粘胶基碳布电化学表面处理方法及其装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及使用电化学氧化法对粘胶基碳布作表面处理的方法和装置。用该方法和装置处理过的粘胶基碳布与树脂基质之间的粘结力有明显提高。以碳布作阳极连续进入盛有酸类或铵盐类为电解质液，以石墨板作阴极的电解槽，在电流密度为０. ２－２０毫安／厘米↑［２］的电流条件下处理２－３０分钟。处理后的碳／酚醛复合材料的层间剪切强度可提高２０－１００％，弯曲强度和拉伸强度也有不同程度的改进，而烧蚀性能不受影响。（*该技术在2014年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及粘胶基碳布表面处理方法及装置，特别是涉及使用电化学氧化法的表面处理方法及用于该方法的装置。碳纤维具有许多优良性能，是一种难得的高性能材料，在宇宙飞船、航天飞机、导弹以及一般工业部门中得到越来越广泛的应用。但是碳纤维单独使用时，不能发挥其优异性能，它要和树脂等其它物质制成复合材料后才能体现其价值。这样就要求纤维和树脂之间有良好的粘结能力，然而由于碳纤维的表面比较光滑，比表面积小，表面缺少能和树脂起作用的极性基团，导致它与树脂之间不能发生良好的粘结，在复合材料中表现出来就是层间剪切强度(ILSS)较低。为了充分发挥碳纤维的优异性能，我们就有必要对碳纤维的表面进行处理，改善它的表面性质。碳纤维表面处理的方法很多，其中电化学氧化方法是利用碳纤维的导电性能，把它作为阳极，在一定的电流条件下，纤维连续通过电解液，依靠阳极的电化学氧化反应来完成的。它的基本过程是在电流的作用下，电解液中的阴离子靠近阳极，并在阳极附近放电，产生初生态氧，初生态氧进一步在纤维表面形成各种含氧的极性基团。这些基团可以和树脂之间发生键合，同时，这些基团的引入也提高了纤维的比表面能，使得树脂能够在纤维表面铺展开并获得良好的接触。另外，处理后还可以增大纤维的比表面积，以增大纤维和树脂之间的接触面，从而来提高复合材料的ILSS。国内外许多研究人员通过多次研究表明，电解液的性质对电解过程有着很重要的影响。他们分别用酸类、碱类和盐类物质作电解质，氧化的结果都能在纤维表面引入含氧的官能团，但官能团含量的多少则与电解质的种类有着明显的关系。用酸作电解质时，处理后碳纤维表面的酸性官能团较多，用铵盐作电解质时，处理后在纤维表面还能引入含氮的官能团。电流条件也有相当的影响，Fizter等人(16th Bienn.Conf.Carbon，1983，extended abstracts and program，p494)研究指明，在电极电压高于1.9V时进行氧化，碳纤维很容易发生降解，在低于1.9V时，随着电压的增大，电流加强，纤维表面的极性官能团会增加，处理后复合材料的ILSS也得到提高;一般电解是在常温下进行，处理几分钟到几十分钟。在电解刚开始时，随着时间的延长，纤维表面的极性官能团会随着增加，但继续延长时间，纤维表面的极性官能团的增加趋势变缓，反而会引起纤维损伤，所以合理控制处理时间也是很重要的。国外虽有以电化学氧化法作碳纤维表面处理用于工业化生产的报导(JP 61，174，470和JP58，115，123)，但是具体的工艺和设备均属商业秘密，未见详细报导。本专利技术的目的在于提供一种用电化学氧化法表面处理粘胶基碳布的方法及该方法的专用装置，用该方法和装置处理过的粘胶基碳布与树脂基质之间的粘结力有明显提高。本专利技术提供一种用于复合材料的粘胶基碳布电化学表面处理方法，碳布通过石墨辊连续进入电解槽，在槽中上下穿越若干个浸没在电解液中的石墨阴极后离开电解槽，电解槽中的电解液为酸类，如硫酸、硝酸、磷酸、醋酸，也可以是铵盐类，如醋酸铵、醋酸氢铵、碳酸铵等，电解液的浓度为0.1-5.0摩尔/升，碳布在0.2-20毫安/厘米2的电流密度下处理2-30分钟。本专利技术电解装置包括电解槽9、稳压电源12、传动装置、石墨辊5和电刷6、电解槽9中平行设置的若干个石墨阴极10、通过石墨辊5和塑料导布辊11进入电解槽9的碳布阳极，可以在调速下于电解槽9中连续进行表面电化学处理。碳布经电化学氧化处理后对其各项物理性能均无不良影响，而经向断裂强度获得明显提高，这从表1得到验证。