一种碳纤维表面处理的方法技术

本发明专利技术公开了一种碳纤维表面处理的方法。它包括以下步骤：A、将碳纤维原料制备成纺丝原液，并将采用纺丝原液进行纺丝制备的PAN基原丝直接进行预氧化处理或将几束纤维合并后再进行预氧化处理，得到预氧化纤维；B、将预氧化纤维低温碳化，然后再进行高温碳化后获得表面未处理的碳纤维束丝；C、在浸渍槽中将碳纤维束丝在电解液中浸渍，使电解液在碳纤维束丝内部充分渗透；D、在电解槽中将浸渍后的碳纤维束丝进行表面电解处理。优点是：消除了碳纤维束丝内外部单丝表面处理程度的差异，改善了碳纤维与基体树脂间的亲和性，从而提高碳纤维复合材料的综合性能，具有工艺设备简单、处理效率高、处理效果好，并且对环境基本无污染。

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维表面处理的方法
本专利技术涉及一种碳纤维生产过程中的后处理工艺，具体涉及一种碳纤维表面处理的方法，属于新型材料生产

技术介绍
碳纤维是利用有机纤维经过预氧化、低温碳化和高温碳化等工艺过程制得的其含碳量在90％以上的一种新型碳材料，它具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、抗蠕变、低热膨胀、高导电和导热、自润滑等一系列优异性能；而且作为纤维还具有柔软性和可编、可纺织性，被广泛应用于航天航空、国防军事等尖端领域以及高级体育休闲用品、医疗器械等民用工业，成为先进复合材料的主要增强体之一，被誉为21世纪中最有生命力的新型材料。一般来说，碳纤维需要与热塑性、热固性等基体树脂复合，以复合材料的形式进行应用，在碳纤维复合材料生产和使用过程中，为了能够有效地发挥碳纤维的强度、模量等性能，需要碳纤维与基体树脂之间具有牢固的结合，因此，在碳纤维生产制造过程中，作为后处理工艺，通常都会通过阳极氧化法对碳纤维的表面进行处理以形成亲水性官能团，使碳纤维表面由憎水性转变为亲水性，提高碳纤维与基体树脂的复合性能。在碳纤维生产过程中，碳纤维均以束丝形式在生产线上进行生产，其丝束规格常用范围为1K～50K；同时，在碳纤维生产过程中的后处理阶段，碳纤维属于刚性材料，为了保证其可通过性，碳纤维束丝一般在较高的张力下运行，因此要使碳纤维束丝内的每一根单丝都得到均一的表面处理就成为一个问题，也就是说碳纤维束丝的张力大，在表面处理过程中，电解液难以渗透到纤维束的内部，因此相对于碳纤维束丝的外部，其内部的单丝达到同等程度的表面处理效果就更加困难；这样以来，所形成的碳纤维束丝中的内外单丝表面处理程度不均一，在与基体树脂进行复合时，表面处理程度低的单丝与树脂的亲和性就差，从而容易剥离脱落，降低碳纤维复合材料的性能。为了使碳纤维束丝内部的单丝表面与基体树脂也具有良好的亲和性，就考虑对碳纤维束丝进行更高强度的表面处理，这样以来，不仅加剧了上文所述的表面处理程度不均一的现象，而且由于碳纤维束丝外部的单丝过度氧化，在纤维的表面形成缺陷，同样降低碳纤维复合材料的性能。近年来，随着碳纤维生产和应用技术的提高，碳纤维在军品和民品两个市场得到广泛应用，应市场需求，为了降低生产成本，正逐步大量使用大丝束的碳纤维，这样以来上述问题就进一步放大，因此，消除碳纤维束丝在碳纤维表面处理过程中丝束内外单丝表面处理程度的差异，是关系到碳纤维复合材料性能提高的重要课题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种能够消除碳纤维束丝在碳纤维表面处理过程中丝束内外单丝表面处理程度的差异，提高碳纤维复合材料性能的碳纤维表面处理的方法。为了解决上述技术问题，本专利技术的碳纤维表面处理的方法，包括以下步骤：A、将碳纤维原料制备成纺丝原液，并将采用纺丝原液进行纺丝制备的PAN基原丝直接进行预氧化处理或将几束纤维合并后再进行预氧化处理，得到预氧化纤维；B、将预氧化纤维在300～1000℃的氮气气氛中，施以牵伸并进行低温碳化，然后在最高温度1200～1800℃的氮气气氛中，再进行高温碳化后获得表面未处理的碳纤维束丝；C、在浸渍槽中将碳纤维束丝在酸性或碱性水溶液所组成的电解液中浸渍，浸渍时间为5s以上使电解液在碳纤维束丝内部充分渗透；D、在电解槽中将浸渍后的碳纤维束丝进行表面电解处理。所述浸渍槽中电解液的电导率在5～30mS/cm范围内。所述酸性水溶液为硫酸、盐酸或硝酸，所述碱性水溶液为氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸氢铵、碳酸铵、磷酸铵或四甲基氢氧化铵。所述碳纤维束丝通过导丝辊的导向后浸入到浸渍槽内的电解液中进行浸渍。所述碳纤维的原料为丙烯腈共聚体系，其中丙烯腈在90％以上，所采用的共聚单体为丙烯酸、衣康酸有机酸，或有机酸的低级酯类以及苯磺酸、乙烯基苯磺酸。所述电解处理时，碳纤维所需总电量在10～200C/g之间。所述电解槽的电量在5～40C/g之间。所述浸渍槽和电解槽设置为一组，所述碳纤维束丝在浸渍槽浸渍后再在电解槽中进行电解处理。所述浸渍槽和电解槽设置为多组，所述碳纤维束丝经过一组浸渍槽浸渍以及电解槽的电解处理后再依次再另外的各组浸渍槽浸渍以及电解槽的电解处理。所述浸渍槽和电解槽分别设置多个，所述碳纤维束丝经过各个浸渍槽浸渍后再在各个电解槽中进行浸渍。本专利技术的优点在于：1、将制得的预氧化纤维经过特殊处理后获得表面未处理的碳纤维束丝，再采用电解液对碳纤维束丝浸渍后再进行电解处理，由此消除了碳纤维束丝内外部单丝表面处理程度的差异，改善了碳纤维与基体树脂间的亲和性，将碳纤维复合材料的层间剪切强度由110MPa提高至125MPa，从而提高碳纤维复合材料的综合性能。2、可直接与现有的碳纤维生产线在线配套使用，经电解液浸渍后再进行电解处理的碳纤维束丝，其内外部单丝表面处理程度均一，与基体树脂具有很好的亲和性，而且具有工艺设备简单、处理效率高、处理效果好，并且对环境基本无污染。附图说明图1为本专利技术的工艺流程示意图图2为本专利技术中单组浸渍槽和两级电解槽的结构示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式，对本专利技术的碳纤维表面处理的方法作进一步详细说明。实施例一：本实施例的碳纤维表面处理的方法，包括以下步骤：A、将碳纤维原料制备成纺丝原液，并将采用纺丝原液进行纺丝制备的PAN基原丝在180-300℃的空气气氛中直接进行预氧化处理，得到预氧化纤维；B、将预氧化纤维在300～1000℃的氮气气氛中(优选300℃)，施以牵伸并进行低温碳化，然后在最高温度1200～1800℃(优选1200℃)的氮气气氛中，再进行高温碳化后获得表面未处理的碳纤维束丝；C、在浸渍槽11中将碳纤维束丝在硫酸、盐酸或硝酸等酸性水溶液所组成的电解液中浸渍，浸渍时，碳纤维束丝通过导丝辊12的导向后浸入到浸渍槽内的电解液中进行浸渍，电解槽的电量在5～40C/g之间，浸渍时间为5s以上使电解液在碳纤维束丝内部充分渗透，通常情况下，碳纤维束丝在电解液中的浸渍时间一般为5s以上，不设上限，如果浸渍时间小于5s，电解液向碳纤维束丝内部润湿、扩散不充分，达不到预想效果，浸渍的时间越长，电解液向碳纤维束丝内部的润湿、扩散越充分，但从设备费用和生产效率考虑，浸渍时间30s足够了；D、在电解槽1中将浸渍后的碳纤维束丝4继续通过导丝辊12的导向后浸入到电解槽1内的电解液中经过阴极辊7在阴极板6(阴极板连接有供电电源5)的作用下进行表面电解处理，然后再经过阳极辊3导出，碳纤维所需总电量优选为50C/g，从而使碳纤维束丝得到内外单丝表面处理程度均一的电解处理，生产出与基体树脂具有良好亲和性、并且能够发挥出优良复合材料性能的碳纤维。本实施例中，为了配合碳纤维生产线的连续运行，上述电解液中的浸渍和电解是先后连续进行的，即电解液浸渍槽的位置设置在电解液电解槽之前，其中，浸渍槽和电解槽设置为一组，碳纤维束丝在浸渍槽浸本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纤维表面处理的方法，其特征在于，包括以下步骤：/nA、将碳纤维原料制备成纺丝原液，并将采用纺丝原液进行纺丝制备的PAN基原丝直接进行预氧化处理或将几束纤维合并后再进行预氧化处理，得到预氧化纤维；/nB、将预氧化纤维在300~1000℃的氮气气氛中，施以牵伸并进行低温碳化，然后在最高温度1200~1800℃的氮气气氛中，再进行高温碳化后获得表面未处理的碳纤维束丝；/nC、在浸渍槽中将碳纤维束丝在酸性或碱性水溶液所组成的电解液中浸渍，浸渍时间为5s以上使电解液在碳纤维束丝内部充分渗透；/nD、在电解槽中将浸渍后的碳纤维束丝进行表面电解处理。/n

