CN201520917U - 一种连续式碳纤维后处理装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种连续式碳纤维后处理装置。该装置包括串联连接的管式电热炉和表面处理机，其中，表面处理机分为上下两层。管式电热炉的石英管两端连接两个闷头，闷头上有两个石英导管，分别走丝和连接所需气体。表面处理机以碳纤维作为阳极，并和直流电源或脉冲电源连接。该处理装置可对碳纤维进行退浆、多种方式表面处理及上浆，还可以和碳纤维生产线连接，操作安全、稳定，表面处理效果好。经过表面处理后的碳纤维增强尼龙的层间剪切强度和碳纤维增强环氧树脂的界面剪切强度及其它性能均有较大提高。

Description

一种连续式碳纤维后处理装置

技术领域

本实用新型涉及碳纤维生产设备，特别是涉及一种连续式碳纤维后处理装置。

背景技术

碳纤维及其复合材料由于其各种优异的性能，不仅广泛应用于航空航天等领域，在体育、医疗、汽车等民用领域中的应用也日益增多。然而，由于碳纤维表面活性低，与树脂复合时呈现出憎液性，不能充分发挥碳纤维的增强作用；环境中的水分会进入碳纤维和树脂间由于未充分粘接而形成的空隙内，使复合材料的力学性能下降。对碳纤维表面处理的目的就是为了提高碳纤维的表面活性，增加碳纤维和树脂间的界面粘接，从而提高复合材料的层间剪切强度(ILSS)和界面剪切强度(IFSS)。碳纤维存在活性官能团和浆料要和与之复合的树脂相匹配。然而本实用新型的发明人发现，市场上存在碳纤维大多是环氧树脂类浆料，如碳纤维需要和酚醛树脂、尼龙树脂复合，则需要重新进行表面处理及上浆。放置过久的碳纤维丝束上的浆料和活性官能团会失效，也需要重新退浆、表面处理和上浆。传统的退浆方法是用丙酮抽提回流，需要时间较长，不易连续处理；使用60％的硫酸溶液中浸渍退浆，硫酸会在碳纤维上残留，会影响碳纤维和树脂复合材料对环境的稳定性。碳纤维表面处理方法较多，有等离子体氧化法、液相氧化法、气相氧化法、阳极氧化法等。等离子体氧化法需要高真空设备，在线使用不易配套，液相氧化法需要时间长，也不易在线使用，而且这些设备的对碳纤维的处理方法一般仅限一种。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种一种连续式碳纤维后处理装置，能够在线配套使用，可以连续退浆、进行多种表面处理及重新上浆。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种连续式碳纤维后处理装置，包括串联连接的管式电热炉和表面处理机，其中，表面处理机分为上下两层，下层从左至右依次是电解槽和水洗槽，上层是从右至左依次第一槽式电热炉、上浆槽、第二槽式电热炉和传动五辊装置，该管式电热炉的石英管两端分别连接第一闷头和第二闷头，第一闷头一端连接第一石英导管，该第一石英导管与管式电热炉的炉管平行，第一闷头垂直方向还连接第二石英导管；第二闷头垂直方向连接第三石英导管；电解糟内是绝缘导辊，该电解槽上方是导电辊，该导电辊与直流电源或脉冲电源阳极连接；传动五辊装置和变频电机连接。

所述的连续式碳纤维后处理装置的闷头使用的材料是石英、或玻璃、或陶瓷、或不锈钢件。

所述的连续式碳纤维后处理装置的变频电机能正反方向运转，并且频率为20-100赫兹。

所述的连续式碳纤维后处理装置的电解糟为绝缘材料。

所述的连续式碳纤维后处理装置的石英导管长度为2-8cm。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本实用新型与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本实用新型的管式电热炉的石英管两端有石英闷头，该石英闷头和电热炉内的石英管紧密连接，不仅可以方便取下穿丝，还使得管式电热炉内的密闭性好。由于管式电热炉和表面处理机进行了连接，使得碳纤维在进行退浆后，可以直接进行表面处理、上浆、烘干、收丝等一系列的处理。本实用新型采用的变频电机能正反方向运转，能够简单调整碳纤维丝束的传送方式，这样就可以实现多种处理方式转变。本实用新型不但可以单独运行，而且也可以与快速运行的碳纤维生产线配套，从而使得本实用新型应用范围很广。

