CN220149947U - 一种碳纤维纳米表面修饰装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种碳纤维纳米表面修饰装置，该装置包括碳纤维传送辊组、碳纤维刻蚀加热回路、碳纳米管生长加热回路、超声分散槽和反应炉；碳纤维通过碳纤维传送辊组依次通过超声分散槽和反应炉；碳纤维传送辊组包括纤维通电传动辊，位于反应炉前后两端，纤维通电传动辊分别与碳纤维刻蚀加热回路或碳纳米管生长加热回路连通，并与其之间的碳纤维形成回路发热。本实用新型采用加热回路直接通电加热的方法对碳纤维进行刻蚀和修饰，免去高温炉发热体向碳纤维的传热过程，热量损失少，升温快，反应炉小，成本低。
Description
技术领域
本实用新型属于碳纤维生产技术领域，具体涉及一种碳纤维纳米表面修饰装置。
背景技术
碳纤维是一种高强度、高模量、低密度的无机非金属增强纤维，它的应用主要是作为增强剂应用于复合材料的制造中。复合材料制造的一个重要方面就是增强剂与基体的界面结合，界面结合好，增强剂的作用得到充分发挥，复合材料性能优越。碳纤维表面处理一般采用化学法，即在碳纤维表面通过化学反应生成官能团，这些官能团使碳纤维和基体结合紧密。提高界面结合力的另一种方法是提高碳纤维表面的粗糙度，使基体和碳纤维界面形成几何滑移阻隔。这种方法是在碳纤维表面生成缺陷或者生长纳米纤维或者颗粒，所采用的方法有涂敷法，腐蚀法、刻蚀法和高温沉积法等。其中，高温沉积法可以在碳纤维表面生成碳纳米管等纳米结构物质，使复合材料界面形成销钉结构，结合力大幅提高，是一种新型表面处理方法。
在高温沉积法中，目前的工艺是将碳纤维丝束导入高温炉中，经过一定时间反应完成表面修饰。这种方法的缺点是耗能比较高，因为高温炉是采用炉子外壁加热，热量散失造成的损失很大，热量利用率不高。这种外壁加热的高温炉需要发热体和较多的保温材料，炉子体积庞大。而且热量由炉壁传到碳纤维需要一定时间，效率低下。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型的目的之一针对目前高温反应炉外壁加热装置能耗高、炉体体积大、碳纤维升温慢的缺点提出一种碳纤维纳米表面修饰装置。
为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种碳纤维纳米表面修饰装置，包括碳纤维传送辊组、碳纤维刻蚀加热回路、碳纳米管生长加热回路、超声分散槽和反应炉；
碳纤维通过所述碳纤维传送辊组依次通过所述超声分散槽和反应炉；
所述碳纤维传送辊组包括纤维通电传动辊，位于反应炉前后两端，纤维通电传动辊分别与碳纤维刻蚀加热回路或碳纳米管生长加热回路连通，并与其之间的碳纤维形成回路发热。
进一步的，所述碳纤维传送辊组还包括碳纤维放丝辊、纤维传动辊、集束环和碳纤维收丝辊；
碳纤维通过所述碳纤维放丝辊放出，然后经所述纤维传动辊进出所述超声分散槽，再经所述纤维通电传动辊进出所述反应炉，最后经集束环进入碳纤维收丝辊收丝。
进一步的，所述反应炉内部设有隔板，所述隔板将所述反应炉按碳纤维运动方向分隔为刻蚀区和碳纳米管生长区。
进一步的，所述反应炉在刻蚀区设有刻蚀气体入口；所述反应炉在碳纳米管生长区设有碳纳米管反应气体入口。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：
碳纤维的电阻率在电阻发热体电阻范围内，因此，可以采用通电自发热的方法使碳纤维本身快速升温，这种方法的优点是，自发热的加热方式不需要传统高温炉的发热体构件，降低了高温炉的成本；自身发热省去由炉子向碳纤维的传热过程，所以升温快；由于只有碳纤维周边小范围内达到反应温度即可，反应炉的炉壁温度较低，热量损失少，能耗小，所需保温材料少。
碳材料的电阻率介于金属导体和绝缘体之间，因此，常常作为高温发热体材料。碳纤维是由碳元素组成的纤维状材料，电阻范围在10-2-102欧姆.米之间，本实用新型利用电流直接流过碳纤维可以发热到很高的温度(碳的熔点高于3000℃)的特点，在碳纤维表面刻蚀和生长碳纳米管过程中采用碳纤维直接通电加热的方法，就可以免去高温炉发热体向碳纤维的传热过程，碳纤维升温会很快，减少了碳纤维升温时间，进而可以缩短炉子的长度；而且由于不需要常规高温炉的发热体材料，成本大幅降低。由于炉子中心的温度最高，炉壁的温度较低，热量损失很少，也减少了保温材料的使用量，反应炉体积大幅减少。
