专利名称：多束连续长碳纤维同时电镀金属的装置及其方法
技术领域：
本发明属于碳纤维表面改性技术领域，特别涉及一种多束连续碳纤维同时电镀金属的装置及其方法。
背景技术：
碳纤维的金属化不仅可以改善与金属基体材料的界面相容性，而且还可用于增强聚合物，提高聚合物的导电性能，由此制备出具有导电性能的塑料产品，在抗静电、屏蔽和/或吸收电磁波等方面都具有较广泛的应用前景。因此，碳纤维的金属化备受重视。实践证明，由于碳纤维具备一定的导电性，碳纤维的电沉积(俗称“电镀”)是最有效的金属化技术，可适用于规模化的工业生产。然而，碳纤维虽然具有一定的导电性，但其电阻值远远高于金 属。更为重要的是，商品碳纤维成束供应，每束碳纤维少则1000根，多则几十万根，并有向大丝束方向发展的趋势，而碳纤维单丝的直径一般只有6 - 10微米，因此，纤维的表面积很大，远远大于一般的金属零件。至今，众多的专利公开了碳纤维的电沉积技术，并一致认为，碳纤维的电沉积不能照搬传统金属电沉积的镀液、工艺和装置。如专利号为94110865. I的中国发明专利中公开了一种碳纤维均匀镀铜工艺，专利号为200810032221. I的中国发明专利中公开了一种碳纤维表面锌涂层的制备方法。专利申请号为200810052667. 0的中国发明专利申请中公开了一种在碳纤维表面连续复合电镀金属和纳米颗粒的装置和方法。公告号为KR20030049703(A)的韩国专利申请中公开了一种碳纤维电沉积镍的技术(Method of preparing nickel-plated carbon fiber by electroplating);公告号为JP2005097776 (A)的日本专利申请中公开了一种碳纤维表面电沉积金属的技术(Methodfor producing metal-coated carbon fiber),公告号为 JP3019966 (A)的日本专利申请中也公开了一种碳纤维表面电沉积金属的技术(Method for electroplating carbonfiber)，公告号为JP60238498(A)的日本专利申请中同样也公开了一种碳纤维表面电沉积金属的技术(Electroplating method of bundled carbon fiber)。但是，迄今为止，还未见关于多束16束)连续长碳纤维同时电镀金属的方法的任何报导，因此，对于多束连续长碳纤维同时电镀金属的生产技术更属空白。为了使得碳纤维电沉积金属实现产业化，必须提高碳纤维电镀的生产效率。其一是提高碳纤维的行进速度，其二是增加镀槽的宽度，即采用多束碳纤维同时电镀的方法。尽管在金属线材的电镀时采用了类似的方法，即多根金属线材电镀时共用一个导电辊，并共用同一电源，但是，采用类似的方法无法完成多束碳纤维的电镀，这是由于碳纤维导电性差，当共用同一电源时会造成近电极处纤维因电流大镀层厚，而远离电极部位纤维的镀层薄，从而无法实现碳纤维电镀的正常生产。此外，金属线材在电镀时，靠金属线材的张力实现线材与导电辊的电接触，但是这一方法无法用于碳纤维(尤其是多束碳纤维)的电镀。公布号为CN102031547A的中国发明专利申请中公开的一种碳纤维表面连续复合电镀金属和纳米颗粒的装置和方法，是采用在导电辊之上放置橡胶压辊的方法实现碳纤维与导电辊的电接触。但是，对于多束碳纤维的同时电镀，这种材料无法使用，这是由于橡胶材料在镀液的浸泡过程中会变形，从而造成对多束碳纤维压力的不一致，即接触电阻不一，最终得不到均匀一致的电镀层。
发明内容
