CN114855233B - 大丝束纤维的高均匀金属化方法、设备及大丝束纤维 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大丝束纤维的高均匀金属化方法、设备及大丝束纤维。所述高均匀金属化方法包括：使大丝束纤维于电镀液中进行连续电化学沉积，以在所述大丝束纤维所含丝束表面包覆金属镀层；同时使至少处于电镀液中的部分所述大丝束纤维依次通过多个压平装置，每一压平装置将所述大丝束纤维压平，并使其横截面呈现扁平状。本发明提供的高均匀金属化方法及设备保证了大丝束纤维电镀金属化的均匀程度，更可以显著地避免现有技术中大丝束纤维金属化的“黑心”现象，提高了产品质量，其单位丝束的产品成本相比于小丝束纤维金属化的技术方案亦显著降低。

Description

大丝束纤维的高均匀金属化方法、设备及大丝束纤维

技术领域

本发明涉及表面金属化技术领域，尤其涉及一种大丝束纤维的高均匀金属化方法、设备及大丝束纤维。

背景技术

在纤维材料表面沉积金属层以实现纤维的金属化具有广阔的应用前景。

例如，碳纤维诞生于20世纪50年代末，由于其独特的优异性能，如高比强度、高比模量、密度小、耐高温、耐辐射、韧性好、导电导热性好、热膨胀系数小等优良性能，而引起人们的广泛关注。金属基碳纤维复合材料既继承了碳纤维的高比强度、高比模量和良好的韧性等优良性能，又能保持基体金属的特性，成为近年来研究的热点，在航空航天、生物材料和民用工业领域也具有广阔的应用前景。

现有的在纤维表面进行金属化的方法中，化学镀步骤繁琐、镀速慢、成本高，不环保，且每一步骤的反应结果都会影响下一步骤的反应效果以及最终的镀层质量，而电镀法具有设备简单、镀速快、成本较低、污染小等优点，是一种传统的表面处理方法，因而目前的纤维表面金属化方法主要以电镀法为主；而在多种金属中，镍作为镀层金属与碳纤维之间的结合质量较好，因此电镀镍被大量应用于纤维金属化的各个方面。

在多种镍复合碳纤维技术目前的痛点在于连续电镀的基础工艺使得小丝束的复合纤维产能很低，产品价格昂贵，过高的制造成本严重影响了其往众多应用领域的渗透。发展大丝束(例如，24k、48k)镍复合纤维的多通道制备技术被认为是降低制备成本的重要途经，其能够大幅提升产能，显著降低制造成本，从而大幅拓展其应用领域。

然而，目前的技术方案，在应用于大丝束的纤维电镀金属化时，由于纤维内丝束数量较多，且纤维直径相应的也会较大，纤维内的丝束存在分散性不良的问题，分散性不良进而导致了电镀时的电流密度分布不均匀，以及电镀液中的离子扩散的不均匀，进而导致了大丝束纤维在直接电镀金属化时产生“黑心”现象，即如图6所示的，每束纤维中有部分在电镀过程中没有镀上金属，显纤维的原色(黑色)或电流不均匀导致局部镀层发黑等现象，最终带来大丝束纤维金属化层的显著不均匀，影响其使用效果。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种大丝束纤维的高均匀金属化方法、设备及大丝束纤维。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

