采用硫酸碳化淀粉液相沉積處理碳纖維的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種碳纖維的處理方法，具體設(shè)及一種采用硫酸碳化淀粉液相沉積處 理碳纖維的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 通常情況下，碳纖維都是在具有保護作用的惰性氣體環(huán)境下生產(chǎn)制造的，其生產(chǎn) 溫度在1600°CW上，由于經(jīng)歷了高溫階段成型，所W使得碳纖維表面的其他元素基本消失， 只剩下了富集的碳元素，從而導(dǎo)致了其表面活性低于復(fù)合材料的粘結(jié)膠強度，進而降低了 其整體力學(xué)性能。為了處理在碳纖維表面惰性高的情況下，如何發(fā)揮出復(fù)合材料中力學(xué)性 能的問題，此時需要對碳纖維表面形貌作一些適當(dāng)?shù)母倪M。目前，對碳纖維表面進行處理的 方法主要有兩種：氧化法和非氧化法。經(jīng)處理后的碳纖維雖具有較好的性能，但是和未處理 的碳纖維相比較，則發(fā)現(xiàn)其復(fù)合材料剪切強度有所下降。而且現(xiàn)有技術(shù)技術(shù)中，碳纖維強酸 處理過程中易對碳纖維表面過度刻蝕，降低了材料的強度等力學(xué)性能。
[0003] 本發(fā)明的技術(shù)方案包括如下步驟：
[0004] 稱取碳纖維0. 1-lg，量取10-30ml的硫酸，再稱取淀粉，淀粉和硫酸的質(zhì)量比為 1 % -4%，然后將稱量好的淀粉配制成質(zhì)量濃度為5-15 %的淀粉水溶液，上述混合液體加 入圓底燒瓶進行反應(yīng)，反應(yīng)時間為15-60min，反應(yīng)溫度為120-200°C，得短切碳纖維。 陽0化]所述的碳纖維用丙酬浸泡去除表面有機膠。
[0006] 所述的淀粉和硫酸的質(zhì)量比優(yōu)選為2%。
[0007] 所述的淀粉水溶液質(zhì)量濃度優(yōu)選為10 %。
[000引所述的反應(yīng)時間優(yōu)選為45min，反應(yīng)溫度優(yōu)選為180°C。
[0009] 本發(fā)明的優(yōu)點效果如下：
[0010] 本發(fā)明通過采用硫酸碳化淀粉在短切碳纖維表面的液相沉積處理的方法，實現(xiàn)可 控刻蝕及在表面沉淀淀粉碳化顆粒，增加粗糖度提高其摩擦性的同時最大限度的實現(xiàn)其它 力學(xué)性能不降低。本發(fā)明從碳纖維界面微觀受力角度為出發(fā)點，W硫酸為氧化劑將淀粉在 不同溫度下碳化成碳顆粒沉積在碳纖維的表面增大其受力界面，將部分受力進行界面?zhèn)鬟f 擴散使得其表層受力均勻，在此之前，用此方法處理碳纖維無人嘗試，通過試驗，處理之后 碳纖維的表面有碳化的碳顆粒沉積，擴大了碳纖維的表面積，緩解了受力的集中和不均勻， 防止了碳纖維強酸處理過程中易對碳纖維表面過度刻蝕，且為一種簡單有效的碳纖維表 面處理改性方法。
【附圖說明】 W11] 圖Ia-Id為不同質(zhì)量比下硫酸碳化淀粉電鏡圖。
[0012] 圖2a-2d為不同時間下硫酸碳化淀粉電鏡圖。
【具體實施方式】 陽〇1引實施例1
[0014] 稱取碳纖維0. 5g，量取20ml的濃度98wt%的硫酸，再稱取淀粉，淀粉和硫酸的質(zhì) 量比為2 %，然后將稱量好的淀粉配制成質(zhì)量濃度為10 %的淀粉水溶液，上述混合液體加 入圓底燒瓶進行反應(yīng)，反應(yīng)時間為45min，反應(yīng)溫度為180°C，得短切碳纖維。 陽〇1引實施例2
[0016] 稱取碳纖維0.Ig,量取IOml的濃度98wt%的硫酸，再稱取淀粉，淀粉和硫酸的質(zhì) 量比為1 %，然后將稱量好的淀粉配制成質(zhì)量濃度為5%的淀粉水溶液，上述混合液體加入 圓底燒瓶進行反應(yīng)，反應(yīng)時間為15min，反應(yīng)溫度為200°C，得短切碳纖維。
[0017] 實施例3
[001引稱取碳纖維Ig,量取30ml的濃度98wt%的硫酸，再稱取淀粉，淀粉和硫酸的質(zhì)量 比為4 %，然后將稱量好的淀粉配制成質(zhì)量濃度為15 %的淀粉水溶液，上述混合液體加入 圓底燒瓶進行反應(yīng)，反應(yīng)時間為60min，反應(yīng)溫度為120°C，得短切碳纖維。
[0019] 實施例4
