[实用新型]一种基于电晕放电的碳纤维表面处理装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种碳纤维生产装置，特别是涉及一种利用电晕放电对碳纤维进行表面处理装置，适合用于高模量碳纤维和石墨纤维生产时在线对碳纤维进行表面处理。

背景技术

碳纤维及其复合材料具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能，但是，作为增强材料的碳纤维，由于其表面是由高度结晶化的石墨构成，因而具有较强的表面惰性，如果不进行表面处理而直接使用，复合材料中碳纤维与基材的亲和性很弱，载荷无法在树脂和纤维之间有效传递，无法获得高性能的复合材料。为了充分发挥碳纤维的力学性能，通常要对碳纤维进行表面处理。

碳纤维表面处理的方法有：1)表面氧化法,又可分为气相氧化法、阳极电解氧化法、等离子氧化法和液相氧化法等，2)表面涂层法,又可分为清洗与涂层、氧化与涂层等，3)表面沉积法,又可分为化学气相沉积法(CVD)、热解涂层法和晶须化法等，4)其他方法还有中子辐照、电聚合与接枝共聚以及混合法等。

在工业上得到实际应用的主要有阳极电解氧化法和气相氧化法，由于阳极电解氧化法反应缓和，易于控制，处理效果明显，应用最广。但是阳极电解氧化法存在以下缺点：耗电量大；对于高模量碳纤维处理效果不明显，达不到性能要求；效果单一，只能增加纤维表面含氧基团；造成碳纤维强度损失。

电晕表面处理是在两个电极间施加高频率高电压，两个电极间电晕放电产生各种高度活性的粒子，在强电场和各种高度活性的粒子共同作用下，被处理物体的表面氧化和极化，表面变得粗糙并增加对极性溶剂的浸润性。电晕处理只对高聚物表层极浅的范围作用，对高聚物本身的机械性能不产生很大影响，处理时间短，速度快，可在线进行处理；操作简单、控制容易，成本低；无废液排放，对环境影响小。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，基于现有技术的不足，提供一种新型的碳纤维表面处理的装置。本实用新型利用电晕放电产生的各种高度活性的粒子，在强电场和高度活性的粒子共同作用下碳纤维表面性质发生改变，以达到提高碳纤维表面能，增强碳纤维复合材料层间剪切强度。

本实用新型目的通过如下技术方案实现：

一种基于电晕放电的碳纤维表面处理的装置，包括大辊子、小辊子、辅助辊子和表面处理腔；所述表面处理腔内部至少设有一套电晕放电装置，电晕放电装置由大辊子和小辊子组成，大辊子和小辊子相对设置，大辊子和小辊子的外表面间距为3～15mm，大辊子和小辊子相互配合作为电晕放电的两个电极；表面处理腔左右两端分别设有混合气体入口和混合气体出口；表面处理腔上下端分别设有至少一个剩余气体出口；辅助辊子设置在表面处理腔的外侧，碳纤维从碳化炉出来后经辅助辊子进入表面处理腔，经表面处理后的碳纤维从表面处理腔出来后经辅助辊子进入上浆槽；当小辊子作为阳极时，大辊子与高压电源的正极连接，小辊子与电源的负极连接；当小辊子作为阴极时，大辊子与高压电源的负极连接，小辊子与电源的正极连接；大辊子和小辊子均由石墨制成；所述大辊子和小棍子为圆筒形；

碳纤维经过辅助辊子后紧贴着大辊子外表面从大辊子和小辊子之间通过，在大辊子1和小辊子间加载高频率的脉冲电压，表面处理腔中的混合气体为氧气与氮气的混合气体或者氨气和氮气的混合气体；氧气与氮气的体积比为3:7；氨气和氮气体积比为2:8。

优选地，所述表面处理腔内部有两套电晕放电装置。所述大辊子和小辊子的外表面间距为5～10mm。所述大辊子的直径为小辊子直径的2‐5倍。

本实用新型常压下在电极施加高频率的高电压使电极发生电晕放电，碳纤维在两电极之间通过，电晕放电使气体电离，产生各种高度活性的粒子，包括高速低温等离子，各种自由基，臭氧；在强电场和各种高度活性的粒子共同作用下，碳纤维表面层被刻蚀、氧化、分子发生枝接、活化，碳纤维表面性质发生改变。

碳纤维电晕放电表面处理工序被安排在碳化工艺之后，碳纤维从碳化炉出来后有余热，在碳纤维温度为45～120℃的位置处对碳纤维进行电晕放电表面处理；碳纤维经过电晕放电表面处理后进入上浆槽进行上浆。

与现有的技术相比，本实用新型的有益效果在于：

1)本实用新型碳纤维表面处理方法只是作用在碳纤维表面很浅的一层，碳纤维强度损失少；

2)本实用新型对表面结晶度很高的高模量碳纤维和石墨纤维可以容易获得明显的表面处理效果；

3)本实用新型处理的时间短，速度快，可在线处理；

4)本实用新型反应可以控制，可设计的弹性空间大；