專利名稱：碳纖維的表面處理方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于碳纖維的后處理工藝，具體涉及一種改善碳纖維表面活性的處理方法及設(shè)備。
炭纖維及其復(fù)合材料廣泛用于航空、航天等尖端技術(shù)及民用工業(yè)領(lǐng)域中的新型材料。但是，由于碳纖維表面能低，表面活性小，與基體樹脂粘接力弱，從而導(dǎo)致復(fù)合材料的層間剪切強度(ILSS)低，限制了它的應(yīng)用范圍。對碳纖維進行表面處理，可改善其表面活性，使復(fù)合材料兩相界面形成良好的粘接。碳纖維的表面處理方法，有陽極電解氧化法、等離子體刻蝕法、氣相氧化法等。陽極電解氧化法工藝復(fù)雜。等離子體刻蝕法需要高真空設(shè)備，設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜因而給連續(xù)處理帶來一定困難。氣相氧化法如申請人86年申請的中國專利86108839提供一種臭氧氧化法的碳纖維處理工藝及設(shè)備，這種方法是將含有氧氣的氣體通過由紫外線燈管和密閉氣體容器等組成的紫外線臭氧發(fā)生器所產(chǎn)生的高活性臭氧，連續(xù)導(dǎo)入碳纖維表面處理爐對來自碳化爐的碳纖維進行表面處理，經(jīng)處理后的碳纖維復(fù)合材料的層間剪切強度可達到80-100Mpa。在上述處理工藝中，由于表面處理爐采用外加熱結(jié)構(gòu)，而臭氧對溫度特別敏感因而使部分臭氧在未達到碳纖維的表面之前就被分解，使得碳纖維的表面處理效果不穩(wěn)定，達不到理想的要求。此外，上述處理裝置的結(jié)構(gòu)仍然復(fù)雜，給連續(xù)處理碳纖維帶來一定困難。
本發(fā)明的目的是提供一種新的氣相氧化碳纖維表面處理工藝及專用設(shè)備，經(jīng)這種工藝處理過的碳纖維的各種性能均有明顯提高且具有穩(wěn)定的效果。
本發(fā)明炭纖維的表面處理方法包括如下步驟a.將含氧20-100%的氣體，經(jīng)脫水干燥，流量計量后進入臭氧發(fā)生器，產(chǎn)生含有臭氧的氧化性氣氛，并連續(xù)導(dǎo)入表面處理爐，b.來自碳化爐的碳纖維連續(xù)通過表面處理爐，在含有臭氧的氧化性氣氛下進行表面處理，其特征是在碳纖維連續(xù)通過處理爐時，處理爐內(nèi)產(chǎn)生二次臭氧并由電流脈沖發(fā)生器向碳纖維連續(xù)輸入脈沖電流，脈沖電流的特征值為tm＝10-100秒，tn＝10-80秒，Im＝0.25-20A。
按照上述的處理方法，碳纖維在連續(xù)通過處理爐時，處理爐內(nèi)產(chǎn)生二次臭氧并向碳纖維連續(xù)輸入恒定電流，電流的特征值為Im＝0.25-20A。
本發(fā)明的碳纖維連續(xù)表面處理方法可以適用于聚丙烯腈基碳纖維、瀝青基碳纖維、人造絲基碳纖維等等。適用于1K、3K、6K和12K的碳纖維。處理的絲束數(shù)可以是1束、10束、30束、100束和200束。
本發(fā)明所述的含氧氣體可以是含氧20-100%的氣體，為了提高產(chǎn)生臭氧的濃度，最好選用氧氣。氧氣進氣量為Q＝0.25-0.6立方米/小時。該氧氣進氣量也即臭氧進入表面處理爐的進氣量。
在含臭氧的氧化性氣氛下對碳纖維進行表面處理在中國專利86108839中已作了詳細說明。本發(fā)明采用在臭氧氣氛下向碳纖維直接輸入脈沖電流或恒定電流的方法均是著眼于對良導(dǎo)體的碳纖維直接通電加熱，除臭氧發(fā)生器通入處理爐內(nèi)的臭氧外，在處理爐內(nèi)另外安裝紫外燈或汞燈二次產(chǎn)生臭氧，這樣一是使?fàn)t內(nèi)的臭氧濃度大大提高，二是利用了碳纖維自身的電熱能使表面氧化反應(yīng)加劇，從而提高了反應(yīng)速度。本發(fā)明所使用的臭氧發(fā)生器可以是紫外燈臭氧發(fā)生器亦可是輝光管臭氧發(fā)生器。