[0020] 稱取碳纖維0.Ig,量取30ml濃度98wt%的硫酸，再稱取淀粉，淀粉和硫酸的質(zhì)量 比為3%，然后將稱量好的淀粉配制成質(zhì)量濃度為5 %的淀粉水溶液，上述混合液體加入圓 底燒瓶進行反應(yīng)，反應(yīng)時間為60min，反應(yīng)溫度為200°C，得短切碳纖維。
[0021] 本發(fā)明的實驗過程及性能分析如下。
[0022] 在配料時將碳纖維的量作為變量，分別加入碳纖維的質(zhì)量分數(shù)為3 %，5 %，7 %， 9%，11%，加入的碳纖維為硫酸與淀粉的質(zhì)量之比為2%在180°C下碳化沉積60min的短切 碳纖維，編號為分別為Al,A2,A3,A4,A5。為了做對比，同時加入質(zhì)量分數(shù)為9%的未處理 短切碳纖維，編號為A0,而其余各個填料和樹脂的量均為定量。
[0023] 將混合好的物料取出部分放入模具中，然后將模具穩(wěn)固壓合后輕放于液壓平板硫 化機上，其壓制溫度為150°C，壓制壓力位25MPa，保壓時間為30min后將壓片取出測試其性 能。
[0024] 硫酸碳化淀粉液相沉積處理碳纖維，掃面電鏡（SEM)分析如圖Ia-Id所示，淀粉 濃度為〇%、1%、2%和3%下硫酸碳化淀粉處理后的碳纖維表面電鏡圖，處理時間固定為 45min，處理溫度固定為180°C。由圖可W看出，當(dāng)未加淀粉直接用硫酸進行處理時，碳纖維 的邊緣部分被酸液腐蝕，運是由于濃硫酸的強氧化性使得碳纖維皮層微晶尺寸較大部分被 腐蝕脫落，當(dāng)加入淀粉后，可W看出，在淀粉與硫酸不同質(zhì)量比例下，碳纖維的表面均有不 同程度碳化后的淀粉碳顆粒沉積，在電鏡照片下可W看出，當(dāng)?shù)矸叟c硫酸質(zhì)量比為1%時， 沉積在纖維表面的碳顆粒相對比較稀疏，而且碳化的碳顆粒在纖維表面分布也不太均勻； 相比之下，當(dāng)?shù)矸叟c硫酸的質(zhì)量之比為2%時，碳纖維表面的沉積效果較好，而且附著比較 牢固；當(dāng)兩者的質(zhì)量之比為3%時，可W看出，雖然纖維表面比較粗糖，而且也不均勻的沉 積了一層碳化淀粉顆粒，但是此時的碳化淀粉顆粒在局部呈現(xiàn)出結(jié)團的現(xiàn)象，故而說明此 時淀粉濃度相對來說已經(jīng)偏高。綜合不同比例的硫酸淀粉碳化后的電鏡照片分析得出，當(dāng) 兩者之間的比例在2%時，處理效果相對較好，因此在接下來的試驗中W淀粉和硫酸質(zhì)量比 為2%，通過實驗確定其反應(yīng)的最佳時間和溫度。
[0025]如圖2所示分別為15min、30min、45min和60min下硫酸碳化淀粉處理后的碳纖 維表面電鏡圖，固定反應(yīng)的淀粉與硫酸質(zhì)量比為2%，反應(yīng)溫度為180°C。從處理15min和 30min時的圖片可W看出，沉積在纖維表面的碳顆?？雌饋肀容^松散，從表面看起來并不牢 固，當(dāng)時間增加到45min時，可W看出，此時的淀粉碳化效果相對較好，而且相對均勻的附 著在了碳纖維的表面，且附著的顆粒比較牢固，當(dāng)處理時間為60min時，表面也相對均勻的 沉積了碳顆粒，可能是由于時間太長，碳纖維的表面被酸液腐蝕嚴重，表皮已經(jīng)脫落，由此 綜合對比可W得出，當(dāng)?shù)矸叟c硫酸質(zhì)量之比控制在2%，處理時間為45min時，硫酸碳化淀 粉效果相比最好，故而再將淀粉和硫酸質(zhì)量比和處理時間作為固定條件，通過處理來得到 最佳的反應(yīng)溫度。
[0026] 經(jīng)過綜合對比沈M圖片可W得出，當(dāng)?shù)矸叟c硫酸質(zhì)量比為2%，處理時間為45min， 處理的溫度為180°C時，硫酸碳化淀粉沉積處理的效果最好。
[0027] 短切碳纖維摩擦片的性能，通過全平均摩擦系數(shù)平均值對比可W很直觀的看到， 在升溫過程中，摩擦系數(shù)總體穩(wěn)定，保持在0. 29-0. 37之間，而根據(jù)GB5763-1998-4類襯片 的摩擦系數(shù)0. 25-0. 7對比，說明在低溫升高溫的區(qū)間內(nèi)，所制得的碳纖維制動摩擦片具有 良好且穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，達到了標準要求。
