CN112725872A - 连续碳纤维表面高速电沉积金属的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续碳纤维表面高速电沉积金属的装置和方法，属于碳纤维表面处理领域。采用连续至少10级电沉积进行表面镀覆，前三级电镀槽的长度分别控制在0.1～0.2米、0.15～0.25米和0.2～0.3米，自第四级至最终一级的电镀槽的长度按步长为0.2米递增，同时，每一级电镀槽的长度≤2米；连续碳纤维的行进速度为1～10米/分钟，同时，在控制阀的调控下，镀液从导电辊管壁上的窄缝中喷出，在液压的作用下，将粘连到导电辊上的细小的短碳纤维丝及时冲洗掉，避免碳纤维在高速行进的连续电镀过程中对导电辊的缠绕，维持碳纤维与导电辊之间的良好导电性能，所得到的过渡族金属镀层均匀连续，厚度可调。

Description

连续碳纤维表面高速电沉积金属的装置和方法

技术领域

本发明属于碳纤维表面处理技术领域，特别涉及一种连续碳纤维表面高速电沉积金属的装置和方法。

背景技术

碳纤维具有轻质、高强和高模的特点，被广泛用作复合材料的增强体，但作为金属基复合材料的增强体时，因其与多数金属的反应活性高，常常造成纤维的强度损失；当用于增强聚合物时，由于其导电性不如金属，使最终碳纤维增强的聚合物基复合材料的导电性不如相应的金属纤维增强的聚合物基复合材料。在碳纤维表面涂覆金属(又称之为碳纤维的金属化)不仅可以改善与金属基体材料的界面相容性，而且还可提高聚合物的导电性能，由此制备出具有较高导电性能的塑料产品，在抗静电、屏蔽和吸收电磁波等方面都具有较广泛的应用前景。因此，碳纤维的金属化备受重视。实践证明，由于碳纤维具备一定的导电性，碳纤维的电沉积(俗称“电镀”)是最有效的金属化技术，可适用于规模化的工业生产。然而，碳纤维虽然具有一定的导电性，但其电阻值远远高于金属。更为重要的是，商品碳纤维成束供应，每束碳纤维少则1000根，多则几十万根，并有向大丝束方向发展的趋势，而碳纤维单丝的直径一般只有6～10微米，因此，纤维的表面积很大，远远大于一般的金属零件。

为了使得碳纤维电沉积金属实现批量化生产，必须提高碳纤维的电沉积效率，在保证碳纤维表面获得一定镀层厚度(即保证一定的电沉积时间)的条件下，必须提高碳纤维的行进速度。理论分析和金属线材的电沉积实践都表明，电镀槽越长，则纤维行进速度就可以越快，生产效率也就越高。但是，由于碳纤维的电阻远远高于金属，径向易形成电位差，当碳纤维超过一定长度时，电位降至零，无法实施电沉积。加大电流和电压，极易造成碳纤维的熔断，使得电沉积无法进行，即使不出现碳纤维的熔断，由于首尾碳纤维电流密度的巨大差异，也会造成镀层的不均匀，影响镀层的质量。其次，由于碳纤维电沉积过程中不可避免地会出现纤维毛刺的脱落，并在导电辊处堆积，当纤维行进速度增加时表现得更为突出，如不能得到及时清理，堆积的纤维碎屑将降低导电性使得电沉积无法进行。因此，为提高碳纤维电沉积金属的效率，亟待开发新的装置和技术。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种连续碳纤维表面高速电沉积金属的装置和方法，为碳纤维电沉积金属的生产提供借鉴。本发明可根据碳纤维表面过渡族金属层的厚度和产量，合理调整镀槽的长度和级数，使碳纤维以可控的高线速度连续通过多级(≥10级)电镀槽，不仅可获得均匀一致的镀层，且可避免碳纤维的熔断和缠结，使得碳纤维表面电沉积金属的过程可连续进行，实现碳纤维电镀金属的低成本化。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种连续碳纤维表面高速电沉积金属的装置，该装置包括退丝架、去胶炉、电镀装置、传动机构、清洗槽、烘干装置和收卷机；所述电镀装置包括N级串联布置的电镀槽，每个电镀槽均配置有直流电源和循环过滤泵，所述直流电源用于提供恒定的电流，所述循环过滤泵用于过滤镀液中断落的碳纤维及杂质，并起到对该电镀槽内液体搅拌的作用，以提高镀液中离子的均匀度；所述电镀装置中，前三级电镀槽的长度分别为0.1～0.2米、0.15～0.25米和0.2～0.3米，自第四级至N级的电镀槽的长度按照步长为0.2米递增，同时，每一级电镀槽的长度≤2米；所述传动机构包括分别安装在每一级电镀槽的前端和第N级电镀槽的后端的轧辊式传动轴和安装在每一级电镀槽内的多个导向辊；所述轧辊式传动轴由一导电辊和一压辊构成，所述导电辊为一金属管；所述导电辊的一端连接有一电极，所述导电辊的另一端连接有管道，所述管道上设有控制阀，所述管道用于提供冲洗碳纤维碎屑的电镀液；所述导电辊的管壁上均布有多个轴向窄缝，所述轴向窄缝的宽度为0.5～1.0毫米，所述轴向窄缝的长度为10～20毫米；所述导电辊的表面镀覆有耐蚀性金属的镀覆层。

