一种碳纤维表面连续改性的工业化方法技术

本发明专利技术涉及一种碳纤维表面连续改性的工业化方法，解决了现有使用氮化碳改性碳纤维研发应用技术领域空白的技术问题，本发明专利技术提供一种碳纤维表面连续改性的工业化方法，其包括如下步骤：(1)碳纤维预处理：将未包覆上浆剂的碳纤维原丝浸渍在含有组分A的水溶液，随后烘干，得到预处理碳纤维；组分A由单氰胺、双氰氨、三聚氰胺、尿素或硫脲中的一种或几种组成；(2)碳纤维表面原位生成氮化碳增强体：将步骤(1)得到的预处理碳纤维通过含有组分B的流化床，在碳纤维表面原位生成氮化碳增强体；组分B由三聚氰胺、尿素或硫脲中的一种或几种组成，本发明专利技术可广泛应用于高性能复合材料制备领域。

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维表面连续改性的工业化方法
本专利技术涉及高性能复合材料制备领域，具体涉及一种碳纤维表面连续改性的工业化方法。
技术介绍
碳纤维(CarbonFiber)是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量的纤维材料，其具有元素碳的诸多优良性能：如比重小、耐热性好、热膨胀系数小、导热系数大、耐腐蚀性和导电性良好等。同时，又具有纤维般的柔曲性，可进行编织加工和缠绕成型。碳纤维最优良的性能是比强度高和比模量高，是树脂基复合材料理想的增强体。碳纤维增强环氧树脂基复合材料被广泛应用于航空航天、国防武器装备、体育运动器材和交通运输领域，可显著减轻重量，提高有效载荷，改善整体性能，是优异的结构材料。但碳纤维也具有固有缺点：表面光滑并缺少反应活性基团，导致其与环氧树脂浸润性差，两者间界面结合力弱，严重限制了碳纤维增强环氧树脂基复合材料的进一步应用。为解决碳纤维与环氧树脂基体间界面结合差的技术问题，界面工程领域的科研工作者开发了多种碳纤维表面改性技术，包括：表面涂覆法(CN102312377A)、湿化学氧化法(CN102021678A)、气相沉积法(CN104532548A)、等离子体处理(CN103696228A)、化学接枝法(CN105063999A)、电化学氧化处理(CN104178790A)、高能射线辐射处理(CN105887463A)和表面纳米粒子接枝改性法(CN105690802A)等。其中，表面纳米粒子接枝改性法能通过增加碳纤维与环氧树脂间的机械锁合面积和化学键合作用，增强纤维与基体间的界面结合，显著提高复合材料整体性能。常用的碳纤维表面纳米增强材料有二氧化硅、二氧化钛、氧化锌等，目前还未发现有关于使用氮化碳改性碳纤维的相关报道，本专利技术填补了使用氮化碳改性碳纤维研发应用
的空白。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术的不足，提供一种碳纤维表面连续改性的工业化方法，通过在碳纤维表面原位生成氮化碳增强体提高碳纤维复合材料界面性能。本专利技术解决技术问题所采用的技术方案是：本专利技术提供一种碳纤维表面连续改性的工业化方法，其包括如下步骤：(1)碳纤维预处理将未包覆上浆剂的碳纤维原丝浸渍在含有组分A的水溶液，随后烘干，得到预处理碳纤维；组分A由单氰胺、双氰氨、三聚氰胺、尿素或硫脲中的一种或几种组成；(2)碳纤维表面原位生成氮化碳增强体将步骤(1)得到的预处理碳纤维通过含有组分B的流化床，在碳纤维表面原位生成氮化碳增强体；组分B由三聚氰胺、尿素或硫脲中的一种或几种组成。优选的，步骤(1)中的单氰胺质量浓度为0～775g/L；双氰氨质量浓度为0～60g/L；三聚氰胺质量浓度为0～10g/L；尿素质量浓度为0～1100g/L，硫脲质量浓度为0～150g/L。优选的，步骤(1)中的水溶液为组分A的饱和水溶液。优选的，步骤(1)中的水溶液温度为20～50℃。优选的，步骤(1)中的烘干温度为300～1000℃。优选的，步骤(1)中的水溶液浸渍时间为10～90s。优选的，步骤(2)中的三聚氰胺质量浓度为0～1g/cm3；尿素质量浓度为0～1.1g/cm3；硫脲质量浓度为0～1.2g/cm3。优选的，步骤(2)中的流化床内温度为450～650℃。优选的，步骤(2)中的预处理碳纤维在硫化床内部停留时间为30～120s。优选的，步骤(1)中的将未包覆上浆剂的碳纤维原丝浸渍在含有组分A的水溶液超声处理，随后烘干，得到预处理碳纤维。本专利技术的有益效果：本专利技术提供一种碳纤维表面连续改性的工业化方法，在碳纤维表面原位形成氮化碳增强体，实现结构可控、分布均匀、负载量可控，增加了碳纤维表面积和表面活性基团数量，调控并优化碳纤维比表面积和表面反应活性，改善其与环氧树脂间的浸润性及界面结合，解决了碳纤维增强环氧树脂复合材料中碳纤维与环氧树脂基体间的界面结合差的技术问题，提升了碳纤维增强环氧树脂复合材料整体性能，填补了使用氮化碳改性碳纤维技术研发应用
的空白。附图说明图1是碳纤维表面原位生成氮化碳的结构示意图；图2是碳纤维表面原位生成氮化碳的反应机理图；图3是碳纤维表面原位生成氮化碳的工业连续化流程示意图。标号说明：1.碳纤维；2.碳纤维预处理池；3.管式干燥炉；4.流化床；5.导辊。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明，以助于理解本专利技术的内容。本专利技术中所使用的方法如无特殊规定，均为常规的方法；所使用的原料和装置，如无特殊规定，均为常规的市售产品。实施例1本专利技术提供一种碳纤维表面连续改性的工业化方法，其包括如下步骤：(1)碳纤维预处理将未包覆上浆剂的碳纤维原丝浸渍在含有组分A的水溶液超声处理，随后烘干，得到预处理碳纤维。其中，组分A为单氰胺，其在水溶液的质量浓度为775g/L；水溶液温度为20℃；烘干温度为300℃，烘干时间65s；水溶液浸渍时间为20s。(2)碳纤维表面原位生成氮化碳增强体将步骤(1)得到的预处理碳纤维通过含有组分B的流化床，在碳纤维表面原位生成氮化碳增强体。其中，组分B为三聚氰胺，其质量浓度为1g/cm3；流化床内温度为650℃；预处理碳纤维在硫化床内部停留时间为30s。经检测，实施例1在碳纤维表面原位生成的氮化碳增强体，界面剪切强度为71.2MPa，层间剪切强度为84.9MPa，界面剪切强度提高率为80.25％，满足产品使用要求。实施例2本专利技术提供一种碳纤维表面连续改性的工业化方法，其包括如下步骤：(1)碳纤维预处理将未包覆上浆剂的碳纤维原丝浸渍在含有组分A的水溶液超声处理，随后烘干，得到预处理碳纤维。其中，组分A为双氰氨，其在水溶液的质量浓度为60g/L；水溶液温度为40℃；烘干温度为700℃，烘干时间30s；水溶液浸渍时间为30s。(2)碳纤维表面原位生成氮化碳增强体将步骤(1)得到的预处理碳纤维通过含有组分B的流化床，在碳纤维表面原位生成氮化碳增强体。其中，组分B为尿素，其质量浓度为1.1g/cm3；流化床内温度为475℃；预处理碳纤维在硫化床内部停留时间为110s。经检测，实施例2在碳纤维表面原位生成的氮化碳增强体，界面剪切强度为78.7MPa，层间剪切强度为87.5MPa，界面剪切强度提高率为99.20％，满足产品使用要求。实施例3本专利技术提供一种碳纤维表面连续改性的工业化方法，其包括如下步骤：(1)碳纤维预处理将未包覆上浆剂的碳纤维原丝浸渍在含有组分A的水溶液超声处理，随后烘干，得到预处理碳纤维。其中，组分A为三聚氰胺，其在水溶液的质量浓度为10g/L；水溶液温度为35℃；烘干温度为500℃，烘干时间40s；水溶液浸渍时间为60s。(2)碳纤维表面原位生成氮化碳增强体将步骤(1)得到的预处理碳纤维通过含有组分B的流化床，在碳纤维表面原位生成氮化碳增强体。其中，组分B为硫脲，其质量浓度为1.2g/cm3；流化床内温度为550℃；预处理碳纤维在硫化床内部停留时间为100s。经检测，实施例3在碳纤维表面原位生成的氮化碳增强体，界面剪切强度为69.3MPa，层间剪切强度为85.1MPa，界面剪切强度提高率为75.44％，满足产品使用要求。实施例4本专利技术提供一种碳纤维表面连续改性的工业化方法，其包括如下步骤：(1)碳纤维预处理将未包覆上浆剂的碳纤维原丝浸渍在含有组分A的水溶液超声处理，随后本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纤维表面连续改性的工业化方法，其特征在于，其包括如下步骤：(1)碳纤维预处理将未包覆上浆剂的碳纤维原丝浸渍在含有组分A的水溶液，随后烘干，得到预处理碳纤维；所述组分A由单氰胺、双氰氨、三聚氰胺、尿素或硫脲中的一种或几种组成；(2)碳纤维表面原位生成氮化碳增强体将所述步骤(1)得到的预处理碳纤维通过含有组分B的流化床，在碳纤维表面原位生成氮化碳增强体；所述组分B由三聚氰胺、尿素或硫脲中的一种或几种组成。

