碳纤维织物的电化学氧化表面绿色高效改性方法及其树脂基复合材料技术

本发明专利技术涉及碳纤维技术领域，具体是一种碳纤维织物的电化学氧化表面绿色高效改性方法及其树脂基复合材料，将未经处理的商用碳纤维织物作为电化学氧化的阳极，石墨板作为阴极，碳酸氢铵水溶液作为电解液，在直流电源的恒电压下对碳纤维织物进行氧化处理，得到电化学表面氧化改性的碳纤维织物。以未经处理的商用碳纤维织物作为阳极，可使氧化过程中仅有部分上浆剂被刻蚀，而剩余的上浆剂在后续的电化学氧化过程中会对碳纤维织物本体起到一定的保护作用，从而在不损失碳纤维织物本身力学性能的同时，使碳纤维织物表面的粗糙度和极性官能团的数量增加。本发明专利技术制备方法简单，成本低，工艺稳定好且便捷，便于大规模生产。便于大规模生产。便于大规模生产。

【技术实现步骤摘要】
碳纤维织物的电化学氧化表面绿色高效改性方法及其树脂基复合材料


[0001]本专利技术涉及碳纤维
，具体是一种碳纤维织物的电化学氧化表面绿色高效改性方法及其树脂基复合材料。

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。CFRP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。近些年来相继报道了液相氧化、电化学阳极氧化、等离子体处理、化学接枝等多种处理方法对碳纤维进行表面改性。其中，电化学阳极氧化因具有适合连续生产、方便快捷、电流和工艺以及电解液体系等参数易于控制等优点，成为目前工业生产技术中最成熟的碳纤维表面处理方法。但目前，碳纤维电化学氧化处理主要针对的是纤维丝或纤维束，并且通常为未上浆或去除上浆剂后的碳纤维丝和碳纤维束，因此，氧化过程中会过度刻蚀碳纤维表面，导致碳纤维表面产生大量缺陷，破坏纤维本身的结构，从而降低碳纤维的强度。目前，尚未有对碳纤维织物整体进行电化学氧化的报道。对碳纤维织物直接进行电化学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]本专利技术为了避免碳纤维氧化过程中过度刻蚀碳纤维表面所导致的碳纤维表面产生大量缺陷以及破坏纤维本身的结构，提供了一种碳纤维织物的电化学氧化表面绿色高效改性方法及其树脂基复合材料。
[0006]本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种碳纤维织物的电化学氧化表面绿色高效
改性方法，包括以下步骤：
[0007](1)将未经处理的碳纤维织物裁剪成所需大小；
[0008](2)称取一定质量的碳酸氢铵粉末，加入到去离子水中，充分溶解后得到具有一定碳酸氢铵浓度的水溶液，制得电解液；
[0009](3)将步骤(1)裁剪好的碳纤维织物作为电化学氧化的阳极，石墨板作为阴极，浸入到步骤(2)制备的电解液中；
[0010](4)室温下采用直流电源的恒电压模式，一定电压下对碳纤维织物电化学氧化处理一定时间；
[0011](5)将处理后的碳纤维织物用去离子水洗涤至中性，然后烘干至恒重，得到电化学表面氧化处理的碳纤维织物，其表面的O/C比未经电化学表面氧化处理的碳纤维织物提升1％～17％，N/C比提升78％～184％，表面能提升7％～53％。
[0012]作为本专利技术改性方法技术方案的进一步改进，所述碳纤维织物为单向布、双轴布或编织布的连续碳纤维织物。
[0013]作为本专利技术改性方法技术方案的进一步改进，在步骤(2)中，所述电解液中的碳酸氢铵的浓度为2
‑
5wt％。
[0014]作为本专利技术改性方法技术方案的进一步改进，在步骤(4)中，所述恒电压模式中电压为5
‑
10V，电化学氧化处理时间为100s～1000s。
[0015]本专利技术进一步提供了一种电化学表面氧化改性碳纤维织物的树脂复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0016]①
配制树脂胶液，然后将上述方法制备获得的电化学表面氧化处理的碳纤维织物放置在所配制的树脂胶液中；
[0017]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，则得到电化学表面氧化改性碳纤维织物的树脂复合材料。
[0018]作为本专利技术树脂复合材料的制备方法的技术方案的进一步改进，所述树脂胶液中的树脂为热塑性树脂或者热固性树脂。
[0019]作为本专利技术树脂复合材料的制备方法的技术方案的进一步改进，所述热塑性树脂为聚酰胺、聚醚醚酮或聚苯硫醚。
[0020]作为本专利技术树脂复合材料的制备方法的技术方案的进一步改进，所述热塑性树脂模压成型的工艺为：10MPa且一定温度下热压30min后冷压至常温后脱模。
[0021]作为本专利技术树脂复合材料的制备方法的技术方案的进一步改进，所述热固性树脂为环氧树脂、乙烯基树脂或氰酸酯树脂。
[0022]作为本专利技术树脂复合材料的制备方法的技术方案的进一步改进，经电化学氧化处理后，树脂复合材料的层间剪切强度提升10％～27％。
[0023]与现有技术相比本专利技术具有以下有益效果：
[0024](1)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，并且在除胶过程以及对碳纤维本体进行氧化处理过程中都会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。
[0025](2)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。
[0026](3)本专利技术的碳纤维织物无需后续处理就可以直接用于树脂基复合材料的制备，并且重复性较好、性能稳定性较高。
[0027](4)本专利技术的电解液具有绿色环保、成本低的优势；此外，电化学改性过程方便快捷，便于大规模生产。
附图说明
[0028]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。
[0029]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电化学氧化表面绿色高效改性方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）将未经处理的碳纤维织物裁剪成所需大小；（2）称取一定质量的碳酸氢铵粉末，加入到去离子水中，充分溶解后得到具有一定碳酸氢铵浓度的水溶液，制得电解液；（3）将步骤（1）裁剪好的碳纤维织物作为电化学氧化的阳极，石墨板作为阴极，浸入到步骤（2）制备的电解液中；（4）室温下采用直流电源的恒电压模式，一定电压下对碳纤维织物电化学氧化处理一定时间；（5）将处理后的碳纤维织物用去离子水洗涤至中性，然后烘干至恒重，得到电化学表面氧化处理的碳纤维织物，其表面的O/C比未经电化学表面氧化处理的碳纤维织物提升1% ~ 17 %，N/C比提升78 % ~ 184 %，表面能提升7% ~53%。2.根据权利要求1所述的一种碳纤维织物的电化学氧化表面绿色高效改性方法，其特征在于，所述碳纤维织物为单向布、双轴布或编织布的连续碳纤维织物。3.根据权利要求1所述的一种碳纤维织物的电化学氧化表面绿色高效改性方法，其特征在于，在步骤（2）中，所述电解液中的碳酸氢铵的浓度为2
‑
5 wt%。4.根据权利要求1所述的一种碳纤维织物的电化学氧化表面绿色高效改性方法，其特征在于，在步骤（4）中，所述恒电压模式中电压为5
‑
10 V，电化学氧化处理时间为100 s ~ 1000 s。5.一种电化学...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘亚青，杜晓梅，武朝阳，赵贵哲，柳学义，
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：