专利名称：连续碳纤维表面处理装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于改善碳纤维表面活性的表面处理装置。
碳纤维及其复合材料不仅已广泛用于航天航空等尖端技术领域，而且也是民用工业更新换代的新型材料。但是，由于碳纤维的比表面积小，表面活性低，与基体树脂复合时表面呈现出憎液性，导致两相界面粘接不良，层间剪切强度(ILSS)低，影响了它的应用范围。对碳纤维进行表面处理的目的是提高碳纤维的表面活性，使其由憎液性变为亲液性，促使两相界面良好的粘接，从而使ILSS得到提高。碳纤维表面处理方法较多，有阳极电解氧化法、等离子氧化刻蚀法、气相氧化法和液相氧化法等。阳极电解氧化法的工艺和设备复杂，电解质易污染纤维。等离子氧化刻蚀法需高真空设备，在线配套使用困难。液相氧化法所需时间长，在线配套使用困难更大。气相氧化法如申请人86年申请的中国专利8610883.9提供一种臭氧氧化法的碳纤维表面处理工艺及设备，处理效果显著，可使ILSS大幅度提高，其缺点是由于表面处理炉采用外加热结构，而臭氧的稳定性对温度又特别敏感，致使部分臭氧未与碳纤维表面接触就分解了，臭氧得不到充分利用，氧化程度较缓和，且处理装置的结构仍然复杂，与快速运行的碳纤维生产线在线配套使用有一定困难。
本实用新型的目的在于提供一种内加热结构，能够在线配套使用的快速连续碳纤维表面处理装置。
本实用新型的碳纤维表面处理装置包括两个串联连接的表面处理炉，在表面处理炉内横向布置有紫外光反射板、紫外灯及气体分布管，气体分布管与炉体外的臭氧发生器连接，处理炉两边和中间设有导电辊，导电辊与电流脉冲发生器连接。
本实用新型的碳纤维表面处理装置可与快速运行的碳纤维生产线配套，该装置具有如下优点1.碳纤维表面处理炉不采用外加热结构，因此操作安全且节省能源；2.碳纤维通电后本身发热，从而使其表面吸附的水分等以气体方式排除，有利于氧化效果的改善；3.采用二次臭氧发生方法，使处理炉内的臭氧含量更高，表面处理效果更好，碳纤维增强环氧树脂复合材料的层间剪切强度及其它性能有较大提高。
下面通过提供的附图
对本实用新型及其实施例作详细说明。
附图所示为根据本实用新型提出的碳纤维表面处理装置结构示意图。
图中1是处理炉支撑台，2是支座Ⅰ，3是下调节板，4是导辊座，5是碳纤维，6是高温炭化炉出口牵伸辊，7是压辊，8是导电辊，9是上调节板，10是堵板，11是表面处理炉Ⅰ，12是拉手，13是压辊，14是导电辊，15是表面处理炉Ⅱ，16是紫外光反射板，17是固定圈，18是夹片，19是灯座，20是压辊，21是收丝机，22是导电辊，23是紫外灯，24是气体分布管，25是支座Ⅱ，26是臭氧发生器。
该碳纤维表面处理装置包括2个独立的串联连接的表面处理炉11和15，炉体由支撑台1及支座2和25支撑。炉体内横向布置有紫外光反射板16、紫外灯管23及臭氧气体分布管24，该气体分布管与安装在炉体外的臭氧发生器26连接，使臭氧得以均匀分布于炉体内。炉体外的导辊座4上安装有压辊7、13、20及导电辊8、14和22，压辊将碳纤维5压在导电辊上，导电辊与外部供电的电流发生器连接，通过与碳纤维的接触向碳纤维输出脉冲电流或恒定电流。处理炉为可以翻盖的封闭容器，盖上有拉手12。处理炉的进出口端设有上下调节板3和9，可以很方便地穿丝和调节、检修设备。
本实用新型可直接与碳纤维生产装置连接，使其连续通过本装置之后由收丝机收丝。本装置所用之电路部分可采用经典电路完成。碳纤维所经过的走丝通道除导电辊外全部采用绝缘体或经绝缘处理的构件，其目的是防止表面处理炉内运行的碳纤维断头丝因下垂而与构件接触造成的短路，同时，通电系统应有良好的地线，以确保人身安全。炉内所设计的紫外光反射板可以是经高度抛光的不锈钢件，或高度抛光的铝件，亦可是有镀层的玻璃件。所述的紫外灯可以是普通紫外灯，最好是波长为1700－2100A的特制紫外灯，后者效果更好。本实用新型的处理装置主要工艺参数如下工作电压8－30VTm 10－100sTn 10－80s.
