一种碳纤维的预处理工艺的制作方法

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1.本发明涉及碳纤维材料技术领域，具体涉及一种碳纤维的预处理工艺。


背景技术：

2.碳纤维具有强度大、质量轻、抗高温、耐腐蚀、电热转化率高的优良特性，又兼备纺织纤维的柔软及可加工性，碳纤维及其织物已成为国民经济和国防建设不可或缺的战略性新材料。我国碳纤维织物的消费量与日俱增，市场需求旺盛，随着下游需求日益增长，碳纤维行业产能将持续扩大。碳纤维具有优异的导电性和导热性，且介电损耗强、阻抗可调，是制备高性能电致发热织物和电磁屏蔽织物的理想原料，在民用和军事领域均拥有广泛的用途。
3.然而，碳纤维的电阻温度系数较低，难以实现温度的自适应调节；同时碳纤维的电磁反射率高，容易造成环境的二次电磁辐射伤害，另外磁导率低，吸收频带窄。进一步解决碳纤维的本体结构缺陷，提升电致发热和电磁屏蔽织物的整体性能，对促进我国电致发热和电磁屏蔽领域的产品升级、技术进步及行业结构调整起到关键作用。
4.发明人采用电镀法在碳纤维表面镀覆正温度系数(ptc)金属材料进行功能改性，但是未经脱胶处理的碳纤维织物在镀覆金属膜时，易出现“夹心”现象，难以形成金属ptc材料和碳纤维织物的有效复合，从而影响碳纤维基纺织品的综合性能。并且，碳纤维具有表面粗糙度低、不具有催化活性、无法形成均匀催化结晶中心等问题，造成其在镀覆金属颗粒过程中负载不牢固、均匀性差等缺陷。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于提供一种碳纤维的预处理工艺，通过预处理来改变碳纤维的表面微观结构和催化活性，以便通过电镀法在碳纤维表面镀覆正温度系数的金属材料，并且提高金属镀层与碳纤维之间的结合力，保证金属镀层的均匀性。
6.本发明所要解决的技术问题采用以下的技术方案来实现：
7.一种碳纤维的预处理工艺，包括以下步骤：
8.(1)除胶：使用丙酮浸泡碳纤维织物以去除表面浆料，取出后用去离子水清洗，干燥，高温煅烧，得到表面形貌光滑的碳纤维织物；
9.(2)粗化：将除胶后的碳纤维织物浸入到浓硫酸中进行粗化处理，取出后用去离子水清洗，干燥；
10.(3)敏化：将粗化处理后的碳纤维织物浸入到包含氯化亚锡和盐酸的敏化液中进行敏化处理，取出后用去离子水清洗，干燥；
11.(4)活化：将敏化处理后的碳纤维织物浸入到包含氯化钯、n
‑
羟甲基甘氨酸钠和盐酸的活化液中进行活化处理，取出后用去离子水清洗，干燥，以备电镀处理。
12.所述除胶处理的时间为24
‑
48h。
13.所述高温煅烧的温度为400
‑
500℃，时间为10
‑
30min。通过高温煅烧来除去残留在
碳纤维表面的有机物，优化除胶效果。
14.所述浓硫酸的浓度为1
‑
2mol/l。
15.所述粗化处理的时间为1
‑
2h。
16.所述敏化液中氯化亚锡的浓度为5
‑
20g/l，盐酸的浓度为20
‑
40g/l。
17.所述敏化处理的时间为10
‑
30min。
18.所述活化液中氯化钯的浓度为0.2
‑
1g/l，n
‑
羟甲基甘氨酸钠的浓度为1
‑
5g/l，盐酸的浓度为10
‑
30g/l。
19.所述活化处理的时间为10
‑
30min。
20.由于碳纤维表面不具备催化活性，因此需要在碳纤维表面吸附一层易氧化物质，以便在活化时将活化剂还原为具有催化活性的金属原子，因此需要对碳纤维进行敏化和活化处理。
21.本领域通常采用氯化钯作为活化剂，但由于贵金属钯的成本较高，并且产生的废液会对环境造成严重污染，因此本发明通过添加n
‑
羟甲基甘氨酸钠来减少氯化钯的用量，n
‑
羟甲基甘氨酸钠作为氯化钯的载体，促进钯单质在碳纤维表面的形成，提高碳纤维表面钯单质的负载量，从而增强催化活性。
22.通过粗化处理来改变碳纤维表面的微观结构，形成适当的粗糙度，改善碳纤维表面的亲水性，增大碳纤维与金属镀层的接触面积，从而提高金属镀层在碳纤维表面的附着力；在进行敏化处理时，碳纤维表面吸附的氯化亚锡与水反应生成碱式氯化亚锡；在进行活化处理时，碳纤维表面的碱式氯化亚锡会将活化液中的氯化钯还原为钯单质并留在碳纤维表面形成催化中心，提高碳纤维的表面活性，从而保证金属镀层的附着牢固性和均匀性。
23.本发明的有益效果是：本发明通过对活化工序进行改进以减少氯化钯的用量，降低贵金属钯的成本，减轻废液的环境污染性；同时提高碳纤维表面钯单质的负载量，在碳纤维表面形成附着力强、催化活性高的催化中心，从而有利于后续电镀工作的进行；并且可以不需化学镀而直接电镀，减少工序，降低加工成本。
具体实施方式：
24.为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
25.实施例1
26.(1)除胶：使用丙酮浸泡碳纤维织物以去除表面浆料，48h取出后用去离子水清洗，干燥，并在400℃下高温煅烧15min，得到表面形貌光滑的碳纤维织物。
