一种碳纤维表面活性提高的微波辐射处理方法与装置

摘要

本发明公开了一种碳纤维表面活性提高的微波辐射处理方法与装置，通过微波发生器产生的微波在金属矩形波导内实现TE10横电波的单模传输，微波能量经喇叭口天线对碳纤维进行辐射处理；一方面，微波刻蚀碳纤维，加深了纤维表面沟槽深度，提高了碳纤维表面的粗糙度；另一方面，微波辐射下纤维表面单晶键合受到破坏，活性碳原子点增多，碳纤维表面O/C原子比提升，含氧活性官能团含量增加。处理后的碳纤维表面能增加，活性提高，有利于与树脂基体形成良好的界面。

说明书

技术领域

本发明涉及树脂基复合材料生产领域，具体涉及一种碳纤维表面氧化改性的方法及装置。

背景技术

碳纤维比重小，具有很高的比强度、比模量、耐高温、导电、导热、耐腐蚀及力学性能优异，目前碳纤维主要用作增强体材料，制造高性能树脂基复合材料，广泛应用于航空航天、军事装备、能源及交通运输等领域。碳纤维呈石墨微晶结构，表面惰性大，与树脂基体的粘接性能比较差，为充分发挥碳纤维的优异性能，需要对碳纤维表面进行活化处理，以得到高性能的碳纤维增强树脂基复合材料。目前碳纤维表面处理方法主要有气相氧化法、液相氧化法、电化学氧化法、表面涂层处理等，处理工艺复杂，能耗高，并伴随高温、强氧化等，工业化操作难度大。因此寻找一种操作简单、低能高效的表面改性方法具有重要的实际意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种碳纤维表面活性提高的微波辐射处理方法与装置，利用微波对碳纤维表面进行短时间的辐射，以改变碳纤维表面的化学成分，增加表面粗糙度，提高碳纤维表面活性，使碳纤维增强树脂基复合材料具有更好的界面粘接性能。

为了达到上述的目的，本发明采取如下的技术方案：

一种碳纤维表面活性提高的微波辐射处理方法，包括：在空气环境下，采用微波辐射处理装置对碳纤维进行辐射处理。

进一步的，辐射处理时，碳纤维长度方向与微波辐射处理装置发出的微波电场方向垂直。

进一步的，微波辐射处理装置发出的微波频率为2450MHz±50MHz；微波功率为100W～300W，微波辐射处理时间为30～180s。

进一步的，微波辐射处理装置包括金属矩形波导，金属矩形波导尺寸满足单模传输条件，即最低次模式TE10横电波可传输，高次模式被抑制；电场只有垂直于矩形波导长边方向的分量，沿矩形波导长边方向呈正弦变化；碳纤维长度方向与金属矩形波导的长边方向平行。

进一步的，金属矩形波导底部设置微波辐射天线；微波辐射天线为金属喇叭口天线；喇叭口天线底部为正方形；喇叭口天线的S11参数小于-25dB。

进一步的，所述的碳纤维为未去除上浆剂的碳纤维或去除上浆剂的碳纤维。

一种碳纤维表面活性提高的微波辐射装置，包括提供微波能量的微波发生器、微波传输电缆、微波传输系统、微波传输天线、基板以及微波辐射屏蔽暗箱；微波发生器的输出端通过微波传输电缆连接微波传输系统，微波传输系统固定在微波辐射屏蔽暗箱中，微波传输系统的底部固定有微波传输天线，微波传输天线的下方设置有放置在微波辐射屏蔽暗箱底部的基板。

进一步的，微波发生器为固态微波发生器或磁控管微波发生器，微波频率为2450MHz±50MHz，微波发生器辐射功率为100W～300W连续可调。

进一步的，微波传输系统为金属矩形波导，波导尺寸满足单模传输条件：最低次模式TE10横电波可传输，高次模式被抑制；电场只有垂直于矩形波导长边方向的分量，沿矩形波导长边方向呈正弦变化；微波辐射天线为金属喇叭口天线；喇叭口天线底部为正方形，喇叭口天线的S11参数小于-25dB。

