專利名稱：一種碳纖維表面處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種碳纖維表面處理方法，主要應(yīng)用于碳纖維生產(chǎn)環(huán)節(jié)當(dāng)中的碳纖維表面處理工藝。
背景技術(shù)：
有關(guān)碳纖維表面處理的方法很多，其中低溫等離子體技術(shù)是從上個世紀(jì)60年代才開始的一門新的材料表面處理技術(shù)。該技術(shù)是一種干式工藝，具有節(jié)省能源、無公害等優(yōu)點，能夠滿足環(huán)境保護(hù)的要求；處理時間短，效率高；與放射線處理、電子束處理等其它干式工藝相比，其獨特之處在于等離子體表面處理的作用深度僅涉及距離材料表面幾納米到幾百納米范圍內(nèi)，只改變了材料表面的物理和化學(xué)特性，而材料本身特性并沒有改變。這些優(yōu)點使低溫等離子體技術(shù)成為改善復(fù)合材料界面結(jié)合效果的一個重要手段。但是，目前所研究的低溫等離子體碳纖維表面處理工藝方法主要是在真空條件下，這種方式無法在碳纖維表面處理環(huán)節(jié)上實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)。因此，尋求新型高效節(jié)能，在常壓下能連續(xù)不間斷處理碳纖維表面的低溫等離子技術(shù)勢在必行。其中，能在一個大氣壓條件下產(chǎn)生低溫等離子體的方法不多。如美國專利5， 928,527. “使用大氣壓輝光放電等離子體源的表面改性(Surface modification using atmospheric pressure glow discharge plasma source) ”。在專禾丨J中描述了一禾中通過使用射頻信號產(chǎn)生的常壓低溫等離子體的表面改性方法。另外，射流型低溫等離子體設(shè)備、介質(zhì)阻擋低溫等離子體設(shè)備、電弧放電低溫等離子體設(shè)備都可以產(chǎn)生溫度較低的低溫等離子體。但是，這些低溫等離子體設(shè)備電極外露，在碳纖維生產(chǎn)過程中這些低溫等離子設(shè)備產(chǎn)生的高壓低溫等離子體會使碳纖維導(dǎo)電，會使現(xiàn)場工作人員有觸電危險。碳纖維生產(chǎn)過程中的碳纖維碎末粉塵會使這些設(shè)備產(chǎn)生短路，使設(shè)備停止工作。中國專利CN 101321614A?！笆褂贸旱入x子體束表面處理復(fù)合材料結(jié)構(gòu)體的方法”。專利中描述了一種處于大氣壓下的等離子體束表面處理復(fù)合材料結(jié)構(gòu)體的預(yù)定區(qū)域的方法，所述方法有助于所述復(fù)合材料結(jié)構(gòu)體對另一種結(jié)構(gòu)體的粘合劑粘結(jié)，所述處于大氣壓下的等離子束由安置由發(fā)射噴嘴的等離子體發(fā)生器產(chǎn)生。該專利主要是針對樹脂基碳纖維復(fù)合材料或者玻璃纖維復(fù)合材料進(jìn)行表面處理，樹脂基碳纖維復(fù)合材料在進(jìn)行表面處理的過程當(dāng)中不會產(chǎn)生碳纖維碎末粉塵，不會對低溫等離子體設(shè)備的正常工作產(chǎn)生影響， 因此該專利的工藝過程對處于大氣壓下的等離子束由安置由發(fā)射噴嘴的等離子體發(fā)生器的要求不高，只需產(chǎn)生溫度較低的低溫等離子體就可以。該專利針對樹脂基碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行表面處理時考慮的是增強(qiáng)其表面活性，防止該復(fù)合材料發(fā)生熱解。在碳纖維生產(chǎn)過程中，使用低溫等離子體對碳纖維表面處理是要增加碳纖維的表面活性，增大碳纖維的比表面積，同時防止低溫等離子體對碳纖維表面轟擊降低碳纖維本身的強(qiáng)度。所選用的低溫等離子體發(fā)生裝置必須進(jìn)行特殊處理，防止碳纖維碎末粉塵使低溫等離子體設(shè)備電極部分發(fā)生短路停止工作。使低溫等離子體發(fā)生裝置噴出的低溫等離子體宏觀上呈中性不帶電，防止工作人員觸電。