27.(2)粗化：将除胶后的碳纤维织物浸入到浓硫酸中进行粗化处理1h，浓硫酸的浓度为2mol/l，取出后用去离子水清洗，干燥。
28.(3)敏化：将粗化处理后的碳纤维织物浸入到包含氯化亚锡和盐酸的敏化液中进行敏化处理20min，氯化亚锡的浓度为10g/l，盐酸的浓度为35g/l，取出后用去离子水清洗，干燥。
29.(4)活化：将敏化处理后的碳纤维织物浸入到包含氯化钯、n
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羟甲基甘氨酸钠和盐酸的活化液中进行活化处理20min，氯化钯的浓度为1g/l，n
‑
羟甲基甘氨酸钠的浓度为4g/l，盐酸的浓度为20g/l，取出后用去离子水清洗，干燥，以备电镀处理。
30.实施例2
31.(1)除胶：使用丙酮浸泡碳纤维织物以去除表面浆料，32h取出后用去离子水清洗，干燥，并在450℃下高温煅烧15min，得到表面形貌光滑的碳纤维织物。
32.(2)粗化：将除胶后的碳纤维织物浸入到浓硫酸中进行粗化处理2h，浓硫酸的浓度为1mol/l，取出后用去离子水清洗，干燥。
33.(3)敏化：将粗化处理后的碳纤维织物浸入到包含氯化亚锡和盐酸的敏化液中进行敏化处理30min，氯化亚锡的浓度为15g/l，盐酸的浓度为30g/l，取出后用去离子水清洗，干燥。
34.(4)活化：将敏化处理后的碳纤维织物浸入到包含氯化钯、n
‑
羟甲基甘氨酸钠和盐酸的活化液中进行活化处理15min，氯化钯的浓度为0.5g/l，n
‑
羟甲基甘氨酸钠的浓度为3g/l，盐酸的浓度为15g/l，取出后用去离子水清洗，干燥，以备电镀处理。
35.实施例3
36.(1)除胶：使用丙酮浸泡碳纤维织物以去除表面浆料，24h取出后用去离子水清洗，干燥，并在500℃下高温煅烧10min，得到表面形貌光滑的碳纤维织物。
37.(2)粗化：将除胶后的碳纤维织物浸入到浓硫酸中进行粗化处理2h，浓硫酸的浓度为1.5mol/l，取出后用去离子水清洗，干燥。
38.(3)敏化：将粗化处理后的碳纤维织物浸入到包含氯化亚锡和盐酸的敏化液中进行敏化处理25min，氯化亚锡的浓度为10g/l，盐酸的浓度为30g/l，取出后用去离子水清洗，干燥。
39.(4)活化：将敏化处理后的碳纤维织物浸入到包含氯化钯、n
‑
羟甲基甘氨酸钠和盐酸的活化液中进行活化处理20min，氯化钯的浓度为0.5g/l，n
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羟甲基甘氨酸钠的浓度为2g/l，盐酸的浓度为20g/l，取出后用去离子水清洗，干燥，以备电镀处理。
40.对比例
41.对比例是将实施例1中的n
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羟甲基甘氨酸钠去掉，其余制备步骤完全同实施例1。
42.电镀液的配制：硫酸镍120g/l，硫酸亚铁20g/l，氯化钠30g/l，硼酸40g/l，柠檬酸钠20g/l，糖精3g/l，苯亚磺酸钠0.3g/l，室温下使用去离子水配制。
43.电镀处理：利用数控电镀仪在经预处理后的碳纤维织物表面进行铁、镍镀覆，碳纤维织物作为阴极，用相同尺寸的铂片作为对电极。将电镀液倒入电镀槽中，通过水浴加热，使电镀液温度控制在60
±
1℃，并进行搅拌，保证电镀溶液的均匀性。调整脉冲电源参数，通断时间定为：t
on
＝0.3ms，t
off
＝0.7ms，脉冲电流密度为2a/dm2。固定电极，启动电源开始在碳纤维织物上进行金属镀覆，镀覆时间控制为30min，关闭电源取出电镀样品。用去离子水冲洗碳纤维织物表面，在真空烘箱中干燥。
44.将电镀处理后的碳纤维织物放入烘箱中，加热至250℃保温1h，取出后立即放入常温水中，观察金属镀层是否出现起皮和脱落现象。
45.结果显示，由实施例1
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3预处理后的碳纤维织物的金属镀层没有出现起皮和脱落现象。
46.按照gb/t 5270
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2005划线法测试金属镀层的附着强度，结果见表1。
47.表1碳纤维织物表面金属镀层的附着力
[0048] 实施例1实施例2实施例3对比例
附着强度/mpa38.436.537.230.1
[0049]
从表1可以得知，本发明通过在活化液中添加适量的n
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羟甲基甘氨酸钠可以显著提高金属镀层的附着强度，这是因为本发明通过增强碳纤维表面的催化活性，在碳纤维表面形成了致密均匀且附着牢固的金属镀层，解决了金属镀层与碳纤维结合力差的问题。
[0050]
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。