一種碳纖維粉表面改性方法
【專利摘要】一種碳纖維粉表面改性方法，其步驟是先對碳纖維粉進行空氣灼燒預(yù)處理，再將預(yù)處理后的碳纖維粉浸入氧化液進行表面改性，最后對改性后的碳纖維粉進行清洗處理得到表面改性的碳纖維粉。本發(fā)明方法得到了改性碳纖維粉具有良好的溶劑浸潤性和分散穩(wěn)定性，與基體復(fù)合時的界面結(jié)合能力較好。
【專利說明】一種碳纖維粉表面改性方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于材料表面改性【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及碳纖維粉的表面改性技術(shù)。

【背景技術(shù)】
[0002] 碳纖維粉也叫磨碎碳纖維，是一種含碳量在85%以上的高強高模量的碳纖維長絲 經(jīng)二次加工得到的粉狀碳素材料。它保留了碳纖維的眾多優(yōu)異性能，并且形狀細(xì)小，比表面 積大，易于與基體樹脂進行復(fù)合。未經(jīng)改性處理的碳纖維粉表面極性基團少，惰性大，在溶 劑中的浸潤性和分散穩(wěn)定性較差，與基體復(fù)合時界面結(jié)合能力不佳，存在較多的界面缺陷。 這些問題極大的限制了碳纖維粉優(yōu)點的發(fā)揮，因此需對碳纖維粉進行改性處理。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于解決未經(jīng)改性處理的碳纖維粉的不足，提供一種碳纖維粉表面 改性方法，以使其具有良好的溶劑浸潤性，分散穩(wěn)定性和與基體復(fù)合時的界面結(jié)合能力。
[0004] 為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案。
[0005] -種碳纖維粉表面改性方法，包括下述步驟：
[0006] (1)對碳纖維粉進行空氣灼燒預(yù)處理：將原碳纖維粉置于瓷坩堝，放入馬弗爐中 從室溫升至350?500°C，并保溫5?20min ;
[0007] (2)將預(yù)處理后的碳纖維粉浸入氧化液進行表面改性：用強氧化劑和摩爾濃度為 0. 5?4. 5mol/L的硫酸溶液配制強氧化劑：硫酸摩爾濃度比為1 :1. 0?3. 5的氧化液，將 經(jīng)步驟（1)預(yù)處理后的碳纖維粉放入燒杯中，加入配制的氧化液，控制碳纖維粉的質(zhì)量濃 度在40?80g/L范圍內(nèi)，在攪拌條件下將氧化液加熱至沸騰，并控制氧化反應(yīng)時間即表面 改性時間為30?120min，然后自然冷卻至室溫；
[0008] (3)對改性后的碳纖維粉進行清洗處理：將氧化液抽濾排出，將經(jīng)步驟（2)氧化處 理改性后的碳纖維粉用去離子水和乙醇輪流沖洗即可。
[0009] 上述步驟（1)所述的碳纖維粉為浙青基碳纖維粉和/或聚丙烯基碳纖維粉，其單 絲直徑為8 μ m，平均粒徑為15?60 μ m ;步驟（2)所述的強氧化劑為氯酸鈉、過硫酸銨和高 錳酸鉀中的一種或幾種；步驟（3)所述用去離子水和乙醇輪流沖洗改性后的碳纖維粉，可 重復(fù)沖洗3?5次。
[0010] 本發(fā)明馬弗爐升高溫度優(yōu)選350?500°C。合適的灼燒溫度，有利于清除碳纖維 粉表面的有機物質(zhì)，且對碳纖維粉的性能影響較小。馬弗爐中空氣灼燒保溫時間范圍優(yōu)選 5?20min。合適的空氣灼燒保溫時間，能將碳纖維粉表面的有機物質(zhì)清除干凈，保證碳纖 維粉表面部分氧化，提高親水性，利于后續(xù)液相氧化中的表面改性。本發(fā)明硫酸溶液的摩爾 濃度范圍選擇0. 5?4. 5mol/L，因為經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，摩爾濃度低于0. 5mol/L時，改性效果不 佳，摩爾濃度高于4. 