用于處理增強纖維的方法以及經處理的增強纖維技術

本發明專利技術提供經表面處理的纖維及處理各個纖維表面的方法。一種示例性方法包括使前驅氣體在常壓等離子體發生器內經受生成常壓等離子體的放電以形成反應性物質流，所述反應性物質流包括反應性氧物質，以及將增強纖維暴露于所述反應性物質流中保持足以使氧氣將所述增強纖維功能化的處理時間，由此使得所述增強纖維的復合材料基體界面粘附力或所述增強纖維的復合材料基體界面強度中的至少一者增大。所述前驅氣體優選地包含載氣和氧化性氣體，所述氧化性氣體以至多25體積％的量包含在所述前驅氣體中。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利申請提供用于處理增強纖維的方法以及經處理的增強纖維。
技術介紹
纖維諸如碳纖維、陶瓷纖維和玻璃纖維被用作聚合物基體的增強纖維以形成結構復合材料。此類纖維強化結構復合材料必須滿足每個具體應用的多種性能要求。對用于例如航空預浸材或制造輕型復合材料壓力容器的纖維強化聚合物復合材料的一項重要性能要求是經固化的纖維強化結構復合材料的強度。需要不斷改善用于此類高強度應用的纖維強化結構復合材料的強度。
技術實現思路
出人意料地發現，利用氧化性氣體對增強纖維進行常壓等離子體處理可改善由經處理的增強纖維制得的纖維強化聚合物復合材料的特性，特別是強度，甚至采用濃度相對較低的氧化性氣體亦可。因此，在一個方面，本公開描述了一種用于處理增強纖維的方法(實施方案A)，該方法包括將包含載氣和氧化性氣體的前驅氣體輸送到常壓等離子體發生器內生成常壓等離子體的放電中以形成反應性物質流，其中氧化性氣體構成前驅氣體的至多25體積％，并將未經處理的增強纖維暴露于該反應性物質流中保持足以使氧氣將增強纖維功能化的處理時間，由此使得經處理的增強纖維的復合材料基體界面粘附力或經處理的增強纖維的復合材料基體界面強度中的至少一者增大。反應性物質流包含由氧化性氣體產生的反應性含氧物質。示例性實施方案列表B.根據實施方案A所述的方法，其中未經處理的纖維在該未經處理的纖維的外表面的至少一部分上具有膠料，另外，其中經處理的纖維基本上不含膠料。C.根據前述實施方案中任一項所述的方法，其中將未經處理的增強纖維暴露于反應性物質流中還包括使增強纖維與生成常壓等離子體的放電保持距離，由此使得生成常壓等離子體的放電不損傷增強纖維。D.根據前述實施方案中任一項所述的方法，其中氧化性氣體包括O2、空氣、N2O、NO2或它們的組合。E.根據前述實施方案中任一項所述的方法，其中載氣包括氦氣、氬氣或它們的組合。F.根據前述實施方案中任一項所述的方法，其中生成常壓等離子體的放電選自電氣放電、火花放電、滑動弧放電、電暈放電、脈沖電暈放電、射頻等離子體放電、微波頻率放電、輝光放電、擴散阻擋放電、大氣壓射流放電或它們的組合。G.根據前述實施方案中任一項所述的方法，其中處理時間選自0.01秒至10分鐘。H.根據前述實施方案中任一項所述的方法，還包括將等離子體處理區與環境氣氛屏蔽，反應性物質流和增強纖維穿過等離子體處理區。I.根據實施方案H所述的方法，其中屏蔽包括包封等離子體處理區。J.根據實施方案H或I所述的方法，其中等離子體處理區保持在1×10-6個大氣壓至10個大氣壓的壓力下。K.根據實施方案H、I或J中任一項所述的方法，所述方法還包括用吹掃氣體吹掃等離子體處理區，其中該吹掃發生在暴露步驟之前、暴露步驟期間、暴露步驟之后或它們的組合。L.