一种沥青基石墨碳纤维的表面处理方法与流程

1.本发明属于高分子碳纤维材料技术领域，涉及一种用于沥青基石墨碳纤维表面处理的方法。


背景技术：

2.碳纤维是一种拥有高比模量、优异耐烧蚀性能、高比强度、优良抗疲劳性、低热膨胀系数、强耐腐蚀性的高性能纤维。其众多优点作为先进复合材料的增强体被广泛应用于航空航天、体育器材、风电制造业以及汽车制造业等多个领域。中间相沥青基碳纤维相比聚丙烯腈碳纤维具有更高的模量，比较高的导热性，赋予其独特的应用场景。
3.碳纤维主要作为复合材料的增强体使用，其表面活性直接影响着复合材料界面粘接性能。碳纤维经过碳化或石墨化热处理后，特别是沥青基碳纤维经过石墨化处理后，表面光滑致密，活性点少(碳含量在98％以上)，需要通过表面处理工艺在石墨纤维表面引入一定量的活性官能团，便于提高与树脂基体的结合强度。
4.碳纤维工业上基本使用的表面处理方法是电化学阳极氧化法，其氧化反应缓和，易于控制，处理效果显著。目前，阳极氧化处理主要是针对聚丙烯腈碳纤维(未石墨化)的处理方法，聚丙烯腈碳纤维表面含碳量在90～95％，由于表面具有一定的活性，结合阳极氧化处理效果显著，但由于沥青基石墨化的碳纤维表面的强惰性，碳含量＞99％、表面活化点较少，当干燥的丝束进入电解槽时，不能快速被电解液均匀地润湿，再加上沥青基石墨碳纤维表面具有极强的惰性，造成电化学氧化处理的不理想，通过单一的阳极氧化刻蚀处理后，表面的官能团引入量仍然很少，导致碳纤维与树脂基体复合时界面结合性能较差，因此，提高碳纤维表面处理的活性，对沥青基石墨碳纤维的性能提升具有重要的意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于解决现有技术中的沥青基石墨碳纤维阳极氧化时表面活性不足问题，提供一种碳纤维的表面处理方法，该方法提高了沥青基石墨化碳纤维表面阳极氧化刻蚀的活性，极大提高官能团的数量。
6.为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
7.一种沥青基石墨碳纤维的表面处理方法，该处理方法如下：
8.第一步：制备聚多巴胺水溶液
9.聚多巴胺水溶液的质量浓度为3.0％～6.0％、ph＝8～10、溶液温度为20℃～50℃。
10.第二步：先将沥青基石墨碳纤维丝进行聚多巴胺水溶液浸润表面改性
11.将沥青基石墨碳纤维丝进行聚多巴胺水溶液表面改性，改性方法为浸润，处理时间为60s～180s，烘干温度为110～150℃，烘干时间为60s～120s。
12.第三步：在沥青基石墨化碳纤维表面形成活性氨基表面层
13.聚多巴胺通过粘附的方式形成活性氨基表面层，氨基量通过聚多巴胺水溶液浓度
和浸润时间确定。
14.第四步：进入电解槽进行阳极氧化处理
15.以沥青基石墨碳纤维为阳极，以石墨板为阴极，以质量浓度4.0％～8.0％碳酸氢铵水溶液为电解液进行电化学阳极氧化，施加的电流密度为1ma/cm2～4ma/cm2，电解液温度为30℃～60℃，得到表面处理后的沥青基石墨碳纤维。
16.所说的第一步中聚多巴胺水溶液的优选质量浓度为4.0％，优选ph＝9，优选溶液温度为30℃。
17.所说的第二步中优选处理时间为120s，优选烘干温度为130℃，优选烘干时间为90s。
18.所说的第四步中施加的优选电流密度为3ma/cm2，优选电解液温度为40℃。
19.本发明的有益效果是：(1)首次将具有万能粘附功能的聚多巴胺通过其水溶液粘附的形式固定在沥青基石墨碳纤维的惰性表面，使其表面携带一定量的活性氨基表面层，活性氨基的存在使其石墨碳纤维表面具有更高的活性和更好的浸润性，极大地提高了阳极氧化刻蚀的氧化程度。(2)活性氨基的引入，丰富了沥青基石墨纤维的表面官能团种类，可以与树脂基体发生酰胺化接枝反应，与树脂结合更紧密，赋予其较高的层间剪切强度。(3)活性氨基的引入，沥青基石墨碳纤维的惰性表面转变为活性表面，对阳极氧化有协同促进的作用，氧含量增加效果明显。活性氨基的引入的表面处理方法，简单高效、易操作、对环境无污染、便于工业化应用。
附图说明
20.本发明有1幅附图，亦可做说明书摘要附图。
21.图1.本发明处理方法的流程图。
具体实施方式
22.下面结合附图，对本发明的实施例做进一步的描述：
23.如图1所示，本发明的一种沥青基石墨碳纤维的表面处理方法，该处理方法如下：
24.第一步：制备聚多巴胺水溶液
25.聚多巴胺水溶液的质量浓度为3.0％～6.0％、ph＝8～10、溶液温度为20℃～50℃。
26.第二步：先将沥青基石墨碳纤维丝进行聚多巴胺水溶液浸润表面改性
