本發(fā)明屬于碳纖維處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種碳纖維材料表面改性的方法。
背景技術(shù)：
碳纖維是指經(jīng)高溫碳化，含碳量超過85％以上的纖維材料，包括碳素纖維和石墨纖維。碳素纖維是有機纖維經(jīng)1000～2300℃處理后，含碳量為85％～95％的纖維；石墨纖維是有機纖維經(jīng)2300℃以上處理，含碳量在98％以上的纖維。碳纖維作為一種高性能纖維，因具有比強度高、比模量高、熱膨脹系數(shù)小、摩擦系數(shù)低、耐低溫性能良好等特性而成為近年來樹脂基復合材料最重要的增強材料，被廣泛應用在航空航天構(gòu)件和體育用品中。碳纖維表面呈惰性，比表面積小，邊緣活性碳原子少,表面能低和樹脂浸潤性及兩相界面粘結(jié)性差，復合材料層間剪切強度(Interlaminar Shearing Strength,ILSS)低，從而影響復合材料綜合性能的發(fā)揮，制約了碳纖維在先進復合材料領(lǐng)域的進一步推廣應用。為了改善碳纖維增強樹脂基復合材料的性能，須對碳纖維表面進行改性，以提高碳纖維與其他材料的粘結(jié)能力。
在各種表面處理方法中，電化學氧化方法因其擁有可連續(xù)生產(chǎn)、簡單易操作、處理條件溫和易于控制等特點，已在工業(yè)上得到廣泛應用，但其同樣存在以損傷碳纖維本征抗張強度為代價提高碳纖維表面性能的弊端。碳纖維抗張強度的降低主要源于表面處理過程中深度氧化刻蝕作用在碳纖維表面引入了新的缺陷。這些缺陷來自于外層有序晶體層剝落后露出的內(nèi)部無序結(jié)構(gòu)在纖維本體上增加的薄弱點。針對碳纖維表面處理過程抗張強度降低的成因，我們通過適度刻蝕作用對碳纖維表面缺陷進行修飾；并通過適當?shù)碾娀瘜W處理在碳纖維上產(chǎn)生細晶化作用，減小晶粒尺寸，產(chǎn)生大量新生晶界，阻止裂紋的擴展；達到同時提高碳纖維本征抗張強度和層間剪切強度的目的。
表面處理方法主要分為氧化法和非氧化法兩大類?，F(xiàn)在比較常用的方法有電化學沉積法，液相氧化法，氣相氧化法，等離子法以及輻射接枝法等。這些方法在提高碳纖維的表面性能的同時也損失了碳纖維的本體強度，并且氧化不均，氧化效果不好，導致其最終的復合材料性能降低。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明提出一種碳纖維材料表面改性的方法，該處理方法不僅工藝簡單，有效改善纖維的性能，而且不會損傷碳纖維本體的抗張強度。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：
一種碳纖維材料表面改性的方法，包括以下步驟：
1)將碳纖維材料放入抽提裝置中，在丙酮溶液中下抽提6h～10h，去除碳纖維材料表面涂層；
2)將去除涂層的碳纖維材料用離子水潤濕，在碳纖維材料表面形成液膜；
3)將步驟2)得到碳纖維材料，以石墨板、不銹鋼板、銅板或鎳板作為陰極，用含有氧化性物質(zhì)的銨鹽類電解質(zhì)溶液進行電化學氧化處理，控制施加電流密度0.5～12mA/cm2，同時在超聲波功率400W～1600W、超聲波頻率40kHz～80kHz、水浴溫度20℃～40℃的條件下，超聲振蕩1～5min產(chǎn)生表面改性，隨后水洗以及真空烘干即可。
進一步，碳纖維材料潤濕方法為噴淋、噴霧或浸漬。
進一步，所述氧化性物質(zhì)為次氯酸或者高錳酸鉀。
進一步，所述氧化性物質(zhì)的濃度為0.2～1.2wt％。
進一步，所述銨鹽類電解質(zhì)溶液為碳酸銨溶液、硝酸銨溶液或者草酸銨溶液。
進一步，所述銨鹽類電解質(zhì)溶液的濃度為0.02～0.8mol/L。
進一步，步驟3)施加電流密度為1～4mA/cm2。
進一步，碳纖維為聚丙烯腈基碳纖維或瀝青基碳纖維。
本發(fā)明的有益效果：
1、本發(fā)明用丙酮以及離子水對碳纖維材料進行預處理，使其親水性提高，更容易被電解液迅速浸潤，發(fā)生均勻的電化學氧化反應，減少普通電化學氧化反應對碳纖維本體造成的損傷。