根據前述實施方案中任一項所述的方法，所述方法還包括將反應性氣體流從常壓等離子體發生器輸送至未經處理的增強纖維，任選地其中輸送包括將反應性物質流導向未經處理的增強纖維的外表面。M.根據實施方案L所述的方法，其中輸送還包括將反應性物質流與環境氣氛屏蔽。N.根據前述實施方案中任一項所述的方法，其中經處理的增強纖維的使用X射線光電子能譜(XPS)測得的表面氧濃度相對于未經處理的增強纖維的使用XPS測得的表面氧濃度增大至少10％。O.根據前述實施方案中任一項所述的方法，其中未經處理的增強纖維選自碳纖維、陶瓷纖維、玻璃纖維、(共)聚合物纖維或天然纖維。P.根據實施方案O所述的方法，其中未經處理的增強纖維不含膠料。在另一方面，本公開描述了一種使用前述用于處理增強纖維的工藝實施方案中的任一項工藝制造纖維強化復合材料的方法。在一些示例性實施方案中，纖維強化復合材料包括多種經處理的增強纖維，該經處理的增強纖維選自碳纖維、陶瓷纖維、玻璃纖維、(共)聚合物纖維、天然纖維或它們的組合。在某些實施方案中，多種經處理的增強纖維包括纖維絲束。在另一方面，本公開描述了纖維強化復合材料，該纖維強化復合材料包括根據前述實施方案中任一項所述制備的經處理的增強纖維。纖維強化復合材料可選自未固化的纖維強化預浸材復合材料、部分固化的纖維強化復合材料或完全固化的纖維強化復合材料。對本公開的示例性實施方案的各個方面和優點進行了匯總。上文的
技術實現思路
并非旨在描述本公開的當前某些示例性實施方案的每個例示的實施方案或每種實施方式。下面的附圖和具體實施方式更具體地舉例說明使用本文所公開的原理的某些優選的實施方案。附圖說明結合附圖來考慮本公開的各種實施方案的以下詳細描述可更完全地理解本公開，其中：圖1A為用于處理增強纖維的示例性裝置的示意圖。圖1B為通過保護氣體屏障與環境氣氛屏蔽的示例性等離子體處理區的示意圖。圖1C為通過外殼與環境氣氛屏蔽的示例性等離子體處理區的示意圖。圖1D為經吹掃氣體吹掃的示例性等離子體處理區的示意圖。在這些附圖中，類似的附圖標號表示類似的元件。雖然可能未按比例繪制的以上附圖闡述了本公開的各種實施方案，但還可以設想如在具體實施方式中所指出的其它實施方案。在所有情況下，本公開都通過示例性實施方案的表示而非通過表述限制來描述當前公開的專利技術。應當理解，本領域的技術人員可設計出許多其它修改形式和實施方案，這些修改形式和實施方案均落在本公開的范圍和實質內。具體實施方式纖維強化復合材料諸如碳纖維強化的(共)聚合物基體復合材料的性能不僅取決于纖維和周圍基體的特性，還取決于各個外部纖維表面與基體材料之間的界面。該界面可在決定復合材料的破壞機理、斷裂韌度和總體應力-應變行為方面發揮重要作用。強效界面粘結導致纖維與基體之間產生高效應力傳遞，繼而導致更強效的復合部件。我們令人驚奇發現，利用氧化性氣體對增強纖維進行常壓等離子體處理可顯著改善由經處理的增強纖維制得的纖維強化聚合物復合材料的強度，甚至在處理過程中采用濃度相對較低的氧化性氣體以避免損傷經處理的纖維時也是如此。因此，在一個方面，本公開描述了一種用于處理增強纖維的方法，該方法包括將包含載氣和氧化性氣體的前驅氣體輸送到常壓等離子體發生器內生成常壓等離子體的放電中以形成反應性物質流，其中氧化性氣體構成前驅氣體的至多25體積％，以及將未經處理的增強纖維暴露于反應性物質流中保持足以使氧氣將增強纖維功能化的處理時間，由此使得經處理的增強纖維的復合材料基體界面粘附力或經處理的增強纖維的復合材料基體界面強度中的至少一者增大。反應性物質流包含由氧化性氣體產生的反應性含氧物質。