本發(fā)明涉及一種用高錳酸鉀對碳纖維進(jìn)行表面處理的方法，屬于高性能纖維的表面處理處理技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
碳纖維具有優(yōu)異的力學(xué)性能（尤其是拉伸性能），因此經(jīng)常作為復(fù)合材料的增強(qiáng)相，特別是碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料得到了越來越廣泛的重視和應(yīng)用。復(fù)合材料的力學(xué)性能除了取決于增強(qiáng)相和基體的力學(xué)性能外，還取決于界面應(yīng)力的傳遞情況。碳纖維的表面呈化學(xué)惰性，表面能低，為憎液性，致使其與基體的粘結(jié)不良，因此碳纖維在使用前都要經(jīng)過表面處理。目前，碳纖維表面處理主要是希望增強(qiáng)碳纖維的表面化學(xué)活性，增強(qiáng)碳纖維與基體間的界面粘結(jié)強(qiáng)度，以增強(qiáng)復(fù)合材料的使用性能。
目前認(rèn)為碳纖維表面改性最重要的機(jī)理為機(jī)械鎖結(jié)作用和表面化學(xué)基團(tuán)的作用。表面處理后，材料表面發(fā)生物理變化，碳纖維表面的粗糙度大大增加，碳纖維與樹脂基體復(fù)合時，樹脂液體冷卻定形后將和碳纖維一起形成凸凹不平的界面，從而產(chǎn)生較強(qiáng)的機(jī)械鎖結(jié)作用，增強(qiáng)纖維與基體間的界面強(qiáng)度；同時，處理后，材料的表面化學(xué)成份會發(fā)生變化，形成新的化學(xué)基團(tuán)，引起表面的活化，從而增強(qiáng)復(fù)合材料的界面強(qiáng)度。除此以外，還有各種理論，表面積理論認(rèn)為表面積的增加使基體粘結(jié)點(diǎn)數(shù)目增加而使材料界面強(qiáng)度增強(qiáng)；表面潤濕理論認(rèn)為表面積的吸濕性的增大使材料界面強(qiáng)度增強(qiáng)。
目前常見的表面處理方法有氣相氧化法、液相氧化法、陽極氧化法和等離子體表面處理等方法。氣相氧化法設(shè)備簡單、操作簡便，能實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，但反應(yīng)不易控制，如果處理?xiàng)l件控制不當(dāng)，容易造成處理過度而使纖維嚴(yán)重失重及拉伸強(qiáng)度急劇下降。陽極電解氧化法也叫電化學(xué)氧化法，該方法具有處理效果均勻、操作簡便，易于實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，但存在氧化后殘留電解質(zhì)的洗凈和干燥問題。在氧化處理后的清洗過程中，碳纖維表面的電解質(zhì)很難被徹底清除。等離子體處理方法效果不穩(wěn)定，而且受設(shè)備限制，很難展開工業(yè)化生產(chǎn)。液相氧化法處理時將纖維先經(jīng)清潔，而后浸泡在盛有氧化性的介質(zhì)中，于規(guī)定溫度下達(dá)到設(shè)定時間后取出，洗凈、烘干。常用的氧化劑是硝酸、硫酸或高濃度的混合含氧酸。處理效果比氣相氧化溫和，反應(yīng)易于控制，處理后碳纖維的表面性能有一定的改善，但液相氧化法常用高濃度硝酸、硫酸等對環(huán)境污染嚴(yán)重。高錳酸鉀具有強(qiáng)氧化性，在實(shí)驗(yàn)室中和工業(yè)上常用作氧化劑，因此可以利用高錳酸鉀作為氧化劑代替液相氧化法中的強(qiáng)酸，避免處理廢液造成環(huán)境污染。
