一种有机物浸泡和电化学氧化处理碳纤维的方法

摘要

本发明公开了一种有机物浸泡和电化学氧化处理碳纤维的方法，属于电化学技术领域。本发明通过利用碳纤维本身的固有浸润性和表面结构，在电化学氧化之前先进行有机物浸泡处理，由于预处理后的碳纤维表面本身具有凹槽结构，浸泡以后，有机物覆盖住碳纤维表面的凹槽，在后续的电化学氧化过程中起到了保护作用，进而提高了碳纤维的力学强度，与此同时碳纤维表面的氧化程度也得到了提高，碳纤维与树脂复合性能也得到了提高。本发明制备的碳纤维产品无需进行后续处理就可直接使用，重复性较好。本发明制备方法简单，周期短，产品成本低，使用方便，可以大规模生产。

说明书

技术领域

本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种有机物浸泡和电化学氧化处理碳纤维的方法。

背景技术

随着工业化的发展，具有高的比强度和比刚性的复合材料，在宇航、航空、汽车等领域已经得到了广泛的应用。碳纤维是20世纪50年代后发展起来的一种增强材料，它具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、导电和热膨胀系数小等优异性能，其复合材料(CFRP)已被广泛用于航空航天、体育器材等领域。碳纤维复合材料的性能主要取决于基体材料的性能以及纤维与基体材料的结合程度等。研究表明，碳纤维在未经表面处理前，其活性比表面积小，表面能低，表面呈现出憎液性。纤维表面处理就是为了增强纤维表面的化学活性与物理活性，从而增加其与基体间的结合或粘结。目前，纤维增强树脂基复合材料中，对纤维表面处理以增强复合材料粘结性的研究，主要有空气氧化法、液相氧化法、等离子体氧化法和电化学氧化法等方法。

发明内容

针对当前碳纤维实际运用中存在的问题，本发明设计了一种有机物浸泡和电化学氧化处理碳纤维的方法，通过简单的有机物浸泡处理之后再进行阳极氧化，用以改善碳纤维的力学性能和机械性能。本发明通过利用碳纤维本身的固有浸润性和表面结构，在电化学氧化之前先进行有机物浸泡处理，由于预处理后的碳纤维表面本身具有凹槽结构，浸泡以后，有机物覆盖住碳纤维表面的凹槽，在后续的电化学氧化过程中起到了保护作用，进而提高了碳纤维的力学强度，与此同时碳纤维表面的氧化程度也得到了提高，碳纤维与树脂复合性能也得到了提高，与未经浸泡处理直接进行电化学氧化的碳纤维相比，碳纤维的强度得到增强，与环氧树脂的浸润性得到提高。本发明增强了可使用碳纤维的强度，本发明制备的碳纤维产品无需进行后续处理就可直接使用，重复性较好。并且，本发明制备方法简单，周期短，产品成本低，使用方便，可以大规模生产。

本发明提供的一种有机物浸泡和电化学氧化处理碳纤维的方法，包括如下步骤：

第一步，碳纤维表面预处理：

将碳纤维裁剪成3-8cm的小段，分别用丙酮和水进行超声清洗5min，重复清洗三次，在干燥箱中烘干待用。

第二步，有机物浸泡处理：

将预处理后的碳纤维放入有机物里面浸泡10-20min，备用。

所述的有机物选取二氯乙烷溶剂。

第三步，电化学阳极氧化：

采用直流稳压电源对浸泡处理之后的碳纤维进行电化学氧化处理，电解液为碳酸氢铵溶液，阳极为碳纤维，阴极为铂电极，阳极和阴极之间的距离为0.5-1.5cm，控制电化学氧化过程的电压为0-25V，电化学氧化时间为1-5min。电化学氧化处理完成后，取出碳纤维，然后用去离子水清洗之后自然晾干待用。

