CN108486692B - 一种高强高模碳纤维的处理方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强高模碳纤维的处理***，包括依次连接的表面处理装置、水洗装置和热干燥‑氧化装置；所述热干燥‑氧化装置由热干燥***及氧化***组成，热干燥***包括防护保温箱、光源和排气通道；氧化***包括氧化性气氛反应器、辅助光源和防护箱。还公开了一种高强高模碳纤维的处理方法，包括：(1)高强高模碳纤维丝束连续经过表面处理装置，对纤维表面进行氧化处理；(2)采用水洗装置对高强高模碳纤维表面进行水洗；(3)水洗后的高强高模碳纤维丝束经过热干燥‑氧化装置，收丝，即得。本发明的方法操作简单、可控性强，而且耗能小，可在实现高强高模碳纤维连续、快速、高效烘干基础上，实现碳纤维表面的二次活化。
Description
技术领域
本发明属于碳纤维生产技术领域，具体涉及一种高强高模碳纤维的处理方法及***。
背景技术
高强高模碳纤维是经过2000℃～3000℃高温石墨化处理制备得到，纤维表面呈现极高惰性，因此需要对其表面进行处理来提高纤维表面活性。目前碳纤维表面处理方法较多，尤其以阳极氧化等溶液氧化应用居多，表面氧化处理后会残留溶液，因而需要进行水洗处理除去纤维表面残留溶剂，随后进行水洗干燥，以便于后续的上浆工艺。
碳纤维表面水洗干燥最为常用的方法为鼓风式干燥炉进行干燥处理，如公开号为CN102645091A的中国发明专利文献公开了碳纤维水洗后干燥装置等通过热风干燥方式实现纤维表面干燥。但是对于高强高模碳纤维而言，由于纤维呈现极高脆性，在生产过程中由于张力牵伸等原因易于形成表面毛丝，如果水洗干燥采用热风干燥方式极易造成纤维表面毛丝加剧，进而影响纤维的力学性能。
此外，公开号为CN107385735A的中国发明专利文献公开了用于碳纤维的水洗干燥、上浆和干燥定型的***，采用热辊接触式烘干方法，该方法虽然可快速实现碳纤维烘干，但是由于纤维表面与热辊发生热接触，导致表面处理后碳纤维表面产生的活性基团发生损伤，纤维表面活性下降，使得表面处理失去意义。
公开号为CN201122045Y的中国实用新型专利文献公开的碳纤维制品紫外线干燥设备中提出利用紫外光或红外光加热方式，但其与本发明存在以下两点本质不同：其一，应用领域不同，其专利是针对碳纤维制品利用红外线灯管及紫外线灯管来烤干制品上的紫外线涂料，本发明发生在碳纤维生产过程中，用于纤维水洗烘干；其二，装置结构迥异、能耗差异较大，其专利需对碳纤维表面进行烤漆，因此需极高温度下进行，因而装置能耗较高，且设备复杂，如其装置中需要送风***及时对装置进行降温，而本发明简单易行，而且在可见光等条件下也可实现碳纤维快速干燥。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，并结合高强高模碳纤维结构与性能特点，本发明设计了一种高强高模碳纤维的处理方法和***，本发明方法操作简便、可控性强、能耗低，在实现高强高模碳纤维表面连续、快速、高效干燥同时，可实现对纤维表面二次氧化，大幅提高纤维表面活性。
本发明通过以下技术方案实现：
一种高强高模碳纤维的处理***，包括依次连接的表面处理装置、水洗装置和热干燥-氧化装置；
所述热干燥-氧化装置由热干燥***及氧化***组成，热干燥***包括防护保温箱、光源和排气通道；氧化***包括氧化性气氛反应器、辅助光源和防护箱。
所述表面处理装置用于对高强高模碳纤维表面进行氧化处理，提高表面活性；所述表面处理装置为液相氧化装置或阳极氧化装置，可根据需要设置为一道、两道或多道。
所述水洗装置用于对高强高模碳纤维表面进行水洗，清除纤维表面残留的溶液。
所述水洗装置可根据需要设置为一道、两道或多道。
所述热干燥-氧化装置利用装置内热干燥***的均匀热场实现高强高模碳纤维表面的高效、快速干燥处理，随后利用氧化***进行表面二次氧化。