本發(fā)明的碳纖維表面處理溫度是通過控制輸入電流和調(diào)節(jié)脈沖時間來實現(xiàn)的，處理溫度為70-140℃，最佳溫度范圍是100-120℃，當(dāng)溫度低于70℃時，臭氧對碳纖維表面碳原子的氧化效果下降，溫度高于140℃，臭氧本身易分解，氧化效果也不好。
本方法的碳纖維表面處理時間為60-720秒，最好是180-360秒，處理時間短，氧化效果不明顯，時間太長則不利于與炭纖維生產(chǎn)線相配套，也會造成浪費。
本方法中脈沖電流輸入的特征值表明電流脈沖的寬度及輸入電流的強度，其范圍是tm＝10-100秒，tn＝10-80秒，Im＝0.25-20A，最佳范圍是tm＝30＝50秒，tn＝30-50秒。調(diào)節(jié)上述特征值的tm和tn可以改變爐內(nèi)氣氛的溫度，調(diào)節(jié)Im主要是控制電流的大小從而達到控制碳纖維表面氧化的程度。Im為通過每束碳纖維的電流強度，由于束與束的碳纖維含量不同，如有每束3K，每束1K等，因而Im的變化范圍很大，要根據(jù)具體情況來決定。
本方法中恒定電流輸入的特征值Im為輸入電流的強度，其范圍是Im＝0.25-20A。和脈沖電流一樣出于同樣的原因，Im的變化范圍很大，要根據(jù)具體情況設(shè)定。
本發(fā)明為實現(xiàn)上述處理方法而設(shè)計了專用的表面處理爐及電流脈沖發(fā)生器，所說的電流脈沖發(fā)生器包括一個時間控制器，一個電壓調(diào)節(jié)器及一個可控硅。
所說的碳纖維表面處理爐包括1-4個處理室及處理室兩端設(shè)置的密封室，在處理室的內(nèi)壁上固定有紫外燈或汞燈使室內(nèi)產(chǎn)生二次臭氧，紫外燈或汞燈的紫外線波長為1700-2100 。室內(nèi)設(shè)有導(dǎo)電輥及導(dǎo)向輥，導(dǎo)電輥與室外的電流脈沖發(fā)生器連接，處理室的殼體上設(shè)置臭氧進氣孔，使臭氧發(fā)生器所產(chǎn)生的臭氧進入處理室內(nèi)。
本發(fā)明的碳纖維表面處理方法及設(shè)備具有以下優(yōu)點1.碳纖維表面處理爐不采用外加熱結(jié)構(gòu)，因此操作安全且節(jié)省能源;2.碳纖維通電后本身發(fā)熱，從而使其表面吸附的水分等以氣體方式排除，有利于氧化效果的改善;3.采用二次臭氧發(fā)生方法，使處理爐內(nèi)的臭氧含量更高，表面處理效果更好，碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的層間剪切強度及其它性能有較大提高。
下面通過附圖及實施例對本發(fā)明作詳細說明

圖1所示為本發(fā)明的碳纖維表面處理方法示意圖。
圖2所示為電流脈沖發(fā)生器電路框圖。
圖3所示為輸入碳纖維的脈沖電流示意圖。
圖4所示為碳纖維表面處理爐結(jié)構(gòu)示意圖。
實施例1本實施例結(jié)合附圖1-4對本方法及所用之具體設(shè)備予以說明。本發(fā)明的碳纖維處理方法是首先將含氧氣體經(jīng)干燥器4干燥后入臭氧發(fā)生器3產(chǎn)生臭氧，連續(xù)輸入表面處理爐2，從碳化爐出來的碳纖維連續(xù)通過表面處理爐2，由外部供電的電流脈沖發(fā)生器1通過導(dǎo)電輥5向進入表面處理爐的碳纖維輸入脈沖電流或恒定電流(如圖1所示)。脈沖電流發(fā)生器的電路框圖(如圖2)主要包括時間控制器、電壓調(diào)節(jié)器及可控硅，時間控制器可采用集成電路NE555，電壓調(diào)節(jié)器主要包括一些可調(diào)的電阻、電容等，可控硅可采用市售的KP50A/600V可控硅。