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维表面连续改性的工业化方法，其特征在于，其包括如下步骤：(1)碳纤维预处理将未包覆上浆剂的碳纤维原丝浸渍在含有组分A的水溶液，随后烘干，得到预处理碳纤维；所述组分A由单氰胺、双氰氨、三聚氰胺、尿素或硫脲中的一种或几种组成；(2)碳纤维表面原位生成氮化碳增强体将所述步骤(1)得到的预处理碳纤维通过含有组分B的流化床，在碳纤维表面原位生成氮化碳增强体；所述组分B由三聚氰胺、尿素或硫脲中的一种或几种组成。2.根据权利要求1所述的一种碳纤维表面连续改性的工业化方法，其特征在于，所述步骤(1)中的所述单氰胺质量浓度为0～775g/L；所述双氰氨质量浓度为0～60g/L；所述三聚氰胺质量浓度为0～10g/L；所述尿素质量浓度为0～1100g/L，所述硫脲质量浓度为0～150g/L。3.根据权利要求2所述的一种碳纤维表面连续改性的工业化方法，其特征在于，所述步骤(1)中的所述水溶液为所述组分A的饱和水溶液。4.根据权利要求3所述的一种碳纤维表面连续改性的工业化方法，其特征在于，所述步骤(1)中的所述水溶...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋波，王侹挺，戚桂铭，王丽，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37