第一方面，本发明提供一种大丝束纤维的高均匀金属化方法，包括：

使大丝束纤维于电镀液中进行连续电化学沉积，以在所述大丝束纤维所含丝束表面包覆金属镀层；

同时使至少处于电镀液中的部分所述大丝束纤维依次通过多个压平装置，每一压平装置将所述大丝束纤维压平，并使其横截面呈现扁平状。

第二方面，本发明还提供一种大丝束纤维的高均匀金属化设备，包括：

用于与大丝束纤维电接触的阴极；

用于容置电镀液的电镀槽；

设置于所述电镀槽内的电镀阳极；

以及，设置于所述电镀槽内并沿金属化处理时所述大丝束纤维前进方向依次设置的多个压平装置，所述压平装置用以对所述大丝束纤维压平，并使其横截面呈现扁平状。

第三方面，本发明还提供上述高均匀金属化方法制得的高均匀金属化大丝束纤维，所述高均匀金属化大丝束纤维的丝束间镀层厚度CV值在5％以下。

基于上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

本发明所提供的大丝束纤维的高均匀金属化方法以及设备在对大丝束纤维进行连续电化学沉积的同时，至少在电镀液中利用压平装置将大丝束纤维压平为扁平状，一方面使得大丝束纤维中的所有丝束的相对位置产生扰动，避免了部分丝束上的电镀电流分布持续性的不均匀的现象，另一方面，对大丝束纤维整体进行挤压变形，使得其中的丝束间夹带的电镀液产生流动，避免了因丝束的位阻作用导致的电镀液扩散不均匀现象，从而使得每一丝束均可以获得均等的金属化反应程度，进而保证了大丝束纤维电镀金属化的均匀程度，更可以显著地避免现有技术中大丝束纤维金属化的“黑心”现象，提高了产品质量，其单位丝束的产品成本相比于小丝束纤维金属化的技术方案亦显著降低。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使本领域技术人员能够更清楚地了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合详细附图说明如后。

附图说明

图1是本发明一典型实施方案提供的大丝束纤维的高均匀金属化方法所用设备的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的高均匀金属化大丝束纤维中丝束截面电镜照片；

图3是本发明实施例提供的高均匀金属化大丝束纤维中丝束表面电镜照片；

图4是本发明实施例提供的高均匀金属化大丝束纤维中多个丝束的高倍表面电镜照片；

图5是本发明实施例提供的高均匀金属化大丝束纤维中多个丝束的低倍表面电镜照片；

图6是本发明背景技术中的大丝束纤维金属化后的黑心现象照片。

图中，l、软性导辊；2、电极导辊；3、压平导辊；4、电镀阳极；5、电镀槽；6、电镀电源。

具体实施方式

现有的纤维金属化技术主要存在以下缺点：(1)化学镀步骤繁琐、镀速慢、成本高，不环保，且每一步骤的反应结果都会影响下一步骤的反应效果以及最终的镀层质量；(2)电镀金属化技术，例如镍复合碳纤维技术目前的痛点在于连续电镀的基础工艺使得小丝束复合纤维产能很低，产品价格昂贵，过高的制造成本严重影响了其往众多应用领域的渗透；(3)目前对于大丝束碳纤维(24K、48K)的研究内容较少，如何解决大丝束碳纤维在电镀溶液中分散性差导致的‘黑心’问题就更少了。

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

参见图1-图3，本发明实施例提供的一种大丝束纤维的高均匀金属化方法，包括如下的步骤：

使大丝束纤维于电镀液中进行连续电化学沉积，以在所述大丝束纤维所含丝束表面包覆金属镀层。

同时使至少处于电镀液中的部分所述大丝束纤维依次通过多个压平装置，每一压平装置将所述大丝束纤维压平，并使其横截面呈现扁平状。

其中，所述压平装置可以是下述实施方案中的辊压型，也可以是摩擦型，例如可以设置纵向截面为喇叭口状的一对曲面压板，其间隙沿大丝束纤维前进方向逐渐收窄，使大丝束纤维通过该曲面压板，进而实现对大丝束纤维的挤压，亦可以设置具有固定间隙的两个固定辊，使大丝束纤维通过两者的间隙，进而实现对大丝束纤维的挤压。

可以理解的，本发明所提供的大丝束纤维的高均匀金属化方法还可以包括诸如放卷、除胶、除油、活化等前处理步骤以及清洗、保护、烘干以及收卷等后处理步骤，上述前处理及后处理步骤均为本领域的常规选择，本领域技术人员可以根据工艺需求适当地设置前后处理的步骤。

在一些实施方案中，所述大丝束纤维可以包括碳纤维、金属纤维、碳纳米管纤维、石墨烯纤维以及有机纤维中的任意一种或两种以上的组合。

在一些实施方案中，所述金属纤维可以包括不锈钢纤维。

在一些实施方案中，所述有机纤维可以包括涤纶、腈纶、锦纶、丙纶、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维、聚对苯撑苯并双噁唑纤维、聚对苯并咪唑纤维、聚苯撑吡啶并二咪唑纤维以及聚酰亚胺纤维中的任意一种或两种以上的组合。

在一些实施方案中，所述压平装置的数量优选可以为3-8个。

在一些实施方案中，所述压平装置的间距优选可以为5-10cm。本发明的发明人经长期实践发现，压平装置的间距对于大丝束纤维的高均匀金属化具有显著影响，间距过大，则纤维丝束间的无扰动时间过长，不利于电镀电流的均匀分散，间距过小，则会带来过大的扰动，影响纤维丝束表面电化学反应的顺利进行，导致电镀速率降低和镀层质量下降的缺点，因此，本发明的发明人经过长期实践得以提出最适宜的压平装置的间距。