进一步的，碳纤维放置在基板上基板为非金属材料；碳纤维长度方向与金属矩形波导的长边方向平行。

进一步的，微波辐射屏蔽暗箱内部为尖劈形吸波材料，尖劈长度为100mm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明针对碳纤维表面惰性大，与树脂复合时界面粘接强度低，无法充分发挥碳纤维强度优势的问题，提供了一种高效，操作灵活，可工业化连续处理的提高碳纤维表面活性的微波 辐射方法及装置。微波辐射改性碳纤维可在室温、无催化剂的情况下引发反应，是绿色技术的一种发展趋势。所述方法利用固态微波发生器产生的连续波或是磁控管微波发生器产生的脉冲波，对碳纤维进行30～180s的短时辐射处理，辐射功率为100～300W连续可调。矩形波导内的微波模式固定为单模横电波TE10。横电波的传播方向垂直于基板方向，垂直入射到碳纤维表面。微波的电场方向平行于基板平面，且与矩形波导的宽边平行。微波辐射碳纤维的过程中，碳纤维放置在复合木材基板上，基板的厚度为3～5cm，介电常数为3.9。同时，保证纤维的长度方向平行于矩形波导的长边方向，即垂直于微波的电场方向。微波辐射30s后，碳纤维温度高达150℃，纤维表面沟槽加深，粗糙度变大。处理后的碳纤维表面得以氧化，0/C原子比升高，含氧官能团含量上升。同时，微波能改变了纤维表面石墨微晶的尺寸，晶格无序化程度上升，单晶结构遭到破坏，活性碳原子点增多。所述结果均提高了碳纤维表面能，增加了纤维表面活性。

本发明利用微波对碳纤维表面进行辐射处理，能够有效改善碳纤维与树脂基体的界面性能，显著提高复合材料的层间剪切强度。该方法操作简单灵活，能耗低，效率高，处理后的碳纤维表面活性高，可以实现自动化连续处理，可与树脂复合形成界面剪切强度较高的纤维/树脂界面；在碳纤维生产及复合材料领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明提出的碳纤维表面活性提高的微波辐射装置示意图。

其中：为微波发生器，为微波传输电缆，为微波传输系统，为微波传输天线，为基板，为微波辐射屏蔽暗箱。

图2为碳纤维表面形貌原子力显微镜照片；其中图2(a)为未经微波辐射的碳纤维，图2(b)为微波辐射处理后碳纤维。

图3为碳纤维表面的X射线光电子能谱图C峰分峰图，其中图3(a)为未经微波辐射 的碳纤维，图3(b)为微波辐射处理后碳纤维。

图4为碳纤维表面与树脂基体接触角图，其中图4(a)为未经微波辐射的碳纤维与树脂浸润，图4(b)为微波辐射处理后碳纤维与树脂浸润。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

请参阅图1所示，本发明一种碳纤维表面活性提高的微波辐射装置，包括提供微波能量的微波发生器1、微波传输电缆2、微波传输系统3、微波传输天线4、基板5以及微波辐射屏蔽暗箱6。

微波发生器1安装在微波辐射屏蔽暗箱6上，微波发生器1的操作面板位于微波辐射屏蔽暗箱6表面，以方便操作。微波发生器1的输出端通过微波传输电缆2连接微波传输系统3，微波传输系统3固定在微波辐射屏蔽暗箱6中，微波传输系统3的底部固定有微波传输天线4，微波传输天线4的下方设置有放置在微波辐射屏蔽暗箱6底部的基板5。微波辐射屏蔽暗箱6内部为尖劈形吸波材料，尖劈长度为100mm。

微波发生器1为固态微波发生器或磁控管微波发生器，其中固态微波发生器产生连续电磁波，磁控管微波发生器产生脉冲电磁波。微波频率为2450MHz±50MHz。微波发生器1辐射功率为100W～300W连续可调。微波传输系统3为金属矩形波导，波导尺寸满足单模传输条件，即最低次模式TE10横电波可传输，高次模式被抑制。电场只有垂直于矩形波导长边方向的分量，沿矩形波导长边方向呈正弦变化。微波辐射天线4为金属喇叭口天线。喇叭天线底部为正方形，边长及天线高度在尺寸变化范围内满足喇叭天线的S11参数小于-25dB。

微波辐射碳纤维的过程中，空气作为辐射介质，碳纤维放置在微波辐射屏蔽暗箱6内的非金属基板5上。

碳纤维长度方向与微波传输系统矩形波导的长边方向平行，即与微波电场方向垂直。在该 辐射方式下，碳纤维内部产生垂直于纤维长度方向的电流，纤维温度升高。处理后的纤维表面粗糙度变大，沟壑加深。同时碳纤维得到氧化，含氧官能团增多。微波辐射处理碳纤维的表面能增大，表面活性提高。

实施例1

一种碳纤维表面活性提高的微波辐射处理方法，包括以下步骤：

步骤1：将东丽T300纤维丝束在丙酮中萃取48小时，以去除纤维表面的上浆剂。

步骤2：将去除上浆剂的碳纤维在去离子水中超声1小时，以去除纤维表面的丙酮试剂。

步骤3：将去离子水中取出的碳纤维放置在真空干燥箱60℃条件下干燥处理24小时，以保证碳纤维表面干燥得到未上浆T300纤维。

步骤4：将未上浆T300纤维放置在非金属基板5上，其中基板的介电常数为3.9。调整碳纤维的角度，保证碳纤维长度方向与矩形波导的长边平行，即与微波电场方向垂直。

步骤5：使用固态微波发生器1产生的连续波对碳纤维进行辐射，矩形波导3的尺寸为90×45×165mm，微波辐射天线喇叭口底边边长为165mm，喇叭天线高度为240mm。微波辐射功率为150W，微波频率为2500MHz，辐射时间为180s。微波辐射处理后即得到表面活性提高的未上浆碳纤维。

