復(fù)合材料用紙張的表面處理方法
【專利摘要】復(fù)合材料用紙張的表面處理方法，本發(fā)明涉及紙張的表面處理方法。本發(fā)明是要解決現(xiàn)有的紙張?jiān)鰪?qiáng)的復(fù)合材料中紙強(qiáng)增加體易吸濕且與樹脂基體的相容性差的技術(shù)問題。本方法：將待處理的紙張進(jìn)行等離子體處理后，再在表面涂覆硅烷偶聯(lián)劑溶液，干燥后即可。本方法處理后的紙張可作為樹脂基復(fù)合材料的增強(qiáng)體。
【專利說明】復(fù)合材料用紙張的表面處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及紙張的表面處理方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，復(fù)合材料的應(yīng)用日漸廣泛，碳纖維、玻璃纖維、凱芙拉纖維等作為增強(qiáng)材料 制得的復(fù)合材料在比模量、彈性模量、比強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等方面都變現(xiàn)出優(yōu)異的性能，在航 天航空、汽車行業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但玻璃纖維和碳纖維復(fù)合材料在給人類生活 帶來方便的同時(shí)，又給人類帶來了資源短缺、回收利用及環(huán)境影響等新的問題。植物纖維 增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料是利用天然可再生植物纖維與樹脂基體復(fù)合而成的一種新型復(fù)合材料 如以天然植物纖維為增強(qiáng)體的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，為樹脂復(fù)合材料的應(yīng)用開辟了新的途 徑。其中以天然植物纖維制備而成的紙張作為增強(qiáng)體的復(fù)合材料，因?yàn)橹参锢w維張價(jià)格便 宜，來源廣泛，可大大降低復(fù)合材料的成本，但是紙張?jiān)鰪?qiáng)的復(fù)合材料存在因紙張?jiān)鰪?qiáng)體易 吸濕，同時(shí)又因?yàn)榧垙堉械奶烊恢参锢w維具有較強(qiáng)的極性，而樹脂為非極性物質(zhì)，極性不 同，而使紙張?jiān)鰪?qiáng)體與樹脂基體相容性差，使紙強(qiáng)增強(qiáng)的復(fù)合材料的界面膠合性能差，使紙 張?jiān)跇渲瑥?fù)合材料中的應(yīng)用受到制約。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]本發(fā)明是要解決現(xiàn)有的紙張?jiān)鰪?qiáng)的復(fù)合材料中紙強(qiáng)增加體易吸濕且與樹脂基體 的相容性差的技術(shù)問題，而提供復(fù)合材料用紙張的表面處理方法。
[0004]本發(fā)明的復(fù)合材料用紙張的表面處理方法按以下步驟進(jìn)行：
[0005]-、將待處理的紙張放置于改性室內(nèi)，再將改性室抽真空；
[0006] 二、將用于產(chǎn)生等離子體的氣體通入改性室內(nèi)；
[0007]三、啟動(dòng)等離子體發(fā)生裝置，使產(chǎn)生的等離子體作用于紙張表面，進(jìn)行等離子體處 理；
[0008] 四、以水和/或醇為溶劑，將硅烷偶聯(lián)劑配成質(zhì)量百分濃度為0. 5%?1%濃度的 溶液，涂于經(jīng)步驟三處理的紙張表面，干燥后，完成復(fù)合材料用紙張的表面處理。
[0009]本發(fā)明的方法是在高真空環(huán)境中，通過等離子體發(fā)生裝置形成高能量的等離子 體，對(duì)紙張的表面進(jìn)行轟擊，以氧氣為例，說明在紙張的表面發(fā)生如下物理化學(xué)變化：
[0010] (1)紙張表面的部分高分子鏈斷開，形成化學(xué)反應(yīng)活性高的自由基；
[0011] (2)以等離子體狀態(tài)存在的氧氣原子和離子等自由基，迅速與紙張表面的自由基 結(jié)合，形成新的化學(xué)鍵；