附图说明

图1是本实用新型连续式碳纤维后处理装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本实用新型的实施方式涉及一种连续式碳纤维后处理装置，包括串联连接的管式电热炉9和表面处理机30，其中，表面处理机30分为上下两层，下层从左至右依次是电解槽17和水洗槽32，上层是从右至左依次第一槽式电热炉25、上浆槽24、第二槽式电热炉23和传动五辊装置，该管式电热炉9的石英管8两端分别连接第一闷头7和第二闷头35，第一闷头7一端连接第一石英导管6，该第一石英导管6与管式电热炉9的炉管平行，第一闷头7垂直方向还连接第二石英导管2；第二闷头35垂直方向连接第三石英导管34；电解糟17内是绝缘导辊16，该电解槽17上方是导电辊11，该导电辊11与直流电源或脉冲电源阳极连接；传动五辊装置和变频电机连接。所述的连续式碳纤维后处理装置的闷头使用的材料是石英、或玻璃、或陶瓷、或不锈钢件。所述的连续式碳纤维后处理装置的变频电机能正反方向运转，并且频率为20-100赫兹。所述的连续式碳纤维后处理装置的电解糟为绝缘材料。所述的连续式碳纤维后处理装置的石英导管长度为2-8cm。

如图1所示，该连续式碳纤维后处理装置包含两个独立串联连接的管式电热炉9和表面处理机30，其中表面处理机30分为上下两层。管式的电热炉9的石英管8两端连接有两个石英闷头7和35，闷头7和石英管8通过磨砂口连接，这样可以方便的穿丝、检修，且管式电热炉内的密闭性好。闷头7的一端有一个石英导管6，管长最好在2-8cm间，用于走丝和排气，细长的石英导管的另一个目的在于使气体缓慢集中流出，保持石英管8中存在特定的气体氛围。闷头7垂直方向有一个石英导管2，管长最好也在2-8cm间，用于通气，另一端相同位置有一个石英导管34，即可用于通气，也可用于排气。其中，闷头可以是石英、玻璃、陶瓷或不锈钢件。

从管式电热炉9出来的碳纤维经过石墨导辊12，进入电解槽17，其中，石墨导辊在对应的位置还有两个。电解槽17为绝缘材料制成，并且该电解槽17能更换大小，电解液中有两个绝缘导辊，浸在电解液中的石墨板15为阴极，电解液上方为3个导电辊，导电辊和直流电源或脉冲电源阳极相连。其中导电辊和正极线19连接，石墨板15和负极线18连接，石墨板15用尼龙袋包裹以防碳纤维掉落在石墨板上造成短路。碳纤维在经过电解处理后，在水洗槽32中进行五级水洗，接着传入上层的槽式电热炉25，进行烘干，再在上浆槽内24上浆，然后在槽式电热炉23内进行烘干，并由传动五辊装置带动碳纤维丝束舒展，最后碳纤维丝束在收丝机上进行收丝。

由此可见，管式电热炉的石英管两端有石英闷头，该石英闷头和电热炉内的石英管紧密连接，不仅可以方便取下穿丝，还使得管式电热炉内的密闭性好。由于管式电热炉和表面处理机进行了连接，使得碳纤维在进行退浆后，可以直接进行表面处理、上浆、烘干、收丝等一系列的处理。由于采用的变频电机能正反方向运转，能够简单调整碳纤维丝束的传送方式，这样就可以实现多种处理方式转变。

本实用新型可用于退浆处理：碳纤维丝束穿过管式电热炉和传动五辊装置，然后进行收丝，其中管式电热炉中通入高纯氮气。碳纤维丝束通过本实用新型的所有流程处理，碳纤维丝束可以完成进行退浆，电化学处理，再上浆工艺。该实用新型还可以直接和单束碳纤维生产设备相连，对碳纤维进行阳极氧化处理，如果将阳极氧化处理后，未上浆的丝束通过管式电热炉，炉内通入氨气，则可以进行酰胺化处理。碳纤维丝束也可以先用传动五辊装置驱动，导入其下面液槽，浸渍某种溶剂，然后再通过管式电热炉进行加热处理，以求改善碳纤维性能。本实用新型有两个变频电机传动，两个相对独立的设备都应该连接地线，以确保操作者安全。不难发现，本实用新型不但可以单独运行，而且也可以与快速运行的碳纤维生产线配套，从而使得本实用新型应用范围很广。管式电热炉出气口应连接废气排放和吸收装置，以保证操作环境安全。本实用新型主要工艺参数如下：