实施例2

一种碳纤维表面活性提高的微波辐射处理方法，包括以下步骤：

步骤1：将东丽T700纤维丝束去离子水中超声1小时，以去除纤维表面的杂质。

步骤2：去离子水中取出的碳纤维放置在真空干燥箱60℃条件下干燥处理24小时，以保证碳纤维表面干燥。

步骤3：将上浆T700纤维放置在非金属基板上，其中基板的介电常数为3.9。调整碳纤维的角度，保证碳纤维长度方向与微波传输系统矩形波导的长边平行，即与微波电场方向垂直。

步骤4：使用磁控管微波发生器产生的脉冲电磁波对碳纤维进行辐射，确定微波传输系统矩形波导的尺寸为90×45×75mm，微波辐射天线喇叭口底边边长为150mm，喇叭天线高度为100mm。微波辐射功率为300W，微波频率为2450MHz，辐射时间为90s。微波辐射处理后即得到表面活性提高的上浆碳纤维。

图2为本发明采用实施例2对碳纤维微波辐射处理后碳纤维表面原子力显微镜照片。图2(a)为未经微波辐射处理的上浆T700纤维，图2(b)为采用实施例2微波辐射处理后的T700纤维。从图中可以看出，微波辐射处理后的碳纤维表面沟壑加深，表面粗糙度变大。

图3为本发明采用实施例2对碳纤维微波辐射处理后碳纤维表面C峰处各含氧官能团含量。图3(a)为未经微波辐射处理的上浆T700纤维，图3(b)为采用实施例2微波辐射处理后的T700纤维。对比图中可以看出，微波辐射处理后的碳纤维表面得到氧化，含氧官能团含量增加。

图4为本发明采用实施例2对碳纤维微波辐射处理后碳纤维与树脂浸润效果图。图3(a)为未经微波辐射处理的上浆T700纤维，图3(b)为采用实施例2微波辐射处理后的T700纤维。对比图中可以看出，处理后碳纤维与树脂的浸润角变小，表示微波辐射处理后的碳纤维浸润性变好。

实施例3

一种碳纤维表面活性提高的微波辐射处理方法，包括以下步骤：

步骤1：将东丽T300纤维丝束在丙酮中萃取48小时，以去除纤维表面的上浆剂。

步骤2：将去除上浆剂的碳纤维在去离子水中超声1小时，以去除纤维表面的丙酮试剂。

步骤3：将去离子水中取出的碳纤维放置在真空干燥箱60℃条件下干燥处理24小时，以保证碳纤维表面干燥得到未上浆T300纤维。

步骤4：将未上浆T300纤维放置在非金属基板5上，其中基板的介电常数为3.9。调整碳 纤维的角度，保证碳纤维长度方向与矩形波导的长边平行，即与微波电场方向垂直。

步骤5：使用固态微波发生器1产生的连续波对碳纤维进行辐射，矩形波导3的尺寸为90×45×165mm，微波辐射天线喇叭口底边边长为165mm，喇叭天线高度为240mm。微波辐射功率为100W，微波频率为2400MHz，辐射时间为30s。微波辐射处理后即得到表面活性提高的未上浆碳纤维。

实施例4

一种碳纤维表面活性提高的微波辐射处理方法，包括以下步骤：

步骤1：将东丽T700纤维丝束去离子水中超声1小时，以去除纤维表面的杂质。

步骤2：去离子水中取出的碳纤维放置在真空干燥箱60℃条件下干燥处理24小时，以保证碳纤维表面干燥。

步骤3：将上浆T700纤维放置在非金属基板上，其中基板的介电常数为3.9。调整碳纤维的角度，保证碳纤维长度方向与微波传输系统矩形波导的长边平行，即与微波电场方向垂直。

步骤4：使用磁控管微波发生器产生的脉冲电磁波对碳纤维进行辐射，确定微波传输系统矩形波导的尺寸为90×45×75mm，微波辐射天线喇叭口底边边长为150mm，喇叭天线高度为100mm。微波辐射功率为120W，微波频率为2500MHz，辐射时间为60s。微波辐射处理后即得到表面活性提高的上浆碳纤维。

本发明提供的碳纤维表面活性提高的微波辐射处理方法与装置，提供了碳纤维表面活性提高的高效方法，不仅能够增加纤维表面粗糙度，改变纤维表面石墨微晶结构，增加纤维表面活性碳原子数量，同时能够氧化纤维表面，使得纤维表面含氧活性官能团增加，有利于纤维与树脂的复合，获得较优界面强度的复合材料。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，在不脱离本发明构思的前提下，所做出简单的推演或替换，都应当视 为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。