所述光源包括可见光、红外光和紫外光中的一种或多种。通过设置一个或多个光源，利用光能在装置内形成温度均匀的热场，利用热扩散作用对高强高模碳纤维表面进行干燥。由于该装置内部热场均匀，不会产生气流，因而避免高强高模碳纤维毛丝的产生，而且不与纤维表面直接发生接触，使得表面处理后纤维表面仍呈现较高活性。
所述辅助光源为紫外光和/或红外光，辅助光源一方面形成温度均匀的热场，提高氧化***的氧化效率；另一方面催化氧化性气氛对纤维表面氧化处理，实现表面二次活化，进而大幅提高了高强高模碳纤维与基体的结合，实现纤维表面活性大幅提升。
本发明还提供了一种高强高模碳纤维的处理方法，包括：
(1)高强高模碳纤维丝束连续经过表面处理装置，对纤维表面进行氧化处理；
(2)采用水洗装置对高强高模碳纤维表面进行水洗，清除纤维表面残留的溶液；
(3)水洗后的高强高模碳纤维丝束经过热干燥-氧化装置，收丝，即得。
步骤(1)中，采用溶液处理方式对纤维表面进行氧化处理，如采用液相氧化、阳极氧化等。
步骤(2)中，采用喷淋法、浸渍法和水膜法中的一种或多种对高强高模碳纤维表面进行水洗。
步骤(3)中，包括：水洗后的高强高模碳纤维丝束经过热干燥-氧化装置中的热干燥***，在50～120℃下加热1～5min；随后进过氧化***，氧化时间为1～3min，氧化温度为80～150℃。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明热干燥-氧化装置的热干燥***内，通过采用光能加热方法对高强高模碳纤维进行水洗后的烘干处理，利于装置内均匀热场进行干燥处理，可以在有效避免纤维表面产生毛丝的同时，实现高强高模碳纤维的连续、快速、高效干燥；在氧化***内，通过氧化性气氛对纤维表面氧化处理，实现表面二次活化，进而大幅提高高强高模碳纤维与基体的结合。
(2)本发明装置简便易行、可控性强、耗能小，可同时实现纤维表面水洗干燥及二次活化，在有效节约能源的同时可显著提高纤维表面活性。
附图说明
图1是本发明实施例高强高模碳纤维的处理***的示意图；
图2为本发明实施例高强高模碳纤维处理前的表面元素分析数据；
图3为本发明实施例高强高模碳纤维经表面处理及水洗后的表面元素分析数据；
图4为本发明实施例高强高模碳纤维经完整处理后的表面元素分析数据。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细描述，但应当理解以下实施例用于说明本发明，不用来限制本发明的范围。
如图1所示，本发明实施例提供了一种高强高模碳纤维的处理***，包括依次连接的表面处理装置3、水洗装置8和热干燥-氧化装置；
所述热干燥-氧化装置由热干燥***及氧化***组成，热干燥***包括防护保温箱10、光源11和排气通道12；氧化***包括氧化性气氛反应器14、辅助光源15和防护箱13，热干燥-氧化装置电源由电源开关16控制。
本发明实施例还提供了一种高强高模碳纤维的处理方法，包括：
(1)高强高模碳纤维丝束1经过导电辊2进入到表面处理装置3中，导电辊2及导电辊6通入直流电流，由于碳纤维具有导电性能，以碳纤维为阳极、石墨板5为阴极，对碳纤维表面进行连续阳极氧化处理，从而实现碳纤维表面活化。
(2)表面处理后，高强高模碳纤维丝束经过滚动辊7进入水洗装置8中，使用去离子水对纤维进行浸润清洗，除去纤维表面残留的电解质溶液。
(3)水洗结束后纤维由滚动辊9进入热干燥-氧化装置的热干燥***，光源11在电源16控制下，通过光源功率、光源数量等有效调控，可在防护保温箱10形成温度均匀的热场，利用热扩散作用对纤维表面进行干燥，实现碳纤维表面的连续、快速烘干，为了保障烘干过程中水蒸汽及时排除，在光源两侧均设有排气通道12。空气等气体进入氧化性气氛发生器14通过物理化学反应形成氧化性气氛，随后氧化性气氛经气体通道进入热干燥-氧化装置的氧化***，经干燥后的纤维进入氧化***防护箱13内，在辅助光源15作用下，对纤维表面进行氧化处理。