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種碳纖維表面處理方法，在一個大氣壓的環(huán)境下，利用空氣作為碳纖維表面處理介質(zhì)，使用低溫等離子體對高溫碳化爐生產(chǎn)出來的碳纖維表面進(jìn)行處理，達(dá)到提高碳纖維表面活性，增強(qiáng)其復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，達(dá)到可以24小時連續(xù)不間斷的生產(chǎn)目的。本發(fā)明所述的一種碳纖維表面處理方法內(nèi)容如下在一個大氣壓的環(huán)境下，使用空氣作為碳纖維表面處理介質(zhì)，產(chǎn)生宏觀電中性的低溫等離子體，對運動中的碳纖維絲束表面進(jìn)行低溫等離子體轟擊；低溫等離子體為射流型大氣低溫等離子體，該低溫等離子體電極經(jīng)過封閉處理 ，碳纖維碎末粉塵不能進(jìn)入，噴出的低溫等離子體呈現(xiàn)為電中性；碳纖維絲束運行速度60 150m/h ；碳纖維處理工作環(huán)境溫度范圍-10°C 50°C ；碳纖維與等離子體發(fā)射裝置之間的間隙為5 30mm ；碳纖維表面處理環(huán)境濕度30% 90%;碳纖維表面處理功率范圍500 800W/束絲(6k)；低溫等離子體碳纖維表面處理溫度30°C 100°C。發(fā)明效果在一個大氣壓條件下，利用經(jīng)過特殊處理過的射流型低溫等離子體的方法，對碳纖維表面進(jìn)行24小時連續(xù)不間斷處理，可實現(xiàn)連續(xù)化工業(yè)生產(chǎn)需求。目前所研究的低溫等離子體碳纖維表面處理方法都是在一定真空條件下進(jìn)行的，這種方法無法真正實現(xiàn)24小時連續(xù)不間斷工作，工作效率極低，無法實現(xiàn)連續(xù)大型工業(yè)化生產(chǎn)的需要，并且這種設(shè)備的使用和操作都相對麻煩，對工人的操作技能要求極高。而使用射流型低溫等離子體可以在一個大氣壓的條件下對碳纖維進(jìn)行表面處理，這種方法工序簡單，維護(hù)方便，對工人的操作技能要求相對較低，有利于大型工業(yè)化生產(chǎn)。使用射流型低溫等離子體對碳纖維表面進(jìn)行處理，使碳纖維表面的活性極性官能團(tuán)含量增加，碳纖維表面的溝槽加深，比表面積增加， 提高其復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度。同時，這種方法有利于節(jié)省能源，降低能耗，清潔無污染， 更加符合當(dāng)今社會發(fā)展的需要。目前，一般的射流型大氣低溫等離子體技術(shù)主要應(yīng)用玻璃和金屬平板處理、橡膠制品的處理、塑料板的表面處理、不銹鋼薄板對焊處的焊前處理、汽車剎車塊表面處理、汽車車窗玻璃封條表面處理、汽車雨刷器膠條表面處理。本發(fā)明過程中使用的射流型大氣低溫等離子體對碳纖維進(jìn)行表面處理，使該種類型的低溫等離子體的應(yīng)用范圍得到了擴(kuò)大，并對碳纖維的生產(chǎn)成本的降低起到了一定作用。


圖1低溫等離子體碳纖維表面處理裝置原理圖。圖1中1射流低溫等離子體發(fā)生裝置，2導(dǎo)絲輪，3碳纖維絲束，4碳纖維表面處理裝置箱體。
具體實施例方式本發(fā)明的低溫等離子體碳纖維表面處理裝置由碳纖維表面處理裝置箱體4、射流低溫等離子體發(fā)生裝置1、導(dǎo)絲輪2組成；射流低溫等離子體發(fā)生裝置1位于碳纖維表面處理裝置箱體4內(nèi)兩邊，由導(dǎo)絲輪2將碳纖維絲束3導(dǎo)入碳纖維表面處理裝置箱體4內(nèi)，從射流低溫等離子體發(fā)生裝置1中間穿過，由射流低溫等離子體發(fā)生裝置產(chǎn)生低溫等離子體， 對運動中的碳纖維絲束表面進(jìn)行低溫等離子體轟擊，對碳纖維表面進(jìn)行處理。實施 例1使用圖1所示的低溫等離子體裝置對碳纖維表面進(jìn)行處理。在一個大氣壓的環(huán)境下，使用空氣作為碳纖維表面處理介質(zhì)，產(chǎn)生低溫等離子體，對運動中的碳纖維絲束表面進(jìn)行低溫等離子體轟擊。低溫等離子體為射流型大氣低溫等離子體。碳纖維絲束運行速度80m/h ；碳纖維處理工作環(huán)境溫度15°C ；碳纖維與等離子體發(fā)射裝置之間的間隙為8mm ； 碳纖維表面處理環(huán)境濕度60% ；碳纖維表面處理功率范圍500W/束絲(6k)；低溫等離子體碳纖維表面處理溫度80°C。