进一步讲，本发明所述的连续碳纤维表面高速电沉积金属的装置，其中：

每一级电镀槽内所安装的导向辊的数量为4个，分别安装在电镀槽的首末两端和电镀槽内的底部。

所述导电辊和压辊的轴向与连续碳纤维的走向垂直。

所述导电辊和压辊的轴向长度是连续碳纤维丝束直径的1.5～2.0倍。

所述导电辊的材质选自于铜、银和铝中的一种。

所述导电辊的镀覆层的材质选自于铬和金中的一种。

同时，本发明还提供了利用上述连续碳纤维表面高速电沉积金属的装置进行电镀的方法，其中，N≥10，电镀的过程如下：

将连续碳纤维经过除胶和清洗后，使其顺次进入每一级电镀槽中进行表面镀覆，经过第N级表面镀覆后进行水洗和烘干，镀层的厚度为0.2～1.2微米；在上述电镀过程中，连续碳纤维的行进速度为1～10米/分钟，采用无级调控；与此同时，在控制阀的调控下，镀液在自然压力的条件下从管道流入导电辊的管内，然后从导电辊管壁上的轴向窄缝中喷出，在液压的作用下，将粘连于导电辊上的细小的短碳纤维丝及时冲洗掉，避免连续碳纤维在行进的连续电镀过程中对导电辊的缠绕，维持连续碳纤维与导电辊之间的良好导电性能。

进一步讲，本发明所述的连续碳纤维表面高速电沉积金属的方法，其中：

所述碳纤维表面镀层的金属选自于金、银、铜、铁、镍、锌、铬和钴中的一种。

所述连续碳纤维选自于聚丙烯腈、沥青和粘胶基碳纤维中的一种，所述连续碳纤维的丝束规格是1k、2k、3k、6k、12k、24k和48k中的一种。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

由于碳纤维存在碎屑，在电镀过程中，碎屑在导电辊表面会残留、累积，既影响导电辊的导电性，还会影响导电辊的正常传动，在高速电镀过程中，其碎屑的影响更加显著。利用本发明的装置和方法可以及时冲刷导电辊表面的碳纤维碎屑，使得碳纤维连续电沉积的线速度可高达10米/分钟，且碳纤维的行进线速度可以调控，大大提高了碳纤维电沉积的生产效率，降低碳纤维电沉积的成本，为其工业化生产提供了技术保障。

附图说明

图1是本发明连实现续碳纤维表面高速电沉积金属的流程示意图；

图2是本发明中具有导电、自洁净和防缠绕功能的导电辊的结构示意简图。

图中：

1-退丝架 2-去胶炉 3-第一循环过滤泵

4-第一直流电源 5-碳纤维束 8-第N循环过滤泵

9-第N直流电源 10-清洗槽 11-烘干装置

12-收卷机 13-第一级电镀槽 14-轧辊式传动轴

141-旋转接头 142-轴向窄缝 143-导电辊

144-电极 15-第N级电镀槽

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是直接相连或是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

