一种碳纤维表面处理设备及表面处理方法与应用

摘要

本发明公开了一种碳纤维表面处理设备，包括槽架，所述槽架内部分隔成两个独立空间，分别为用于盛装电解液的电解槽和用于盛装去离子水的水洗槽；所述电解槽内设置有阴极板，阴极板接电解电源负极；在电解槽内于阴极板上方还设有第一绝缘导辊；所述水洗槽内设置有第二绝缘导辊，在电解槽内的第一绝导缘辊与水洗槽内的第二绝缘导辊之间于槽架的上方还设置有第三绝缘导辊；在第一绝缘导辊的外侧与第二绝缘导辊的外侧于槽架上方分别设有阳极导辊，阳极导辊接电解电源正极；本发明解决了阳极导辊被氧化不导电问题，同时利用本发明设备的表面处理方法能缩短表面处理时间，可应用于汽车、医疗、食品加工业、化工领域。

说明书

技术领域

本发明涉及碳纤维表面改性技术领域，尤其涉及一种碳纤维表面处理设备及表面处理方法与应用。

背景技术

碳纤维具有优异的力学性能，碳纤维普遍用于增强高分子材料领域，为了提高碳纤维与高分子复合材料的界面性能，工业上普遍采用电化学方法对碳纤维进行表面处理，但现有的专利和技术不能解决生产中存在的两个问题：（1）阳极导辊易被氧化问题，中国专利CN 10141848A公开了一种碳纤维表面处理机，该处理机的阳极导辊容易被电解液氧化，是由于阳极辊带有电流，碳纤维按一定速度运行时把电解液从电解槽引入阳极导辊表面，阳极导辊在电流和电解液作用下逐渐被氧化，最终导致阳极导辊被氧化而不导电；（2）表面处理时间长，中国专利CN 101781843A公开了一种高强碳纤维的表面处理方法，但是该方法中实施例的表面处理时间均为40~250s。

发明内容

为了克服现有技术的阳极导辊易被氧化和碳纤维表面处理时间过长的缺陷与不足，本发明的首要目的在于提供一种能解决阳极导辊逐渐被氧化不导电问题，且能避免阳极导辊被氧化后的金属离子污染电解液的碳纤维表面处理设备。

本发明的另一目的是提供一种能缩短表面处理时间和提高碳纤维层间剪切强度的碳纤维表面处理方法。

本发明是通过如下技术方案来实现的：

一种碳纤维表面处理设备，包括槽架，所述槽架内部分隔成两个独立空间，分别为用于盛装电解液的电解槽和用于盛装去离子水的水洗槽；所述电解槽内设置有阴极板，阴极板接电解电源负极；在电解槽内于阴极板上方还设有第一绝缘导辊；所述水洗槽内设置有第二绝缘导辊，在电解槽内的第一绝导缘辊与水洗槽内的第二绝缘导辊之间于槽架的上方还设置有第三绝缘导辊；在第一绝缘导辊的外侧于槽架上方设有第一阳极导辊，在第二绝缘导辊的外侧于槽架上方设有第二阳极导辊，第一、第二阳极导辊接电解电源正极。

将碳纤维引入本发明的碳纤维表面处理设备中进行电化学处理时，碳纤维首先通过第一绝缘导辊外侧于槽架上方的第一阳极导辊进入电解槽内，经过电解槽内的第一绝缘导辊，并在电解槽内的电解液与阴极板的作用下发生电化学反应，使得碳纤维带上均匀的正电荷；然后碳纤维通过第三绝缘导辊进入到水洗槽内，并通过第二绝缘导辊浸没在水洗槽内的去离子水中，从而将碳纤维的电解液洗去，最后通过第二绝缘导辊外侧于槽架上方的阳极导辊离开水洗槽；本发明的碳纤维表面设备避免了碳纤维运行时将电解槽内的电解液引入到第二绝缘导辊外侧于槽架上方的第二阳极导辊中，解决了第二阳极导辊逐渐被氧化不导电的问题，且能让碳纤维均匀带上正电荷。

一种使用上述碳纤维表面处理设备的碳纤维表面处理方法，包括如下步骤：

a）配置质量浓度为2~6%的铵盐电解质溶液；

b）将碳纤维引入碳纤维表面处理设备中进行电化学处理，处理温度为20~40℃，控制电解电流密度5~20mA/cm²，处理时间10~60s；

c）100~120℃直接干燥，即得。

优选地，所述铵盐选自碳酸氢铵、磷酸二氢铵、草酸铵的一种或几种混合物。

通过上述碳纤维表面处理方法制备的碳纤维用于增强改性热塑性和热固性树脂，可以应用领域包括：汽车、医疗、食品加工业、化工领域；具体制备的零部件包括：动机部位包括进气系统和燃油系统，如发动机气缸盖罩、节气门、空气滤清器机器外壳，车用空气喇叭、车用空调软管、冷却风扇及其外壳、进水管、刹车油罐及灌盖等；车体部位零部件有：汽车挡泥板、后视镜架、保险杠、仪表盘、行李架、车门手柄、雨刷支架、安全带扣搭、车内各种装饰件等；车内电器方面如电控门窗、连接器、保鲜盒、电缆扎线等。

    本发明与现有技术相比，具有如下的有益效果：

1）本发明的碳纤维表面处理设备解决了阳极导辊逐渐被氧化不导电的问题，且能满足碳纤维均匀带上正电荷，同时避免了金属导辊被氧化后的金属离子污染电解液。

2）采用2~6%的低浓度的铵盐电解液，能有效减少电解质的使用和浪费，并提高碳纤维后续的水洗效率。

3）采用直流电源和5~20mA/cm²的高电流密度对碳纤维进行氧化电解，可以有效减少电解时间，提高电解效率，同时碳纤维的层间剪切强度较未电解前提高15%以上，处理时间降至10~60s。