2、電化學氧化處理時在超聲條件下，用含有氧化性物質(zhì)的銨鹽作為電解質(zhì)溶液，可以促進碳纖維表面基團的釋放，加快碳纖維表面處理速度，同時有利于提高碳纖維的拉伸強度與剪切強度。超聲波能產(chǎn)生聲空化作用，能夠產(chǎn)生瞬間的沖擊壓，引起分子的高速運動，進而在液體內(nèi)產(chǎn)生了局部的高溫、高壓，誘發(fā)霧化等一系列作用。將超聲波技術(shù)引入材料的表面改性中，可以提高材料的表面改性質(zhì)量，縮短改性時間，同時降低消耗，減小環(huán)境污染。
具體實施方式
比較實施例1
將碳纖維材料通過盛有30℃，0.5mol/l草酸銨水溶液的電化學處理槽，通過時間為100s，不施加電流，隨后在室溫下清洗，100℃干燥，上膠、收取制品。
實施例1
一種碳纖維材料表面改性的方法，包括以下步驟：
1)將碳纖維材料放入抽提裝置中，在丙酮溶液中下抽提6h，去除碳纖維材料表面涂層；
2)將去除涂層的碳纖維材料用離子水浸漬潤濕，在碳纖維材料表面形成液膜；
3)將步驟2)得到碳纖維材料，以石墨板作為陰極，用含有0.2wt％次氯酸鈉的0.02mol/L碳酸銨電解質(zhì)溶液進行電化學氧化處理，控制施加電流密度0.5mA/cm2，同時在超聲波功率400W、超聲波頻率40kHz、水浴溫度20℃的條件下，超聲振蕩5min產(chǎn)生表面改性，隨后水洗以及真空烘干即可。
實施例2
一種碳纖維材料表面改性的方法，包括以下步驟：
1)將碳纖維材料放入抽提裝置中，在丙酮溶液中下抽提8h，去除碳纖維材料表面涂層；
2)將去除涂層的碳纖維材料用離子水噴淋潤濕，在碳纖維材料表面形成液膜；
3)將步驟2)得到碳纖維材料，以石墨板作為陰極，用0.3wt％高錳酸鉀的0.4mol/L硝酸銨電解質(zhì)溶液進行電化學氧化處理，控制施加電流密度2mA/cm2，同時在超聲波功率600W、超聲波頻率40kHz、水浴溫度25℃的條件下，超聲振蕩1min產(chǎn)生表面改性，隨后水洗以及真空烘干即可。
實施例3
一種碳纖維材料表面改性的方法，包括以下步驟：
1)將碳纖維材料放入抽提裝置中，在丙酮溶液中下抽提9h，去除碳纖維材料表面涂層；
2)將去除涂層的碳纖維材料用離子水噴霧潤濕，在碳纖維材料表面形成液膜；
3)將步驟2)得到碳纖維材料，以鎳板作為陰極，用含有0.8wt％高錳酸鉀的0.6mol/L草酸銨電解質(zhì)溶液進行電化學氧化處理，控制施加電流密度6mA/cm2，同時在超聲波功率1200W、超聲波頻率60kHz、水浴溫度30℃的條件下，超聲振蕩3min產(chǎn)生表面改性，隨后水洗以及真空烘干即可。
實施例4
一種碳纖維材料表面改性的方法，包括以下步驟：
1)將碳纖維材料放入抽提裝置中，在丙酮溶液中下抽提10h，去除碳纖維材料表面涂層；
2)將去除涂層的碳纖維材料用離子水浸漬潤濕，在碳纖維材料表面形成液膜；
3)將步驟2)得到碳纖維材料，以銅板作為陰極，用含有1.2wt％次氯酸的0.8mol/L草酸銨電解質(zhì)溶液進行電化學氧化處理，控制施加電流密度12mA/cm2，同時在超聲波功率1600W、超聲波頻率80kHz、水浴溫度40℃的條件下，超聲振蕩1min產(chǎn)生表面改性，隨后水洗以及真空烘干即可。
實施例5
將對實施例1、實施例1-5改性后的碳纖維材料根據(jù)GB3362-2005測試碳纖維本體抗拉強度，根據(jù)GB3357-82測試碳纖維及復合材料層間剪切強度，結(jié)果如下：
對比實施例1的拉伸強度為3.23GPa，層間剪切強度為74.8MPa；
實施例1的拉伸強度為3.85GPa，層間剪切強度為83.4MPa；
實施例2的拉伸強度為4.12GPa，層間剪切強度為85.2MPa；
實施例3的拉伸強度為4.23GPa，層間剪切強度為86.4MPa；
實施例4的拉伸強度為4.47GPa，層間剪切強度為87.5MPa。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。