一种基于电晕放电的碳纤维表面处理装置及方法
【专利摘要】本发明公开一种基于电晕放电的碳纤维表面处理装置及方法。该装置包括大辊子、小辊子和辅助辊子和表面处理腔；表面处理腔内部至少设有一套电晕放电装置，电晕放电装置由大辊子和小辊子组成，大辊子和小辊子的外表面间距为3～15mm，大辊子和小辊子相互配合作为电晕放电的两个电极；碳纤维从碳化炉出来后有余热，在表面处理腔中控制碳纤维温度为45～120℃，通过表面处理腔内部至少一套电晕放电装置对碳纤维进行电晕放电表面处理；使用本发明对碳纤维进行表面处理，碳纤维强度损失少；对表面结晶度高的高模量碳纤维获得明显的表面处理效果；无废液排放，环境污染少；碳纤维表面自由能增加，碳纤维复合材料层间剪切强度明显提高。
【专利说明】—种基于电晕放电的碳纤维表面处理装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种碳纤维生产装置，特别是涉及一种利用电晕放电对碳纤维进行表面处理装置及方法，适合用于高模量碳纤维和石墨纤维生产时在线对碳纤维进行表面处理。
【背景技术】
[0002]碳纤维及其复合材料具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能，但是，作为增强材料的碳纤维，由于其表面是由高度结晶化的石墨构成，因而具有较强的表面惰性，如果不进行表面处理而直接使用，复合材料中碳纤维与基材的亲和性很弱，载荷无法在树脂和纤维之间有效传递，无法获得高性能的复合材料。为了充分发挥碳纤维的力学性能，通常要对碳纤维进行表面处理。
[0003]碳纤维表面处理的方法有:1)表面氧化法，又可分为气相氧化法、阳极电解氧化法、等离子氧化法和液相氧化法等，2)表面涂层法，又可分为清洗与涂层、氧化与涂层等，
3)表面沉积法，又可分为化学气相沉积法(CVD)、热解涂层法和晶须化法等，4)其他方法还有中子辐照、电聚合与接枝共聚以及混合法等。
[0004]在工业上得到实际应用的主要有阳极电解氧化法和气相氧化法，由于阳极电解氧化法反应缓和，易于控制，处理效果明显，应用最广。但是阳极电解氧化法存在以下缺点:耗电量大；对于高模量碳纤维处理效果不明显，达不到性能要求；效果单一，只能增加纤维表面含氧基团；造成碳纤维强度损失。
[0005]电晕表面处理是在两个电极间施加高频率高电压，两个电极间电晕放电产生各种高度活性的粒子，在强电场和各种高度活性的粒子共同作用下，被处理物体的表面氧化和极化，表面变得粗糙并增加对极性溶剂的浸润性。电晕处理只对高聚物表层极浅的范围作用，对高聚物本身的机械性能不产生很大影响，处理时间短，速度快，可在线进行处理；操作简单、控制容易，成本低；无废液排放，对环境影响小。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于，基于现有技术的不足，提供一种新型的碳纤维表面处理的装置和方法。该方法利用电晕放电产生的各种高度活性的粒子，在强电场和高度活性的粒子共同作用下碳纤维表面性质发生改变，以达到提高碳纤维表面能，增强碳纤维复合材料层间剪切强度。
[0007]本发明目的通过如下技术方案实现:
[0008]一种基于电晕放电的碳纤维表面处理的装置，包括大辊子、小辊子、辅助辊子和表面处理腔；所述表面处理腔内部至少设有一套电晕放电装置，电晕放电装置由大辊子和小辊子组成，大辊子和小辊子相对设置，大辊子和小辊子的外表面间距为3?15_，大辊子和小辊子相互配合作为电晕放电的两个电极；表面处理腔左右两端分别设有混合气体入口和混合气体出口 ；表面处理腔上下端分别设有至少一个剩余气体出口 ；辅助辊子设置在表面处理腔的外侧，碳纤维从碳化炉出来后经辅助辊子进入表面处理腔，经表面处理后的碳纤维从表面处理腔出来后经辅助辊子进入上浆槽；当小辊子作为阳极时，大辊子与高压电源的正极连接，小辊子与电源的负极连接；当小辊子作为阴极时，大辊子与高压电源的负极连接，小辊子与电源的正极连接；大辊子和小辊子均由石墨制成；所述大辊子和小棍子为圆筒形；
