一种中高强度碳纤维的表面处理方法及设备技术

本发明专利技术涉及一种中高强度碳纤维的表面处理方法及设备。将含碳量高于９０％的中高强度碳纤维引入电解槽，以丁二酸钠、丁二酸、草酸铵配置的复合电解质溶液，对碳纤维进行电化学处理，同时控制适当的处理温度、处理时间及电流密度，随后水洗干燥。从而得到一种操作方便、设备简单、对环境基本无污染的低成本中高强度碳纤维的表面处理方法。表面处理后碳纤维复合材料的层间剪切强度和本体抗张强度均有较大幅度的提高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种中高强度碳纤维的表面处理方法及设备。
技术介绍
碳纤维复合材料作为一种先进复合材料与传统的金属材料相比具有质量轻、高强 度、高刚性、耐疲劳和热膨胀系数小等一系列优异性能。其中的增强体碳纤维是经1300 1600°C高温炭化制得的含碳量高达93%以上的新型纤维状炭材料，需要较高的本体强度。 由于高强度碳纤维表面平滑比表面积较小，在高温惰性气体中炭化处理生成，非碳元素的 游走和碳的富集，使其表面活性低，导致碳纤维与复合材料基体之间界面粘接力降低界面 层间无法有效的传递载荷，不能达到实用设计要求，严重的影响了复合材料整体优异性能 的发挥。因此，碳纤维在进入市场之前，需要通过表面处理这一重要的工序改善碳纤维表面 活性。阳极电化学氧化法是目前较为成熟的表面处理方法，能显著改善了增强纤维与基体 树脂之间的界面粘接，界面层间可有效的传递载荷，发挥碳纤维的高强度和高模量特性，使 其强度的利用率达到80% 90%，但以当前技术方法改性后的碳纤维本体强度均受到损 伤。不仅如此，传统电解槽体深，一旦出现断丝不容易处理；电化学两极产生的气泡不易迅 速排出，容易阻碍阳极表面的电解反应速率，影响改性效果。此外，传统电解槽内必须安装 导辊，由于电解质溶液具有腐蚀性，导辊材质和机构极易出现故障，过多的导辊也会在高速 生产过程中对碳纤维造成不必要的损伤。在通常情况下，CFRP的层间剪切强度和碳纤维的 抗张强度相互制约，其中一者的提高总以另外一者的降低为代价，传统表面处理设备及工 艺更是使得碳纤维的抗张强度损失严重。因此，关于通过传统电化学表面处理方法对碳纤 维进行改性，在提高碳纤维复合材料层间剪切强度的同时维持碳纤维抗张强度甚至是提高 碳纤维抗张强度的相关报道极少。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种新的碳纤维电化学表面处理方法及专用设备与工艺。 通过该设备与方法对碳纤维进行改性，引入适当的官能团并改善碳纤维表面结构缺陷，减 少碳纤维在表面处理过程中抗张强度的损伤，达到大幅度提高碳纤维复合材料层间剪切强 度，维持甚至碳纤维抗拉强度的目的，从而得到一种操作方便、设备简单、工艺稳定、控制精 度高、对环境基本无污染的低成本制备适用于复合材料增强体的高强度碳纤维的方法。本专利技术为一种中高强度碳纤维的表面处理方法，具体步骤和方法如下一种改善碳纤维表面活性提高本体抗张强度的表面处理方法，维持甚至提高碳纤 维本体抗张强度的表面处理方法，处理方法如下A 配置适合电解槽容量的电解质溶液，配方为丁二酸钠10g/l 100g/l、丁二酸 lg/Ι 50g/l、草酸铵10g/l 80g/l。配置完毕倒入电解槽中待用。B:将碳含量高于90%的中高强度碳纤维引入电解槽中进行电化学处理，处理温 度为10 80°C，控制施加电流密度0. 05 5mA/cm2，处理10 250s，随后水洗干燥制得。按照上述处理方法使用的复合电解质其特征是使用丁二酸钠、丁二酸、草酸铵复合电解质溶液，其较好配方为丁二酸钠55g/l 75g/l、丁二酸8g/l 25g/l、草酸铵15g/ 1 35g/l。施加电流密度较好范围是0. 05 3mA/cm2，处理时间较好范围是60 200s， 处理温度较好范围是25 55°C。所述的中高强度碳纤维的表面处理设备，包括电解槽、阳极辊、电解电源和循环 泵；所述电解槽内包括一个阴极内槽5、一个阴极外槽6、一组阴极板3 ；电解槽外配四个阳 极辊2和一个循环泵；阴极内槽及阴极外槽两端均有供碳纤维通过并允许液体流出的走丝 孔4;阴极内槽置于阴极外槽中，并使阴极内槽及阴极外槽两端的走丝孔处于同一条水平 直线上；阴极板水平置于阴极内槽中，接电解电源负极；电解槽两端分别并排放置两个阳 极辊，阳极辊接电解电源正极；其中一个阳极辊的底面或顶面与阴极外槽走丝孔高度一致； 碳纤维1从一端按顺序依次通过两个阳极辊、外槽走丝孔、内槽走丝孔，然后进入阴极内 槽，再依次通过阴极内槽另一端的走丝孔、外槽走丝孔，两个阳极辊离开电解槽。