CN104178790A - 一种碳纤维表面处理方法及处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种碳纤维表面处理方法及处理装置，该方法使用阳极电解氧化法，该方法使用的电解质易于洗净，烘干后电解质残留少，同时处理时间短，电量小，处理后碳纤维的ILSS值能提高25%，且拉伸强度没有损失。该方法采用的是半接触式电解槽，阳极材料不会产生腐蚀现象，减少丝束与导辊的接触，减少了丝束的损伤。该方法采用的水洗为带喷淋的2级水洗装置，具有用水量少，电解质残留少的特点。烘干采用的是接触式烘干装置，具有时间短，空间小的特点。

Description

一种碳纤维表面处理方法及处理装置

技术领域

本发明涉及一种碳纤维表面处理方法，特别是一种碳纤维阳极氧化表面处理方法，还涉及上述表面处理装置。

背景技术

干喷湿纺原丝由于纺丝成型工艺不同，与湿纺原丝的表面存在较大差异，呈现出表面光滑，无沟槽的特性，有其所得的碳纤维表面也是非常光滑，导致在与树脂复合时机械连接效果差，界面结合力差，相对应的层间剪切强度低。因此，相对于湿纺碳纤维，干喷湿纺碳纤维更加需要进行表面处理。阳极电化学氧化法师目前比较成熟的表面处理工艺，经过电化学氧化处理后，纤维表面一是有刻蚀，二是加入含氧官能团。传统阳极电化学氧化处理设备为接触式结构，阳极辊和阴极板均浸在电解质溶液内，由于电解槽体较深，导辊数量较多，极易形成缠丝，且难处理，另外阳极辊在通电的情况下极易腐蚀，造成故障。电解处理过后的碳纤维带有大量的电解质，若不清洗，附着的电解质影响上浆剂的稳定性以及与树脂的复合。传统的水洗槽多为“一”型结构，体积较大，用水量多，水洗效果欠佳。在上浆之前，碳纤维需要进行烘干处理，传统的烘干设备为箱式干燥炉结构，较大的风速易损伤碳丝，且能耗较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种方法简单，处理效果好的适用于干喷湿纺碳纤维的表面处理方法。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供了适用上述处理方法的处理装置。

本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的，本发明是一种碳纤维表面处理方法，其特点是，其步骤如下：

（1）配置质量浓度为0.5%-20%的电解质倒入电解槽中，将高温碳化过后的干喷湿纺碳纤维丝束通过电解槽进行电解，其中电解质温度为10-60℃，电解处理时间为5-60S，电解电量为1-100C/g；

（2）电解后的碳纤维丝束进入水洗槽，通过去离子水进行水洗，水洗温度为10-60℃，水洗时间为30-180S；

（3）水洗后的碳纤维丝束通过接触式烘干方式烘干，接触式烘干方式采用蒸汽干燥筒加热，干燥筒的表面温度为120-150℃，时间为10-180S，蒸气压力为0.1-0.5MPa。 

电解质为酸性电解质、碱性电解质、铵盐或复合型电解质。

以上所述的本发明碳纤维表面处理方法技术方案中：电解质为碳酸氢铵，磷酸二氢铵，硫酸铵，硝酸铵、硫酸，硝酸，磷酸或氢氧化钠的水溶液。

以上所述的本发明碳纤维表面处理方法技术方案中：所述电解质质量浓度为1%-10%，电解质温度为20-40℃，电解处理时间为10-30S，电解电量为5-40C/g.

本发明还公开了一种如以上方案所述的处理装置，其特点是：包括电解槽和水洗槽，所述电解槽外部两侧分别设有阳极辊，阳极辊通过电刷与直流电源的正极相连，在电解槽的底部设有阴极板，阴极板与直流电源的负极相连；电解槽外设有循环槽和配料槽，配料槽通过加料管道与循环槽相连，循环槽通过循环管路与电解槽相连；所述的水洗槽包括槽体，槽体上设有进水管和出水管，出水管与槽体外的水洗储槽相连，槽体内底部设有并排设置的若干下导辊，槽体上方设有并排设置的若干上导辊，下导辊和上导辊间隔设置，在上导辊上方设有喷淋管；所述水洗储槽通过管路与前述循环槽连通。