附图说明

图1为本发明碳纤维表面处理设备的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式来进一步说明本发明，以下实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受下述实施例的限制。

如图1所示，一种碳纤维表面处理设备，包括槽架12，所述槽架12内部分隔成两个独立空间，分别为用于盛装电解液的电解槽10和用于盛装去离子水的水洗槽11；所述电解槽10内设置有阴极板8，阴极板8接电解电源9负极；在电解槽10内于阴极板8上方还设有第一绝缘导辊2；所述水洗槽11内设置有第二绝缘导辊5，在电解槽10内的第一绝导缘辊2与水洗槽11内的第二绝缘导辊5之间于槽架12的上方还设置有第三绝缘导辊4；在第一绝缘导辊2的外侧于槽架12上方设有第一阳极导辊1，在第二绝缘导辊5的外侧于槽架12上方设有第二阳极导辊6，第一、第二阳极导辊1，6接电解电源9正极。

为了使得碳纤维在电解槽内的电解液与阴极板的作用下充分发生电化学反应而带上均匀的正电荷，所述第一阳极导辊1与所述第一绝缘导辊2之间设置有第四绝缘导辊3。

优选地，所述槽架12的材质为聚四氟乙烯；所述阴极板8的材质为铜；所述电解电源9为直流电源。

所述第一、第二阳极导辊1，6与所述电解电源9及电解槽内电解液的接触面材质为导电材质，优选不锈钢；第一、第二阳极导辊1，6接触面的导电厚度为5um，其轴承和内部材质无特殊要求，金属、高分子、无机材料均可。

所述第一、第二、第三和第四绝缘导辊2，3，4，5与电解槽内电解液及水洗槽内去离子水接触面材质为绝缘体材质，优选为陶瓷；第一、第二、第三和第四绝缘导辊2，3，4，5接触面的绝缘体涂层厚度为1~5mm，其轴承和内部材质无特殊要求，金属、高分子、无机材料均可

实施例1：

配置质量浓度为5%的磷酸二氢铵电解质溶液，将碳纤维引入碳纤维表面处理设备中进行电化学处理，处理温度为25℃，控制电解电流密度10mA/cm²，处理时间10s，100℃直接干燥，收取样品；样品按照GB3357-82测试层间剪切强度，性能测试数据见表1。

实施例2：

配置质量浓度为5%的磷酸二氢铵电解质溶液，将碳纤维引入碳纤维表面处理设备中进行电化学处理，处理温度为25℃，控制电解电流密度5mA/cm²，处理时间25s，100℃直接干燥，收取样品；样品按照GB3357-82测试层间剪切强度，性能测试数据见表1。

实施例3：

配置质量浓度为2%的碳酸氢铵电解质溶液，将碳纤维引入碳纤维表面处理设备中进行电化学处理，处理温度为25℃，控制电解电流密度12mA/cm²，处理时间60s，100℃直接干燥，收取样品；样品按照GB3357-82测试层间剪切强度，性能测试数据见表1。

实施例4：

配置质量浓度为4%的碳酸氢铵电解质溶液，将碳纤维引入碳纤维表面处理设备中进行电化学处理，处理温度为25℃，控制电解电流密度15mA/cm²，处理时间55s，100℃直接干燥，收取样品；样品按照GB3357-82测试层间剪切强度，性能测试数据见表1。

实施例5：

配置质量浓度为6%的草酸铵电解质溶液，将碳纤维引入碳纤维表面处理设备中进行电化学处理，处理温度为25℃，控制电解电流密度20mA/cm²，处理时间40s，100℃直接干燥，收取样品；样品按照GB3357-82测试层间剪切强度，性能测试数据见表1。

对比例1：

将不进行电化学处理的碳纤维按照GB3357-82测试层间剪切强度，作为本发明实施例的空白实验样；性能测试数据见表1。

对比例2：

配置质量浓度为10%的碳酸氢铵电解质溶液，将碳纤维引入碳纤维表面处理设备中进行电化学处理，处理温度为35℃，控制电解电流密度0.15mA/cm²，处理时间150s，随后在室温下用去离子水清洗，100℃干燥收取样品，样品按照GB3357-82测试层间剪切强度；性能测试数据见表1。

         表1 实施例1~5和对比例1~2中碳纤维表面处理具体配比及性能测试结果

 电解质电解液浓度（%）处理时间（s）处理温度（℃）电流密度（mA/cm²）ILSS (Mpa)实施例1磷酸二氢铵510251087.2实施例2磷酸二氢铵52525579.5实施例3碳酸氢铵260251281.3实施例4碳酸氢铵455251587.3实施例5草酸铵640252095.7对比例1去离子水015025068.9对比例2碳酸氢铵10150350.1585.6

从表1可知，实施例1~5，相对于对比例1，碳纤维电解后的层间剪切强度较碳纤维未电解时，ILSS提升了15%以上；

实施例1~5，相对于对比例2，本发明通过提高电流密度的方式，电解时间大幅度减小，提高的碳纤维的电解效率；同时电解液浓度大幅度减小，节约了电解质的使用和浪费，同时提高了碳纤维后续的水洗效率。

各项性能测试标准：

ILSS：碳纤维及复合材料层间剪切强度根据GB3357-82测试得到。