如图1所示，所述表面处理装置3及水洗装置8可以由一道、两道或者多道装置组成；作为优选方案，本实施例表面处理装置3由一道组成，水洗装置8由一道组成。
所述热干燥-氧化装置的热干燥***中光源11可以设置不同数量光照灯，光照灯形状也可以方形、弧形等，且光照灯可为可见光、紫外光、红外光等不同光源；作为优选方案，本实施例光源11为可见光光源，共计4个弧形光源，分布在纤维丝束上下两侧，每侧2个弧形光源，水洗后的高强高模碳纤维丝束在热干燥***中以110℃下加热1min。
所述热干燥-氧化装置的氧化***的辅助光源15为紫外光、红外光的一种或混合。作为优选方案，本实施例辅助光源15以紫外光为光源，共计2个方形光源，分布在氧化***中纤维丝束的上下两侧，干燥后的纤维在氧化***中以150℃氧化1min。
图2、图3、图4分别为表面处理前、表面处理及水洗处理后、二次氧化后高强高模碳纤维表面元素分析数据，表面处理前O元素含量仅为1.67％，经过阳极氧化处理后提高到4.10％，再经过热干燥-氧化装置氧化***的二次氧化后，O元素含量可提高到10.58％，实现纤维表面活性的大幅提高。
本发明通过在热干燥-氧化装置的热干燥***内形成均匀热场，由于不产生气流，因此不会导致碳纤维表面产生毛丝，而且干燥过程中不会与纤维表面发生热接触，因此可以在纤维表面干燥过程中保持纤维活性，从而实现碳纤维连续、快速、高效的干燥；而在氧化***内，通过利用氧化性气氛如臭氧等对纤维表面进行二次活化，可大幅提高高强高模碳纤维与基体结合能力。
以上所述，仅显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本实施例用于说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种高强高模碳纤维的处理***，其特征在于，包括依次连接的表面处理装置、水洗装置和热干燥-氧化装置；
所述热干燥-氧化装置由热干燥***及氧化***组成，热干燥***包括防护保温箱、光源和排气通道；氧化***包括氧化性气氛反应器、辅助光源和防护箱；
所述光源包括可见光、红外光和紫外光中的一种或多种；
所述辅助光源为紫外光和/或红外光。
2.根据权利要求1所述的高强高模碳纤维的处理***，其特征在于，所述表面处理装置为液相氧化装置或阳极氧化装置。
3.根据权利要求2所述的高强高模碳纤维的处理***，其特征在于，所述表面处理装置设置为一道、两道或多道。
4.根据权利要求1所述的高强高模碳纤维的处理***，其特征在于，所述水洗装置设置为一道、两道或多道。
5.一种高强高模碳纤维的处理方法，其特征在于，采用权利要求1～4任一项所述的高强高模碳纤维的处理***进行处理，包括：
(1)高强高模碳纤维丝束连续经过表面处理装置，对纤维表面进行氧化处理；
(2)采用水洗装置对高强高模碳纤维表面进行水洗，清除纤维表面残留的溶液；
(3)水洗后的高强高模碳纤维丝束经过热干燥-氧化装置，收丝，即得；
步骤(3)中，包括：水洗后的高强高模碳纤维丝束经过热干燥-氧化装置中的热干燥***，在50～120℃下加热1～5min；随后进过氧化***，氧化时间为1～3min，氧化温度为80～150℃。
6.根据权利要求5所述的高强高模碳纤维的处理方法，其特征在于，步骤(2)中，采用喷淋法、浸渍法和水膜法中的一种或多种对高强高模碳纤维表面进行水洗。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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