针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种多束连续长碳纤维同时电镀金属的装置及其方法，采用每束碳纤维单独供电、单独调控电流大小的方法，与此同时，使用塑料包裹海绵的压辊，从而既防止了电位差造成的不同碳纤维束镀层厚度不均匀的现象，又保证了多束(> 16束)碳纤维电接触状况完全一致，并根据镀金属化碳纤维的产量和性能合理调整镀槽的宽度及碳纤维束数，使得每束碳纤维以完全相同的线速度行进，可以有效地防止碳纤维的缠绕和电流分布不均的现象，可获得均匀一致的镀层，从而实现了多束(> 16束)碳纤维同时连续电沉积金属，显著提高了碳纤维电镀金属的生产效率，使得碳纤维表面电镀金属实现低成本化。为了解决上述技术问题，本发明多束连续长碳纤维同时电镀金属的装置予以实现的技术方案是，包括退丝架、去胶炉、直流电源、循环过滤泵、传动机构、第一级电镀槽、第 二级电镀槽、清洗槽、烘干装置和收卷机；长碳纤维束的数量至少为16束，所述直流电源的个数和长碳纤维束的数量相同，每束长碳纤维均由独立的直流电源供电，并独立调控电流；所述传动机构包括分别装在第一级电镀槽和第二级电镀槽前端及第二级电镀槽后端的三对轧棍式传动轴，每对轧棍式传动轴均由一金属导电棍和一压棍构成，所述压棍由塑料芯辊和包裹在该塑料芯辊上的海绵层构成，所述金属导电辊和所述压辊之间的接触压力是可调节的，从而保证碳纤维在松弛无张力的状态下连续匀速传输。本发明多束连续长碳纤维同时电镀金属的方法是，使用上述多束连续长碳纤维同时电镀金属的装置，并包括如下步骤将至少16束连续的碳纤维并联，其束间距为0. 5 — 3厘米，经过除胶和清洗后，将所有各束连续的长碳纤维浸在电镀槽中同步地、连续两级电沉积进行表面镀覆，经过第二级表面镀覆后进行水洗和烘干；在上述电镀过程中，所述各束连续长碳纤维是同时进入并经过每一级电镀槽前端的金属导电辊，使各束连续的长碳纤维的电接触状况一致，实现各束连续的长碳纤维以相同的线速度行进；同时，所述金属导电辊接通电源阴极，实现连续的长碳纤维与阴极的连接；每束长碳纤维均由独立电源供电，并独立调控电流。与现有技术相比，本发明的有益效果是能够很好地解决多束碳纤维电镀过程中镀层厚度不均的问题，并使每束碳纤维以相同的速度行进，可避免因速度不均而出现的纤维缠绕问题，保证电镀的连续进行，提高碳纤维电镀的生产效率。
图I是本发明多束连续碳纤维同时电镀金属的工艺流程示意图；图2是图I中所示传动机构的结构示意简图。图中I-退丝架，2-去胶炉，3-第一循环过滤泵，4-第一直流电源，5-多束长碳纤维，6-轧辊式传动轴，7-第一级电镀槽，8-第二循环过滤泵，9-第二直流电源，10-清洗槽，11-烘干装置，12-收卷机，13-第二级电镀槽。
具体实施例方式下面结合具体实施方式
对本发明作进一步详细地描述。如图I所示，本发明多束连续长碳纤维同时电镀金属的装置，包括退丝架I，用于纤维的供放；长碳纤维束5 :为被镀基体，同时充当阴极；去胶炉2 :用于对碳纤维进行除胶处理；
直流电源，包括第一直流电源4和第二直流电源9，用于提供恒定的电流；循环过滤泵包括第一循环过滤泵3和第二循环过滤泵8，用于过滤镀液中断落的碳纤维及杂质，并起到对液体搅拌的作用，以提高镀液中离子的均匀度；传动机构，由无级变速电机提供速度可调的传动机构，用于带动碳纤维以一定速度移动，实现电镀自动化；第一级电镀槽7，用于盛放电镀溶液，并配置阴阳极；第二级电镀槽13，用于增加镀层厚度，通过对镀层进行调控完成对镀层厚度、表面质量及结构的最后调控；清洗槽10，用于最终产品的清洁；烘干装置11，用于对电镀后的纤维束进行烘干；收卷机12用于纤维的收集。本发明中，长碳纤维束的数量至少为16束，所述第一直流电源4和第二直流电源9的个数均与长碳纤维束的数量相同，即每束长碳纤维均由独立的直流电源供电，并独立调控电流。所述传动机构包括分别装在第一级电镀槽7和第二级电镀槽13前端及第二级电镀槽的后端的三对轧棍式传动轴6,如图2所不,每对轧棍式传动轴6均由一金属导电棍61和一压辊63构成，所述压辊63由塑料芯辊64和包裹在该塑料芯辊64上的海绵层65构成，所述金属导电辊61和所述压辊63之间的接触压力是可调节的，从而保证平行并列的每束碳纤维62在松弛无张力的状态下连续勻速传输。