以上所述处理装置的技术方案中：所述电解槽内的两侧分别设有溢流板，阴极板设在两个溢流板之间，电解槽中的电解质液面高于溢流板3-4mm；在两个溢流板之间的电解槽上设有进液口，溢流板与电解槽侧壁之间的槽壁上设有出液口，所述进液口和出液口分别通过循环管路与循环槽连通。

以上所述处理装置的技术方案中：所述阳极辊为石墨辊。

以上所述处理装置的技术方案中：所述阴极板为不锈钢板。

本发明的处理方法使用阳极电解氧化法，其使用的电解质易于洗净，烘干后电解质残留少，只有2us/cm左右，而传统的处理方法电解质残留量为50us/cm左右。另外该方法具有时间短，电量小的特点，处理后碳纤维的拉伸强度提高了1-10%，层间剪切强度提高了20-25%，并显著提高了与复合材料树脂的界面结合力。本发明的处理装置采用的是半接触式电解槽，阳极材料不会产生腐蚀现象，同时减少了导辊数量，减少丝束与导辊的接触，降低了由导辊摩擦而产生的纤维损伤。本发明的水洗槽具有用水量少，电解质残留少的特点。烘干采用的是蒸汽干燥筒直接接触烘干，烘干时间从传统的3min中降为1min，由于不采用热风，烘干筒的能耗为箱式烘干炉能耗的1/3。

与现有技术相比，本发明的处理方法和处理装置对干喷湿纺碳纤维进行表面处理，对纤维表面形成一定程度的物理刻蚀，有利于与树脂的物理结合，同时在纤维表面引入活性官能团提高复合材料界面结合强度。通过该设备和处理方法的碳纤维能实现在拉伸强度不下降的情况下层间剪切强度提高20-25%。