射流型大氣低溫等離子體發(fā)射裝置為南京蘇曼電子有限公司提供的經(jīng)過特殊處理過的PG-1000Z型設(shè)備。碳纖維表面進(jìn)行官能團(tuán)(主要是-0H，-C = 0，-C00H)總含量為22. 32%，層間剪切強(qiáng)度為llOMPa。實施例2使用圖1所示的低溫等離子體裝置對碳纖維表面進(jìn)行處理。在一個大氣壓的環(huán)境下，使用空氣作為碳纖維表面處理介質(zhì)，產(chǎn)生低溫等離子體，對運動中的碳纖維絲束表面進(jìn)行低溫等離子體轟擊。低溫等離子體為射流型大氣低溫等離子體。碳纖維絲束運行速度80m/h ；碳纖維處理工作環(huán)境溫度15°C ；碳纖維與等離子體發(fā)射裝置之間的間隙為8mm ； 碳纖維表面處理環(huán)境濕度60% ；碳纖維表面處理功率范圍700W/束絲(6k)；低溫等離子體碳纖維表面處理溫度80°C。射流型大氣低溫等離子體發(fā)射裝置為南京蘇曼電子有限公司提供的經(jīng)過特殊處理過的PG-1000Z型設(shè)備。碳纖維表面進(jìn)行官能團(tuán)(主要是-0H，-C = 0，-C00H)總含量為23. 2%，層間剪切強(qiáng)度為115MPa。實施例3使用圖1所示的低溫等離子體裝置對碳纖維表面進(jìn)行處理。在一個大氣壓的環(huán)境下，使用空氣作為碳纖維表面處理介質(zhì)，產(chǎn)生低溫等離子體，對運動中的碳纖維絲束表面進(jìn)行低溫等離子體轟擊。低溫等離子體為射流型大氣低溫等離子體。碳纖維絲束運行速度80m/h ；碳纖維處理工作環(huán)境溫度15°C ；碳纖維與等離子體發(fā)射裝置之間的間隙為8mm ； 碳纖維表面處理環(huán)境濕度60% ；碳纖維表面處理功率范圍800W/束絲(6k)；低溫等離子體碳纖維表面處理溫度80°C。射流型大氣低溫等離子體發(fā)射裝置為南京蘇曼電子有限公司提供的經(jīng)過特殊處理過的PG-1000Z型設(shè)備。碳纖維表面進(jìn)行官能團(tuán)(主要是-0H，-C = 0，-C00H)總含量為23. 1%，層間剪切強(qiáng)度為114MPa。
權(quán)利要求
1. 一種碳纖維表面處理方法，其特征在于在一個大氣壓的環(huán)境下，使用空氣作為碳纖維表面處理介質(zhì)，由等離子體發(fā)射裝置發(fā)射電中性的低溫等離子體，對運動中的碳纖維絲束表面進(jìn)行低溫等離子體轟擊；碳纖維絲束運行速度60 150m/h ；碳纖維處理環(huán)境溫度范圍-10°C 50°C ；碳纖維與等離子體發(fā)射裝置之間的間隙為5 30mm ；碳纖維表面處理環(huán)境濕度30 90% ；碳纖維表面處理功率范圍500 800W/束絲；低溫等離子體碳纖維表面處理溫度30°C 100°C。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種碳纖維表面處理方法；在一個大氣壓的環(huán)境下，使用空氣作為碳纖維表面處理介質(zhì)，由等離子體發(fā)射裝置發(fā)射電中性的低溫等離子體，對運動中的碳纖維絲束表面進(jìn)行低溫等離子體轟擊；碳纖維絲束運行速度60～150m/h；碳纖維處理環(huán)境溫度范圍-10℃～50℃；碳纖維與等離子體發(fā)射裝置之間的間隙為5～30mm；碳纖維表面處理環(huán)境濕度30～90％；碳纖維表面處理功率范圍500～800W/束絲；低溫等離子體碳纖維表面處理溫度30℃～100℃；本方法使碳纖維表面的活性極性官能團(tuán)含量增加，碳纖維表面的溝槽加深，比表面積增加，提高其復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度，節(jié)省能源，低能耗，清潔無污染。
文檔編號D06M10/06GK102345228SQ20101024601
公開日2012年2月8日 申請日期2010年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月5日
發(fā)明者劉兆政, 王文勝, 蔡小平 申請人:中國石油天然氣股份有限公司