[0012] (3)紙張表面受到轟擊和刻蝕，微觀結(jié)構(gòu)由光滑變粗糙，有利于脲醛樹脂、環(huán)氧樹 月旨、或不飽和聚酯樹脂的滲透。涂覆硅烷偶聯(lián)劑層，更提高了紙張與樹脂界面膠合性能。
[0013]本發(fā)明方法，紙張經(jīng)等離子體進(jìn)行表面處理后，紙張纖維表面形態(tài)發(fā)生了顯著變 化，以氧氣作為等離子體發(fā)生源時(shí)，引入了多種含氧基團(tuán)，使表面易粘性和親水性增強(qiáng)，有 利于粘結(jié)、涂覆，使紙張與樹脂進(jìn)行更好復(fù)合，得到性能較高的復(fù)合材料。
[0014] 本發(fā)明的方法還具有工藝簡(jiǎn)單、操作方便、加工速度快、處理效果好、成本低、不易 引起環(huán)境污染、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015] 圖1為試驗(yàn)1的等離子體處理過程示意圖。圖中1為改性氣源，2為減壓閥，3為 流量計(jì)，4為改性室，5為改性室蓋，6為開口容器，7為待處理的紙張，8為真空泵，9為等離 子體發(fā)生器；
[0016] 圖2是實(shí)施例1中試樣0'拉伸斷面的SEM圖；
[0017]圖3是實(shí)施例1中試樣1'拉伸斷面的SEM圖；
[0018] 圖4是實(shí)施例1中試樣2'拉伸斷面的SEM圖；
[0019] 圖5是實(shí)施例1中試樣3'拉伸斷面的SEM圖；
[0020] 圖6是實(shí)施例1中試樣4'拉伸斷面的SEM圖；
[0021] 圖7是實(shí)施例1中試樣5'拉伸斷面的SEM圖。
【具體實(shí)施方式】
【具體實(shí)施方式】 [0022] 一：本實(shí)施方式的復(fù)合材料用紙張的表面處理方法按以下步驟進(jìn) 行：
[0023] -、將待處理的紙張放置于改性室內(nèi)，再將改性室抽真空；
[0024] 二、將用于產(chǎn)生等離子體的氣體通入改性室內(nèi)；
[0025] 三、啟動(dòng)等離子體發(fā)生裝置，使產(chǎn)生的等離子體作用于紙張表面，進(jìn)行等離子體處 理；
[0026] 四、以水和/或醇為溶劑，將硅烷偶聯(lián)劑配成質(zhì)量百分濃度為0. 5%?1%的溶液， 涂于經(jīng)步驟三處理的紙張表面，干燥后，完成復(fù)合材料用紙張的表面處理。
【具體實(shí)施方式】 [0027] 二：本實(shí)施方式與一不同的是步驟一中改性室抽真空 后的真空度為5?30Pa。其它與一相同。
[0028] 本實(shí)施方式中改性室的真空度值越小，越易于形成等離子體，處理強(qiáng)度越高。
【具體實(shí)施方式】 [0029] 三：本實(shí)施方式與一不同的是步驟一中改性室抽真空 后的真空度為6?20Pa。其它與一相同。
【具體實(shí)施方式】 [0030] 四：本實(shí)施方式與一至三之一不同的是步驟二中用于 產(chǎn)生等離子體的氣體是氨氣、氧氣、惰性氣體或空氣。其它與一至三之一相 同。
[0031] 本實(shí)施方式中產(chǎn)生的等離子體為冷等離子體。所述的惰性氣體為氮?dú)饣蚝狻?br>
【具體實(shí)施方式】 [0032] 五：本實(shí)施方式與一至四之一不同的是步驟三中等離 子體發(fā)生裝置是射頻等離子體發(fā)生器或微波等離子體發(fā)生器。其它與一至四 之一相同。
[0033] 本實(shí)施方式中等離子體發(fā)生器給用于產(chǎn)生等離子氣體的氧氣、氮?dú)獾劝l(fā)生源提供 環(huán)境，使其變成等離子體。
[0034]
【具體實(shí)施方式】六：本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至五之一不同的是步驟三中離子 體發(fā)生裝置的處理功率為50?500W。其它與【具體實(shí)施方式】一至五之一相同。
[0035] 本實(shí)施方式中等離子體發(fā)生器的功率越大，處理強(qiáng)度越高。
