[发明专利]碳纤维阳极氧化表面处理装置和表面处理方法

说明书

本发明公开了一种碳纤维阳极氧化表面处理装置和表面处理方法，装置包括碳纤维阳极氧化表面处理的电解单元和电解后废气处理单元。装置能够灵活调整电解槽中浸渍辊的间距，控制电解时间，每根单丝氧化均匀，电解氧化处理效果好，碳纤维表面引入含氧、含氮等活性官能团，碳纤维复合材料层间剪切强度提高显著；设备制造成本低；操作简便，易于处理股数数量多的碳纤维丝束，适合批量化生产；电解装置安装进口吸风罩、出口吸风罩、移动式盖板，且用风机抽取电解装置产生的氨气废气，至装有折叠式盖板的电解后废气处理装置发生酸碱反应，有效地阻隔废气逸出，减少环境污染，避免在操作过程中伤害操作人员的健康，确保安全生产。

技术领域

本发明涉及碳纤维技术，尤其涉及一种碳纤维阳极氧化表面处理装置和表面处理方法。

背景技术

碳纤维增强热固性树脂复合材料的性能不仅取决于材料的组成，更取决于组成材料之间的界面质量、碳纤维的表面性能以及碳纤维与基体界面应力的传递方式。界面粘结的好坏直接影响增强体与基体之间的应力传递效果，从而影响复合材料的宏观力学性能。界面粘结太弱，复合材料在应力作用下容易发生界面脱粘破坏，碳纤维不能充分发挥增强作用。若对碳纤维表面进行适当的改性处理，可以提高复合材料的层间剪切强度。若界面粘结太强，在应力作用下，材料破坏过程中正在增长的裂纹容易扩散到界面，直接冲击增强材料而呈现脆性破坏。这样就要求适当调整界面粘结强度，使增强材料的裂纹沿着界面扩展，形成曲折路径，耗散较多的能量，则能提高复合材料的韧性。

碳纤维主要是用来作为增强体的材料，对其进行表面处理的主要目的就是要提高碳纤维与基体树脂间的界面粘结性，同时避免碳纤维抗拉强度损失过大，进而改善和提高碳纤维复合材料的力学性能。

为解决上述问题，需要对碳纤维表面进行处理，增强碳纤维与树脂基体之间界面粘结性能，提高碳纤维层间剪切强度。碳纤维表面处理方法很多，如气相氧化法、液相氧化法、气液双效法、表面接枝法、气相沉积法、表面涂层法。其中液相氧化法中的阳极电解氧化法，氧化缓和，易于控制碳纤维表面氧化程度，操作方便，实现单根丝束氧化均匀，在每根碳纤维丝束表面引入含氧、含氮等活性官能团，提高碳纤维层间剪切强度，被国内外碳纤维生产厂家普遍应用。

在碳纤维工业化生产时，采用阳极电解氧化法，利用电解氧化表面处理装置时，以磷酸二铵、磷酸三铵、磷酸铵和碳酸氢铵等铵盐作为碱性电解质水溶液，使用最广泛的电解液是碳酸氢铵水溶液。碳纤维作为阳极、石墨作为阴极。当碳酸氢铵电解液中通过电流时，活性氧原子与碳纤维的碳环发生氧化反应。在电化学氧化的作用下，碳纤维表面活性碳原子吸附了碱性溶液中的OH-，被氧化形成羟基。生成的羟基继续被活性氧氧化，形成羰基。最终继续氧化，将羰基氧化形成羧基。由于羧基在剧烈的放热反应中不太稳定，易释放出二氧化碳。

在电解过程中，以磷酸二铵、磷酸三铵、磷酸铵和碳酸氢铵等铵盐，作为碱性电解质水溶液中的氨分子被碳纤维表面不饱和碳原子吸附，然后在电化学条件下生成氨基和亚氨基。碳纤维经电化学氧化处理后，表面引入了大量的含氧官能团和含氮官能团。由于这些官能团的增加，其表面极性提高，提高了碳纤维与环氧树脂的浸润性和反应性，有利于改善碳纤维增强热固性树脂复合材料的力学性能。但在碳纤维表面处理过程中，会产生二氧化碳和氨气，氨气有刺激性气味，飘散在空气中，不符合《恶臭污染物排放标准》，污染操作环境，损害操作人员的健康。

中国实用新型专利CN202164492U公开的单丝束纤维表面处理装置，应用于纤维表面处理。在支架的下部固定有等离子发生器电源和斡旋风机。采用常压下的低温等离子体发生装置，对纤维表面进行处理直接实现连续化生产，减少纤维表面处理工序，简化处理过程，提高纤维表面处理的效率。整个运行过程中只需要电能和空气，实现了清洁无污染加工。但在低温等离子体发生装置发射等离子液，到碳纤维表面时，喷枪组的喷嘴与喷嘴之间有一定间距，难以控制碳纤维丝面上喷射的等离子液量保持相同，存在差异性，影响碳纤维增强热固性树脂复合材料层间剪切强度的均匀性和一致性。