27.将沥青基石墨碳纤维丝进行聚多巴胺水溶液表面改性，改性方法为浸润，处理时间为60s～180s，烘干温度为110～150℃，烘干时间为60s～120s。
28.第三步：在沥青基石墨化碳纤维表面形成活性氨基表面层
29.聚多巴胺通过粘附的方式形成活性氨基表面层，氨基量通过聚多巴胺水溶液浓度和浸润时间确定。
30.第四步：进入电解槽进行阳极氧化处理
31.以沥青基石墨碳纤维为阳极，以石墨板为阴极，以质量浓度4.0％～8.0％碳酸氢铵水溶液为电解液进行电化学阳极氧化，施加的电流密度为1ma/cm2～4ma/cm2，电解液温度为30℃～60℃，得到表面处理后的沥青基石墨碳纤维。
32.实施例1
33.首先采用浸润的方法使沥青基石墨碳纤维经过质量浓度为3.0％的聚多巴胺水溶液、ph＝8、溶液温度为20℃，处理时间为60s，烘干温度为150℃，烘干时间为120s，接着石墨化碳纤维经过浓度4.0％碳酸氢铵水溶液进行电化学阳极氧化，施加的电流密度为1ma/cm2，电解液温度为60℃，得到表面处理后的沥青基石墨碳纤维。
34.采用thermo vg escalab250型x光电子能谱仪分析其表面化学成分的变化情况；表面处理后的沥青基石墨碳纤维进行层间剪切强度测试，按照gb3357
‑
82方法得到测试样品。根据gb30969
‑
2014《聚合物基复合材料短梁剪切强度的试验方法》的操作方法测试，采用instron
‑
1121型万能材料实验机测试其层间剪切强度，记录数据。
35.实施例2
36.首先采用浸润的方法使沥青基石墨碳纤维经过质量浓度为3.0％的聚多巴胺水溶液、ph＝8、溶液温度为20℃处理时间为180s，烘干温度为150℃，烘干时间为120s，接着石墨化碳纤维经过浓度4.0％碳酸氢铵水溶液进行电化学阳极氧化，施加的电流密度为1ma/cm2，电解液温度为60℃，得到表面处理后的沥青基石墨碳纤维。测试方法同实施例1。
37.实施例3
38.首先采用浸润的方法使沥青基石墨碳纤维经过质量浓度为6.0％的聚多巴胺水溶液、ph＝10、溶液温度为50℃处理时间为60s，烘干温度为110℃，烘干时间为60s，接着石墨化碳纤维经过浓度8.0％碳酸氢铵水溶液进行电化学阳极氧化，施加的电流密度为4ma/cm2，电解液温度为30℃，得到表面处理后的沥青基石墨碳纤维。测试方法同实施例1。
39.实施例4
40.首先采用浸润的方法使沥青基石墨碳纤维经过质量浓度为6.0％的聚多巴胺水溶液、ph＝10、溶液温度为50℃处理时间为180s，烘干温度为110℃，烘干时间为60s，接着石墨化碳纤维经过浓度8.0％碳酸氢铵水溶液进行电化学阳极氧化，施加的电流密度为4ma/cm2，电解液温度为30℃，得到表面处理后的沥青基石墨碳纤维。测试方法同实施例1。
41.实施例5
42.首先采用浸润的方法使沥青基石墨碳纤维经过质量浓度为4.0％的聚多巴胺水溶液、ph＝9、溶液温度为30℃处理时间为120s，烘干温度为130℃，烘干时间为90s，接着石墨化碳纤维经过浓度6.0％碳酸氢铵水溶液进行电化学阳极氧化，施加的电流密度为3ma/cm2，电解液温度为40℃，得到表面处理后的沥青基石墨碳纤维。测试方法同实施例1。
43.比较例1
44.首先采用浸润的方法使沥青基石墨碳纤维经过质量浓度为6.0％的聚多巴胺水溶液、ph＝10、溶液温度为30℃处理时间为180s，烘干温度为130℃，烘干时间为60s，得到表面处理后的沥青基石墨碳纤维。测试方法同实施例1。
45.比较例2
46.石墨化碳纤维经过浓度8.0％碳酸氢铵水溶液进行电化学阳极氧化，施加的电流密度为4ma/cm2，电解液温度为40℃，得到表面处理后的沥青基石墨碳纤维。测试方法同实施例1。
47.比较例3
48.未表面处理的沥青基石墨碳纤维。测试方法同实施例1。
49.测试数据见表1：
50.表1元素含量及层间剪切强度统计表
[0051][0052]
通过实施例1、2、3、4、5与对比例1、2、3的比较可发现，在阳极氧化之前进行聚多巴胺水溶液表面改性处理，相比较例2和比较例3样品层间剪切强度明显提高；比较例1样品处理后其氧(o)含量仅为0.959，而比较例2样品处理后其o含量为1.562；但是通过聚多巴胺水溶液表面改性处理，然后阳极氧化的方法，实施例中o氧含量最少也在3.257及以上(大于比较例1和比较例2的o氧含量总和)，这是由于沥青基石墨纤维表面活性氨基的引入，其表面活性大大增强，通过阳极氧化的时候，表面活性氨基的引入有协同促进的作用，其氧化程度得到加强，有利于提高含氧官能团的数量。
[0053]
本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。