【具體實(shí)施方式】 [0036] 七：本實(shí)施方式與一至五之一不同的是步驟三中離子 體發(fā)生裝置的處理功率為100?300W。其它與一至五之一相同。
【具體實(shí)施方式】 [0037] 八：本實(shí)施方式與一至七之一不同的是步驟三中等離 子體作用于紙張表面的處理時(shí)間為〇. 5?25min。其它與一至七之一相同。
【具體實(shí)施方式】 [0038] 九：本實(shí)施方式與一至七之一不同的是步驟三中等離 子體作用于紙張表面的處理時(shí)間為20min。其它與一至七之一相同。
【具體實(shí)施方式】 [0039] 十：本實(shí)施方式與一至九之一不同的是步驟四中硅烷 偶聯(lián)劑的質(zhì)量百分濃度為〇. 8%。其它與一至九之一相同。
【具體實(shí)施方式】 [0040] i^一 ：本實(shí)施方式與一至十之一不同的是所述的紙包 括凸版紙、新聞紙、膠版紙、銅版紙、畫報(bào)紙、書面紙、壓紋紙、字典紙、書寫紙、白板紙或牛皮 紙。其它與一至十之一相同。
[0041] 以下通過實(shí)施例驗(yàn)證本發(fā)明的有益效果：
[0042] 實(shí)施例1:(參考附圖1)本實(shí)施例的復(fù)合材料用紙張的表面處理方法按以下步驟 進(jìn)行：
[0043] -、將待處理的報(bào)紙7放置于改性室內(nèi)的開口有機(jī)玻璃容器6,再將改性室4抽真 空至真空室內(nèi)的絕對(duì)壓力為15Pa;
[0044] 二、將氧氣以40ml/min的流量通入改性室4內(nèi)；
[0045] 三、啟動(dòng)等離子體發(fā)生器9,等離子體發(fā)生器的功率為100W，使產(chǎn)生的等離子體 作用于紙張表面，分別進(jìn)行等離子體處理5min(試樣1)、10min(試樣2)、20min(試樣3)、 30min(試樣 4)、40min(試樣 5);
[0046] 四、以乙醇為溶劑，將硅烷偶聯(lián)劑配成質(zhì)量百分濃度為0.5%的溶液，涂于經(jīng)步驟 三處理的報(bào)紙表面，干燥后，完成復(fù)合材料用報(bào)紙的表面處理。
[0047] 在真空泵的抽吸作用下，改性室內(nèi)形成高真空環(huán)境（真空度：15Pa);改性源為氧 氣，經(jīng)過減壓閥減壓后，通過流量計(jì)控制以40ml/min的流量（由于真空度要求，流量較小， 以免真空泵負(fù)荷太大）。試驗(yàn)表明，只要有氧氣進(jìn)入即可，流量越小越容易達(dá)到既定真空度， 同時(shí)還節(jié)省處理介質(zhì)。真空度是關(guān)鍵參數(shù)，流量大小最終也要符合真空度的要求。）進(jìn)入改 性室內(nèi)，改性室內(nèi)放置等離子體發(fā)生器和開口有機(jī)玻璃容器，有機(jī)玻璃容器內(nèi)盛待處理報(bào) 紙。蓋上改性室蓋，在15Pa的高真空環(huán)境下，調(diào)節(jié)等離子體發(fā)生器的功率為100W，氧氣分子 被離解成包含高反應(yīng)活性自由基的冷等離子體，報(bào)紙接受高活性等離子體處理。
[0048] 本試驗(yàn)報(bào)紙經(jīng)氧氣等離子體處理和涂覆處理后，報(bào)紙表面原來對(duì)水親合性較低 的-C-C-鍵發(fā)生斷裂，并與氧氣等離子體進(jìn)行化學(xué)接枝，形成極性基團(tuán)（包括：-c= 0撥 基、-C00H梭基），表面C-C/C-H鍵含量降低35%，含氧基團(tuán)（C-0/C= 0/-C00H等）提高 26%，另外出現(xiàn)Si，K，Na等元素，表明報(bào)紙表面得到有效刻蝕和化學(xué)鍵重組。
[0049] 經(jīng)過報(bào)紙表面對(duì)環(huán)氧樹脂的潤(rùn)濕性測(cè)試，未處理紙張表面與環(huán)氧樹脂的浸潤(rùn)角為 10°?15°，而經(jīng)過等離子體處理后，環(huán)氧樹脂完全浸漬紙張，完全浸潤(rùn)時(shí)間為5s?10s， 所形成的極性基團(tuán)在常溫大氣中保持活性的時(shí)間約為10天。由于潤(rùn)濕角改變、極性基團(tuán)形 成及表面刻蝕作用，經(jīng)過處理的報(bào)紙與樹脂膠粘劑的界面膠合性能提高。