基于此，做出本申請。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有碳纖維液相氧化表面處理對氧化劑的要求非常高的技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種用高錳酸鉀對碳纖維進(jìn)行液相氧化表面處理的方法，既可以有效提高碳纖維表面的化學(xué)活性，降低碳纖維的接觸角，又可以避免采用濃硝酸濃硫酸等強(qiáng)酸作為氧化劑造成處理廢液污染環(huán)境。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
一種高錳酸鉀對碳纖維的表面處理方法，所述的碳纖維采用液相氧化法進(jìn)行表面改性，所述表面改性的氧化劑為高錳酸鉀，所述高錳酸鉀的添加量為6-15%owf，所述表面處理溫度為60-100℃，表面處理時間為2-6小時。
所述的高錳酸鉀為分析純。
所述的碳纖維或碳纖維織物均為無上漿，或所述碳纖維或碳纖維織物在表面處理前去除纖維表面漿料。
所述碳纖維或碳纖維織物在表面處理前將碳纖維在丙酮溶液中超聲清洗10-30分鐘，去除纖維表面漿料。
所述的液相氧化法采用碳纖維浸泡在高溫高猛酸鉀溶液中進(jìn)行氧化處理的方法。
所述的液相氧化法處理過程中添加有酸，高錳酸鉀作為氧化劑受pH影響很大，在酸性溶液中氧化能力最強(qiáng)，所以這里添加適量的酸，控制高錳酸鉀溶液的pH值在5.0-6.0之間。
所述的酸為稀硫酸或氫氟酸中的一種。
所述的碳纖維在表面處理后清洗除盡碳纖維表面的殘留物。
清洗時加入一定量的還原劑，如Na2SO3,以確保清洗效果。
所述的清洗過程后，對碳纖維進(jìn)行干燥處理，所述干燥處理的溫度為90-110℃，干燥處理的時間為30-60分鐘。
本發(fā)明的工作原理和有益效果如下：
1、本發(fā)明在表面處理前應(yīng)去除碳纖維表面上漿劑（或采用無上漿碳纖維），通過在丙酮溶液中超聲波震蕩處理溶解并去除碳纖維表面上漿劑。
2、采用液相氧化法的方式對碳纖維或碳纖維織物進(jìn)行表面處理處理。液相氧化法是指將碳纖維完全浸沒在高溫高猛酸鉀溶液中進(jìn)行氧化處理的方法。通過高錳酸鉀氧化作用，早碳纖維表面生成-COOH、-OH等極性基團(tuán)從而提高碳纖維表面的化學(xué)活性，降低其與液體的接觸角。高錳酸鉀作為氧化劑受pH影響很大，在酸性溶液中氧化能力最強(qiáng)，所以這里添加適量的稀硫酸或氫氟酸，控制高錳酸鉀溶液的pH值在5.0-6.0之間。高錳酸鉀的處理效果和溫度有較大關(guān)系，因此，表面處理溫度應(yīng)控制在60-100℃范圍內(nèi)。
3、碳纖維在表面處理后需要經(jīng)過清洗干燥等處理，以清洗除盡碳纖維表面的殘留物，避免殘留化學(xué)物質(zhì)繼續(xù)和碳纖維反應(yīng)，造成碳纖維的損傷，降低其力學(xué)性能。
采用本發(fā)明的技術(shù)方案，采用高錳酸鉀而非濃硝酸等強(qiáng)酸處理碳纖維，處理廢液易處置，對環(huán)境影響小，應(yīng)用于碳纖維的表面處理，具有操作方便、處理效果好、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于此。
實(shí)施例1
本實(shí)施例1用于碳纖維的表面處理方法，碳纖維采用液相氧化法進(jìn)行表面改性，液相氧化法采用碳纖維浸泡在高溫高猛酸鉀溶液中進(jìn)行氧化處理的方法，處理過程中添加有稀硫酸，高錳酸鉀作為氧化劑受pH影響很大，在稀硫酸酸性溶液中氧化能力最強(qiáng)，所以這里添加適量的酸，控制高錳酸鉀溶液的pH值為6.0。
表面改性的氧化劑為高錳酸鉀，高錳酸鉀為分析純，高錳酸鉀的添加量為10%owf，表面處理溫度為80℃，表面處理時間為3小時。