[0009]碳纤维经过辅助辊子后紧贴着大辊子外表面从大辊子和小辊子之间通过，在大辊子I和小辊子间加载高频率的脉冲电压，表面处理腔中的混合气体为氧气与氮气的混合气体或者氨气和氮气的混合气体；氧气与氮气的体积比为3:7 ;氨气和氮气体积比为2:8。
[0010]优选地，所述表面处理腔内部有两套电晕放电装置。所述大辊子和小辊子的外表面间距为5?10mm。所述大辊子的直径为小辊子直径的2 - 5倍。
[0011]应用所述装置的基于电晕放电的碳纤维表面处理方法:碳纤维从碳化炉出来后有余热，在表面处理腔中控制碳纤维温度为45?120°C，通过表面处理腔内部至少一套电晕放电装置对碳纤维进行电晕放电表面处理；加载在电晕放电的电极间电压为高频率的脉冲电压，电压在5?20千伏，频率在8?25千赫兹，占空比为15?55% ;表面处理腔内的混合气体为氧气与氮气的混合气体或者氨气和氮气的混合气体；氧气与氮气的体积比为3:7 ;氨气和氮气体积比为2:8 ;碳纤维紧贴大辊子外圆表面，碳纤维随着大辊子的转动而向前运动，在两个辊子间加载高频脉冲电压，小辊子电晕放电对通过两个辊子间的碳纤维进行表面处理；碳纤维与小辊子间的距离为3?15mm ;电晕放电使气体电离，产生高度活性的粒子，包括高速低温等离子，各种自由基和臭氧；在强电场和各种高度活性的粒子共同作用下，碳纤维表面层被刻蚀、氧化、分子发生枝接、活化，碳纤维表面性质发生改变。
[0012]所述述电压为优选为10?15千伏，频率优选在10?20千赫兹。
[0013]本发明常压下在电极施加高频率的高电压使电极发生电晕放电，碳纤维在两电极之间通过，电晕放电使气体电离，产生各种高度活性的粒子，包括高速低温等离子，各种自由基，臭氧；在强电场和各种高度活性的粒子共同作用下，碳纤维表面层被刻蚀、氧化、分子发生枝接、活化，碳纤维表面性质发生改变。
[0014]碳纤维电晕放电表面处理工序被安排在碳化工艺之后，碳纤维从碳化炉出来后有余热，在碳纤维温度为45?120°C的位置处对碳纤维进行电晕放电表面处理；碳纤维经过电晕放电表面处理后进入上浆槽进行上浆。
[0015]与现有的技术相比，本发明的有益效果在于:
[0016]I)本发明碳纤维表面处理方法只是作用在碳纤维表面很浅的一层，碳纤维强度损失少；
[0017]2)本发明对表面结晶度很高的高模量碳纤维和石墨纤维可以容易获得明显的表面处理效果；
[0018]3)本发明处理的时间短，速度快，可在线处理；
[0019]4)本发明反应可以控制，可设计的弹性空间大；
[0020]5)本发明无废液排放，对环境污染少。
[0021]6)经过本发明中所述的一种基于电晕放电的碳纤维表面处理方法处理过后的碳纤维表面自由能增加，碳纤维复合材料层间剪切强度明显提高。【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为基于电晕放电的碳纤维表面处理的流程图。
[0023]图2为基于电晕放电的碳纤维表面处理的装置的结构示意图。
[0024]图中示出:大辊子1、碳纤维2、小辊子3、辅助辊子4和表面处理腔5。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的实施方式不限于此。
[0026]碳纤维电晕放电表面处理工艺被安排在碳纤维生产碳化工艺之后，如图1所示，碳纤维从碳化炉出来后有余热，进入基于电晕放电的碳纤维表面处理的装置中进行表面处理，碳纤维在该装置的温度为45?120°C ;碳纤维经过电晕放电表面处理后进入上浆槽进行上衆。