所述金属导电棍61和压棍63的长度相等，该长度至少等于连续的长碳纤维的束数与束间距的乘积；所述塑料芯辊的直径为2-10厘米，所述海绵层的厚度为0. 5 — 3. 0厘米，可以保证每一束纤维均有较好的电接触，而且每一束纤维的电接触状态完全一致。本发明多束连续长碳纤维同时电镀金属的方法是使用上述多束连续长碳纤维同时电镀金属的装置，并包括如下步骤将至少16束连续的碳纤维并联，其束间距为0. 5 — 3厘米，经过除胶和清洗后，将所有各束连续的长碳纤维浸在电镀槽中同步地、连续两级电沉积进行表面镀覆，经过第二级表面镀覆后进行水洗和烘干；在上述电镀过程中，所述各束连续长碳纤维是同时进入并经过每一级电镀槽前端的金属导电辊，使各束连续的长碳纤维的电接触状况一致，实现各束连续的长碳纤维以相同的线速度行进；同时，所述金属导电辊接通电源阴极，实现连续的长碳纤维与阴极的连接；每束长碳纤维均由独立电源供电，并独立调控电流，防止电位差造成的不同碳纤维束镀层厚度不均匀的现象。每束连续的长碳纤维在电镀槽中前进速度均为20 - 100毫米/分钟，镀层的厚度为1.0-2.0iim。本发明多束连续长碳纤维同时电镀金属的方法中所述电镀槽内电镀液是碱性硫酸铜溶液或是酸性硫酸镍溶液。所述碱性硫酸铜溶液的配方是五水合硫酸铜30_50g/L ;酒石酸钾钠10_15g/L ；氢氧化钠20-25g/L ;无水柠檬酸25-35g/L。其电沉积条件pH值为9_10 ；16束碳纤维电流大小的范围为2. 5-3. 6安培；温度为20-35°C。所述酸性硫酸镍溶液的配方是六水合硫酸镍180_250g/L，氯化钠8_12g/L，硼酸25-35g/L ;无水硫酸钠15-25g/L ;硫酸镁20_30g/L ;十二烷基磺酸钠0. lmL/L。其电沉积条件是pH值为5-6 ；16束碳纤维电流大小的范围为I. 2 — I. 8安培；温度为20-35°C。实施例I :16束连续长碳纤维(聚丙烯腈基/束尺寸12k/单丝直径6 — 8 y m)经过除胶和清洗之后同时进入每一级电镀槽前端的金属导电辊和压辊之间，即该金属导电辊之上是一根长度与金属导电辊长度基本相同的36厘米的塑料包裹海绵的压辊，其塑料芯辊的直径为6厘米，外部包裹的海绵层的厚度为1.0厘米，每束长碳纤维由一台直流电源单独供电，两级电镀槽内均采用如下镀液配方五水合硫 酸铜35g/L，酒石酸钾钠10g/L，氢氧化钠20g/L，无水柠檬酸25g/L ；电沉积条件为pH = 9 ;16束碳纤维电流大小的范围为2. 5 — 3. 6安培；温度=250C ；每束纤维在电镀槽中前进速度均为50毫米/分钟；两级电镀槽内均安装有循环过滤泵，电镀槽的两侧有铜电极。整个电镀生产线有二级电镀槽，每个电镀槽的长度为I. 8米，在每个电镀槽的前端及末级(第二级)电镀槽的后端各设一对金属导电辊和压辊，且结构相同。从第二级电镀槽出来的每束碳纤维表面均匀涂敷有相同厚度的金属铜，其镀层的厚度约为I. 5i!m。实施例2 24束连续长碳纤维(浙青基/束尺寸6k/单丝直径6 — 8 y m)经过除胶和清洗之后同时进入电镀槽前端的金属导电辊和压辊之间，即该金属导电辊之上是一根长度为28厘米(与金属导电辊的长度基本相同)的塑料芯辊外层包裹有海绵层的压辊，塑料芯辊的直径为4厘米，外部海绵层的厚度为I. 5厘米，每束碳纤维由一台直流电源单独供电。电镀槽内镀液的配方是六水合硫酸镍200g/L，氯化钠8g/L，硼酸25g/L ;硫酸钠18g/L ;硫酸镁25g/L ;十二烷基磺酸钠0. lmL/L。电沉积条件为pH = 5.0 ；24束碳纤维电流大小的范围为I. 2 — I. 8安培；温度=250C ;每束纤维在镀槽中前进速度均为50毫米/分钟；电镀槽内安装有循环泵，电镀槽的两侧有镍电极。整个电镀生产线有二级电镀槽，每级电镀槽的长度均为I. 8米，每个电镀槽的前端和末级(第二级)电镀槽的后端各有一个金属导电辊和压辊，且结构相同；从第二级清洗槽出来的大丝束碳纤维表面均匀涂敷有金属镍，其镀层的厚度约为I. 2pm。尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式