5mol/L時，碳纖維粉表面改性程度較難控制。本發(fā)明配制氧化液的強 氧化劑和硫酸摩爾濃度比優(yōu)選1:1. 0?3. 5,因為通過研究發(fā)現(xiàn)，摩爾濃度比高于1:1. 0時， 改性效果不明顯，摩爾濃度比低于1:3. 5時，增加硫酸含量不能提高改性效果。碳纖維粉加 入氧化液時，控制碳纖維粉的質(zhì)量濃度為40?80g/L，是由于質(zhì)量濃度比低于40g/L時，碳 纖維粉表面改性較難控制，質(zhì)量濃度比高于80g/L時，改性效果不佳。控制表面改性處理時 間為30?120min，合理的反應(yīng)時間能提高碳纖維粉的表面性，同時保證了碳纖維的本體強 度損失較小。
[0011] 本發(fā)明的碳纖維粉優(yōu)選浙青基碳纖維粉和聚丙烯基碳纖維粉，其單絲直徑為 8 μ m，平均粒徑為15?60 μ m。浙青基纖維和聚丙烯基碳纖維具有較高的強度，單絲直徑相 對均勻，并且這兩種碳纖維的纖維束容易分散，有利于后續(xù)地改性。碳纖維粉平均粒徑控制 在15?60 μ m，利于在氧化液中分散改性。本發(fā)明采用了適宜的強氧化劑氯酸鈉、過硫酸銨 和高錳酸鉀，合適的強氧化劑與硫酸協(xié)同作用，能使碳纖維粉表面氧化均勻，有效提高表面 性能，同時控制碳纖維粉機械性能的過度損失。
[0012] 采用本發(fā)明方法制備得到的改性碳纖維產(chǎn)品解決了原有碳纖維粉浸潤性差、分散 效果不佳和復(fù)合基體樹脂時界面結(jié)合能力差等缺點。碳纖維粉改性后相關(guān)性能明顯提高， 可廣泛適用于航空、汽車、建筑、化工等領(lǐng)域。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1表示了碳纖維粉的吸光率與時間的關(guān)系。

【具體實施方式】
[0014] 為了使本發(fā)明要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合 實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋 本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0015] 實施例1
[0016] 一種碳纖維粉表面改性方法，包括下述步驟：
[0017] (1)對碳纖維粉進行空氣灼燒預(yù)處理：稱取100g原碳纖維粉置于300ml的瓷坩 堝，放入馬弗爐中從室溫升溫至350°C，并保溫5min ;
[0018] (2)將預(yù)處理后的碳纖維粉浸入氧化液進行表面改性：用摩爾濃度為0. 5mol/L的 硫酸溶液，配制氯酸鈉和硫酸摩爾濃度比為1:1. 〇的氯酸鈉-硫酸氧化液500ml ;稱取40g 經(jīng)步驟（1)預(yù)處理后的碳纖維粉放入l〇〇〇ml燒杯中，加入500ml氯酸鈉-硫酸氧化液使碳 纖維粉的質(zhì)量濃度為80g/L ;在攪拌條件下將氧化液加熱至沸騰，并反應(yīng)120min，然后自然 冷卻至室溫；
[0019] (3)對改性后的碳纖維粉進行清洗處理：將氧化液抽濾排出，將經(jīng)步驟（2)氧化處 理改性后的碳纖維粉用去離子水和乙醇輪流沖洗，重復(fù)3?5次即可。
[0020] 實施例2
[0021] 一種碳纖維粉表面改性方法，包括下述步驟：
[0022] (1)對碳纖維粉進行空氣灼燒預(yù)處理：稱取100g原碳纖維粉置于300ml的瓷坩 堝，放入馬弗爐中從室溫升溫至500°C，并保溫20min ;
[0023] (2)將預(yù)處理后的碳纖維粉浸入氧化液進行表面改性：用摩爾濃度為0. 5mol/L的 硫酸溶液，配制氯酸鈉和硫酸摩爾濃度比為1:1. 〇的氯酸鈉-硫酸氧化液500ml ;稱取40g 經(jīng)步驟（1)預(yù)處理后的碳纖維粉放入1000ml燒杯中，加入500ml氯酸鈉-硫酸氧化液使碳 纖維粉的質(zhì)量濃度為80g/L，在攪拌條件下將氧化液加熱至沸騰，并反應(yīng)120min，然后自然 冷卻至室溫；