[0028] 按照GB5763-1998標準，樣品面積為25mmX25mmX2 = 1250mm2,經(jīng)過測試和分析 計算，得到從(TC開始升到測定摩擦系數(shù)所需溫度，其包括升溫過程的摩擦系數(shù)及整個過程 的平均摩擦系數(shù)。樣品A0-A5降溫后半平均摩擦系數(shù)見表1。樣品A0-A5的磨損率見表2。
[0029] 結(jié)論：硫酸碳化淀粉液相沉積處理碳纖維通過SEM電鏡圖片觀察表明，當(dāng)?shù)矸叟c 硫酸的質(zhì)量之比為2%，處理時間為時間為45min，反應(yīng)的溫度為180°C時，碳纖維表面的沉 積效果最好。
[0030] 采用硫酸碳化淀粉液相沉積法處理的短切碳纖維為增強體，W腰果殼油改性酪醒 樹脂為粘結(jié)劑，W銅粉，重晶石，般燒氧化侶粉，人造石墨，碳素石墨，橡膠粉和摩擦粉為填 料改性劑，壓力為25MPa下W干法壓制成型。所壓制的碳纖維摩擦片的摩擦系數(shù)穩(wěn)定。其 平均摩擦系數(shù)均保持在0. 28-0. 4之間，且不隨著溫度的升高而變化；經(jīng)過處理的碳纖維摩 擦片磨損率很小，其平均磨損率在0. 1-0. 5之間，比任何溫度下規(guī)定的磨損率都小，磨損率 最大值也達到標準要求。而未經(jīng)過處理的短切碳纖維摩擦片的平均磨損率達到了 0.85。當(dāng) 經(jīng)過的處理纖維的含量在10%時其磨損率為0. 1，磨損率最小。
[0031] 表1樣品A0-A5降溫后半平均摩擦系數(shù)
[0033] 表2樣品A0-A5的磨損率
[0034]
【主權(quán)項】
1. 采用硫酸碳化淀粉液相沉積處理碳纖維的方法，其特征在于包括下述步驟： 稱取碳纖維0.Ι-lg，量取10-30ml的硫酸，再稱取淀粉，淀粉和硫酸的質(zhì)量比為1%-4%， 然后將稱量好的淀粉配制成質(zhì)量濃度為5-15%的淀粉水溶液，上述混合液體加入圓底燒瓶 進行反應(yīng)，反應(yīng)時間為15-60min，反應(yīng)溫度為120-200 °C，得短切碳纖維。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用硫酸碳化淀粉液相沉積處理碳纖維的方法，其特征在于 所述的碳纖維用丙酮浸泡去除表面有機膠。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用硫酸碳化淀粉液相沉積處理碳纖維的方法，其特征在于 所述的淀粉和硫酸的質(zhì)量比優(yōu)選為2%。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用硫酸碳化淀粉液相沉積處理碳纖維的方法，其特征在于 所述的淀粉水溶液質(zhì)量濃度優(yōu)選為10%。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用硫酸碳化淀粉液相沉積處理碳纖維的方法，其特征在于 所述的反應(yīng)時間優(yōu)選為45min，反應(yīng)溫度優(yōu)選為180 °C。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用硫酸碳化淀粉液相沉積處理碳纖維的方法，其特征在于 所述的硫酸濃度為98wt%。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用硫酸碳化淀粉液相沉積處理碳纖維的方法，其特征在于 短切碳纖維在制備摩擦片中的應(yīng)用。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種采用硫酸碳化淀粉液相沉積處理碳纖維的方法，其步驟為，稱取碳纖維、硫酸、淀粉，然后將稱量好的淀粉配制成質(zhì)量淀粉水溶液，上述混合液體加入圓底燒瓶進行反應(yīng)，得短切碳纖維。本發(fā)明通過采用硫酸碳化淀粉在短切碳纖維表面的液相沉積處理的方法，實現(xiàn)可控刻蝕及在表面沉淀淀粉碳化顆粒，增加粗糙度提高其摩擦性的同時最大限度的實現(xiàn)其它力學(xué)性能不降低。
【IPC分類】D06M11/74
【公開號】CN105421035
【申請?zhí)枴緾N201510930310
【發(fā)明人】周莉, 吳國瑞
【申請人】遼寧石油化工大學(xué)
【公開日】2016年3月23日
【申請日】2015年12月15日