[发明专利]碳纤维表面处理方法及其设备

说明书

本发明属于碳纤维及其复合材料，具体地说涉及改善碳纤维表面活性的方法及其设备。

碳纤维及其复合材料兼备高比强度、高比模量、耐疲劳、抗蠕变、耐烧蚀及热膨胀系数小等一系列优异性能，因而它不仅被广泛地用作航天、航空等尖端技术中不可缺少的结构材料和耐烧蚀材料，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（活性比表面积更小），表面能低，表面呈现出憎液性，因此与基体树脂的相容性差，两相界面粘接力弱，从而导致层间剪切强度（ILSS）低，严重影响其应用。对碳纤维进行表面处理可改善其表面活性，使表面由憎液性转变为亲液性，因此使两相界之间的粘接力增强，从而提高了层间剪切强度。

碳纤维表面处理方法很多，主要有液相氧化、电解阳极氧化以及气相氧化等方法。

液相氧化方法（USP3413094），工艺较为复杂，处理时间长，不可能与碳纤维生产线相匹配，通常多用于实验室研究机理或间歇式表面处理。具有工业实用价值的主要是电解阳极氧化和气相氧化方法。

电解阳极氧化法（特开昭56-53275）处理时间短，效果显著，层间剪切强度可达900～950kg/cm²，但经电解阳极氧化处理后的碳纤维，必须先经热水水洗工序洗掉金属离子，再经干燥工序，然后才能浸渍保护胶。显然，工艺比较繁琐。

气相氧化法，工艺比较简单，碳纤维在氧化性气氛下进行表面处理后可直接浸渍保护胶。气相氧化法可用的氧化性气氛较多，其中空气氧化法处理温度在400℃以上，反应激烈，不易控制，常因深度氧化而使碳纤维严重失重，导致其强度下降（USP3476703）。采用臭氧氧化法，则因臭氧氧化活性高，所以不仅处理时间短（数十秒至数分）而且处理条件缓和（处理温度在200℃以下），处理效果也较好。

美国专利（USP3723607）公开了臭氧氧化碳纤维表面处理方法，该法是以空气或氧气经旋风分离器、过滤器、干燥器等进行严格的干燥净化除尘后，通过臭氧发生器的高压放电环隙而产生臭氧，碳纤维在1200℃高温下的惰性气体气氛中先处理数十秒，然后在臭氧浓度为20～40毫克/升的表面处理炉中进行表面处理。该方法采用的高压无声放电发生臭氧的方法，臭氧发生器本身结构比较复杂，另外还配有升压、调压系统，而且空气或氧气的干燥净化要求也高。由于工作电压高（初级电压为100V，工作电压约5～6KV）所以不仅耗电量大，还需大量的冷却水，而且操作不安全;该法所用的臭氧浓度高， 易造成对环境的污染;碳纤维先经惰性气体高温预处理，导致碳纤维的失重（2.5%），严重影响了碳纤维的抗拉强度。

本发明的目的在于提供一种工艺流程简单，操作方便，处理效果显著的且能与碳纤维生产线相配套的碳纤维表面处理方法及其相应的、结构简单的碳纤维表面处理设备。

本发明所涉及的碳纤维表面处理方法是这样实现的：

含有氧气的气体通过干燥塔脱水干燥、流量计计量后进入臭氧发生器，产生含有一定臭氧浓度的氧化性气体，并连续导入碳纤维表面处理炉与来自碳化炉的碳纤维接触进行表面处理，其特点在于：

（1）所说的含有氧气的气体中的氧的浓度为10～100%。

（2）碳纤维表面处理用的含有臭氧的氧化性气体是以上述含有氧气的气体为气源通过至少一个包含有紫外灯管和密闭气体容器的紫外线臭氧发生器产生的，通过密闭气体容器的气体线速度应控制在0.5厘米/分～40厘米/分。

（3）用于碳纤维表面处理的含有臭氧的氧化性气氛中臭氧浓度为0.5毫克/升～15毫克/升。

（4）碳纤维表面处理温度为70～150℃，碳纤维表面处理时间为30秒～600秒。

本发明采用紫外线臭氧发生器发生碳纤维表面处理用的含臭氧的氧化性气体，由于紫外线臭氧发生器结构简单，也无需苛刻的条件，而且由此产生的臭氧活性高，因此本方法不仅工艺流程简单，操作方便，而且处理时间短，处理效果显著。

本发明所提供的碳纤维表面处理方法，根据复合材料的化学键理论，利用高氧化活性的臭氧，氧化碳纤维表面的不饱和碳原子，使其成为羧基、羟基、羰基等含氧官能团，提高碳纤维表面活性，使其憎液性变为亲液性，强化两相之间的粘接程度。因此，本方法是改善碳纤维表面活性从而提高碳纤维层间剪切强度的有效方法，例如可以适用于聚丙烯腈系碳纤维、沥青系碳纤维、石墨纤维以及人造丝系碳纤维。

本发明可适用于1K、3K、6K和12K的碳纤维，处理的丝束数可以是1束、10束、30束、100束和200束。