如图1所示，本发明提出的一种连续碳纤维表面高速电沉积金属的装置，包括退丝架1、去胶炉2、电镀装置、传动机构、清洗槽10、烘干装置11和收卷机12。

所述电镀装置包括N级串联布置的电镀槽，即第一级电镀槽13，第二级电镀槽，第三级电镀槽，……，第N级电镀槽15，每个电镀槽均配置有直流电源和循环过滤泵，如第一级电镀槽13配置有第一直流电源4和第一循环过滤泵3，第N级电镀槽15配置有第N直流电源9和第N循环过滤泵8，所述的直流电源用于提供恒定的电流，所述的循环过滤泵用于过滤镀液中断落的碳纤维及杂质，并起到对该电镀槽内液体搅拌的作用，以提高镀液中离子的均匀度。

本发明中，所述电镀装置中，前三级(第一、二、三级)的电镀槽的长度分别为0.1～0.2米、0.15～0.25米和0.2～0.3米，自第四级至N级的电镀槽的长度按照步长为0.2米递增，同时，每一级电镀槽的长度的最大值控制在2米以内。

本发明中的传动机构用于控制连续碳纤维走向和运行速度，所述传动机构包括分别安装在每一级电镀槽的前端和第N级电镀槽的后端的轧辊式传动轴14和安装在每一级电镀槽内的多个导向辊，如图1所示；所述轧辊式传动轴由一个导电辊143和一个压辊构成，成对布置的所述导电辊和压辊的轴向与连续碳纤维的走向垂直，所述导电辊和压辊的轴向长度基本上是连续碳纤维丝束直径的1.5～2.0倍。所述导电辊143为一金属管；如图2所示该具有导电、自洁净和防缠绕功能的导电辊143的结构是：所述导电辊143的管壁上均布有多个轴向窄缝142，所述轴向窄缝142的宽度为0.5～1.0毫米，所述轴向窄缝142的长度为10～20毫米；所述导电辊143的表面镀覆有耐蚀性金属的镀覆层。所述导电辊142的一端通过一个旋转接头与一个电极144相连，所述导电辊143的另一端依次通过另一个旋转接头141和管道连接，所述管道是单独提供冲洗碳纤维碎屑的电镀液的外接管道，通过该管道将电镀液输入至导电辊143中，所述管道上设有控制阀。每一级电镀槽内所安装的导向辊的数量通常为4个，如图1所示，一般是1个导向辊安装在电镀槽上游端的进口处，1个导向辊安装在电镀槽下游端的出口处，1个导向辊安装在电镀槽内的底部。

本发明中，所述导电辊的材质选自于铜、银和铝中的一种。本发明所针对的被镀基体是碳纤维束5，同时该碳纤维束5充当阴极，是选自于聚丙烯腈、沥青和粘胶基碳纤维中的一种，所述碳纤维束的丝束规格是1k、2k、3k、6k、12k、24k和48k中的一种。碳纤维表面镀层的金属选自于金、银、铜、铁、镍、锌、铬和钴中的一种。

本发明中，所述的退丝架1用于纤维的供放；所述的去胶炉2用于对碳纤维束5进行除胶处理；所述的多级(至少是十级)电镀槽用于盛放电镀溶液、配置阴阳极，并用于增加镀层厚度，通过对镀层进行调控完成对镀层厚度、表面质量及结构的最后调控，图1中示出了第一级电镀槽13、第二级电镀槽、……、第N级电镀槽15，每级电镀槽的长度要严格限制，以避免碳纤维的熔断，每一级电镀槽的长度因碳纤维的行进速度和镀层厚度而确定。为每级电镀槽配置的直流电源用于提供恒定的电流，图1中示出了其中的第一直流电源4、第二直流电源、……、第N直流电源9；为每级电镀槽配置的循环过滤泵，用于在电镀过程中过滤镀液中断落的碳纤维及杂质，并起到对电镀槽中液体搅拌的作用，以提高镀液中离子的均匀度，图1中示出了第一循环过滤泵3、……、第N循环过滤泵8。