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维表面处理的方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、将碳纤维原料制备成纺丝原液，并将采用纺丝原液进行纺丝制备的PAN基原丝直接进行预氧化处理或将几束纤维合并后再进行预氧化处理，得到预氧化纤维；
B、将预氧化纤维在300~1000℃的氮气气氛中，施以牵伸并进行低温碳化，然后在最高温度1200~1800℃的氮气气氛中，再进行高温碳化后获得表面未处理的碳纤维束丝；
C、在浸渍槽中将碳纤维束丝在酸性或碱性水溶液所组成的电解液中浸渍，浸渍时间为5s以上使电解液在碳纤维束丝内部充分渗透；
D、在电解槽中将浸渍后的碳纤维束丝进行表面电解处理。


2.按照权利要求1所述的碳纤维表面处理的方法，其特征在于：所述浸渍槽中电解液的电导率在5~30mS/cm范围内。


3.按照权利要求1或2所述的碳纤维表面处理的方法，其特征在于：所述酸性水溶液为硫酸、盐酸或硝酸，所述碱性水溶液为氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸氢铵、碳酸铵、磷酸铵或四甲基氢氧化铵。


4.按照权利要求3所述的碳纤维表面处理的方法，其特征在于：所述碳纤维束丝通过导丝辊的导向后浸入到浸渍槽内的电解液中进行浸渍。

【专利技术属性】
技术研发人员：刘福杰，王国喜，刘福燕，李爱东，沈霞，蔡虓，
申请(专利权)人：镇江市高等专科学校，
类型：发明
国别省市：江苏;32