增强碳纤维的方法技术

一种增强碳纤维的方法，采用改进电雾化沉积法将石墨烯植入于碳纤维的表面结构缺陷进而增加其强度，包括：1)将预氧化、炭化后的碳纤维束传送至高压电晕放电区在-5～-30kV高压电下进行电晕放电处理，行进速度5～30m/h，使碳纤维表面结构缺陷中带上一定量的负电荷；2)将石墨烯与有机溶剂配制成均一稳定悬浮液，石墨烯取自功能化单层石墨烯和/或功能化多层石墨烯的一种，溶剂为二甲基乙酰胺、二甲基甲酰胺、四氢呋喃或乙醇有机溶剂中的一种；3)石墨烯悬浮液施加20～50kV的正极静电，带电碳纤维束平展且接地构成悬浮液接受体，遂通过电雾化沉积将石墨烯植入碳纤维表面结构缺陷内，以碳纤维与石墨烯的重量比计，沉积量控制为1000∶(0.1～4)；4)经石墨烯雾化沉积后碳纤维束在300～1600℃惰性气体氩气气氛下进行热处理。碳纤维抗拉强度可提高140％以上。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种，特别涉及采用改进电雾化沉积法将石墨烯修复碳纤维表面结构缺陷进而增加碳纤维抗拉强度的方法。
技术介绍
碳纤维几乎可被认为是迄今为止比强度和比模量最高的非金属 材料，除了优异的力学性能外，它还兼具其他多种优良性能，如低密度耐高温、抗化学腐蚀、低电阻、高热导、低热膨胀、耐辐射等，已成为航空航天领域不可缺少的先进复合材料的增强材料，在交通运输、能源、体育运动器材、土木建筑等领域也有广泛的应用前景。然而，现有碳纤维产品的强度与弹性模量实际上与理论值存在很大差距，以抗拉强度为例，一般仅为理论值的3 5%。导致这种现象的根本原因是碳纤维普遍存在结构缺陷，特别如聚丙烯腈基的碳纤维因其原丝以溶液纺丝法制备，纤维在凝固成形的同时伴随溶剂的逸出，最终制得的碳纤维结构缺陷尤为严重。碳纤维的结构缺陷包括内部缺陷(如空洞)和表面缺陷(如凹陷和裂纹)，而表面缺陷是造成强度下降的主要因素，其权重甚至可达90%。现有技术中，人们较多地通过提高原丝质量、改进预氧化和碳化工艺等以期减少结构缺陷的形成，但就碳纤维产品强度实际值与理论值差距的改善比例而言收效甚微。“Nanotube composite carbon fibers^[((Applied Physics Letters》1999, 75 (7), P1329 1334] —文公开了一种采用共混纺丝法将单壁碳纳米管混入原丝制备浙青基碳纤维的方法，以提高碳纤维的力学性能和电性能，据称含5wt. %单壁碳纳米管的浙青基复合碳纤维拉伸强度和弹性模量分别提高了 90%和150%。然而该方法主要弥补了碳纤维内部结构缺陷，对表面结构缺陷的弥补作用有限。另外，碳纳米管的表面能极大，要均匀地分散于纺丝原液中绝非易事，故难以实现大规模的工业化应用。另外也可见“后期修复”的尝试，如中国专利申请03137023. 3公开了一种高强度碳纤维的制造方法，它将CH4和Ar以一定配比通入等离子发生器，遂将碳纤维通过等离子体高温区，在碳纤维进行石墨化的同时，甲烷在高温电弧等离子体的作用下裂解产生离子碳渗碳至碳纤维表面和内部，从而弥补其结构缺陷。非常可喜的是它对碳纤维表面结构缺陷修复的针对性较强，但显然这种方法的“修复，，效率不够理想，工业化应用的成本会较高。程博闻等在中国专利申请号201010211436. 7、201010211437. 1,201010211410. 2等中公开了一种采用静电喷涂碳纳米管的方法来增加碳纤维的强度，该方法工艺简单，碳纤维强度提高100%以上。但该技术存在不足在于碳纳米管尺度相对较大，尽管其直径在几至几十纳米，但其长度范围在几微米至几十微米之间，远高于碳纤维表面结构缺陷尺寸(约几十至几百纳米之间)，这样容易造成静电喷涂过程中仅有部分碳纳米管进入碳纤维的表面结构缺陷中(径向射入)，绝大部分碳纳米管覆盖在碳纤维表面；另外，由于碳纳米管的长径比大，在静电喷涂过程中，碳纳米管之间会相互缠结而成团，影响喷射效果
