碳纤维织物的臭氧氧化表面绿色高效改性及树脂复合材料制造技术

本发明专利技术涉及碳纤维改性技术领域，尤其涉及一种碳纤维织物的臭氧氧化表面绿色高效改性方法及其树脂复合材料。本发明专利技术将碳纤维织物平铺至风冷型臭氧发生设备的处理槽中，将臭氧发生器产生的臭氧气体通过连接管路导入到处理槽中，对预热后的碳纤维织物在一定温度下进行表面氧化处理一定时间，则获得臭氧氧化表面改性的碳纤维织物。本发明专利技术利用臭氧进行氧化处理，能够活化碳纤维织物的表面，改善碳纤维织物的表面浸润性，进而能够使碳纤维织物与树脂基体间的界面相互作用得以改善。本发明专利技术在不除去碳纤维织物表面商用上浆剂的情况下直接对其进行表面氧化改性，在不损害碳纤维织物自身性能的前提下增加其与树脂基体之间的界面结合性能。合性能。合性能。

【技术实现步骤摘要】
碳纤维织物的臭氧氧化表面绿色高效改性及树脂复合材料


[0001]本专利技术涉及碳纤维改性
，尤其涉及一种碳纤维织物的臭氧氧化表面绿色高效改性方法及其树脂复合材料。

技术介绍

[0002]碳纤维是一种新型纤维状碳材料，含碳量在90％以上，因具有耐高温、耐腐蚀、热膨胀系数小、尺寸稳定性好、比强度高、比模量优等性能而被广泛研究与开发。但是，碳纤维很少单独使用，通常作为增强体来制备碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon Fiber
‑
reinforced Polymer，CFRP)。
[0003]CFRP具有重量轻、易成型、可设计性强和力学性能优异等特点，被认为是最具发展潜力的结构材料之一，也是目前世界各国竞相发展的技术高地。CFRC虽然具有一系列优异的性能，但也存在一些不可规避的问题，其中最典型的是，作为一种各向异性材料，碳纤维复合材料的优异性能主要集中在纤维的轴向，在层间和横向并无纤维加强作用，导致制备的复合材料的层间剪切强度和横向拉伸强度较低。造成这一现象的原因主要在于：经过预氧化和高温碳化后，碳纤维表面呈现乱层石墨结构，活性官能团较少、表面能低、惰性大、表面光滑，导致其与树脂基体很难实现良好的浸润和结合，最终导致不能充分发挥碳纤维对复合材料的增强作用。
[0004]为提升碳纤维与树脂基体之间的界面相互作用，人们开展了大量的表面改性研究，以提高复合材料的力学性能。表面氧化改性通过使碳纤维表面粗化、活化等，增加其表面的活性基团数量和粗糙度，从而提高碳纤维与树脂间的界面结合强度。气相氧化法是将碳纤维在氧化性气体，如空气、二氧化碳、氧气、臭氧和水蒸汽氛围中，采用催化条件或高温高压，使其表面产生活性基团，如羧基、羟基等，从而提升碳纤维表面的极性，进而提高碳纤维和树脂的分子间作用力、化学键和氢键相互作用，最终有效提高复合材料的界面粘接强度。在各种氧化处理方法中，气相氧化法不需要后续的清洗以及干燥步骤，被认为是一种潜在的可用于工业生产的氧化方法。碳纤维表面气相氧化处理具有操作简单、易实施等优势，但会对碳纤维造成一定的损伤，进而会对碳纤维/树脂复合材料的强度造成一定程度的影响。此外，目前，尚未有对碳纤维织物整体进行表面气相氧化处理的报道。对碳纤维织物直接进行表面氧化，可以减少碳纤维丝束编织成碳纤维织物过程中的成本和生产预算，提高碳纤维改性的效率，为纤维树脂基复合材料的工业化制备提供便利。

