CN102851939A - 一种碳纤维表面连续处理的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳纤维表面连续处理的方法及装置，包括高压电源、机架及固定于机架上的处理通道，在通道出、入口处分别设置一个导电的导辊，导辊固定于机架上；所述处理通道的外表面是绝缘的，其上设有进气口和出气口，处理通道内部设有正极板或处理通道的内壁为正极板；所述的正极板连接高压电源的正极，导辊连接高压电源的负极。将碳纤维置于两个间隔的导电的导辊上运动，并通入氧化性气体，然后通电，利用电晕放电对碳纤维表面进行处理。本方法处理效率高，可控性强、无污染。装置简单，占用空间小、成本低。经过处理后的碳纤维增加碳纤维表面能，使其获得足够多的含氧官能团，增加表面化学能，从而提高与树脂，金属等材料的复合性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于碳纤维表面处理方法及装置。
背景技术
碳纤维复合材料是21世纪高性能材料，其质量轻、高强比、高模比、耐腐蚀、耐高温等诸多优异性能，促使其在国防、航空航天、风电、汽车、电量传输等众多高科技领域应用广泛而位置极其重要。碳纤维复合材料受限于碳纤维的界面性能。未经过碳纤维表面处理的碳纤维，表面光滑，亲水性相当微弱，与复合材料基体间无法形成良好的稳固界面，如此大为降低碳纤维复合材料的总体性能。所以，对碳纤维进行表面处理，提高碳纤维复合材料的剪切性能，显得尤为重要。碳纤维表面处理方法多种多样，传统的方法有气相沉积法、电聚合法、偶联剂涂层法、聚合物涂层法、气相氧化法、液相氧化法、电化学氧化法等。其中应用较多且工业化的方法是阳极氧化法。阳极氧化法是运用碳酸氢铵等电解质，对碳纤维表面进行电解氧化，从而获得碳纤维表面结构及含氧官能团而提高碳纤维复合材料剪切性能的一种方法。此方法相比其他方法，较为简便，好控制。但由于涉及电解质均匀度，电解质的循环，多次电解，电解时间长等不利因数，导致碳纤维表面处理不均匀、设备占用空间大、处理效率不高、电解质有污染等。
发明内容
本发明的目的在于：克服传统碳纤维阳极氧化表面处理电解时间长、处理效率低、处理不均匀、占用空间大、有污染等缺点，提供一种无污染、效率高、好控制、均匀度高、占用空间小、低成本的碳纤维表面连续处理方法及装置。
本发明通过以下技术方案来实现：
一种碳纤维表面连续处理的方法，将碳纤维置于两个间隔的导电的导辊上运动，在两个导辊之间形成碳纤维表面连续处理区，在该处理区内设置正极板，并通入氧化性气体，所述的正极板连接高压电源的正极，所述导辊连接高压电源的负极，然后通电，利用电晕放电对碳纤维表面进行处理。
优选地，所述高压电源为脉冲高压电源。
优选地，所述高压电源提供的电压为1KV-20KV。
优选地，所述氧化性气体为氧气或臭氧。
优选地，所述处理时间为10~20秒。碳纤维穿过处理区的速度一般设置为6~10m/min，而处理区的长度设置为0.5~1.5m之间。
优选地，所述导辊和正极板的材料均为石墨。
一种碳纤维表面连续处理的装置，包括高压电源、机架及固定于机架上的处理通道，在处理通道出、入口处分别设置一个导电的导辊，所述导辊固定于机架上；所述处理通道的外表面是绝缘的，其上设有进气口和出气口，处理通道内部设有正极板或处理通道的内壁为正极板；所述的正极板连接高压电源的正极，所述导辊连接高压电源的负极。
优选地，所述正极板是一个平面导电板，或者多个分隔开的导电板，所述正极板位于碳纤维丝面的正上方或者正下方。
优选地，所述处理通道出、入口设有调节出入口大小的调节板，可以减少充入气体的损耗。
在碳纤维通过处理通道时，脉冲高压电源放电，产生电晕效应，高速电离子轰击阴极碳纤维表面，形成微空洞，并发生自由基结合，增加含氧官能团。电晕现象就是带电体表面在气体或液体介质中局部放电的现象，常发生在不均匀电场中电场强度很高的区域内（例如高压导线的周围，带电体的尖端附近）。在不均匀的电场周围曲率半径小的电极附近当电压升高到一定值时，由于空气游离就会发生放电，形成电晕。其特点为：出现与日晕相似的光层，发出嗤嗤的声音，产生臭氧、氧化氮等。碳纤维表面曲率半径尤其本身空隙等缺陷处更加易发生电晕，联合充入的氧化性气体，既可以轰击碳纤维表面而提高表面粗糙度，又可以引入氧原子而使碳纤维表面极性变化成亲水性。这些都是碳纤维表面结构生成的目的，可以提高碳纤维与复合基体的黏结强度，而提高碳纤维复合材料的综合性能。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