Im 0.05－0.5A气体流量Q0.1－0.4m3／h碳纤维处理丝束数1－200束运行速度60－100m／h实施例1抗拉强度为2880MPa的1K聚丙烯腈基碳纤维100束，以70米／时速度连续通过表面处理炉11和15，通过电源电流调节器(未画出)向表面处理炉内的碳纤维施加脉冲电压15V和脉冲电流8A，脉冲的特性值为tm＝20s，tn＝20s，Im＝0.08A，氧气流重为0.15m3／h，臭氧含量为1.44％(V)，脉冲通电时碳纤维表面温度为130℃，脉冲断电时表面温度为40℃。
表面处理后的碳纤维与环氧树脂AG－80以及固化剂DDS制成单向复合材料板材，按照GB3357－82测其ILSS为85.2MPa，CV值为5.5％，在同样条件下，未经表面处理碳纤维的ILSS为59.40MPa，CV值5.6％。ILSS提高幅度为43.4％。
实施例2聚丙烯腈基碳纤维，100束的平均抗拉强度为329MPa，经过牵伸辊6连续通过表面处理炉，速度为70米／时，通过电流电压调节仪(图中未画出)经导电辊14和8、22对表面处理炉11和15中的碳纤维施加15伏电压，这时的电流为8A，碳纤维的表面温度为100℃，与此同时，氧气经干燥和流量计计量后进入臭氧发生器26，流量为0.15m3／h，含臭氧量为1.44％(V)，并开紫外灯23。经上述处理过的碳纤维，与四官能团环氧树脂AG－80及固化剂DDS制成单向复合材料板材，按GB3357－82进行层间剪切强度测试，结果为90.1MPa，CV值为2.67％。
在同样条件下，只是不开臭氧发生器，不开紫外灯和不通电加热，所测ILSS为58.0MPa，CV值为16.9％，显然，经表面处理后，ILSS的提高幅度为55.3％，分散性显著降低。
实施例3抗拉强度为3386MPa的1k碳纤维100束，施加电压20V，电流为10A，碳纤维表面温度为110℃，其他条件同实施例1。所测ILSS为93.2MPa，CV值为2.45％，提高幅度为60.7％。
权利要求1.一种碳纤维表面处理装置，包括两个串联连接的表面处理炉(11)和(15)，其特征是在表面处理炉内横向布置有紫外光反射板(16)、紫外灯(23)及气体分布管(24)，气体分布管与炉体外的臭氧发生器(26)连接，处理炉两边及中间有导电辊(8)、(14)和(22)，导电辊与电流脉冲发生器连接。
2.如权利要求1所述的处理装置，其特征是所述的紫外光反射板可以是经高度抛光的不锈钢件、铝件，亦可以是有镀层的玻璃件。
3.如权利要求1所述的处理装置，其特征是所述的紫外灯可以是普通紫外灯，最好是波长为1700－2100A的紫外灯。
4.如权利要求1－3所述的处理装置，其特征是走丝通道除导电辊外的其它部件均为绝缘体或经绝缘处理的部件。
专利摘要本实用新型是一种碳纤维表面处理装置，包括两个串联连接的表面处理炉，在表面处理炉内横向布置有紫外光反射板、紫外灯及气体分布管，气体分布管与炉体外的臭氧发生器连接，处理炉外有导电辊，导电辊与电流脉冲发生器连接。该处理装置可与快速运行的碳纤维生产线连接，操作安全且节省能源。采用二次臭氧发生方法，使处理炉内的臭氧含量更高，表面处理效果更好，碳纤维增强环氧树脂复合材料的层间剪切强度及其它性能均有较大提高。
文档编号D01F9/12GK2214421SQ9422091
公开日1995年12月6日 申请日期1994年9月22日 优先权日1994年9月22日
发明者贺福, 李润民, 王润娥, 杨永岗, 李东升, 赵建国 申请人:中国科学院山西煤炭化学研究所