技术实现思路
本专利技术提供了一种，它采用了石墨烯后修复碳纤维表面结构缺陷，进而增加碳纤维的强度。效果和效率均十分理想，适于工业化实施，较好地解决了现有技术存在的技术问题。以下是本专利技术具体的技术方案一种，它采用改进电雾化沉积法将石墨烯植入于碳纤维的表面结构缺陷进而增加其强度。该方法包括以下过程I)碳纤维电晕放电处理将预氧化、炭化后的碳纤维束I通过传送带6传送至高压电晕放电区进行电晕放电处理，电晕放电装置包括高压电源2、尖端放电装置3和接地电极板4组成，其中高压电源2为负电发生器，其负极通过导线21与尖端放电装置3相连，正极通过导线22接地；通过控制传送带6的行进速度5 30m/h，高压电源2的电晕放电电压-5 _30kV，放电距离(尖端放电装置3和接地电极板4间距)为I 5cm ;2)石墨烯悬浮液配置将石墨烯用溶剂和少许分散剂配制成均一稳定悬浮液，石墨烯为功能化石墨烯，取自氨基化、磺酸化或羟基化石墨烯中的一种，功能化基团的含量为0.5 4wt. %，溶剂为二甲基乙酰胺、二甲基甲酰胺、四氢呋喃或乙醇有机溶剂中的一种，悬浮液中石墨烯的含量为10 60g/L ；3)静电沉积石墨烯经电晕放电处理的碳纤维束I经传送带6以相同速度进入静电沉积区，静电沉积装置由高压电源7、多针喷射器9和接地电极板4，组成，高压电源7为正电发生器，其正极通过导线71与多针喷射器9相连，负极通过导线72接地；石墨烯悬浮液经导管8输送至位于碳纤维I正上方的多针喷射器9空腔内，高压电源7施加电压20 50kV并与接地电极板4’形成电沉积区，碳纤维丝束I平展于传送带6构成接受体，多针喷射器9空腔内的石墨烯悬浮液在高压静电雾化作用下沉积于碳纤维表面中表面结构缺陷中，得到石墨烯修复碳纤维；沉积距离(喷射器针头与碳纤维束之间距离)控制为5 30cm，以碳纤维与石墨烯的重量比计，碳纤维表面结构缺陷中石墨烯的沉积量控制为1000 (0.1 4);4)石墨烯修复碳纤维热处理经石墨烯雾化沉积后碳纤维束以相同速度输送至热处理装置11中，在惰性气体氩气气氛下进行热处理，热处理温度300 1600°C，碳纤维束通过热处理装置11时间10 60min。上述过程I)实际上是在碳纤维表面结果缺陷中引入一些负电荷，这样将有助于带有正电荷的石墨烯定向植入到碳纤维表面结构缺陷中，而非沉积在碳纤维的表面。其基本原理在于在高压静电作用下，针端电极3将空气极化成正、负两种电荷，与电极相反的正电荷朝针尖电极端移动，而与电极极性相同的负电荷沉积在到碳纤维及碳纤维的表面，由于碳纤维导电性能较佳，沉积在碳纤维表面的电荷容易形成导电通道逸散消失，但缺陷中的电荷较难形成逸散通道而驻留在结构缺陷中，驻留在结构缺陷中的负电荷电荷将与随后电雾化沉积过程中带有正电荷的石墨烯相互吸引从而使得石墨烯更容易进入碳纤维的表面结构缺陷中。该过程中所述的传送带6的行进速度优选10 20m/h，所述的高压电源2的电晕放电电压-20 _25kV，所述的放电距离为2 3cm。该过程能够有效调控电雾化沉积过程中粒子的定向运动，相比传统电雾化沉积实施效果更佳。上述过程2)所述的功能化石墨烯可以为功能化单层石墨烯和/或功能化多层石墨烯，直径一般为0.1 5 ii m,厚度为0. 34 3. 4nm ;所述的功能化碳纳米管的功能化基团含量最好为3 4wt. % ;所述的溶剂为二甲基乙酰胺、二甲基甲酰胺、四氢呋喃或乙醇有机溶剂中的一种；所述的悬浮液中石墨烯的含量最好为30 40g/L。上述过程3)所述的多针喷射器9最好施加30 40kV的正极静电；所述的沉积距离最好控制为15 25cm ;所述的碳纤维表面结构缺陷中碳纳米管的喷涂量最好控制为1000 (1. 5 2. 5)。