[发明专利]干喷湿纺高模量碳纤维的表面处理方法

说明书

本发明公开了一种干喷湿纺高模量碳纤维的表面处理方法。所述方法通过并联多级电解槽的方式，先对干喷湿纺高模量碳纤维进行电解，然后通过水洗槽进行水洗，最后通过接触式烘干方式烘干。本发明基于阳极氧化表面处理原理，通过并联多级电解槽的方式，减小表面处理工段总电阻，在安全电压范围内，更大限度增加表面处理电量；在设备布局上，采用上下叠加的方式，减少占地面积的同时，缩短了连接导线的距离，同样有利于增加表面处理电量；并通过电解质浓度、温度和电解总电量的匹配，实现对高模量碳纤维不同表面处理程度的调控，适用于需要更高表面处理程度的干喷湿纺高模量碳纤维的制备。

技术领域

本发明属于碳纤维表面改性技术领域，涉及一种干喷湿纺高模量碳纤维的表面处理方法。

背景技术

高模量碳纤维除本身具备轻质、高模、高环境耐受等特性外，其作为增强体也越来越多地应用于有高刚度和高尺寸稳定性需求的结构性和功能性复合材料领域，例如加速载荷大和温度交变大的航空航天领域以及精度和尺寸稳定性要求很高的空间光学镜体领域。然而，与高强型碳纤维相比，高模量碳纤维的石墨化程度更高、表面微晶尺寸大，导致其在应用过程中会存在如表面惰性大、与基体树脂结合能力更薄弱等问题，其需要进行更深程度的表面处理。

碳纤维工业生产过程中的表面处理工艺主要选择阳极电解氧化法，通过阳极产生的活性氧原子对碳纤维表面进行电化学刻蚀，使碳纤维表面活化。目前高强中模型碳纤维的表面处理方法已较为成熟，而针对高模量碳纤维的表面改性方法较少。中国专利申请CN109161947A公开了一种高模量碳纤维表面处理方法，该方法先采用弱碱性电解液对高模量碳纤维进行第一段阳极氧化处理，在高模量碳纤维表面产生活性碳原子，然后采用酸性电解液对碳纤维进行第二段阳极氧化处理，在碳纤维表面形成活性基团。然而该方法为实验室级别，其应用效果在工业化生产应用中存在一定的局限性。中国专利申请CN104178790A公开了一种碳纤维表面处理方法及处理装置，该方法先将干喷湿纺碳纤维丝束通过电解槽进行电解，然后水洗，最后通过接触式烘干方式烘干。但是该方法适用于290GPa模量以下的干喷湿纺高强中模碳纤维，对于更高模量的干喷湿纺碳纤维的表面处理，其层间剪切强度提升幅度较低，不能满足产品性能指标要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种干喷湿纺高模量碳纤维的表面处理方法。该方法尤其适用于对表面处理程度有更高需求的干喷湿纺高模量碳纤维的制备，可实现高模量碳纤维层间剪切强度(ILSS)提升2倍以上。

实现本发明目的的技术方案如下：

干喷湿纺高模量碳纤维的表面处理方法，具体步骤如下：

步骤(1)，采用多层空间布局的多级电解槽，且各级电解槽采用并联的方式，将干喷湿纺高模量碳纤维依次通过各级电解槽进行电解，各级电解质温度为70～80℃，电解总电量为50～100C/g；其中，第一级电解槽中的电解质为酸性电解质，第二级电解槽中的电解质为碱性电解质，第三级电解槽中的电解质为可热解电解质；

步骤(2)，电解后的碳纤维丝束通过水洗槽，水洗槽中通入与碳纤维逆向流动的去离子水进行水洗；

步骤(3)，水洗后的碳纤维丝束通过接触式烘干方式烘干，烘干温度为100～150℃。

本发明所述的干喷湿纺高模量碳纤维是指高温碳化或石墨化后的干喷湿纺碳纤维，碳纤维模量为300～450GPa。

优选地，步骤(1)中，酸性电解质为硫酸或硝酸，碱性电解质为氢氧化钠或氨水，可热解电解质为碳酸氢铵或碳酸铵。在本发明具体实施方式中，采用的酸性电解质为硫酸，碱性电解质为氢氧化钠，可热解电解质为碳酸氢铵。

优选地，步骤(1)中，电解质的质量浓度为1％～15％，优选为2～5％。在本发明具体实施方式中，酸性电解质为硫酸时，浓度为5％；碱性电解质为氢氧化钠时，浓度为2％；可热解电解质为碳酸氢铵时，浓度为4％。

优选地，步骤(1)中，电解总处理时间为60～150s。