在一些示例性實施方案中，經處理的增強纖維的使用X射線光電子能譜(XPS)測得的表面氧濃度相對于未經處理的增強纖維的使用XPS測得的表面氧濃度增大至少10％。此外，多種工藝要求在使用用于形成復合材料的(共)聚合物樹脂涂覆之前去除膠料(例如，碳纖維的保護性涂層，用于陶瓷纖維或玻璃纖維的硅烷)。膠料有助于改善纖維的耐磨性以及抗彎強度。然而，膠料官能團偶爾可優先地吸附在纖維表面上，可阻礙其在復合材料制造過程中溶解于聚合物基體中，并可導致薄弱的纖維/基體界面。在纖維強化復合材料加工中，通常利用高溫烘箱/加熱爐去除這些有機分子。這些烘箱能效極低，需要高溫、長停留時間才能完全去除膠料。此外，涉及的氧化化學反應以及長停留時間可導致纖維表面的氧化，并且可能因引入表面缺陷而降低纖維的強度。因此，纖維在進一本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于處理增強纖維的方法，所述方法包括：(a)將包含載氣和氧化性氣體的前驅氣體輸送到常壓等離子體發生器內生成常壓等離子體的放電中以形成反應性物質流，所述氧化性氣體構成所述前驅氣體的至多25體積％，所述反應性物質流包含由所述氧化性氣體產生的反應性含氧物質；以及(b)將未經處理的增強纖維暴露于所述反應性物質流中保持足以使氧氣將所述增強纖維功能化的處理時間，由此使得經處理的增強纖維的復合材料基體界面粘附力或經處理的增強纖維的復合材料基體界面強度中的至少一者增大。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2014.04.30 US 61/986,414;2015.04.27 US 62/153,2811.一種用于處理增強纖維的方法，所述方法包括：(a)將包含載氣和氧化性氣體的前驅氣體輸送到常壓等離子體發生器內生成常壓等離子體的放電中以形成反應性物質流，所述氧化性氣體構成所述前驅氣體的至多25體積％，所述反應性物質流包含由所述氧化性氣體產生的反應性含氧物質；以及(b)將未經處理的增強纖維暴露于所述反應性物質流中保持足以使氧氣將所述增強纖維功能化的處理時間，由此使得經處理的增強纖維的復合材料基體界面粘附力或經處理的增強纖維的復合材料基體界面強度中的至少一者增大。2.根據權利要求1所述的方法，其中所述未經處理的纖維在所述未經處理的纖維的外表面的至少一部分上具有膠料，另外，其中所述經處理的纖維基本上不含所述膠料。3.根據權利要求1所述的方法，其中將所述未經處理的增強纖維暴露于所述反應性物質流中還包括使所述增強纖維與所述生成常壓等離子體的放電保持距離，由此使得所述生成常壓等離子體的放電不損傷所述增強纖維。4.根據權利要求1所述的方法，其中所述氧化性氣體包括O2、空氣、N2O、NO2或它們的組合。5.根據權利要求1所述的方法，其中所述載氣包括氦氣、氬氣或它們的組合。6.根據權利要求1所述的方法，其中所述生成常壓等離子體的放電選自電氣放電、火花放電、滑動弧放電、電暈放電、脈沖電暈放電、射頻等離子體放電、微波頻率放電、輝光放電、擴散阻擋放電、大氣壓射流放電或它們的組合。7.根據權利要求1所述的方法，其中所述處理時間選自0.01秒至10分鐘。8.根據權利要求1所述的方法，所述方法還包括將等離子體處理區與環境氣氛屏蔽，所述反應性物質流和所述增強纖維穿過所...

【專利技術屬性】
技術研發人員：澤巴·帕爾卡爾，塞思·M·柯克，莫塞斯·M·大衛，克雷格·A·米勒，德里克·M·波里爾，
申請(專利權)人：三M創新有限公司，
類型：發明
國別省市：美國;US