管式电热炉的温度范围：100-1200℃

管式电热炉通气量：0.5-2L/min

直流、脉冲电源工作电压：5-23V

电流：0.5-5.5A

碳纤维丝束大小：1-24K

运行速率：10-90m/h

下面提出四个具体的实施例来说明本实用新型的有益效果。

实施例1：带有1.2％环氧树脂浆料的12K聚丙烯腈基碳纤维，拉伸强度为3.38GPa。以17m/h的速率通过管式电热炉9和传动五辊装置，管式电热炉内温度稳定在900℃，通入99.99％高纯氮气，氮气流量为1L/min。将退浆后的碳纤维在恒温恒湿室放置24小时后称重，计算退浆率为约为1.2％。退浆后的碳纤维单丝强度按照国标GB/T14337-1993测试，结果为3.17GPa，强度仅下降6.2％。

实施例2：拉伸强度为3.56GPa的6K未上浆聚丙烯腈基碳纤维丝束，先通过传动五辊装置导入下面的电解槽，其中，电解槽换成较小的盛有液溴的容器，室温下浸渍液溴，速度为30m/h，然后收丝用薄膜包覆。放置3小时后的碳纤维丝束在以30m/h的速率经过通入高纯氮气的电热炉，电热炉的温度为400℃，氮气流速为1L/min，用以将碳纤维上的液溴除去。碳纤维单丝强度按照国标GB/T14337-1993测试，为4.72GPa，提高了32.6％。

实施例3：已退浆的12K聚丙烯腈基碳纤维丝束，从电解槽17前面放丝进行阳极氧化处理，速率为17m/h，电流为5A，电解质为5％(质量分数)的碳酸氢铵，丝束在电解质中的停留时间为2.5分钟，阳极处理后的碳纤维在去离子水溶液中进行五级水洗，然后经过两个200℃的槽式电热炉烘干，经过传动五辊装置向下导入600℃电热炉中，电热炉中通入流量为0.8L/min的氨气，对经过阳极氧化处理的碳纤维进行胺化处理。将表面处理的碳纤维与尼龙6树脂在双螺杆中挤压混合，然后造粒，注塑成复合板材，按照GB/T3357-1982测试，测试的层间剪切强度结果为87.8MPa。

在相同条件下，未表面处理和阳极氧化的碳纤维与尼龙6复合后的层间剪切强度分别为80.7MPa和97.6MPa，显然，层间剪切强度分别提高8.8％和20.9％。

实施例4：未上浆的3K聚丙烯腈基碳纤维，通过传动五辊装置导入1100℃的管式电热炉，停留时间为30s，管内通入的氮气中含有1.5％体积分数的氧气。碳纤维单丝处理前后强度按照国标GB/T14337-1993测试，分别为3.27GPa和3.02GPa，表面处理后强度损失7.6％。环氧树脂618及固化剂三乙烯四胺以1∶0.35的比例混合，分别和表面处理前后的碳纤维单丝做微脱粘实验，测试复合材料的界面剪切强度。每组做30个样品取平均值，测出表面处理前后的界面剪切强度分别为27.2MPa，40.6MPa，表面处理后界面剪切强度提高了49.3％。

Claims (5)

1.一种连续式碳纤维后处理装置，包括串联连接的管式电热炉(9)和表面处理机(30)，其中，所述的表面处理机(30)分为上下两层，下层从左至右依次是电解槽(17)和水洗槽(32)，上层从右至左依次是第一槽式电热炉(25)、上浆槽(24)、第二槽式电热炉(23)和传动五辊装置，其特征是，所述的管式电热炉(9)的石英管(8)两端分别连接第一闷头(7)和第二闷头(35)，所述的第一闷头(7)一端连接第一石英导管(6)，所述的第一石英导管(6)与管式电热炉(9)的石英管(8)平行，所述的第一闷头(7)垂直方向还连接第二石英导管(2)；所述的第二闷头(35)垂直方向连接第三石英导管(34)；所述的电解糟(17)内是绝缘导辊(16)，所述的电解槽(17)上方是导电辊(11)，所述的导电辊(11)与直流电源或脉冲电源阳极连接；所述的传动五辊装置和变频电机连接。

2.根据权利要求1所述的连续式碳纤维后处理装置，其特征是，所述的闷头使用的材料是石英、或玻璃、或陶瓷、或不锈钢件。

3.根据权利要求1所述的连续式碳纤维后处理装置，其特征是，所述的变频电机能正反方向运转，并且频率为20-100赫兹。

4.根据权利要求1所述的连续式碳纤维后处理装置，其特征是，所述的电解糟(17)为绝缘材料。

5.根据权利要求1所述的连续式碳纤维后处理装置，其特征是，所述的石英导管长度为2-8cm。

Images