所述的碳酸氢铵溶液，通过将质量30-50g的碳酸氢铵固体溶于250g去离子水当中，搅拌到完全溶解得到。

所述的电压，优选10～25V。

通过上述方法制备得到的碳纤维，拉伸强度为3.47109GPa～3.6198GPa，对环氧树脂的浸润性接触角为17.2°～40°之间。

本发明的优点在于：

1、本发明通过利用碳纤维本身的凹槽结构，结合有机物的电化学氧化稳定性，在电化学氧化过程中，碳纤维力学性能不减反增，突破了领域内的常规方式。

2、本发明制备的碳纤维比起以往通过电化学氧化制备的碳纤维，与环氧树脂的相容性更加优异。

3、本发明制备的碳纤维只需通过简单的浸泡处理，便能有效提高电化学氧化后碳纤维的性能。

4、本发明制备周期短，产品成本低，使用方便，可以大规模生产。

附图说明

图1为浸泡与未浸泡电化学氧化处理机理图。

图2A为预处理后的碳纤维表面SEM图；

图2B为未浸泡的碳纤维直接进行电化学氧化处理后的碳纤维表面SEM图；

图2C为预处理后碳纤维经浸泡后再电化学氧化处理得到的碳纤维表面SEM图；

图3A和图3B分别为实施例制备的碳纤维的拉伸强度和接触角随电压的变化曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明提供一种有机物浸泡和电化学氧化处理碳纤维的方法，对于表面预处理后的碳纤维，在电化学氧化前，结合碳纤维表面本身具有的凹槽结构，通过浸泡处理一段时间后，可以修饰碳纤维表面的凹槽结构，从而改变氧化过程。氧化后得到表面趋于平滑的碳纤维，碳纤维的力学性能以及浸润性都得到了改善。

具体，本发明的一种有机物浸泡电化学氧化处理碳纤维的方法，包括步骤为：

第一步，碳纤维表面预处理：

将碳纤维裁剪成3-8cm的小段，分别用丙酮和水进行超声清洗5min，重复清洗三次，在干燥箱中烘干待用。

如图2a所示，预处理后的碳纤维表面具有凹槽结构，凹槽尺寸在200nm-400nm范围之间。

第二步，有机物浸泡处理：

将预处理后的碳纤维放入有机物里面浸泡10-20min，备用。

所述的有机物选取二氯乙烷溶剂。

第三步，电化学阳极氧化：

采用直流稳压电源对浸泡处理之后的碳纤维进行电化学氧化处理，电解液为碳酸氢铵溶液，阳极为碳纤维，阴极为铂电极，阳极和阴极之间的距离为0.5-1.5cm，控制电化学氧化过程的电压为0-25V，电化学氧化时间为1-5min。电化学氧化处理完成后，取出碳纤维，然后用去离子水清洗之后自然晾干待用。

所述的碳酸氢铵溶液，通过将质量30-50g的碳酸氢铵固体溶于250g去离子水当中，搅拌到完全溶解得到。

所述的电压，优选10～25V。

如图1所示，该图分别展示了电化学氧化制备未浸泡处理的碳纤维和浸泡处理的碳纤维的机理。如图1所示，通过电化学氧化装置对碳纤维进行氧化处理，未经过浸泡处理的碳纤维表面没有得到保护，电化学氧化在碳纤维的凹槽部分和平滑部分同时进行，碳纤维表面的凹槽结构变得更加明显，这不利于提高碳纤维的力学性能。由于预处理后的碳纤维表面本身具有凹槽结构，浸泡以后，有机物覆盖住碳纤维表面的凹槽，碳纤维表面的凹槽结构变浅，碳纤维表面变得更加平滑，在后续的电化学氧化过程中起到了保护作用。在无特别说明的情况下，本发明都是在常规室温条件下进行的。

实施例1

本实例提供电化学阳极氧化法制备未浸泡处理的碳纤维的方法，其具体步骤为：

第一步，碳纤维表面预处理；

将碳纤维裁剪成5cm的小段，分别用丙酮和水进行超声清洗5min，重复三次，在干燥箱中烘干待用。

第二步，电化学阳极氧化；

将烘干后的碳纤维放入碳酸氢铵溶液里进行电化学氧化，然后采用直流稳压电源进行阳极氧化处理，阳极为碳纤维，阴极为铂电极，阳极和阴极之间的距离为1cm，控制阳极氧化过程的电压为15V，阳极氧化时间为3min。处理完成后，取出碳纤维，然后用去离子水清洗之后自然晾干待。

