一种碳纤维表面处理方法

专利名称：一种碳纤维表面处理方法
技术领域：
本发明涉及一种碳纤维表面处理方法，主要应用于碳纤维生产环节当中的碳纤维表面处理工艺。
背景技术：
有关碳纤维表面处理的方法很多，其中低温等离子体技术是从上个世纪60年代才开始的一门新的材料表面处理技术。该技术是一种干式工艺，具有节省能源、无公害等优点，能够满足环境保护的要求；处理时间短，效率高；与放射线处理、电子束处理等其它干式工艺相比，其独特之处在于等离子体表面处理的作用深度仅涉及距离材料表面几纳米到几百纳米范围内，只改变了材料表面的物理和化学特性，而材料本身特性并没有改变。这些优点使低温等离子体技术成为改善复合材料界面结合效果的一个重要手段。但是，目前所研究的低温等离子体碳纤维表面处理工艺方法主要是在真空条件下，这种方式无法在碳纤维表面处理环节上实现连续化生产。因此，寻求新型高效节能，在常压下能连续不间断处理碳纤维表面的低温等离子技术势在必行。其中，能在一个大气压条件下产生低温等离子体的方法不多。如美国专利5， 928,527. “使用大气压辉光放电等离子体源的表面改性(Surface modification using atmospheric pressure glow discharge plasma source) ”。在专禾丨J中描述了一禾中通过使用射频信号产生的常压低温等离子体的表面改性方法。另外，射流型低温等离子体设备、介质阻挡低温等离子体设备、电弧放电低温等离子体设备都可以产生温度较低的低温等离子体。但是，这些低温等离子体设备电极外露，在碳纤维生产过程中这些低温等离子设备产生的高压低温等离子体会使碳纤维导电，会使现场工作人员有触电危险。碳纤维生产过程中的碳纤维碎末粉尘会使这些设备产生短路，使设备停止工作。中国专利CN 101321614A。“使用常压等离子体束表面处理复合材料结构体的方法”。专利中描述了一种处于大气压下的等离子体束表面处理复合材料结构体的预定区域的方法，所述方法有助于所述复合材料结构体对另一种结构体的粘合剂粘结，所述处于大气压下的等离子束由安置由发射喷嘴的等离子体发生器产生。该专利主要是针对树脂基碳纤维复合材料或者玻璃纤维复合材料进行表面处理，树脂基碳纤维复合材料在进行表面处理的过程当中不会产生碳纤维碎末粉尘，不会对低温等离子体设备的正常工作产生影响， 因此该专利的工艺过程对处于大气压下的等离子束由安置由发射喷嘴的等离子体发生器的要求不高，只需产生温度较低的低温等离子体就可以。该专利针对树脂基碳纤维复合材料进行表面处理时考虑的是增强其表面活性，防止该复合材料发生热解。在碳纤维生产过程中，使用低温等离子体对碳纤维表面处理是要增加碳纤维的表面活性，增大碳纤维的比表面积，同时防止低温等离子体对碳纤维表面轰击降低碳纤维本身的强度。所选用的低温等离子体发生装置必须进行特殊处理，防止碳纤维碎末粉尘使低温等离子体设备电极部分发生短路停止工作。使低温等离子体发生装置喷出的低温等离子体宏观上呈中性不带电，防止工作人员触电。

发明内容
本发明目的在于提供一种碳纤维表面处理方法，在一个大气压的环境下，利用空气作为碳纤维表面处理介质，使用低温等离子体对高温碳化炉生产出来的碳纤维表面进行处理，达到提高碳纤维表面活性，增强其复合材料的层间剪切强度，提高生产效率，降低生产成本，达到可以24小时连续不间断的生产目的。本发明所述的一种碳纤维表面处理方法内容如下在一个大气压的环境下，使用空气作为碳纤维表面处理介质，产生宏观电中性的低温等离子体，对运动中的碳纤维丝束表面进行低温等离子体轰击；低温等离子体为射流型大气低温等离子体，该低温等离子体电极经过封闭处理 ，碳纤维碎末粉尘不能进入，喷出的低温等离子体呈现为电中性；碳纤维丝束运行速度60 150m/h ；碳纤维处理工作环境温度范围-10°C 50°C ；碳纤维与等离子体发射装置之间的间隙为5 30mm ；碳纤维表面处理环境湿度30% 90%;碳纤维表面处理功率范围500 800W/束丝(6k)；低温等离子体碳纤维表面处理温度30°C 100°C。发明效果在一个大气压条件下，利用经过特殊处理过的射流型低温等离子体的方法，对碳纤维表面进行24小时连续不间断处理，可实现连续化工业生产需求。目前所研究的低温等离子体碳纤维表面处理方法都是在一定真空条件下进行的，这种方法无法真正实现24小时连续不间断工作，工作效率极低，无法实现连续大型工业化生产的需要，并且这种设备的使用和操作都相对麻烦，对工人的操作技能要求极高。而使用射流型低温等离子体可以在一个大气压的条件下对碳纤维进行表面处理，这种方法工序简单，维护方便，对工人的操作技能要求相对较低，有利于大型工业化生产。使用射流型低温等离子体对碳纤维表面进行处理，使碳纤维表面的活性极性官能团含量增加，碳纤维表面的沟槽加深，比表面积增加， 提高其复合材料的层间剪切强度。同时，这种方法有利于节省能源，降低能耗，清洁无污染， 更加符合当今社会发展的需要。目前，一般的射流型大气低温等离子体技术主要应用玻璃和金属平板处理、橡胶制品的处理、塑料板的表面处理、不锈钢薄板对焊处的焊前处理、汽车刹车块表面处理、汽车车窗玻璃封条表面处理、汽车雨刷器胶条表面处理。本发明过程中使用的射流型大气低温等离子体对碳纤维进行表面处理，使该种类型的低温等离子体的应用范围得到了扩大，并对碳纤维的生产成本的降低起到了一定作用。