本发明中的传动机构是由无级变速电机提供速度可调的传动机构，用于带动连续碳纤维以一定速度移动，实现电镀自动化，所述的传动机构中的导电辊143如图2所示，连接在其一端电极144用于电流的导入，另一端所连接的管道用于将镀液输入至导电辊143中。所述导电辊143采用金属管的结构，其材质可以是铜、银和铝中的一种。所述金属管的管壁上均布有的多个轴向窄缝142，是在碳纤维通过的相应位置，即在与连续碳纤维的丝束(直径)宽度相匹配的位置处，围绕着该金属管的表面用激光切出宽度为0.5～1.0毫米，长度为10～20毫米的轴向窄缝142从而形成了喷液窄缝，为了防止镀液对导电辊143的腐蚀，切割加工后的导电辊143需要进行表面镀耐蚀性金属，可以是铬、金或其它耐腐蚀性能优良的金属。由于通液的管道上设有控制阀，因此，在控制阀的调控下，镀液在自然压力的条件下从管道流入导电辊143的管内，然后从导电辊143管壁上的多个轴向窄缝142中喷出，在液压的作用下，可以将粘连到导电辊143上的细小的短碳纤维丝及时冲洗掉，从根本上杜绝碳碳纤维束5在连续电镀过程中对导电辊143的缠绕现象；同时，由于镀液的喷出，使得碳纤维束5与导电辊143保持柔性接触，可进一步改善碳纤维束5与导电辊143之间的导电性能，提高电镀碳纤维的质量。

利用本发明进行所述的连续碳纤维表面高速电沉积金属的装置实现电镀的方法，所得到的过渡族金属镀层均匀连续，厚度可调。如图1所示，按照下述步骤完成。

首先，将碳纤维束5经过去胶炉2除胶和清洗后，使其顺次进入每一级电镀槽中，连续至少十级电沉积进行表面镀覆，经过最终一级表面镀覆后经过清洗槽10和烘干装置11进行水洗和烘干，镀层的厚度为0.2～1.2微米；在整个电镀过程中，连续碳纤维的行进速度为1～10米/分钟，采用无级调控；与此同时，在安装在管道上的控制阀的调控下，镀液在自然压力的条件下从管道流入导电辊143的管内，然后从导电辊143管壁上的轴向窄缝142中喷出，在液压的作用下，可以将粘连于导电辊143上的细小的短的碳纤维丝及时冲洗掉，从根本上避免连续碳纤维束5在行进的连续电镀过程中对导电辊143的缠绕现象，同时，由于镀液的喷出，使得碳纤维束5与导电辊143保持柔性接触，可进一步改善碳纤维束5与导电辊143之间的导电性能，提高电镀质量。

实施例1：

分级电镀槽的数量为10级，10级电镀槽的长度分别为0.2、0.25、0.3、0.5、0.7、0.9、1.1、1.3、1.5、1.7米；导电辊143的基材为铜，导电辊143的镀层为0.2微米的银，导电辊143管壁上沿轴向设有五圈轴向窄缝142，且每圈绕轴线均布有15个，轴向窄缝142的长度为15毫米，轴向窄缝142的宽度为0.6毫米。

本实施例中镀液配方含铜的硫酸盐溶液，为：五水合硫酸铜35g/L；酒石酸钾钠10g/L；氢氧化钠20g/L；无水柠檬酸25g/L，溶剂为水，电沉积条件：pH值为9；温度为25℃；将直径为6～8微米的12k聚丙烯晴基碳纤维依次通过除胶、清洁、第一至十级电镀槽中进行表面镀覆，每级电镀槽的两侧有铜电极，碳纤维在所有镀槽中前进速度均为5米/分钟，经过最终一级表面镀覆后进行水洗和烘干，在上述整个电镀的过程中，在控制阀的调控下，镀液在自然压力的条件下从管道流入导电辊143的管内，然后从导电辊143管壁上的多个轴向窄缝142中喷出。最终在碳纤维表面均匀镀覆有厚度为0.5微米的铜层。

实施例2：

分级电镀槽的数量为13级，13级电镀槽的长度分别为0.1、0.15、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.0米。导电辊143的基材为铜，镀层为0.2微米的银，导电辊143管壁上沿轴向设有6圈窄缝，且每圈绕轴线均布有14个，轴向窄缝142的长度为10毫米，轴向窄缝142的宽度为1.2毫米。电镀槽内镀液的配方是：六水合硫酸镍200g/L，氯化钠8g/L，硼酸30g/L；硫酸钠25g/L；硫酸镁35g/L；十二烷基磺酸钠0.1mL/L，溶剂是水。电沉积条件为：pH＝5.5；温度＝30℃。将直径为6～8微米的12k聚丙烯晴基碳纤维依次通过除胶、清洁、第一至十三级电镀槽中进行表面镀覆，每级电镀槽的两侧有镍电极，碳纤维在镀槽中前进速度为10米/分钟，经过最终一级表面镀覆后进行水洗和烘干，在上述整个电镀的过程中，在控制阀的调控下，镀液以在自然压力的条件下从管道流入导电辊143的管内，然后从导电辊143管壁上的轴向窄缝142中喷出。最终在碳纤维表面均匀镀覆有厚度为0.4微米的镍层。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种连续碳纤维表面高速电沉积金属的装置，该装置包括退丝架、去胶炉、电镀装置、清洗槽、烘干装置和收卷机，其特征在于，