附图说明

图1为本发明处理装置的结构示意图。

具体实施方式

以下进一步描述本发明的具体技术方案，以便于本领域的技术人员进一步地理解本发明，而不构成对其权利的限制。

实施例1，一种碳纤维表面处理方法，其步骤如下：

（1）配置质量浓度为2%的碳酸氢铵溶液倒入电解槽中，将高温碳化过后的干喷湿纺碳纤维丝束通过电解槽，在室温下进行电解，电解处理时间为30S，电解电量为10C/g；

（2）电解后的碳纤维丝束进入水洗槽，通过去离子水进行水洗，水洗温度为20℃，水洗时间为160S；

（3）水洗后的碳纤维丝束通过接触式烘干方式烘干，接触式烘干方式采用蒸汽干燥筒加热，干燥筒的表面温度为120℃，时间为80S，蒸气压力为0.2MPa。 

实施例2，一种碳纤维表面处理方法，其步骤如下：

（1）配置质量浓度为2%的碳酸氢铵溶液倒入电解槽中，将高温碳化过后的干喷湿纺碳纤维丝束通过电解槽，在室温下进行电解，电解处理时间为30S，电解电量为5C/g；

（2）电解后的碳纤维丝束进入水洗槽，通过去离子水进行水洗，水洗温度为30℃，水洗时间为150S；

（3）水洗后的碳纤维丝束通过接触式烘干方式烘干，接触式烘干方式采用蒸汽干燥筒加热，干燥筒的表面温度为130℃，时间为100S，蒸气压力为0.2MPa。 

实施例3，一种碳纤维表面处理方法，其步骤如下：

（1）配置质量浓度为2%的碳酸氢铵溶液倒入电解槽中，将高温碳化过后的干喷湿纺碳纤维丝束通过电解槽，在室温下进行电解，电解处理时间为30S，电解电量为20C/g；

（2）电解后的碳纤维丝束进入水洗槽，通过去离子水进行水洗，水洗温度为40℃，水洗时间为140S；

（3）水洗后的碳纤维丝束通过接触式烘干方式烘干，接触式烘干方式采用蒸汽干燥筒加热，干燥筒的表面温度为130℃，时间为90S，蒸气压力为0.2MPa。

实施例4，一种碳纤维表面处理方法，其步骤如下：

（1）配置质量浓度为2%的碳酸氢铵溶液倒入电解槽中，将高温碳化过后的干喷湿纺碳纤维丝束通过电解槽，在室温下进行电解，电解处理时间为30S，电解电量为40C/g；

（2）电解后的碳纤维丝束进入水洗槽，通过去离子水进行水洗，水洗温度为500℃，水洗时间为130S；

（3）水洗后的碳纤维丝束通过接触式烘干方式烘干，接触式烘干方式采用蒸汽干燥筒加热，干燥筒的表面温度为140℃，时间为110S，蒸气压力为0.25MPa。

实施例5，一种碳纤维表面处理方法，其步骤如下：

（1）配置质量浓度为2%的碳酸氢铵溶液倒入电解槽中，将高温碳化过后的干喷湿纺碳纤维丝束通过电解槽，在室温下进行电解，电解处理时间为10S，电解电量为10C/g；

（2）电解后的碳纤维丝束进入水洗槽，通过去离子水进行水洗，水洗温度为50℃，水洗时间为50S；

（3）水洗后的碳纤维丝束通过接触式烘干方式烘干，接触式烘干方式采用蒸汽干燥筒加热，干燥筒的表面温度为125℃，时间为60S，蒸气压力为0.2MPa。

实施例6，一种碳纤维表面处理方法，其步骤如下：

（1）配置质量浓度为2%的碳酸氢铵溶液倒入电解槽中，将高温碳化过后的干喷湿纺碳纤维丝束通过电解槽，在室温下进行电解，电解处理时间为20S，电解电量为10C/g；

（2）电解后的碳纤维丝束进入水洗槽，通过去离子水进行水洗，水洗温度为55℃，水洗时间为60S；

（3）水洗后的碳纤维丝束通过接触式烘干方式烘干，接触式烘干方式采用蒸汽干燥筒加热，干燥筒的表面温度为135℃，时间为55S，蒸气压力为0.25MPa。

实施例7，一种碳纤维表面处理方法，其步骤如下：

（1）配置质量浓度为2%的碳酸氢铵溶液倒入电解槽中，将高温碳化过后的干喷湿纺碳纤维丝束通过电解槽，在室温下进行电解，电解处理时间为60S，电解电量为10C/g；

（2）电解后的碳纤维丝束进入水洗槽，通过去离子水进行水洗，水洗温度为45℃，水洗时间为110S；

（3）水洗后的碳纤维丝束通过接触式烘干方式烘干，接触式烘干方式采用蒸汽干燥筒加热，干燥筒的表面温度为122℃，时间为80S，蒸气压力为0.2MPa。

实施例8，一种碳纤维表面处理方法，其步骤如下：

（1）配置质量浓度为2%的碳酸氢铵溶液倒入电解槽中，将高温碳化过后的干喷湿纺碳纤维丝束通过电解槽，在室温下进行电解，电解处理时间为120S，电解电量为10C/g；

（2）电解后的碳纤维丝束进入水洗槽，通过去离子水进行水洗，水洗温度为20℃，水洗时间为155S；

（3）水洗后的碳纤维丝束通过接触式烘干方式烘干，接触式烘干方式采用蒸汽干燥筒加热，干燥筒的表面温度为132℃，时间为110S，蒸气压力为0.2MPa。

实施例9，一种碳纤维表面处理方法，其步骤如下：

（1）配置质量浓度为1%的碳酸氢铵溶液倒入电解槽中，将高温碳化过后的干喷湿纺碳纤维丝束通过电解槽，在室温下进行电解，电解处理时间为30S，电解电量为10C/g；

（2）电解后的碳纤维丝束进入水洗槽，通过去离子水进行水洗，水洗温度为50℃，水洗时间为60S；

（3）水洗后的碳纤维丝束通过接触式烘干方式烘干，接触式烘干方式采用蒸汽干燥筒加热，干燥筒的表面温度为132℃，时间为80S，蒸气压力为0.2MPa。

实施例10，一种碳纤维表面处理方法，其步骤如下：

（1）配置质量浓度为5%的碳酸氢铵溶液倒入电解槽中，将高温碳化过后的干喷湿纺碳纤维丝束通过电解槽，在室温下进行电解，电解处理时间为30S，电解电量为10C/g；

（2）电解后的碳纤维丝束进入水洗槽，通过去离子水进行水洗，水洗温度为55℃，水洗时间为75S；

（3）水洗后的碳纤维丝束通过接触式烘干方式烘干，接触式烘干方式采用蒸汽干燥筒加热，干燥筒的表面温度为150℃，时间为30S，蒸气压力为0.2MPa。

实施例11，一种碳纤维表面处理方法，其步骤如下：

（1）配置质量浓度为10%的碳酸氢铵溶液倒入电解槽中，将高温碳化过后的干喷湿纺碳纤维丝束通过电解槽，在室温下进行电解，电解处理时间为30S，电解电量为10C/g；