图1低温等离子体碳纤维表面处理装置原理图。图1中1射流低温等离子体发生装置，2导丝轮，3碳纤维丝束，4碳纤维表面处理装置箱体。
具体实施例方式本发明的低温等离子体碳纤维表面处理装置由碳纤维表面处理装置箱体4、射流低温等离子体发生装置1、导丝轮2组成；射流低温等离子体发生装置1位于碳纤维表面处理装置箱体4内两边，由导丝轮2将碳纤维丝束3导入碳纤维表面处理装置箱体4内，从射流低温等离子体发生装置1中间穿过，由射流低温等离子体发生装置产生低温等离子体， 对运动中的碳纤维丝束表面进行低温等离子体轰击，对碳纤维表面进行处理。实施 例1使用图1所示的低温等离子体装置对碳纤维表面进行处理。在一个大气压的环境下，使用空气作为碳纤维表面处理介质，产生低温等离子体，对运动中的碳纤维丝束表面进行低温等离子体轰击。低温等离子体为射流型大气低温等离子体。碳纤维丝束运行速度80m/h ；碳纤维处理工作环境温度15°C ；碳纤维与等离子体发射装置之间的间隙为8mm ； 碳纤维表面处理环境湿度60% ；碳纤维表面处理功率范围500W/束丝(6k)；低温等离子体碳纤维表面处理温度80°C。射流型大气低温等离子体发射装置为南京苏曼电子有限公司提供的经过特殊处理过的PG-1000Z型设备。碳纤维表面进行官能团(主要是-0H，-C = 0，-C00H)总含量为22. 32%，层间剪切强度为llOMPa。实施例2使用图1所示的低温等离子体装置对碳纤维表面进行处理。在一个大气压的环境下，使用空气作为碳纤维表面处理介质，产生低温等离子体，对运动中的碳纤维丝束表面进行低温等离子体轰击。低温等离子体为射流型大气低温等离子体。碳纤维丝束运行速度80m/h ；碳纤维处理工作环境温度15°C ；碳纤维与等离子体发射装置之间的间隙为8mm ； 碳纤维表面处理环境湿度60% ；碳纤维表面处理功率范围700W/束丝(6k)；低温等离子体碳纤维表面处理温度80°C。射流型大气低温等离子体发射装置为南京苏曼电子有限公司提供的经过特殊处理过的PG-1000Z型设备。碳纤维表面进行官能团(主要是-0H，-C = 0，-C00H)总含量为23. 2%，层间剪切强度为115MPa。实施例3使用图1所示的低温等离子体装置对碳纤维表面进行处理。在一个大气压的环境下，使用空气作为碳纤维表面处理介质，产生低温等离子体，对运动中的碳纤维丝束表面进行低温等离子体轰击。低温等离子体为射流型大气低温等离子体。碳纤维丝束运行速度80m/h ；碳纤维处理工作环境温度15°C ；碳纤维与等离子体发射装置之间的间隙为8mm ； 碳纤维表面处理环境湿度60% ；碳纤维表面处理功率范围800W/束丝(6k)；低温等离子体碳纤维表面处理温度80°C。射流型大气低温等离子体发射装置为南京苏曼电子有限公司提供的经过特殊处理过的PG-1000Z型设备。碳纤维表面进行官能团(主要是-0H，-C = 0，-C00H)总含量为23. 1%，层间剪切强度为114MPa。
权利要求
1. 一种碳纤维表面处理方法，其特征在于在一个大气压的环境下，使用空气作为碳纤维表面处理介质，由等离子体发射装置发射电中性的低温等离子体，对运动中的碳纤维丝束表面进行低温等离子体轰击；碳纤维丝束运行速度60 150m/h ；碳纤维处理环境温度范围-10°C 50°C ；碳纤维与等离子体发射装置之间的间隙为5 30mm ；碳纤维表面处理环境湿度30 90% ；碳纤维表面处理功率范围500 800W/束丝；低温等离子体碳纤维表面处理温度30°C 100°C。
全文摘要
本发明涉及一种碳纤维表面处理方法；在一个大气压的环境下，使用空气作为碳纤维表面处理介质，由等离子体发射装置发射电中性的低温等离子体，对运动中的碳纤维丝束表面进行低温等离子体轰击；碳纤维丝束运行速度60～150m/h；碳纤维处理环境温度范围-10℃～50℃；碳纤维与等离子体发射装置之间的间隙为5～30mm；碳纤维表面处理环境湿度30～90％；碳纤维表面处理功率范围500～800W/束丝；低温等离子体碳纤维表面处理温度30℃～100℃；本方法使碳纤维表面的活性极性官能团含量增加，碳纤维表面的沟槽加深，比表面积增加，提高其复合材料的层间剪切强度，节省能源，低能耗，清洁无污染。
文档编号D06M10/06GK102345228SQ20101024601
公开日2012年2月8日 申请日期2010年8月5日 优先权日2010年8月5日
发明者刘兆政, 王文胜, 蔡小平 申请人:中国石油天然气股份有限公司