[0024] (3)對改性后的碳纖維粉進行清洗處理：將氧化液抽濾排出，將經(jīng)步驟（2)氧化處 理改性后的碳纖維粉用去離子水和乙醇輪流沖洗，重復(fù)3?5次即可。
[0025] 實施例3
[0026] 一種碳纖維粉表面改性方法，包括下述步驟：
[0027] (1)對碳纖維粉進行空氣灼燒預(yù)處理：稱取100g原碳纖維粉置于300ml的瓷坩 堝，放入馬弗爐中從室溫升溫至400°C，并保溫lOmin ;
[0028] (2)將預(yù)處理后的碳纖維粉浸入氧化液進行表面改性：用摩爾濃度為1. 5mol/L的 硫酸溶液，配制高錳酸鉀和硫酸摩爾濃度比為1:2. 0的高錳酸鉀-硫酸氧化液500ml ;稱取 20g經(jīng)步驟（1)預(yù)處理后的碳纖維粉放入1000ml燒杯中，加入500ml高錳酸鉀-硫酸氧化 液使碳纖維粉的質(zhì)量濃度為40g/L ;在攪拌條件下將氧化液加熱至沸騰，并反應(yīng)90min，然 后自然冷卻至室溫；
[0029] (3)對氧化后的碳纖維粉進行清洗處理：將經(jīng)步驟（2)處理后的反應(yīng)溶液抽濾后 用去離子水和乙醇輪流沖洗，重復(fù)3?5次。
[0030] 實施例4
[0031] 一種碳纖維粉表面改性方法，包括下述步驟：
[0032] (1)對碳纖維粉進行空氣灼燒預(yù)處理：稱取100g原碳纖維粉置于300ml的瓷坩 堝，放入馬弗爐中從室溫升溫至400°C，并保溫10min。
[0033] (2)將預(yù)處理后的碳纖維粉浸入氧化液進行表面改性：用摩爾濃度為4. 5mol/L的 硫酸溶液，配制高錳酸鉀和硫酸摩爾濃度比為1:2. 0的高錳酸鉀-硫酸氧化液500ml，稱取 20g經(jīng)步驟（1)預(yù)處理后的碳纖維粉放入1000ml燒杯中，加入500ml高錳酸鉀-硫酸氧化 液使碳纖維粉的質(zhì)量濃度為40g/L，在攪拌條件下將氧化液加熱至沸騰，并反應(yīng)90min，然 后自然冷卻至室溫；
[0034] (3)對氧化后的碳纖維粉進行清洗處理：將經(jīng)步驟（2)反應(yīng)后的氧化液抽濾排出， 將氧化處理改性后的碳纖維粉用去離子水和乙醇輪流沖洗，重復(fù)3?5次即可。
[0035] 實施例5
[0036] 一種碳纖維粉表面改性方法，包括下述步驟：
[0037] (1)對碳纖維粉進行空氣灼燒預(yù)處理：稱取100g原碳纖維粉置于300ml的瓷坩 堝，放入馬弗爐中從室溫升溫至450°C，并保溫15min。
[0038] (2)將預(yù)處理后的碳纖維粉浸入氧化液進行表面改性：用摩爾濃度為3. 5mol/L的 硫酸溶液，配制過硫酸銨和硫酸摩爾濃度比為1:3. 5的過硫酸銨-硫酸氧化液500ml ;稱取 30g經(jīng)步驟（1)預(yù)處理后的碳纖維粉放入1000ml燒杯中，加入500ml過硫酸銨-硫酸氧化 液使碳纖維粉的質(zhì)量濃度為60g/L ;在攪拌條件下將氧化液加熱至沸騰，并反應(yīng)30min，然 后自然冷卻至室溫；
[0039] (3)對氧化后的碳纖維粉進行清洗處理：將經(jīng)步驟（2)反應(yīng)后的氧化液抽濾排出， 將氧化處理改性后的碳纖維粉用去離子水和乙醇輪流沖洗，重復(fù)3?5次。
[0040] 實施例6
[0041] 一種碳纖維粉表面改性方法，包括下述步驟：
[0042] (1)對碳纖維粉進行空氣灼燒預(yù)處理：稱取100g原碳纖維粉置于300ml的瓷坩 堝，放入馬弗爐中從室溫升溫至400°C，并保溫15min ;