所述的碳酸氢铵溶液：称取39.5g碳酸氢铵颗粒，溶于250g去离子水当中，搅拌到完全溶解得到。

采用环境扫描电镜对实施例1制备的碳纤维进行微观形貌观察：如图2b所示，表面预处理后的碳纤维未浸泡，直接进行电化学氧化处理后，碳纤维表面的凹槽结构相对于图2A有所加深。对于未浸泡处理的碳纤维，由于表面缺少保护层，碳纤维表面同时被氧化导致凹槽加深。

对未浸泡直接进行电化学氧化处理得到的碳纤维的力学强度以及对环氧树脂的浸润性进行了测试，如图3A和3B所示，未浸泡碳纤维的拉伸强度3.312GPa，接触角为34.3°。

实施例2

本实施例提供电化学阳极氧化浸泡后的碳纤维的方法，其具体步骤为：

第一步，碳纤维表面预处理：

将碳纤维裁剪成3cm的小段，分别用丙酮和水进行超声清洗5min，重复三次，在干燥箱中烘干待用。处理后的碳纤维表面如图2a所示，表面具有凹槽结构。

第二步，浸泡处理：

将预处理后的碳纤维放入油里面浸泡15min备用。

第三步，电化学阳极氧化：

浸泡后的碳纤维迅速放入碳酸氢铵溶液里进行电化学氧化，然后采用直流稳压电源进行阳极氧化处理，阳极为碳纤维，阴极为铂电极，阳极和阴极电极之间的距离为1cm,控制阳极氧化过程的电压为15V，阳极氧化时间为3min。处理完成后，取出碳纤维，然后用去离子水清洗之后自然晾干待用。

所述的酸氢铵溶液，称取39.5g碳酸氢铵固体，溶于250g去离子水当中，搅拌到完全溶解得到。

采用环境扫描电镜对实施例2制备的碳纤维进行微观形貌观察：如图2c所示，浸泡后进行电化学氧化处理后的碳纤维表面趋于平滑，与图2b中未浸泡处理直接进行电化学氧化处理的碳纤维相比，浸泡处理后的碳纤维，表面的凹槽结构被有机物覆盖，在氧化时得到保护，因此氧化后的碳纤维最后表面趋于平滑。

对浸泡后电化学氧化处理的碳纤维的力学强度以及对环氧树脂的浸润性进行了测试，结果如图3A和3B所示，碳纤维拉伸强度为3.489GPa，环氧树脂的接触角为26°，与未浸泡电化学氧化处理的碳纤维相比，力学性能以及对环氧树脂的浸润性都得到了提高。

实施例3，浸泡和电化学氧化碳纤维，应用本发明提供的制备方法，调整电化学阳极氧化电压分别为0V、5V、10V、20V和25V，其余制备参数同实施例2，得到碳纤维的拉伸强度和浸润性数据如表1所示。

实施例4，未浸泡和电化学氧化碳纤维，调整电化学阳极氧化电压分别为0V、5V、10V、20V和25V，其余制备参数同实施例1，得到碳纤维的拉伸强度和浸润性数据如表1所示。

表1不同氧化电压下未浸泡电化学氧化处理与浸泡电化学氧化处理拉伸强度与接触角

不同氧化电压下的对比实验结果如表1所示，根据表1得到了图3中的曲线图。当氧化电压在0～25V之间，制备得到的碳纤维的拉伸强度为3.47109～3.6198，对环氧树脂的浸润性接触角为17.2°～40°之间。其中，0V电压表示碳纤维未进行电化学氧化处理。

根据实验结果可知，随着氧化电压的提高，未浸泡电化学氧化处理得到的碳纤维的拉伸强度降低，而浸泡电化学氧化处理得到的碳纤维的拉伸强度增加。随着氧化电压的提高，环氧树脂的接触角都会大致降低，但是浸泡电化学氧化处理得到的碳纤维接触角下降的幅度远大于未浸泡电化学氧化处理得到的碳纤维。