在一些实施方案中，所述压平装置可以包括多对水平设置的压平导辊3，一对所述压平导辊3之间形成间隙。

在一些实施方案中，上述压平导辊3也可以水平垂直交替设置。水平垂直交替设置可以依次从不同方向挤压该多束纤维，相比于全部水平设置，更加能够提供更均匀的电镀。当然，依据该构思，呈角度交替设置亦可，例如呈60度角螺旋设置等等。

在一些实施方案中，所述间隙的大小优选可以为0.5-2mm。本发明的发明人经长期实践发现，压平装置的间隙对于大丝束纤维的高均匀金属化也具有显著影响，间隙过小，会增加纤维的阻力，增加纤维与纤维之间的摩擦力，产生的断丝增多；间隙过大，不利于纤维的平展化，不利于均匀化电镀的进行。

在一些实施方案中，所述压平导辊3的直径优选可以为10-30mm。

在一些实施方案中，所述电镀液容置于电镀槽5中，沿所述大丝束纤维前进方向设置的最后一对压平导辊3可以接近或紧贴于所述电镀槽5的边缘设置；最好是能够设置为，最后一对所述压平导辊3的间隙位于所述电镀液的液面以上。上述设置在实现高均匀性的金属化的同时，能够使得大丝束纤维在离开电镀液时受到挤压作用，使吸附于大丝束纤维丝束之间的电镀液得以挤出，显著地降低了大丝束纤维的带出损耗，进而降低了纤维金属化的成本。

当然，为使得该大丝束纤维在进入电镀液之前就改变其横截面形状以获得最佳的均匀化效果，第一对压平导辊3的间隙也可以设置于电镀液的液面以上。

在一些实施方案中，所述电化学沉积的金属镀层可以包括电镀镍、电镀铜、电镀锌、电镀铬以及电镀金中的任意一种或者是多层镀层的组合等。例如可以设置多个电镀槽，每个电镀槽中进行电镀不同的金属，例如打底的镀铜层，镀镍中间层以及镀银或镀金的表层等，而每个电镀槽中均可设置上述压平装置。

在一些实施方案中，所述大丝束纤维的丝束数量优选可以为12k以上。

继续参见图1，本发明实施例还提供的一种大丝束纤维的高均匀金属化设备，包括如下的组件：

用于与大丝束纤维电接触的阴极。

用于容置电镀液的电镀槽5。

设置于所述电镀槽5内的电镀阳极4。

以及，设置于所述电镀槽5内并沿金属化处理时所述大丝束纤维前进方向依次设置的多个压平装置，所述压平装置用以对所述大丝束纤维压平，并使其横截面呈现扁平状。

在一些实施方案中，所述压平装置可以包括多对压平导辊3，一对所述压平导辊3之间形成特定尺寸的间隙。

在一些实施方案中，所述阴极可以包括相互平行的软性导辊1和电极导辊2，所述软性导辊1具有朝向所述电极导辊2的运动趋势，以使所述大丝束纤维能够紧贴所述电极导辊2的表面，所述电极导辊2与电镀电源6的负极电连接。同时，可以理解的，所述的电镀阳极4应当与电镀电源6的正极电连接。

作为一个典型的应用实例，如图1所示的大丝束高均匀金属化设备主要目的为了改善大丝束多通道复合纤维材料在镀槽中的分散性，使其在复合过程中纤维金属化的均匀性、稳定性都达标，如上图，该设备前后有自动收放线装置，电镀槽5中前后都有阴极的电极导辊2接电镀电源6负极并用一组伺服传动电机同步运行，电镀阳极4位于电镀槽5中接电镀电源6正极，将数根纤维铺整齐于电极导辊2上，用两根软性导辊1压在电极导辊2上起导电和压平的作用，四组可活动的压平导辊3位于镀槽内部，用于将多丝束纤维压至扁平状，减轻牵引力带来的纤维整束分散效果差的影响，两侧压平导辊3也有利于将纤维带出的镀液挤压减少。

在上述设备中，多通道每根纤维的张力在实际生产中是很难完全一致的，当纤维张力过大时，纤维在镀槽中分散效果不好，当张力适合时，纤维在镀槽中分散效果好时就会出现纤维重合的问题，纤维重合就会导致纤维导电不均匀，最终导致纤维镀层不同，质量差异性大，上述设备能有效的避免这些问题，改善纤维在镀液中的分散性和电镀效果，提高成品纤维的均匀性和表面金属光泽度。还可根据对纤维的需求，调整纤维运动速度或者增加电流密度来提高纤维的镀层厚度，从而提高纤维的各方面性能指标。