碳纤维是以上千根单纤维组成的丝束使用的，为了使碳纤维表面反应均匀，需要将碳纤维散开，使碳纤维之间由一定的空隙让反应气体扩散到碳纤维表面。本实用新型采用超声波分散的方法将碳纤维丝束散开-扩展，在水中可实现碳纤维充分、均匀的分散。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本实用新型提供的一种碳纤维纳米表面修饰装置示意图主视图。
图2为本实用新型提供的一种碳纤维纳米表面修饰装置示意图俯视图。
图1中：
1、碳纤维放丝辊，2、纤维传动辊，3、超声分散槽，4、纤维通电传动辊，5、刻蚀气体入口，6、刻蚀区，7、隔板，8、碳纳米管反应气体入口，9、碳纳米管生长区，10、集束环，11、碳纤维收丝辊，12、碳纤维刻蚀加热回路，13、碳纳米管生长加热回路。
具体实施方式
下面将对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
如图1-2所示，本实用新型公开了一种碳纤维纳米表面修饰装置，包括碳纤维传送辊组、超声分散槽3和反应炉；所述碳纤维传送辊组包括纤维通电传动辊4，纤维通电传动辊4包括四个传动辊，分别设于反应炉外部的前后进出两端和炉内，通电传动辊与炉内碳纤维分别形成两个电流回路，即碳纤维刻蚀加热回路12和碳纳米管生长加热回路13，并与其之间的碳纤维形成回路发热。
进一步的，为了完善上述技术方案，碳纤维传送辊组包括碳纤维放丝辊1、纤维传动辊2、集束环10和碳纤维收丝辊11；
碳纤维通过碳纤维放丝辊1放出，纤维传动辊2包括4个传动辊，其中两个分别设于超声分散槽3外部前后进出两端，另外两个设于超声波分散槽3内部，碳纤维在纤维传动辊2的带动下进出超声分散槽3，分散后的碳纤维在纤维通电传动辊4的带动下进出反应炉，最后经集束环10进入碳纤维收丝辊11收丝。
进一步的，为了完善上述技术方案，反应炉内部设有隔板7，隔板7将反应炉按碳纤维运动方向分隔为刻蚀区6和碳纳米管生长区9。
进一步的，为了完善上述技术方案，反应炉在刻蚀区6设有刻蚀气体入口5；反应炉在碳纳米管生长区9设有碳纳米管反应气体入口8。
本实用新型的装置与传统外壁加热反应炉装置相比，长度减少22％；高温炉的保温材料厚度由50mm降到20mm。
利用本实用新型提供的装置进行碳纤维纳米表面修饰的方法，包括以下步骤：
(1)碳纤维丝束的散开：碳纤维通过碳纤维放丝辊放出，然后经纤维传动辊进出超声分散槽，超声波分散槽内超声波将碳纤维扩展到在0.5-0.8m；碳纤维为表面无上浆剂的碳纤维丝束；超声波扩展的介质为水，扩展时间为2-5分钟，超声波频率为0.1-0.3MHz，施加的功率为0.3-0.6W；
(2)纤维通电传动辊将碳纤维导入反应炉中，通电加热；
(3)向反应炉的刻蚀区中导入刻蚀剂，在表面刻蚀缺陷结构；刻蚀剂采用氢气和氮气的混合气；氢气：氮气的体积比在1：0.1～1：0.7之间，反应温度在500～800℃之间，刻蚀时间4～10分钟；
(4)向反应炉的碳纳米管生长区中导入二茂铁，在刻蚀后的碳纤维表面生长碳纳米管；二茂铁与碳纤维的质量比在0.02：1～0.05：1之间，碳纳米管生成温度在700～1000℃之间，生成时间6～15分钟；
(5)修饰后的碳纤维经集束环进入碳纤维收丝辊收取表面修饰的碳纤维产品。
以下实施例以聚丙烯腈基碳纤维T300为例，进行表面修饰。但本实用新型并不限定碳纤维种类和牌号。碳纤维的强度按照GB/T 3362-2017《碳纤维复丝拉伸性能试验方法》测试。由于碳纤维强度的测试是将碳纤维做成复合材料棒的形式，所以，表面修饰后表现出强度上升，即，使碳纤维的强度得到发挥。
实施例1
一种利用上述装置进行碳纤维纳米表面修饰的方法，包括以下步骤：
(1)碳纤维丝束的散开：将12K的T300聚丙烯腈碳纤维通过碳纤维放丝辊放出，然后经纤维传动辊进出超声分散槽，超声波频率为0.3MHz，施加的功率为0.4W，扩展时间为2分钟，碳纤维丝束扩展后的宽度为0.5m；
(2)纤维通电传动辊将碳纤维导入反应炉中，通电加热；
(3)向反应炉刻蚀区中导入刻蚀剂，即氢气和氮气的混合气；刻蚀剂氢气和氮气体积比在1：0.1，刻蚀气体与导入碳纤维的体积：质量比在0.4升：1克碳纤维，刻蚀温度在650℃，刻蚀4分钟，在表面刻蚀缺陷结构；
(4)向反应炉碳纳米管生长区中导入二茂铁，通入的二茂铁与碳纤维的质量比在0.02：1，碳纳米管生成温度在850℃，生成时间6分钟，在刻蚀后的碳纤维表面生长碳纳米管；