[0027]图2为基于电晕放电的碳纤维表面处理的装置的结构示意图。如图2所示，基于电晕放电的碳纤维表面处理的装置包括大辊子1、小辊子3和辅助辊子4和表面处理腔5 ；大辊子I和小辊子3是指二者都为棍状，大棍子的截面直径大于小棍子的截面直径。表面处理腔5内部至少设有一套电晕放电装置，优选设有两套电晕放电装置，每套电晕放电装置由大棍子I和小棍子3组成,大棍子I和小棍子3相对设置，大棍子I和小棍子3的外表面间距为3?15mm，大辊子I和小辊子3相互配合作为电晕放电的两个电极；表面处理腔5左右两端分别设有混合气体入口和剩余气体出口 ；表面处理腔5上下端分别设有至少一个剩余气体出口 ；辅助辊子4设置在表面处理腔5的外侧，碳纤维2从碳化炉出来后经辅助辊子4进入表面处理腔5，经表面处理后的碳纤维2从表面处理腔5出来后经辅助辊子4进入上浆槽；当小辊子3作为阳极时，大辊子I与高压电源的正极连接，小辊子与电源的负极连接；当小辊子3作为阴极时，大辊子I与高压电源的负极连接，小辊子3与电源的正极连接；大辊子I和小辊子3均由石墨制作。碳纤维2经过辅助辊子4后紧贴着大辊子外表面从大棍子I和小棍子3之间通过,碳纤维与小棍子间的距离为3?15mm。在大棍子I和小辊子3间加载高频率的脉冲电压，电压范围为5?20千伏，频率在8?25千赫兹之间，占空比为15?55%范围内，在高频脉冲电压的作用下小辊子发生电晕放电现象。混合气体为氧气与氮气的混合气体或者氨气和氮气的混合气体；氧气与氮气的体积比为3:7 ;氨气和氮气体积比为2:8;
[0028]在两个发生电晕放电的电极间通入配制的混合气体，混合气体从混合气体入口处进入，在小辊子3与大辊子I间强电场的作用下产生电晕放电现象，剩余的气体和产生的废气从剩余气体出口排走。为了使碳纤维表面的羧基(-C00H)、羟基(-0H)、羰基(> C = O)等基团增多，使用氧气与氮气混合作为混合气体，通入碳纤维电晕放电表面处理的装置内对碳纤维进行表面处理。为了使碳纤维表面的氨基(CNH2)、氰基(C = N)等基团增多，使用氨气和氮气混合作为混合气体，通入碳纤维电晕放电表面处理的装置内对碳纤维进行表面处理。
[0029]电晕放电使气体电离，产生各种高度活性的粒子，包括高速低温等离子、各种自由基，臭氧；在强电场和各种高度活性的粒子共同作用下，碳纤维表面层被刻蚀、氧化、分子发生枝接、活化，碳纤维表面性质发生改变。[0030]以圆筒状的辊子作为电晕放电的两个电极，大辊子I和小棍子3相互配合；碳纤维2紧贴着大辊子外圆表面在两个辊子间穿过，碳纤维随着大辊子的转动而向前运动，在两个辊子间加载高频的脉冲电压，小辊子3电晕放电对通过两个辊子间的碳纤维进行表面处理。在碳纤维进入电晕放电表面处理的入口和出口处设置辅助辊子4，以增大碳纤2与大辊子I的包角和改变碳纤维的走线方向。
[0031]实施例1
[0032]碳纤维电晕放电表面处理工艺被安排在碳纤维生产碳化工艺之后，如图1所示，碳纤维从碳化炉出来后有余热，在碳纤维温度为120°C的位置处对碳纤维进行电晕放电表面处理；碳纤维经过电晕放电表面处理后进入上浆槽进行上浆。
[0033]图2为基于电晕放电的碳纤维表面处理的装置的结构示意图。如图2所示，基于电晕放电的碳纤维表面处理的装置包括大辊子1、碳纤维2、小辊子3和辅助辊子4和表面处理腔5。表面处理腔5内部有两套电晕放电装置，电晕放电装置由大辊子I和小辊子3组成。当小辊子作为阳极时，大辊子I与高压电源的正极连接，小辊子与电源的负极连接。表面处理腔5设置有混合气体入口和剩余气体出口，如图2所示。在两个发生电晕放电的电极间通入配制的混合气体，混合气体从混合气体入口处进入，在小辊子3与大辊子I间强电场的作用下产生电晕放电现象，剩余的气体和产生的废气从剩余气体出口排走。