上述设备可以包括单通道一组电极导辊2，也可以为多通道多组电极导辊2(两组或两组以上)。同时，该设备不仅仅适用于大丝束纤维，也可以适用于任何丝束规格的纤维(例如可以包括1k、1.5k、3k、6k、12k、24k、48k、50k等规格的纤维)。

继续参见图2-图3，本发明实施例还提供的上述任意一项高均匀金属化方法制得的高均匀金属化大丝束纤维，在一些实施方案中，所述高均匀金属化大丝束纤维的丝束间镀层厚度CV值在5％以下。

例如，在一些非常具体的实际应用场景中，4通道的上述金属化方法所制得的金属化纤维的多束形貌如图4-图5所示，其直径测量结果如下表所示。从中可以看出，多束纤维金属化的均匀程度极高。

表1纤维金属化后的多束多点直径测量结果

以下通过若干实施例并结合附图进一步详细说明本发明的技术方案。然而，所选的实施例仅用于说明本发明，而不限制本发明的范围。

实施例1

本实施例提供一种12k碳纤维的高均匀金属化方法，采用如图1所示的设备，具体为：

电镀槽5中的电镀液为商购的镀镍溶液，其组成为：氯化镍，盐酸，纯水，活性剂；

使经过高温去胶前处理的上述碳纤维持续地进入电镀槽5中，该碳纤维与电镀槽5两侧的软性导辊1和电极导辊2接触而间接与电镀电源6的负极电连接，以使该碳纤维在电镀液中作为阴极沉积金属镍层，电流密度为2A/dm2；

在电镀液中，使该碳纤维持续地通过4组压平导辊3，该压平导辊3的间隙为1mm，直径为20mm，相互之间的间隔为5cm；其中，第一组和最后一组压平导辊3位于图中所示的电镀槽5的边缘处，使得离开电镀液的碳纤维中夹带的电镀液被挤压出，因此，该方法的电镀液损耗率为5L/天；

电镀金属镍后的碳纤维再经过清洗、烘干后处理，得到最终成品的高均匀金属化大丝束纤维。

本实施例所制得的高均匀金属化大丝束纤维无“黑心”现象，其截面及表面电镜图片如图2-图3所示，图中反映出，所制得的高均匀金属化大丝束纤维中的镀层均匀、平整，多根丝束的镀层平均厚度的CV值为5％，表明丝束与丝束之间的镀层厚度也非常均匀，并测试了该纤维的电学性能和力学性能，其结果为电导率大于1*10^6S/m，拉伸强度大于3000MPa。

实施例2

本实施例提供一种12k碳纤维的高均匀金属化方法，采用如图1所示的设备，流程与实施例1基本相同，区别仅在于：

第一组和最后一组压平导辊3未设置于电镀槽5的边缘处，而是与中间的压平导辊3一同设置于远离电镀槽5边缘的中间段。

该实施例所制得的高均匀金属化大丝束纤维具有与实施例1相同的各项性能，然而，本实施例中，电镀液损耗率为8L/天，显著大于实施例1。

实施例3

本实施例提供一种12K的PE纤维的高均匀金属化方法，采用如图1所示的设备，流程与实施例1基本相同。

本实施例制备的金属化多丝束PE纤维的亦具有较高的均匀性以及镀层平整性，且无“黑心”现象。

实施例4

本实施例提供一种12k碳纤维的高均匀金属化方法，采用如图1所示的设备，流程与实施例1基本相同，区别仅在于：

实施例例1为镀镍工艺，本实施例将镀液-氯化镍改为商购的硫酸铜溶液镀铜，同样，能制备出高均匀性，高强度的铜复合碳纤维。

对比例1

本对比例示例一种12k碳纤维的金属化方法，与实施例1基本相同，区别仅在于：

去除上述压平导辊3。

上述金属化后的纤维均匀性很差，直接能够肉眼观察到黑心现象以及镀层的颜色不均匀现象，已无必要在电镜下测量其直径均匀度。

对比例2

本对比例示例一种12k碳纤维的金属化方法，与实施例1基本相同，区别仅在于：

上述压平导辊3的间距设置为0.3mm，上述12k碳纤维拉伸阻力极大，常发生断丝，无法连续性金属化；又将上述间隙设置为2.5mm，其黑心现象以及镀层颜色不均匀现象相比对比例1有所减轻，但仍然存在，亦无必要在电镜下测试其直径均匀度了。