（1）经过本发明处理后的碳纤维不仅可以得到因离子轰击产生的粗糙表面结构，增加碳纤维表面能，还可以使其获得足够多的含氧官能团，增加表面化学能，从而提高与树脂，金属等材料的复合性能。
（2）本发明的方法，处理效率高，处理可控性强、无污染。
（3）本发明设备简单，占用空间小、成本低。
（4）本发明采用脉冲高压电源放电，同时充入的氧化性气体，在轰击碳纤维表面而提高表面粗糙度的同时，又引入氧原子而使碳纤维表面极性变化成亲水性。
（5）所述处理通道出、入口设有调节出入口大小的调节板，可以减少充入气体的损耗。
附图说明
图1为本发明处理装置的结构示意图。
图2为图1的立体图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种碳纤维表面连续处理的装置，如图1、2所示，包括脉冲高压电源9、机架1及固定于机架1上的处理通道6，在通道6的出、入口7、3处分别设置一个导电的导辊2，所述导辊2固定于机架1上；所述处理通道6上方的内壁为一平面导电板，即为正极板4，处理通道6的其余三面为绝缘板，整个处理通道6外层都有绝缘材料包裹，保证操作的安全。所述处理通道6上设有进气口8和出气口5，处理通道6内设有正极板4；处理通道的出、入口7、3设计调节口高大小的调节板10，可以减少充入气体的损耗。所述的正极板4连接脉冲高压电源9的正极，所述导辊2连接脉冲高压电源9的负极。所述导辊和正极板的材料均为石墨。
处理的方法：将碳纤维11置于两个间隔的导电的导辊2上运动，碳纤维11由处理通道入口3进入，处理通道出口7出，处理通道的入、出口3、7之间的距离为碳纤维表面处理区的长度（即处理通道的长度），碳纤维穿过处理区的速度设置为8m/min，而处理长度设置为1.0m。向处理通道6的进气口8通入氧气，然后通电，脉冲高压电源9提供的电压为5KV，利用电晕放电对碳纤维表面进行处理，即碳纤维表面得到粗糙的表面结构和含氧官能团。导辊2与碳纤维直接接触，在整个电晕放电处理中，起到使碳纤维接入阴极的作用。
Claims (10)
1.一种碳纤维表面连续处理的方法，其特征在于，将碳纤维置于两个间隔的导电的导辊上运动，在两个导辊之间形成碳纤维表面连续处理区，在该处理区内设置正极板，并通入氧化性气体；所述的正极板连接高压电源的正极，所述导辊连接高压电源的负极，然后通电，利用电晕放电对碳纤维表面进行处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高压电源为脉冲高压电源。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述高压电源提供的电压为1KV-20KV。
4.根据权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，所述氧化性气体为氧气或臭氧。
5.根据权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，所述处理时间为10~20秒。
6.根据权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，所述导辊和正极板的材料均为石墨。
7.一种碳纤维表面连续处理的装置，其特征在于，包括高压电源、机架及固定于机架上的处理通道，在处理通道出、入口处分别设置一个导电的导辊，所述导辊固定于机架上；所述处理通道的外表面是绝缘的，其上设有进气口和出气口，处理通道内部设有正极板或处理通道的内壁为正极板；所述的正极板连接高压电源的正极，所述导辊连接高压电源的负极。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述处理通道内的正极板是一个平面导电板，或者多个分隔开的导电板，所述正极板位于碳纤维丝面的正上方或者正下方。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述处理通道出、入口设有调节出入口大小的调节板。
10.根据权利要求7或8或9所述的装置，其特征在于，所述高压电源为脉冲高压电源，所述导辊和正极板的材料均为石墨。
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