整個電路可采用相應(yīng)的經(jīng)典電路完成。脈沖電流發(fā)生器需要工作時，按下常開按鈕，整個裝置通電，調(diào)節(jié)可控硅電壓至適當(dāng)值，時基電路內(nèi)部通過比較器和觸發(fā)器的比較和電平轉(zhuǎn)換，輸出如圖3所示的脈沖波形，圖中tm和tn的值可通過調(diào)節(jié)時基電路中的控制旋鈕來實現(xiàn)，Im的調(diào)節(jié)則是通過調(diào)節(jié)電壓調(diào)節(jié)器中的可變電阻來完成。在上述脈沖發(fā)生器上可以設(shè)置一個電流轉(zhuǎn)換開關(guān)，該開關(guān)主要用于控制時基電路的通斷，以滿足輸出脈沖電流或恒定電流的不同需要。
碳纖維表面處理爐(如圖4)包括兩個用螺栓9連接的處理室10和18及處理室兩端用螺栓9連接的兩個密封室13。密封室13設(shè)置有惰性氣體氣封進口23及出口6，處理室內(nèi)壁安裝數(shù)個紫外燈或汞燈8、11，處理室內(nèi)設(shè)置有導(dǎo)電輥7、16及導(dǎo)向輥19，導(dǎo)電輥與電流脈沖發(fā)生器連接可向碳纖維輸入脈沖電流或恒定電流，導(dǎo)電輥和導(dǎo)向輥均為圓弧形。處理室的內(nèi)表面有鉻或汞等金屬鍍層，殼體上設(shè)有臭氧進氣孔17并裝有進氣分布管。處理室10和處理室18的連接，處理室與密封室間的連接均由活性碳纖維氈12(或其它密封材料)與連接螺栓來實現(xiàn)。密封室13內(nèi)用活性碳纖維氈密封，固定在活性碳纖維支架5、21上，上述支架以不同方向排列。處理室與密封室自身的密封由密封槽及其內(nèi)部填充的活性炭纖維氈(或其它密封材料)來實現(xiàn)。整個表面處理爐下安裝有支座20。處理室及密封室均為可以翻蓋的密閉容器，碳纖維的進出口端還設(shè)有調(diào)節(jié)板，可以很方便的穿絲和調(diào)節(jié)、檢修設(shè)備。22是密封室的合頁。15、14是翻蓋的密封螺栓。
實施例2將含氧99%的氧氣經(jīng)脫水干燥后進入紫外線臭氧發(fā)生器。來自臭氧發(fā)生器的含臭氧氣氛進入如實施例1所述的表面處理爐，對3kPAN基碳纖維用脈沖電流進行處理，工藝參數(shù)為tm＝35s、tn＝35s、Im＝0.45A，氣體流量Q＝0.45立方米/小時，處理時間3min。處理后的碳纖維及其復(fù)合材料性能的變化列于表1表1脈沖電流處理前后炭纖維及其復(fù)合材料性能變化性能 處理前 處理后CF抗拉強度(Gpa) 2.69 3.41抗拉模量(Gpa) 177 179weibull模數(shù),m 3.48 4.40CF表面能(mJ/平方米) 48.68 55.59CF表面羧基含量(%) 2.77 5.70CFRP層間剪切強度(Mpa) 68 102層間剪切強度測試的變異系數(shù)(%) 4.98 4.60實施例3將含氧99%的氣體經(jīng)脫水干燥后進入臭氧發(fā)生器。來自臭氧發(fā)生器的含臭氧氣氛進入如實施例1所述的表面處理爐，對3KPAN基碳纖維用恒定電流進行處理，工藝參數(shù)為Im＝0.45A，氣體流量Q＝0.45立方米/小時，處理時間3min。處理后碳纖維及其復(fù)合材料性能的變化列于表2。
表2.恒定電流處理前后炭纖維及其復(fù)合材料性能的變化性能 處理前 處理后CF抗拉強度(GPa) 2.69 2.70抗拉模量(GPa) 177 179weibull模數(shù),m 3.48 4.01CF表面能(mJ/平方米) 48.68 56.87CF表面羧基含量(%) 2.77 5.18CFRP層間剪切強度(MPa) 68 92層間剪切強度測試的變異系數(shù)(%) 4.98 4.72上述各種性能的測試方法均與專利86108839中的測試方法相同。