按照上述处理方法使用的电解设备为含有阳极双向压辊电解槽的电化学表面处 理设备。其中电解槽内包括一个阴极内槽、一个阴极外槽、一组阴极板；电解槽外配四个阳 极辊和一个循环泵。阴极内槽及阴极外槽两端均有走丝孔(溢流孔)供碳纤维通过并允许 液体流出。阴极板水平置于阴极内槽中靠底部位置，接电解电源负极。阴极内槽置于阴极 外槽中，并使内外槽两端的走丝孔处于同一条水平直线上。在内外槽中均加入电解质溶液， 通过循环泵使内外槽溶液循环。调节循环泵流量，保证内槽液面高于走丝孔，外槽液面低于 走丝孔。电解槽两端分别并排放置两个阳极辊，阳极辊接电解电源正极，辊轴处于水平，其 中一个阳极辊的底面或顶面与阴极外槽走丝孔高度一致。碳纤维从一端按顺序依次通过两 个阳极辊、外槽走丝孔、内槽走丝孔，然后进入阴极内槽，在液面下发生电解氧化反应；再依 次通过阴极内槽另一端的走丝孔、外槽走丝孔，两个阳极辊离开表面处理槽。该电解槽其特 征是通过对阴极电解槽液位的控制去除电解槽内的导辊机构，电解槽内无导辊，电解槽两 边分别使用两个阳极导辊构成阳极双向压辊的形式，双向压辊的形式增加了碳纤维与阳极 辊的接触面积，减小电压降，增加改性的均勻性，并提高电流效率。电解槽每端阳极辊的数 量不局限于2个，可以为3个、4个等，但过多阳极辊可能会造成碳纤维的强度损失。阳极双 向压辊电解槽的结构图如附图1。上述改性过程的多功能电化学表面处理设备不仅适用于上述复合电解质溶液，磷 酸氢二铵、磷酸氢铵、碳酸氢铵、硫酸氨、硝酸铵、草酸铵等有机或无机酸铵盐类电解质溶液 及其他酸类和碱类电解质溶液均可适用本设备。上述改性过程中使用的碳纤维可采用现有技术生产的抗张强度大于等于3Gpa的 聚丙烯腈和浙青基碳纤维，只要碳纤维中碳质量含量不低于90%，本专利技术即可适用。本方法与现有碳纤维的表面处理技术相比，主要区别在于通过三组份复合溶液进 行改性；并通过控制处理参数，电解质溶液浓度在电解条件下产生综合作用，不仅使碳纤维 表面形貌及其表面化学状态，内部晶体尺寸发生了一定的变化，起到表面修饰及减少缺陷 作用，同时也引入适合改善碳纤维及其复合材料层间剪切强度的化学官能团。表面处理后， 碳纤维抗张强度及碳纤维及其复合材料层间剪切强度均得以提高。本专利技术的电解槽可显著 减少工业化设备中的导向辊数量，最大可能的避免了碳纤维在快速的工业化生产中所受到 的由摩擦和拉扯所造成的后期损伤，也可提高改性效果的均一性。经过改性后，碳纤维拉伸强度提高10% 25%，碳纤维及复合材料的层间剪切强度提高15% 40%。 附图说明图1阳极双向压辊电解槽图2.传统电解槽1.碳纤维；2.阳极辊；3.阴极板；4.走丝孔(溢流孔)；5.阴极内槽；6.阴极外 槽；7.导辊。具体实施例方式以下各例均使用含碳质量比> 90%，抗张强度3. 25Gpa，层间剪切强度为68. 9Mpa 的12K聚丙烯腈碳纤维为未改性碳纤维。但本专利技术不局限在此碳纤维。以下各例中所述的 传统电解槽见附图2 ；电解槽形式A为使用双向阳极压辊电解槽，见附图1见附图2。所述的中高强度碳纤维的表面处理设备，包括电解槽、阳极辊、电解电源和循环 泵；所述电解槽内包括一个阴极内槽5、一个本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种中高强度碳纤维的表面处理方法，其特征在于，包括以下步骤：　　Ａ：配置电解质溶液，配方为丁二酸钠１０ｇ／ｌ～１００ｇ／ｌ、丁二酸１ｇ／ｌ～５０ｇ／ｌ、草酸铵１０ｇ／ｌ～８０ｇ／ｌ，溶剂为水；　　Ｂ：将碳质量含量高于９０％的中高强度碳纤维引入电解槽中进行电化学处理，处理温度为１０～８０℃，控制施加电流密度０．０５～５ｍＡ／ｃｍ↑［２］，处理１０～２５０ｓ，随后水洗干燥制得；所述中高强度碳纤维为抗张强度大于等于３Ｇｐａ。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘杰，田宇黎，梁节英，马兆昆，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]