上述过程4)的作用是使碳纤维与石墨烯界面处，石墨烯活性碳原子与碳纤维表面结构缺陷中的活性碳原子结合，使得碳纤维与石墨烯间形成共价键结合，以提高碳纤维力学性能；当处理温度足够高，除了发生上述共价键结合外，碳纤维结构从乱层石墨结构转变为结晶度较高的石墨结构，同时乱层石墨与层状石墨烯之间将发生重排结晶，整个过程包括非碳原子的排除、多核芳环平面组织结构化、微晶重排、微晶合并等过程，这样将可进一步提高碳纤维抗拉强度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种增强碳纤维的方法，它采用改进电雾化沉积法将石墨烯植入于碳纤维的表面结构缺陷进而改善其强度，其特征在于该方法包括以下过程：1)碳纤维电晕放电处理：将预氧化、炭化后的碳纤维束1通过传送带6传送至高压电晕放电区进行电晕放电处理，电晕放电装置包括高压电源2、尖端放电装置3和接地电极板4组成，其中高压电源2为负电发生器，其负极通过导线21与尖端放电装置3相连，正极通过导线22接地；通过控制传送带6的行进速度5～30m/h，高压电源2的电晕放电电压?5～?30kV，放电距离为1～5cm；2)石墨烯悬浮液配置：将石墨烯用溶剂和少许分散剂配制成均一稳定悬浮液，石墨烯为功能化石墨烯，取自氨基化、磺酸化或羟基化石墨烯中的一种，功能化基团的含量为0.5～4wt.％，溶剂为二甲基乙酰胺、二甲基甲酰胺、四氢呋喃或乙醇有机溶剂中的一种，悬浮液中石墨烯的含量为10～60g/L；3)静电沉积石墨烯：经电晕放电处理的碳纤维束1经传送带6以相同速度进入静电沉积区，静电沉积装置由高压电源7、多针喷射器9和接地电极板4’组成，高压电源7为正电发生器，其正极通过导线71与多针喷射器9相连，负极通过导线72接地；石墨烯悬浮液经导管8输送至位于碳纤维1正上方的多针喷射器9空腔内，高压电源7施加电压20～50kV并与接地电极板4’形成电沉积区，碳纤维丝束1平展于传送带6构成接受体，多针喷射器9空腔内的石墨烯悬浮液在高压静电雾化作用下沉积于碳纤维表面中表面结构缺陷中，得到石墨烯修复碳纤维；沉积距离控制为5～30cm，以碳纤维与石墨烯的重量比计，碳纤维表面结构缺陷中石墨烯的沉积量控制为1000∶(0.1～4)；4)石墨烯修复碳纤维热处理：经石墨烯雾化沉积后碳纤维束以相同速度输送至热处理装置11中，在惰性气体氩气气氛下进行热处理，热处理温度300～1600℃。...

【技术特征摘要】
1.一种增强碳纤维的方法，它采用改进电雾化沉积法将石墨烯植入于碳纤维的表面结构缺陷进而改善其强度，其特征在于该方法包括以下过程 1)碳纤维电晕放电处理将预氧化、炭化后的碳纤维束I通过传送带6传送至高压电晕放电区进行电晕放电处理，电晕放电装置包括高压电源2、尖端放电装置3和接地电极板4组成，其中高压电源2为负电发生器，其负极通过导线21与尖端放电装置3相连，正极通过导线22接地；通过控制传送带6的行进速度5 30m/h，高压电源2的电晕放电电压-5 -30kV,放电距离为I 5cm ； 2)石墨烯悬浮液配置将石墨烯用溶剂和少许分散剂配制成均一稳定悬浮液，石墨烯为功能化石墨烯，取自氨基化、磺酸化或羟基化石墨烯中的一种，功能化基团的含量为0.5 4wt. %，溶剂为二甲基乙酰胺、二甲基甲酰胺、四氢呋喃或乙醇有机溶剂中的一种，悬浮液中石墨烯的含量为10 60g/L ； 3)静电沉积石墨烯经电晕放电处理的碳纤维束I经传送带6以相同速度进入静电沉积区，静电沉积装置由高压电源7、多针喷射器9和接地电极板4’组成，高压电源7为正电发生器，其正极通过导...

【专利技术属性】
技术研发人员：康卫民，程博闻，赵义侠，蔡占军，庄旭品，夏磊，刘雍，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：