[0034]为了使碳纤维表面的羧基(-C00H)、羟基(-0H)、羰基(> C = O)等基团增多，使用氧气与氮气混合作为混合气体，混合气体中氧气与氮气的体积比为3:7，通入碳纤维电晕放电表面处理的装置内对碳纤维进行表面处理。
[0035]常压下，大辊子I和小辊子3相互配合作为电晕放电的两个电极，其中小辊子是产生电晕放电现象的电极，通常小辊子3是阳极，但亦可以为阴极。当小辊子3是阳极时，小辊子3与电源正极连接，大辊子I与电源负极连接。大辊子I和小辊子3均由石墨制作。碳纤维经过辅助辊后紧贴着大辊子外表面从大辊子I和小辊子3之间通过，碳纤维与小辊子间的距离为8mm。在大辊子I和小辊子3间加载20千伏，12千赫兹，占空比为40%的高频率的脉冲电压，小辊子发生电晕放电现象。电晕放电使气体电离，产生各种高度活性的粒子，包括高速低温等离子，各种自由基，臭氧；在强电场和各种高度活性的粒子共同作用下，碳纤维表面层被刻蚀、氧化、分子发生枝接、活化，碳纤维表面性质发生改变。
[0036]以圆筒状的辊子作为电晕放电的两个电极，大辊子I和小棍子3相互配合；碳纤维2紧贴着大辊子外圆表面在两个辊子间穿过，碳纤维随着大辊子的转动而向前运动，在两个辊子间加载高频脉冲电压，小辊子3电晕放电对通过两个辊子间的碳纤维进行表面处理；在碳纤维进入电晕放电表面处理的入口和出口处设置辅助辊子4，以增大碳纤2与大辊子I的包角和改变碳纤维的走线方向。
[0037]经过氧气与氮气混合气体电晕放电处理过的碳纤维表面的羧基(-C00H)、羟基(-0H)、羰基(>C = 0)等基团增多，表面自由能增加，碳纤维的浸润性得到改善，接触角由69.8°C减小为53.7V ;所制成的碳纤维复合材料层间剪切强度(ILSS)可以提高到98.6MPa，增加的幅度为22.6%。
[0038]实施例2
[0039]碳纤维电晕放电表面处理工艺被安排在碳纤维生产碳化工艺之后，如图1所示，碳纤维从碳化炉出来后有余热，在碳纤维温度为90°C的位置处对碳纤维进行电晕放电表面处理；碳纤维经过电晕放电表面处理后进入上浆槽进行上浆。
[0040]图2为基于电晕放电的碳纤维表面处理的装置的结构示意图。如图2所示，基于电晕放电的碳纤维表面处理的装置包括大辊子1、碳纤维2、小辊子3和辅助辊子4和表面处理腔5。表面处理腔5内部有两套电晕放电装置，电晕放电装置由大辊子I和小辊子3组成。当小辊子作为阳极时，大辊子I与高压电源的正极连接，小辊子与电源的负极连接。表面处理腔5设置有混合气体入口和剩余气体出口，如图1所示。在两个发生电晕放电的电极间通入配制的混合气体，混合气体从混合气体入口处进入，在小辊子3与大辊子I间强电场的作用下产生电晕放电现象，剩余的气体和产生的废气从剩余气体出口排走。
[0041]为了使碳纤维表面的氨基(CNH2)、氰基(C = N)等基团增多，使用氨气和氮气混合作为混合气体，混合气体中氨气和氮气体积比为2:8，通入碳纤维电晕放电表面处理的装置内对碳纤维进行表面处理。
[0042]常压下，大辊子I和小辊子3相互配合作为电晕放电的两个电极，其中小辊子是产生电晕放电现象的电极，通常小辊子3是阳极，但亦可以为阴极。当小辊子3是阳极时，小辊子3与电源正极连接，大辊子I与电源负极连接。大辊子I和小辊子3均由石墨制作。碳纤维经过辅助辊后紧贴着大辊子外表面从大辊子I和小辊子3之间通过，碳纤维与小辊子间的距离为8mm。在大辊子I和小辊子3间加载12千伏，10千赫兹，占空比为50%的高频率的脉冲电压，小辊子发生电晕放电现象。电晕放电使气体电离，产生各种高度活性的粒子，包括高速低温等离子，各种自由基，臭氧；在强电场和各种高度活性的粒子共同作用下，碳纤维表面层被刻蚀、氧化、分子发生枝接、活化，碳纤维表面性质发生改变。