技术实现思路

[0005]本专利技术为了解决目前碳纤维表面气相氧化处理会对碳纤维造成一定的损伤进而对碳纤维/树脂复合材料的强度造成一定程度的影响的问题，提供了一种碳纤维织物的臭氧氧化表面绿色高效改性方法及其树脂复合材料。
[0006]本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种碳纤维织物的臭氧氧化表面绿色高效改性方法，将碳纤维织物平铺至风冷型臭氧发生设备的处理槽中，预热至一定温度后，开启臭
氧发生器并将臭氧发生器产生的臭氧气体通过连接管路导入到处理槽中，对预热后的碳纤维织物在一定温度下进行表面氧化处理一定时间，则获得臭氧氧化表面改性的碳纤维织物，其表面的O/C比未经臭氧氧化表面改性的碳纤维织物提升10％～100％，表面能提升10％～40％。。
[0007]作为本专利技术技术方案的进一步改进，所述臭氧发生器的功率为200W
‑
800W，输入电压为220V，臭氧出口浓度为500ppm
‑
2000ppm，臭氧产生量为10
‑
40g/h，以空气为气源。
[0008]作为本专利技术技术方案的进一步改进，所述预热温度为30
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100℃，所述表面氧化处理温度为30
‑
120℃，表面氧化处理时间为1
‑
60min。
[0009]本专利技术进一步提供了一种臭氧表面氧化改性碳纤维织物的树脂复合材料的制备方法，包括如下步骤：
[0010](1)配制树脂胶液，然后将上述制备方法制备获得的臭氧氧化表面改性的碳纤维织物放置在所配制的树脂胶液中；
[0011](2)将步骤(1)得到的浸透树脂胶液的碳纤维织物铺层于模具上，至所需厚度后模压成型，则得到臭氧表面氧化改性碳纤维织物的树脂复合材料。
[0012]作为本专利技术制备方法技术方案的进一步改进，所述臭氧氧化表面改性的碳纤维织物占树脂复合材料总体积的62～68％。
[0013]作为本专利技术制备方法技术方案的进一步改进，所述树脂胶液的树脂包括热塑性树脂或者热固性树脂。
[0014]作为本专利技术制备方法技术方案的进一步改进，所述热塑性树脂为聚缩醛、聚酰胺、聚酯、丙烯酸树脂、氟树脂或者聚氯乙稀树脂。
[0015]作为本专利技术制备方法技术方案的进一步改进，所述热固性树脂为环氧树脂、酚醛树脂或聚酰亚胺树脂。
[0016]作为本专利技术制备方法技术方案的进一步改进，所述臭氧表面氧化改性碳纤维织物的树脂复合材料的层间剪切强度比未臭氧表面氧化改性的碳纤维织物的树脂复合材料提升10％～30％。
[0017]相比于现有技术本专利技术具有以下优势：
[0018](1)本专利技术利用臭氧进行氧化处理，能够活化碳纤维织物的表面，改善碳纤维织物的表面浸润性，进而能够使碳纤维织物与树脂基体间的界面相互作用得以改善。
[0019](2)本专利技术通过臭氧发生设备的功率调节臭氧浓度，进而控制碳纤维织物的臭氧氧化过程；通过温度调控臭氧分解速率，进而实现含氧官能团的引入；通过时间控制碳纤维织物的氧化进程，进而实现对碳纤维织物及其树脂复合材料力学性能调控。
[0020](3)本专利技术工艺简单、高效、环保、经济。
[0021](4)目前，碳纤维织物的表面处理工艺均需先进行除胶处理，以先除去碳纤维表面的上浆剂，这一过程不利于碳纤维织物的工业化应用，并且除胶过程以及对纤维本体进行氧化处理过程都可能破坏碳纤维本身的结构，进而降低碳纤维织物的强度。尤其是，除胶工序需要使用大量的有机溶剂，不仅显著提高成本、大幅延长生产周期，而且恶化生产环境，使用后的有机溶剂的处理和排放均会对造成严重的环境负担。本专利技术在不除去碳纤维织物表面商用上浆剂的情况下直接对其进行表面氧化改性，在提升其表面活性基团数量的同时增加其表面的粗糙度，在不损害碳纤维织物自身性能的前提下增加其与树脂基体之间的界
面结合性能。
[0022](5)目前，大部分碳纤维改性的研究主要针对的是碳纤维丝或碳纤维束，不利于碳纤维的产业化推广与应用。本专利技术直接对碳纤维织物进行表面氧化改性，对于推进碳纤维的工业化应用具有重要意义。
附图说明
[0023]此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本专利技术的实施例，并与说明书一起用于解释本专利技术的原理。
[0024]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维织物的臭氧氧化表面绿色高效改性方法，其特征在于，将碳纤维织物平铺至风冷型臭氧发生设备的处理槽中，预热至一定温度后，开启臭氧发生器并将臭氧发生器产生的臭氧气体通过连接管路导入到处理槽中，对预热后的碳纤维织物在一定温度下进行表面氧化处理一定时间，则获得臭氧氧化表面改性的碳纤维织物， 其表面的O/C比未经臭氧氧化表面改性的碳纤维织物提升10 %~100 %，表面能提升10 %~40 %。2.根据权利要求1所述的一种碳纤维织物的臭氧氧化表面绿色高效改性方法，其特征在于，所述臭氧发生器的功率为200 W
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800 W，输入电压为220 V，臭氧出口浓度为500 ppm
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2000 ppm，臭氧产生量为10
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40 g/h，以空气为气源。3.根据权利要求1所述的一种碳纤维织物的臭氧氧化表面绿色高效改性方法，其特征在于，所述预热温度为30
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100 ℃，所述表面氧化处理温度为30
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120 ℃，表面氧化处理时间为1
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60 min。4.一种臭氧表面氧化改性碳纤维织物的树脂复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘亚青，张淏，武朝阳，陈启晖，赵贵哲，
申请(专利权)人：山西中北新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：