(5)修饰后的碳纤维经集束环进入碳纤维收丝辊收取表面修饰的碳纤维产品。
修饰完成后，碳纤维增重0.5％，强度为3.75GPa，比未修饰的碳纤维3.47GPa提高8.1％；在完成1000米碳纤维表面修饰时，本实施例与传统外壁加热反应炉相比，表面修饰消耗电量由5.1kW.h降至2.3kW.h。
实施例2
一种利用上述装置进行碳纤维纳米表面修饰的方法，包括以下步骤：
(1)碳纤维丝束的散开：将12K的T300聚丙烯腈碳纤维通过碳纤维放丝辊放出，然后经纤维传动辊进出超声分散槽，超声波频率为0.2MHz，施加的功率为0.6W，扩展时间为3.5分钟，碳纤维丝束扩展后的宽度为0.6m；
(2)纤维通电传动辊将碳纤维导入反应炉中，通电加热；
(3)向反应炉刻蚀区中导入刻蚀剂，即氢气和氮气的混合气；刻蚀剂氢气和氮气体积比在1：0.7，刻蚀气体与导入碳纤维的体积：质量比在0.5升：1克碳纤维，刻蚀温度在500℃，刻蚀7分钟，在表面刻蚀缺陷结构；
(4)向反应炉碳纳米管生长区中导入二茂铁，通入的二茂铁与碳纤维的质量比在0.035：1，碳纳米管生成温度在1000℃，生成时间10.5分钟，在刻蚀后的碳纤维表面生长碳纳米管；
(5)修饰后的碳纤维经集束环进入碳纤维收丝辊收取表面修饰的碳纤维产品。
修饰完成后，碳纤维增重1.3％，强度为3.93GPa，比未修饰的碳纤维3.47GPa提高13.3％；在完成1000米碳纤维表面修饰时，本实施例与传统外壁加热反应炉相比，表面修饰消耗电量由7.4kW.h降至3.3kW.h。
实施例3
一种利用上述装置进行碳纤维纳米表面修饰的方法，包括以下步骤：
(1)碳纤维丝束的散开：将12K的T300聚丙烯腈碳纤维通过碳纤维放丝辊放出，然后经纤维传动辊进出超声分散槽，超声波频率为0.1MHz，施加的功率为0.3W，扩展时间为5分钟，碳纤维丝束扩展后的宽度为0.8m；
(2)纤维通电传动辊将碳纤维导入反应炉中，通电加热；
(3)向反应炉刻蚀区中导入刻蚀剂，即氢气和氮气的混合气；刻蚀剂氢气和氮气体积比在1：0.5，刻蚀气体与导入碳纤维的体积：质量比在0.2升：1克碳纤维，刻蚀温度在800℃，刻蚀10分钟，在表面刻蚀缺陷结构；
(4)向反应炉碳纳米管生长区中导入二茂铁，通入的二茂铁与碳纤维的质量比在0.05：1，碳纳米管生成温度在700℃，生成时间15分钟，在刻蚀后的碳纤维表面生长碳纳米管；
(5)修饰后的碳纤维经集束环进入碳纤维收丝辊收取表面修饰的碳纤维产品。
修饰完成后，碳纤维增重1.8％，强度为4.12GPa，比未修饰的碳纤维3.47GPa提高18.7％；在完成1000米碳纤维表面修饰时，本实施例与传统外壁加热反应炉相比，表面修饰消耗电量由11.3kW.h降至5.2kW.h。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (4)
1.一种碳纤维纳米表面修饰装置，其特征在于，包括碳纤维传送辊组、碳纤维刻蚀加热回路、碳纳米管生长加热回路、超声分散槽和反应炉；
碳纤维通过所述碳纤维传送辊组依次通过所述超声分散槽和反应炉；
所述碳纤维传送辊组包括纤维通电传动辊，位于反应炉前后两端，纤维通电传动辊分别与碳纤维刻蚀加热回路或碳纳米管生长加热回路连通，并与其之间的碳纤维形成回路发热。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维纳米表面修饰装置，其特征在于，所述碳纤维传送辊组还包括碳纤维放丝辊、纤维传动辊、集束环和碳纤维收丝辊；
碳纤维通过所述碳纤维放丝辊放出，然后经所述纤维传动辊进出所述超声分散槽，通过所述纤维通电传动辊进出所述反应炉，最后经集束环进入碳纤维收丝辊收丝。
3.根据权利要求1或2所述的一种碳纤维纳米表面修饰装置，其特征在于，所述反应炉内部设有隔板，所述隔板将所述反应炉按碳纤维运动方向分隔为刻蚀区和碳纳米管生长区。
4.根据权利要求3所述的一种碳纤维纳米表面修饰装置，其特征在于，所述反应炉在刻蚀区设有刻蚀气体入口；所述反应炉在碳纳米管生长区设有碳纳米管反应气体入口。
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| GR01 | Patent grant | ||
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