基于上述实施例与对比例，可以明确，本发明提供的大丝束纤维的高均匀金属化方法、设备能够显著地改善大丝束纤维在金属化过程中的分散性问题，保证了大丝束纤维电镀金属化的均匀程度，更可以显著地避免现有技术中大丝束纤维金属化的“黑心”现象，提高了产品质量，其单位丝束的产品成本相比于小丝束纤维金属化的技术方案亦显著降低。

应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种大丝束纤维的高均匀金属化方法，其特征在于，包括：

使大丝束纤维于电镀液中进行连续电化学沉积，以在所述大丝束纤维所含丝束表面包覆金属镀层；

同时使至少处于电镀液中的部分所述大丝束纤维依次通过多个压平装置，每一压平装置将所述大丝束纤维压平，并使其横截面呈现扁平状，实现对大丝束纤维的挤压，使得大丝束纤维中的所有丝束的相对位置产生扰动，并使得丝束间夹带的电镀液产生流动；

所述压平装置包括多对压平导辊，一对所述压平导辊之间形成间隙，所述间隙的大小为0.5-2mm，所述压平导辊的直径为10-30mm。

2.根据权利要求1所述的高均匀金属化方法，其特征在于，所述大丝束纤维包括碳纤维、金属纤维、碳纳米管纤维、石墨烯纤维以及有机纤维中的任意一种或两种以上的组合。

3.根据权利要求2所述的高均匀金属化方法，其特征在于，所述金属纤维包括不锈钢纤维。

4.根据权利要求2所述的高均匀金属化方法，其特征在于，所述有机纤维包括涤纶、腈纶、锦纶、丙纶、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维、聚对苯撑苯并双噁唑纤维、聚对苯并咪唑纤维、聚苯撑吡啶并二咪唑纤维以及聚酰亚胺纤维中的任意一种或两种以上的组合。

5.根据权利要求1所述的高均匀金属化方法，其特征在于，所述压平装置的数量为3-8个；所述压平装置的间距为5-10cm。

6.根据权利要求1所述的高均匀金属化方法，其特征在于，所述压平导辊的轴向均为水平设置；

或，所述压平导辊的轴向为水平、垂直交替设置。

7.根据权利要求6所述的高均匀金属化方法，其特征在于，所述电镀液容置于电镀槽中，沿所述大丝束纤维前进方向设置的最后一对压平导辊接近或紧贴于所述电镀槽的边缘设置；

最后一对所述压平导辊的间隙位于所述电镀液的液面以上。

8.根据权利要求7所述的高均匀金属化方法，其特征在于，第一对所述压平导辊的间隙亦位于所述电镀液的液面以上。

9.根据权利要求1所述的高均匀金属化方法，其特征在于，所述金属镀层包括电镀镍、电镀铜、电镀锌、电镀铬以及电镀金中的任意一种或两种以上的组合；

所述大丝束纤维的丝束数量在12k以上。

10.一种大丝束纤维的高均匀金属化设备，其特征在于，包括：

用于与大丝束纤维电接触的阴极；

用于容置电镀液的电镀槽；

设置于所述电镀槽内的电镀阳极；

以及，设置于所述电镀槽内并沿金属化处理时所述大丝束纤维前进方向依次设置的多个压平装置，所述压平装置用以对所述大丝束纤维压平，并使其横截面呈现扁平状，实现对大丝束纤维的挤压，使得大丝束纤维中的所有丝束的相对位置产生扰动，并使得丝束间夹带的电镀液产生流动；

所述压平装置包括多对压平导辊，一对所述压平导辊之间形成特定尺寸的间隙，所述间隙的大小为0.5-2mm，所述压平导辊的直径为10-30mm。

11.根据权利要求10所述的高均匀金属化设备，其特征在于，所述阴极包括相互平行的软性导辊和电极导辊，所述软性导辊具有朝向所述电极导辊的运动趋势，以使所述大丝束纤维能够紧贴所述电极导辊的表面，所述电极导辊与电镀电源的负极电连接。

12.由权利要求1-9中任意一项所述的高均匀金属化方法制得的高均匀金属化大丝束纤维，其特征在于，所述高均匀金属化大丝束纤维的丝束间镀层厚度CV值在5%以下。

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