[0043]以圆筒状的辊子作为电晕放电的两个电极，大辊子I和小棍子3相互配合；碳纤维2紧贴着大辊子外圆表面在两个辊子间穿过，碳纤维随着大辊子的转动而向前运动，在两个辊子间加载高频脉冲电压，小辊子3电晕放电对通过两个辊子间的碳纤维进行表面处理；在碳纤维进入电晕放电表面处理的入口和出口处设置辅助辊子4，以增大碳纤2与大辊子I的包角和改变碳纤维的走线方向。
[0044]经过氧气与氮气混合气体电晕放电处理过的碳纤维表面的氨基(CNH2)、氰基(C = N)等基团增多，表面自由能增加，碳纤维的浸润性得到改善，接触角由69.8°C减小为48.3°C;所制成的碳纤维复合材料层间剪切强度(ILSS)可以提高到100.6MPa，增加的幅度为 25.1%。
【权利要求】
1.一种基于电晕放电的碳纤维表面处理的装置，其特征在于，包括大棍子、小棍子、辅助辊子和表面处理腔；所述表面处理腔内部至少设有一套电晕放电装置，电晕放电装置由大辊子和小辊子组成，大辊子和小辊子相对设置，大辊子和小辊子的外表面间距为3?15mm，大辊子和小辊子相互配合作为电晕放电的两个电极；表面处理腔左右两端分别设有混合气体入口和混合气体出口 ；表面处理腔上下端分别设有至少一个剩余气体出口 ；辅助辊子设置在表面处理腔的外侧，碳纤维从碳化炉出来后经辅助辊子进入表面处理腔，经表面处理后的碳纤维从表面处理腔出来后经辅助辊子进入上浆槽；当小辊子作为阳极时，大辊子与高压电源的正极连接，小辊子与电源的负极连接；当小辊子作为阴极时，大辊子与高压电源的负极连接，小辊子与电源的正极连接；大辊子和小辊子均由石墨制成；所述大辊子和小棍子为圆筒形； 碳纤维经过辅助辊子后紧贴着大辊子外表面从大辊子和小辊子之间通过，在大辊子I和小辊子间加载高频率的脉冲电压，表面处理腔中的混合气体为氧气与氮气的混合气体或者氨气和氮气的混合气体；氧气与氮气的体积比为3:7 ;氨气和氮气体积比为2:8。
2.根据权利要求1所述的基于电晕放电的碳纤维表面处理的装置，其特征在于，所述表面处理腔内部有两套电晕放电装置。
3.根据权利要求1所述的基于电晕放电的碳纤维表面处理的装置，其特征在于，所述大棍子和小棍子的外表面间距为5?10mm。
4.根据权利要求1所述的基于电晕放电的碳纤维表面处理的装置，其特征在于，所述大辊子的直径为小辊子直径的2 - 5倍。
5.应用权利要求1- 4任一项所述装置的基于电晕放电的碳纤维表面处理方法，其特征在于:碳纤维从碳化炉出来后有余热，在表面处理腔中控制碳纤维温度为45?120°C，通过表面处理腔内部至少一套电晕放电装置对碳纤维进行电晕放电表面处理；加载在电晕放电的电极间电压为高频率的脉冲电压，电压在5?20千伏，频率在8?25千赫兹，占空比为15?55% ;表面处理腔内的混合气体为氧气与氮气的混合气体或者氨气和氮气的混合气体；氧气与氮气的体积比为3:7 ;氨气和氮气体积比为2:8 ;碳纤维紧贴大辊子外圆表面，碳纤维随着大辊子的转动而向前运动，在两个辊子间加载高频脉冲电压，小辊子电晕放电对通过两个辊子间的碳纤维进行表面处理；碳纤维与小辊子间的距离为3?15mm ;电晕放电使气体电离，产生高度活性的粒子，包括高速低温等离子，各种自由基和臭氧；在强电场和各种高度活性的粒子共同作用下，碳纤维表面层被刻蚀、氧化、分子发生枝接、活化，碳纤维表面性质发生改变。
6.根据权利要求5所述的基于电晕放电的碳纤维表面处理方法,其特征在于:所述电压为10?15千伏，频率在10?20千赫兹。
【文档编号】D06M10/02GK103938429SQ201410174730
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月28日 优先权日:2014年4月28日
【发明者】汤勇, 谢颖熙, 陆龙生, 袁伟, 万珍平, 李宗涛, 李华宙 申请人:华南理工大学