（2）电解后的碳纤维丝束进入水洗槽，通过去离子水进行水洗，水洗温度为25℃，水洗时间为70S；

（3）水洗后的碳纤维丝束通过接触式烘干方式烘干，接触式烘干方式采用蒸汽干燥筒加热，干燥筒的表面温度为120℃，时间为50S，蒸气压力为0.2MPa。 

实施例12，一种碳纤维表面处理方法，其步骤如下：

（1）配置质量浓度为2%的硫酸溶液倒入电解槽中，将高温碳化过后的干喷湿纺碳纤维丝束通过电解槽，在室温下进行电解，电解处理时间为30S，电解电量为10C/g；

（2）电解后的碳纤维丝束进入水洗槽，通过去离子水进行水洗，水洗温度为45℃，水洗时间为75S；

（3）水洗后的碳纤维丝束通过接触式烘干方式烘干，接触式烘干方式采用蒸汽干燥筒加热，干燥筒的表面温度为125℃，时间为60S，蒸气压力为0.25MPa。 

实施例13，一种碳纤维表面处理方法，其步骤如下：

（1）配置质量浓度为2%的硝酸溶液倒入电解槽中，将高温碳化过后的干喷湿纺碳纤维丝束通过电解槽，在室温下进行电解，电解处理时间为30S，电解电量为10C/g；

（2）电解后的碳纤维丝束进入水洗槽，通过去离子水进行水洗，水洗温度为55℃，水洗时间为85S；

（3）水洗后的碳纤维丝束通过接触式烘干方式烘干，接触式烘干方式采用蒸汽干燥筒加热，干燥筒的表面温度为130℃，时间为75S，蒸气压力为0.25MPa。

实施例14，一种碳纤维表面处理方法，其步骤如下：

（1）配置质量浓度为2%的氢氧化钠溶液倒入电解槽中，将高温碳化过后的干喷湿纺碳纤维丝束通过电解槽，在室温下进行电解，电解处理时间为30S，电解电量为10C/g；

（2）电解后的碳纤维丝束进入水洗槽，通过去离子水进行水洗，水洗温度为55℃，水洗时间为35S；

（3）水洗后的碳纤维丝束通过接触式烘干方式烘干，接触式烘干方式采用蒸汽干燥筒加热，干燥筒的表面温度为120℃，时间为55S，蒸气压力为0.3MPa。

将按实施例1-14的处理方法处理过的碳纤维丝束与没有进行表面处理的碳纤维丝束的拉伸强度和层间剪切强度值进行比较，结果如下表。

实施例15，实施例1-14所述的碳纤维表面处理方法中：所述电解质为酸性电解质、碱性电解质、铵盐或复合型电解质，优选为为碳酸氢铵，磷酸二氢铵，硫酸铵，硝酸铵、硫酸，硝酸，磷酸或氢氧化钠。

实施例16，实施例1-15所述处理方法的处理装置，参照图1，包括电解槽1和水洗槽8，所述电解槽1外部两侧分别设有阳极辊4，阳极辊4为石墨辊，阳极辊4通过电刷与直流电源的正极相连，在电解槽1的底部设有阴极板2，阴极板2为不锈钢板，阴极板2与直流电源的负极相连；电解槽1外设有循环槽6和配料槽5，配料槽5通过加料管道与循环槽6相连，循环槽6通过循环管路与电解槽1相连，循环管路上设有循环泵。配料槽5中为高浓度的电解质，循环槽6中为经过稀释浓度合适的电解质。所述的水洗槽8包括槽体，槽体上设有进水管和出水管，出水管与槽体外的水洗储槽10相连，槽体内底部设有并排设置的若干下导辊7，槽体上方设有并排设置的若干上导辊9，下导辊7和上导辊9间隔设置，在上导辊9上方设有喷淋管；所述水洗储槽10通过管路与前述循环槽6连通，水洗储槽10中的水通过管路泵入循环槽6中，将水充分利用。

所述电解槽1内的两侧分别设有溢流板，阴极板2设在两个溢流板之间，由于表面张力作用，电解槽1中的电解质液面高于溢流板3-4mm；在两个溢流板之间的电解槽1上设有进液口，溢流板与电解槽1侧壁之间的槽壁上设有出液口，所述进液口和出液口分别通过循环管路与循环槽6连通。在循环泵的作用下，电解质持续泵入电解槽1中，电解质由电解槽1两侧的溢流板经循环管路再流入循环槽6。