本實(shí)施例1中的碳纖維或碳纖維織物均為無上漿，或碳纖維或碳纖維織物在表面處理前將碳纖維在丙酮溶液中超聲清洗10-30分鐘，去除纖維表面漿料。
本實(shí)施例1中的碳纖維在表面處理后清洗除盡碳纖維表面的殘留物，清洗時加入一定量的還原劑，如Na2SO3,以確保清洗效果。清洗過程后，對碳纖維進(jìn)行干燥處理，如烘干處理，烘干處理的溫度為100℃，烘干時間為60分鐘。處理后碳纖維的性能參數(shù)見表1。
表1 處理前后碳纖維性能參數(shù)
實(shí)施例2
本實(shí)施例2中高錳酸鉀的添加量為12%owf, pH值5.5。
工藝參數(shù)：表面處理溫度100℃，處理時間6小時，烘干溫度110℃，烘干時間60分鐘。處理后碳纖維的性能參數(shù)見表2。
表2 處理前后碳纖維性能參數(shù)
本實(shí)施例2的其它工藝步驟與參數(shù)均與實(shí)施例1相同，此處不作贅述。
實(shí)施例3
本實(shí)施例3中高錳酸鉀的添加量為6%owf, pH值5.0。
工藝參數(shù)：表面處理溫度90℃，處理時間4小時，烘干溫度100℃，烘干時間50分鐘。處理后碳纖維的性能參數(shù)見表3。
表3 處理前后碳纖維性能參數(shù)
本實(shí)施例3的其它工藝步驟與參數(shù)均與實(shí)施例1相同，此處不作贅述。
實(shí)施例4
本實(shí)施例4中高錳酸鉀的添加量為13%owf, pH值6.0。
工藝參數(shù)：表面處理溫度100℃，處理時間3小時，烘干溫度90℃，烘干時間60分鐘。處理后碳纖維的性能參數(shù)見表4。
表4 處理前后碳纖維性能參數(shù)
本實(shí)施例4的其它工藝步驟與參數(shù)均與實(shí)施例1相同，此處不作贅述。
實(shí)施例5
本實(shí)施例5中高錳酸鉀的添加量為15%owf, pH值6.0。
工藝參數(shù)：表面處理溫度100℃，處理時間6小時，烘干溫度110℃，烘干時間60分鐘。處理后碳纖維的性能參數(shù)見表5。
表5 處理前后碳纖維性能參數(shù)
本實(shí)施例5的其它工藝步驟與參數(shù)均與實(shí)施例1相同，此處不作贅述。
實(shí)施例6
本實(shí)施例6中高錳酸鉀的添加量為8%owf, pH值5.0。
工藝參數(shù)：表面處理溫度90℃，處理時間6小時，烘干溫度110℃，烘干時間60分鐘。處理后碳纖維的性能參數(shù)見表6。
表6處理前后碳纖維性能參數(shù)
本實(shí)施例6的其它工藝步驟與參數(shù)均與實(shí)施例1相同，此處不作贅述。
對比實(shí)施例
本實(shí)施例6中硝酸的濃度為60%。
工藝參數(shù)：表面處理溫度50℃，處理時間4小時，烘干溫度110℃，烘干時間60分鐘。處理后碳纖維的性能參數(shù)見表7。
表7 處理前后碳纖維性能參數(shù)
可見高錳酸鉀處理后碳纖維表面接觸角下降更多，浸潤性增加明顯，碳纖維強(qiáng)力下降更少。同時高錳酸鉀處理后危險化學(xué)品廢液為0，硝酸法處理后所有的廢液為危險化學(xué)品廢液，需要專門收集，專門貯藏，專門處理，處理費(fèi)用較高，增加了生產(chǎn)難度和生產(chǎn)成本。同時，高溫將導(dǎo)致硝酸揮發(fā)，硝酸蒸氣對人體有較大損害。因此，高錳酸鉀更用作對碳纖維的表面處理不僅處理效果好，而且，廢液使用還原劑還原即可，廢液處理簡便。
上述實(shí)施例僅用于解釋說明本發(fā)明的發(fā)明構(gòu)思，而非對本發(fā)明權(quán)利保護(hù)的限定，凡利用此構(gòu)思對本發(fā)明進(jìn)行非實(shí)質(zhì)性的改動，均應(yīng)落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。