[0050] 試樣1、2、3、4和5的等離子體處理的時(shí)間依次加長(zhǎng)，處理后完全浸潤(rùn)時(shí)間隨處理 時(shí)間的增加而降低。
[0051] 將試樣1、2、3、4、5及未處理的報(bào)紙進(jìn)行拉伸測(cè)試，結(jié)果如表1所示，
[0052] 表1報(bào)紙?jiān)嚇拥睦鞆?qiáng)度
【權(quán)利要求】
1. 復(fù)合材料用紙張的表面處理方法，其特征在于該方法按以下步驟進(jìn)行： 一、 將待處理的紙張放置于改性室內(nèi)，再將改性室抽真空； 二、 將用于產(chǎn)生等離子體的氣體通入改性室內(nèi)； 三、 啟動(dòng)等離子體發(fā)生裝置，使產(chǎn)生的等離子體作用于紙張表面，進(jìn)行等離子體處理； 四、 以水和/或醇為溶劑，將硅烷偶聯(lián)劑配成質(zhì)量百分濃度為0. 5 %?1 %的溶液，涂于 經(jīng)步驟三處理的紙張表面，干燥后，完成復(fù)合材料用紙張的表面處理。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料用紙張的表面處理方法，其特征在于步驟一中改性 室抽真空后的氣壓為5?30Pa。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料用紙張的表面處理方法，其特征在于步驟一中改性 室抽真空后的氣壓為6?20Pa。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的復(fù)合材料用紙張的表面處理方法，其特征在于步驟二中 用于產(chǎn)生等離子體的氣體是氨氣、氧氣、惰性氣體或空氣。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的復(fù)合材料用紙張的表面處理方法，其特征在于步驟三中 等離子體發(fā)生裝置是射頻等離子體發(fā)生器或微波等離子體發(fā)生器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的復(fù)合材料用紙張的表面處理方法，其特征在于射頻等離子體 發(fā)生器或微波等離子體發(fā)生器的處理功率為50?500W。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的復(fù)合材料用紙張的表面處理方法，其特征在于射頻等離子體 發(fā)生器或微波等離子體發(fā)生器的處理功率為100?300W。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的復(fù)合材料用紙張的表面處理方法，其特征在于步驟三中 等離子體作用于紙張表面的處理時(shí)間為0. 5?25min。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的復(fù)合材料用紙張的表面處理方法，其特征在于步驟三中 等離子體作用于紙張表面的處理時(shí)間為20min。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的復(fù)合材料用紙張的表面處理方法，其特征在于所述的紙 包括凸版紙、新聞紙、膠版紙、銅版紙、畫報(bào)紙、書面紙、壓紋紙、字典紙、書寫紙、白板紙或牛 皮紙。
【文檔編號(hào)】D21H25/00GK104441321SQ201410498702
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年9月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月25日
【發(fā)明者】姜再興, 張東杰, 程浩, 王明強(qiáng), 毛嬌, 白永平, 劉宇艷, 劉麗, 黃玉東 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)