碳纤维丝束分别从两侧的阳极辊4的上方和下方通过，可以使丝束正反面受电均匀，减少辊子数量。碳纤维丝束浸入电解质溶液液面1-2mm左右，这样碳纤维、电解质和阴极板2组成回路，其中碳纤维丝束作为阳极，电解质传递电荷，阴极板2作为阴极。由于阳极辊4不接触电解质，避免了阳极辊4的氧化腐蚀，在传统电解槽1结构形式中阳极辊4处于电解质中，对阳极的材质有较高要求，一般选择石墨等惰性材料，但在实际应用过程中仍难以避免腐蚀，且槽中设置导辊对操作造成困难，极易缠丝而影响运行连续性。电解槽1两侧的阳极辊4采用一上一下的方式，这样的结构形式可满足纤维上下两面都能受电，有利于电解的均匀。电源采用脉冲直流电源，一方面可以实现瞬间高电量，一方面可避免长时间刻蚀造成纤维强度下降。

水洗槽8上有上导辊9和下导辊7，上导辊9起导丝作用，下导辊7处于去离子水中，丝束在水洗槽8中沿“W”型前进，间断浸入水下，可以实现水的流动提高水洗效果。喷淋采用新鲜去离子水，可进一步提高水洗效果，采用本专利的水洗工艺，水洗后纤维电解质残留量^[1](测试方法为：取水洗过后碳纤维10g，浸入100ml去离子水中搅拌30min，然后静置24h，过滤后测试去离子水的电导率)为2us/cm，而传统水洗装置纤维电解质残留量为50us/cm。

Claims (7)

1.一种碳纤维表面处理方法，其特征在于，其步骤如下：

（1）配置质量浓度为0.5%-20%的电解质倒入电解槽中，将高温碳化过后的干喷湿纺碳纤维丝束通过电解槽进行电解，其中电解质温度为10-60℃，电解处理时间为5-60S，电解电量为1-100C/g；

（2）电解后的碳纤维丝束进入水洗槽，通过去离子水进行水洗，水洗温度为10-60℃，水洗时间为30-180S；

（3）水洗后的碳纤维丝束通过接触式烘干方式烘干，接触式烘干方式采用蒸汽干燥筒加热，干燥筒的表面温度为120-150℃，时间为10-180S，蒸气压力为0.1-0.5MPa。

2.根据权利要求1所述的碳纤维表面处理方法，其特征在于：电解质为碳酸氢铵，磷酸二氢铵，硫酸铵，硝酸铵，硫酸，硝酸，磷酸或氢氧化钠的水溶液。

3.根据权利要求1所述的碳纤维表面处理方法，其特征在于：所述电解质质量浓度为1%-10%，电解质温度为20-40℃，电解处理时间为10-30S，电解电量为5-40C/g。

4.一种如权利要求1-3所述处理方法的处理装置，其特征在于：包括电解槽和水洗槽，所述电解槽外部两侧分别设有阳极辊，阳极辊通过电刷与直流电源的正极相连，在电解槽的底部设有阴极板，阴极板与直流电源的负极相连；电解槽外设有循环槽和配料槽，配料槽通过加料管道与循环槽相连，循环槽通过循环管路与电解槽相连；所述的水洗槽包括槽体，槽体上设有进水管和出水管，出水管与槽体外的水洗储槽相连，槽体内底部设有并排设置的若干下导辊，槽体上方设有并排设置的若干上导辊，下导辊和上导辊间隔设置，在上导辊上方设有喷淋管；所述水洗储槽通过管路与前述循环槽连通。

5.根据权利要求4所述的处理装置，其特征在于：所述电解槽内的两侧分别设有溢流板，阴极板设在两个溢流板之间，电解槽中的电解质液面高于溢流板3-4mm；在两个溢流板之间的电解槽上设有进液口，溢流板与电解槽侧壁之间的槽壁上设有出液口，所述进液口和出液口分别通过循环管路与循环槽连通。

6.根据权利要求4所述的处理装置，其特征在于：所述阳极辊为石墨辊。

7.根据权利要求4所述的处理装置，其特征在于：所述阴极板为不锈钢板。