维强化复合材料包括多种经处理的增强纤维，该经处理的增强纤维选自碳纤维、陶瓷纤维、玻璃纤维、(共)聚合物纤维、天然纤维或它们的组合。在某些实施方案中，多种经处理的增强纤维包括纤维丝束。在另一方面，本公开描述了纤维强化复合材料，该纤维强化复合材料包括根据前述实施方案中任一项所述制备的经处理的增强纤维。纤维强化复合材料可选自未固化的纤维强化预浸材复合材料、部分固化的纤维强化复合材料或完全固化的纤维强化复合材料。对本公开的示例性实施方案的各个方面和优点进行了汇总。上文的
技术实现思路
并非旨在描述本公开的当前某些示例性实施方案的每个例示的实施方案或每种实施方式。下面的附图和具体实施方式更具体地举例说明使用本文所公开的原理的某些优选的实施方案。附图说明结合附图来考虑本公开的各种实施方案的以下详细描述可更完全地理解本公开，其中：图1A为用于处理增强纤维的示例性装置的示意图。图1B为通过保护气体屏障与环境气氛屏蔽的示例性等离子体处理区的示意图。图1C为通过外壳与环境气氛屏蔽的示例性等离子体处理区的示意图。图1D为经吹扫气体吹扫的示例性等离子体处理区的示意图。在这些附图中，类似的附图标号表示类似的元件。虽然可能未按比例绘制的以上附图阐述了本公开的各种实施方案，但还可以设想如在具体实施方式中所指出的其它实施方案。在所有情况下，本公开都通过示例性实施方案的表示而非通过表述限制来描述当前公开的专利技术。应当理解，本领域的技术人员可设计出许多其它修改形式和实施方案，这些修改形式和实施方案均落在本公开的范围和实质内。具体实施方式纤维强化复合材料诸如碳纤维强化的(共)聚合物基体复合材料的性能不仅取决于纤维和周围基体的特性，还取决于各个外部纤维表面与基体材料之间的界面。该界面可在决定复合材料的破坏机理、断裂韧度和总体应力-应变行为方面发挥重要作用。强效界面粘结导致纤维与基体之间产生高效应力传递，继而导致更强效的复合部件。我们令人惊奇发现，利用氧化性气体对增强纤维进行常压等离子体处理可显著改善由经处理的增强纤维制得的纤维强化聚合物复合材料的强度，甚至在处理过程中采用浓度相对较低的氧化性气体以避免损伤经处理的纤维时也是如此。因此，在一个方面，本公开描述了一种用于处理增强纤维的方法，该方法包括将包含载气和氧化性气体的前驱气体输送到常压等离子体发生器内生成常压等离子体的放电中以形成反应性物质流，其中氧化性气体构成前驱气体的至多25体积％，以及将未经处理的增强纤维暴露于反应性物质流中保持足以使氧气将增强纤维功能化的处理时间，由此使得经处理的增强纤维的复合材料基体界面粘附力或经处理的增强纤维的复合材料基体界面强度中的至少一者增大。反应性物质流包含由氧化性气体产生的反应性含氧物质。在一些示例性实施方案中，经处理的增强纤维的使用X射线光电子能谱(XPS)测得的表面氧浓度相对于未经处理的增强纤维的使用XPS测得的表面氧浓度增大至少10％。此外，多种工艺要求在使用用于形成复合材料的(共)聚合物树脂涂覆之前去除胶料(例如，碳纤维的保护性涂层，用于陶瓷纤维或玻璃纤维的硅烷)。胶料有助于改善纤维的耐磨性以及抗弯强度。然而，胶料官能团偶尔可优先地吸附在纤维表面上，可阻碍其在复合材料制造过程中溶解于聚合物基体中，并可导致薄弱的纤维/基体界面。在纤维强化复合材料加工中，通常利用高温烘箱/加热炉去除这些有机分子。这些烘箱能效极低，需要高温、长停留时间才能完全去除胶料。此外，涉及的氧化化学反应以及长停留时间可导致纤维表面的氧化，并且可能因引入表面缺陷而降低纤维的强度。因此，纤维在进一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于处理增强纤维的方法，所述方法包括：(a)将包含载气和氧化性气体的前驱气体输送到常压等离子体发生器内生成常压等离子体的放电中以形成反应性物质流，所述氧化性气体构成所述前驱气体的至多25体积％，所述反应性物质流包含由所述氧化性气体产生的反应性含氧物质；以及(b)将未经处理的增强纤维暴露于所述反应性物质流中保持足以使氧气将所述增强纤维功能化的处理时间，由此使得经处理的增强纤维的复合材料基体界面粘附力或经处理的增强纤维的复合材料基体界面强度中的至少一者增大。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.04.30 US 61/986,414;2015.04.27 US 62/153,2811.一种用于处理增强纤维的方法，所述方法包括：(a)将包含载气和氧化性气体的前驱气体输送到常压等离子体发生器内生成常压等离子体的放电中以形成反应性物质流，所述氧化性气体构成所述前驱气体的至多25体积％，所述反应性物质流包含由所述氧化性气体产生的反应性含氧物质；以及(b)将未经处理的增强纤维暴露于所述反应性物质流中保持足以使氧气将所述增强纤维功能化的处理时间，由此使得经处理的增强纤维的复合材料基体界面粘附力或经处理的增强纤维的复合材料基体界面强度中的至少一者增大。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述未经处理的纤维在所述未经处理的纤维的外表面的至少一部分上具有胶料，另外，其中所述经处理的纤维基本上不含所述胶料。3.根据权利要求1所述的方法，其中将所述未经处理的增强纤维暴露于所述反应性物质流中还包括使所述增强纤维与所述生成常压等离子体的放电保持距离，由此使得所述生成常压等离子体的放电不损伤所述增强纤维。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述氧化性气体包括O2、空气、N2O、NO2或它们的组合。5.根据权利要求1所述的方法，其中所述载气包括氦气、氩气或它们的组合。6.根据权利要求1所述的方法，其中所述生成常压等离子体的放电选自电气放电、火花放电、滑动弧放电、电晕放电、脉冲电晕放电、射频等离子体放电、微波频率放电、辉光放电、扩散阻挡放电、大气压射流放电或它们的组合。7.根据权利要求1所述的方法，其中所述处理时间选自0.01秒至10分钟。8.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括将等离子体处理区与环境气氛屏蔽，所述反应性物质流和所述增强纤维穿过所...

【专利技术属性】
技术研发人员：泽巴·帕尔卡尔，塞思·M·柯克，莫塞斯·M·大卫，克雷格·A·米勒，德里克·M·波里尔，
申请(专利权)人：三M创新有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US