[0043] (2)將預(yù)處理后的碳纖維粉浸入氧化液進行表面改性：用摩爾濃度為3. 5mol/L的 硫酸溶液，配制過硫酸銨和硫酸摩爾濃度比為1:3. 5的過硫酸銨-硫酸氧化液500ml ;稱取 30g經(jīng)步驟（1)預(yù)處理后的碳纖維粉放入1000ml燒杯中，加入500ml過硫酸銨-硫酸氧化 液使碳纖維粉的質(zhì)量濃度為60g/L，在攪拌條件下將氧化液加熱至沸騰，并反應(yīng)120min，然 后自然冷卻至室溫；
[0044] (3)對氧化后的碳纖維粉進行清洗處理：將經(jīng)步驟（2)反應(yīng)后的氧化液抽濾排出， 將氧化處理改性后的碳纖維粉用去離子水和乙醇輪流沖洗，重復(fù)3?5次。
[0045] 上述實施例1?6步驟（1)所述的碳纖維粉為浙青基碳纖維粉或聚丙烯基碳纖維 粉或兩者的混合物，纖維粉的單絲直徑為8 μ m，平均粒徑為15?60 μ m。
[0046] 將上述實施例1至實施例6中制得的表面改性后的碳纖維粉進行如下性能測試：
[0047] ①表面改性后碳纖維粉不同溶劑接觸角測試：
[0048] 將上述實施例1至實施例6中制得的表面改性后的碳纖維粉，運用JF99A粉體接 觸角測試儀進行測試。具體操作步驟如下：
[0049] 先將表面改性后碳纖維粉在100°C下烘2小時，然后置于干燥瓶中待用。用10_沖 頭沖出直徑為1〇_過濾紙片，平放入石英管管套底部，將洗凈干燥的石英管插入管套，用 手指壓住，然后裝碳纖維粉樣品，裝樣時每加點粉體就在桌子上敲幾下，讓粉體盡量壓緊， 每10cm長的樣品管裝至2/3高度，記下該高度，然后稱重，再將管套插在支夾上，用力拉起 裝有壓力傳感器的密封頭，壓在石英管上，即可進行測試。
[0050] 實施例1至實施例6中制得的表面改性后碳纖維粉不同溶劑接觸角測試結(jié)果見表 1 ：
[0051] 表1表面改性后碳纖維粉不同溶劑接觸角
[0052]

【權(quán)利要求】
1. 一種碳纖維粉表面改性方法，其特征在于，包括下述步驟： (1) 對碳纖維粉進行空氣灼燒預(yù)處理：將原碳纖維粉置于瓷坩堝，放入馬弗爐中從室 溫升至350?500°C，并保溫5?20min ; (2) 將預(yù)處理后的碳纖維粉浸入氧化液進行表面改性：用強氧化劑和摩爾濃度為 0. 5?4. 5mol/L的硫酸溶液配制強氧化劑：硫酸摩爾濃度比為1 :1. 0?3. 5的氧化液，將 經(jīng)步驟（1)預(yù)處理后的碳纖維粉放入燒杯中，加入配制的氧化液，控制碳纖維粉的質(zhì)量濃 度在40?80g/L范圍內(nèi)，在攪拌條件下將氧化液加熱至沸騰，并控制氧化反應(yīng)時間即表面 改性時間為30?120min，然后自然冷卻至室溫； (3) 對改性后的碳纖維粉進行清洗處理：將氧化液抽濾排出，將經(jīng)步驟（2)氧化處理改 性后的碳纖維粉用去離子水和乙醇輪流沖洗即可。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳纖維粉表面改性方法，其特征在于：步驟（1)所述 的碳纖維粉為浙青基碳纖維粉和/或聚丙烯基碳纖維粉，其單絲直徑為8 μ m，平均粒徑為 15 ?60 μ m〇
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳纖維粉表面改性方法，其特征在于：步驟（2)所述的 強氧化劑為氯酸鈉、過硫酸銨和高錳酸鉀中的一種或幾種。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳纖維粉表面改性方法，其特征在于：步驟（3)所述用 去離子水和乙醇輪流沖洗改性后的碳纖維粉，可重復(fù)沖洗3?5次。
【文檔編號】D06M101/40GK104088132SQ201410352551
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月23日
【發(fā)明者】黃惠, 潘明熙, 郭忠誠 申請人:昆明理工恒達科技股份有限公司