權(quán)利要求
1.一種用于改善碳纖維表面活性的碳纖維處理方法，包括以下步驟a.含氧20-100%的氣體經(jīng)脫水干燥，流量計量后進入臭氧發(fā)生器，產(chǎn)生含臭氧的氧化性氣氛，并連續(xù)導(dǎo)入表面處理爐，b.來自碳化爐的碳纖維連續(xù)通過表面處理爐，在含有臭氧的氧化性氣氛下進行表面處理，其特征在于碳纖維在連續(xù)通過表面處理爐時處理爐內(nèi)二次發(fā)生臭氧，并由電流脈沖發(fā)生器向碳纖維連續(xù)輸入脈沖電流，脈沖電流的特征值為tm=10-100秒，tn=10-80秒，Im=0.25-20A。
2.一種用于改善碳纖維表面活性的碳纖維處理方法，包括以下步驟a.含氧20-100%的氣體經(jīng)脫水干燥，流量計量后進入臭氧發(fā)生器，產(chǎn)生含臭氧的氧化性氣氛，并連續(xù)導(dǎo)入表面處理爐，b.來自碳化爐的碳纖維連續(xù)通過表面處理爐，在含有臭氧的氧化性氣氛下進行表面處理，其特征在于碳纖維在連續(xù)通過表面處理爐時處理爐內(nèi)二次發(fā)生臭氧，并由電流發(fā)生器向碳纖維連續(xù)輸入恒定電流，恒定電流的特征值為Im＝0.25-20A。
3.如權(quán)利要求1或2所述的處理方法，其特征是所說的含氧氣體是氧氣，氧氣的進氣流量Q＝0.25-0.6立方米/小時。
4.如權(quán)利要求1所述的碳纖維表面處理方法，其特征是所說的碳纖維是聚丙烯腈碳纖維、瀝青碳纖維。
5.如權(quán)利要求1或2所述的碳纖維表面處理方法，其特征是所述脈沖電流的特征值最好是tm＝25-60秒，tn＝20-70秒。
6.一種用于實施權(quán)利要求1或2所述碳纖維表面處理方法的碳纖維表面處理爐，其特征是包括1-4個處理室10、18及處理室兩端的密封室13，處理室的內(nèi)壁鍍有鉻等金屬反射層，其上固定有紫外燈8、11或汞燈使室內(nèi)二次產(chǎn)生臭氧，室內(nèi)設(shè)有導(dǎo)電輥7、16和導(dǎo)向輥19，導(dǎo)電輥與室外的電流脈沖發(fā)生器連接，處理室的殼體上設(shè)置臭氧進氣孔17，密封室設(shè)有氣封進氣口23及排氣口6。
7.如權(quán)利要求5所述的表面處理爐，其特征是所述紫外燈或汞燈的紫外線波長為1700-2100
。
8.如權(quán)利要求1或2所述的表面處理方法，其特征是所述的電流脈沖發(fā)生器由時間控制器、電壓調(diào)節(jié)器及可控硅構(gòu)成，在發(fā)生器上設(shè)有一個與時間控制器連接的選擇開關(guān)，可以選擇輸出脈沖電流或恒定電流。
全文摘要
一種用于改善碳纖維表面活性的碳纖維處理方法及設(shè)備，是將含氧20—100％的氣體經(jīng)脫水干燥后進入臭氧發(fā)生器，產(chǎn)生含臭氧的氧化性氣氛，并連續(xù)導(dǎo)入表面處理爐，來自碳化爐的碳纖維連續(xù)通過表面處理爐，在含有臭氧的氧化性氣氛下進行表面處理，碳纖維在連續(xù)通過表面處理爐時處理爐內(nèi)二次發(fā)生臭氧，并由電流脈沖發(fā)生器向碳纖維連續(xù)輸入脈沖電流或恒定電流。本發(fā)明的表面處理爐不采用外加熱結(jié)構(gòu)，爐內(nèi)產(chǎn)生二次臭氧，因而爐內(nèi)的臭氧含量更高，對纖維直接通電處理，使其表面性能及復(fù)合材料的性能均有較大提高。
文檔編號D06M10/00GK1082131SQ9210872
公開日1994年2月16日 申請日期1992年8月11日 優(yōu)先權(quán)日1992年8月11日
發(fā)明者賀福, 李潤民, 梁濤, 王潤娥 申請人:中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所