，上述的具体实施方式
仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保 护之内。
权利要求
1.一种多束连续长碳纤维同时电镀金属的装置，包括 退丝架、去胶炉、直流电源、循环过滤泵、传动机构、第一级电镀槽、第二级电镀槽、清洗槽、烘干装置和收卷机；其特征在于 长碳纤维束的数量至少为16束，所述直流电源的个数和长碳纤维束的数量相同，每束长碳纤维均由独立的直流电源供电，并独立调控电流； 所述传动机构包括分别装在第一级电镀槽和第二级电镀槽前端及第二级电镀槽后端的三对轧棍式传动轴，每对轧棍式传动轴均由一金属导电棍和一压棍构成，所述压棍由塑料芯辊和包裹在该塑料芯辊上的海绵层构成，所述金属导电辊和所述压辊之间的接触压力是可调节的，从而保证碳纤维在松弛无张力的状态下连续匀速传输。
2.根据权利要求I所述多束连续长碳纤维同时电镀金属的装置，其特征在于，所述金属导电辊和压辊的长度相等，该长度至少等于连续的长碳纤维的束数与束间距的乘积；所述塑料芯辊的直径为2-10厘米，所述海绵层的厚度为0. 5 — 3. 0厘米。
3.一种多束连续长碳纤维同时电镀金属的方法，其特征在于，使用如要求I所述的多束连续长碳纤维同时电镀金属的装置，并包括如下步骤 将至少16束连续的碳纤维并联，其束间距为0. 5 — 3厘米，经过除胶和清洗后，将所有各束连续的长碳纤维浸在电镀槽中同步地、连续两级电沉积进行表面镀覆，经过第二级表面镀覆后进行水洗和烘干； 在上述电镀过程中，所述各束连续长碳纤维是同时进入并经过每一级电镀槽前端的金属导电辊，使各束连续的长碳纤维的电接触状况一致，实现各束连续的长碳纤维以相同的线速度行进；同时，所述金属导电辊接通电源阴极，实现连续的长碳纤维与阴极的连接；每束长碳纤维均由独立电源供电，并独立调控电流。
4.根据权利要求3所述多束连续长碳纤维同时电镀金属的方法，其特征在于，镀层的金属选自于铜、镍、银、铁、金中的一种。。
5.根据权利要求3所述多束连续长碳纤维同时电镀金属的方法，其特征在于，所述长碳纤维选自于聚丙烯腈、浙青和粘胶基碳纤维中的一种，所述长碳纤维束尺寸从lk、2k、3k、6k、12k和24k中选择其一。
6.根据权利要求3所述多束连续长碳纤维同时电镀金属的方法，其特征在于，每束连续的长碳纤维在电镀槽中前进速度相同，该速度的取值范围为20-100毫米/分钟。7.根据权利要求3所述多束连续长碳纤维同时电镀金属的方法，其特征在于，镀层的厚度为0. 2-1. 2 u mo
全文摘要
本发明公开了一种多束连续长碳纤维同时电镀金属的方法，将至少16束连续的碳纤维并联，其束间距为0.5－3厘米，经过除胶和清洗后，将所有各束连续的长碳纤维浸在电镀槽中同步地、连续两级电沉积进行表面镀覆，经过第二级表面镀覆后进行水洗和烘干；各束连续长碳纤维是同时进入并经过每一级电镀槽前端的金属导电辊，使各束连续的长碳纤维的电接触状况一致，实现各束连续的长碳纤维以相同的线速度行进；同时，金属导电辊接通电源阴极，实现连续的长碳纤维与阴极的连接；每束长碳纤维均由独立电源供电，并独立调控电流，可避免因速度不均而出现的纤维缠绕问题，保证电镀的连续进行，提高碳纤维电镀的生产效率。
文档编号C25D19/00GK102719869SQ20121019087
公开日2012年10月10日 申请日期2012年6月11日 优先权日2012年6月11日
发明者万怡灶, 罗红林 申请人:天津大学