表1 表面处理对碳布物理性能的影响<tables id="table1" num="001"><table align="center">碳布性能未处理处理厚度(毫米)面密度(克／米2)含碳量(％)碱与碱土金属含量(ppM)经向断裂强度(牛顿／25毫米)纬向断裂强度(牛顿／25毫米)1.0136395.9762248.8180.81.07237295.6482462.8188.2</table></tables>碳/酚醛复合材料的力学性能测试结果见表2。经本专利技术电化学氧化处理的碳布与酚醛树脂组成的复合材料(碳/酚醛复合材料)的层间剪切强度可提高20-100%，弯曲强度、拉伸强度、拉伸模量都有不同程度的改进，唯有断裂伸长率下降，但这是碳纤维和树脂基质粘结力提高所带来的必然结果。表2 表面处理对碳/酚醛复合材料力学性能的影响 ＊QSES为航天部第一研究院七0三所的专业标准。经本专利技术电化学氧化处理后的碳/酚醛复合材料的其它有用性能(如烧蚀性能)不受影响。对碳/酚醛复合材料的烧蚀性能的测试条件为时间15秒燃烧室压力1.4MPa距离110mm/105mm角度30°其结果为未处理的碳/酚醛复合材料的烧蚀速率为0.183mm/s;已处理的碳/酚醛复合材料的烧蚀速率为0.189mm/s，实验结果表明，本专利技术的电化学氧化处理方法不影响碳/酚醛复合材料的烧蚀性能。经本专利技术电化学氧化处理后的碳布还可以与环氧树脂组成复合材料。本专利技术装置和一般电解装置相比具有可连续操作、可以根据处理时间调节速度，而且结构简便、成本低廉等优点。附图用于描述本专利技术所提出的主要流程，未处理的碳布4经压辊7、石墨辊5、电刷6、压辊7和主动辊8进入固定在机架3上的电解槽9，在槽中顺着塑料导布辊组11穿越石墨板电极组10，由电气控制箱12提供稳压直流电源，碳布4在电解槽中经电化学氧化表面处理，处理过的碳布13经辊14离开电解槽9，完成处理过程。实施例1以1MHAc溶液为电解质，电流密度为1.8mA/cm2，电解时间为5min。在上述设备上对粘胶基碳布进行电化学氧化处理。所得碳布与酚醛树脂制成复合材料(树脂含固量为60-65，树脂碳布＝1.5∶1(重量比))，按GB1450.1-83法测得层间剪切强度提105%，但弯曲强度、拉伸强度等有明显下降。实施例2以0.5MH2SO4溶液为电解质，电流密度为1.0mA/cm2，电解时间为3min，经处理的碳/酚醛复合材料的层间剪切强度提高71%，拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度有不同程度提高，断裂伸长率降低约30%。实施例3以0.1MH3PO4溶液为电解质，电流密度为1.8mA/cm2，电解时间为5min，经处理的碳/酚醛复合材料的层间剪切强度提高77%。实施例4以1M(NH4)2CO3溶液为电解质，电流密度为1.8mA/cm2，电解时间为5min，经处理的碳/酚醛复合材料的层间剪切强度提高38%。权利要求1.一种用于粘胶基碳布的电化学氧化表面处理的方法。本专利技术的特征在于碳布作为阳极通过石墨辊连续进入电解槽，在槽中上下穿越若干个浸没在电解液中的阴极后离开电解槽，电解槽中的电解液可以为酸类，也可以为铵盐类，电解液的浓度为0.5-5摩尔/升，碳布在0.2-20毫安/厘米2的电流密度下处理2-30分钟。2.按照权利要求1的方法，其特征在于电解液所采用的酸类可以是硫酸、硝酸、磷酸和醋酸，所采用的铵盐类可以是醋酸铵、碳酸氢铵和碳酸铵。3.一种适用于权利要求1的方法的电解装置，包括电解槽9和稳压电源12。本专利技术的特征在于还包括传动装置、石墨辊5和电刷6，电解槽9中平行设置本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于粘胶基碳布的电化学氧化表面处理的方法。本专利技术的特征在于碳布作为阳极通过石墨辊连续进入电解槽，在槽中上下穿越若干个浸没在电解液中的阴极后离开电解槽，电解槽中的电解液可以为酸类，也可以为铵盐类，电解液的浓度为０. ５－５摩尔／升，碳布在０. ２－２０毫安／厘米↑［２］的电流密度下处理２－３０分钟。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：戴瑾瑾，朱泉，吴婵娟，李金龙，王菊生，
申请(专利权)人：中国纺织大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]