所述电镀装置包括N级串联布置的电镀槽，每个电镀槽均配置有直流电源和循环过滤泵，所述直流电源用于提供恒定的电流，所述循环过滤泵用于过滤镀液中断落的碳纤维及杂质，并起到对该电镀槽内液体搅拌的作用，以提高镀液中离子的均匀度；

所述电镀装置中，前三级电镀槽的长度分别为0.1～0.2米、0.15～0.25米和0.2～0.3米，自第四级至N级的电镀槽的长度按照步长为0.2米递增，同时，每一级电镀槽的长度≤2米；

该装置还包括传动机构，所述传动机构包括分别安装在每一级电镀槽的前端和第N级电镀槽的后端的轧辊式传动轴和安装在每一级电镀槽内的多个导向辊；所述轧辊式传动轴由一导电辊和一压辊构成，所述导电辊为一金属管；所述导电辊的一端连接有一电极，所述导电辊的另一端连接有管道，所述管道上设有控制阀，所述管道用于提供冲洗碳纤维碎屑的电镀液；所述导电辊的管壁上均布有多个轴向窄缝，所述轴向窄缝的宽度为0.5～1.0毫米，所述轴向窄缝的长度为10～20毫米；所述导电辊的表面镀覆有耐蚀性金属的镀覆层。

2.根据权利要求1所述连续碳纤维表面高速电沉积金属的装置，其特征在于，每一级电镀槽内所安装的导向辊的数量为4个，分别安装在电镀槽的首末两端和电镀槽内的底部。

3.根据权利要求1所述连续碳纤维表面高速电沉积金属的装置，其特征在于，所述导电辊和压辊的轴向与连续碳纤维的走向垂直。

4.根据权利要求1所述连续碳纤维表面高速电沉积金属的装置，其特征在于，所述导电辊和压辊的轴向长度是连续碳纤维丝束直径的1.5～2.0倍。

5.根据权利要求1所述连续碳纤维表面高速电沉积金属的装置，其特征在于，所述导电辊的材质选自于铜、银和铝中的一种。

6.根据权利要求1所述连续碳纤维表面高速电沉积金属的装置，其特征在于，所述导电辊的镀覆层的材质选自于铬和金中的一种。

7.根据权利要求1所述一种连续碳纤维表面高速电沉积金属的方法，其特征在于，使用如权利要求1所述连续碳纤维表面高速电沉积金属的装置，其中，N≥10，并包括以下步骤：

将连续碳纤维经过除胶和清洗后，使其顺次进入每一级电镀槽中进行表面镀覆，经过第N级表面镀覆后进行水洗和烘干，镀层的厚度为0.2～1.2微米；

在上述电镀过程中，连续碳纤维的行进速度为1～10米/分钟，采用无级调控；与此同时，在控制阀的调控下，镀液在自然压力的条件下从管道流入导电辊的管内，然后从导电辊管壁上的轴向窄缝中喷出，在液压的作用下，将粘连于导电辊上的细小的短碳纤维丝及时冲洗掉，避免连续碳纤维在行进的连续电镀过程中对导电辊的缠绕，维持连续碳纤维与导电辊之间的良好导电性能。

8.根据权利要求7所述连续碳纤维表面高速电沉积金属的方法，其特征在于，所述碳纤维表面镀层的金属选自于金、银、铜、铁、镍、锌、铬和钴中的一种。

9.根据权利要求7所述连续碳纤维表面高速电沉积金属的方法，其特征在于，所述连续碳纤维选自于聚丙烯腈、沥青和粘胶基碳纤维中的一种，所述连续碳纤维的丝束规格是1k、2k、3k、6k、12k、24k和48k中的一种。

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