專利名稱：碳纖維表面處理處理方法及其設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于碳纖維及其復(fù)合材料，具體地說涉及改善碳纖維表面活性的方法及其設(shè)備。
碳纖維及其復(fù)合材料兼?zhèn)涓弑葟?qiáng)度、高比模量、耐疲勞、抗蠕變、耐燒蝕及熱膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)異性能，因而它不僅被廣泛地用作航天、航空等尖端技術(shù)中不可缺少的結(jié)構(gòu)材料和耐燒蝕材料，而且也是民用工業(yè)更新?lián)Q代的新型材料。但是，由于碳纖維的比表面積小(活性比表面積更小)，表面能低，表面呈現(xiàn)出憎液性，因此與基體樹脂的相容性差，兩相界面粘接力弱，從而導(dǎo)致層間剪切強(qiáng)度(ILSS)低，嚴(yán)重影響其應(yīng)用。對碳纖維進(jìn)行表面處理可改善其表面活性，使表面由憎液性轉(zhuǎn)變?yōu)橛H液性，因此使兩相界之間的粘接力增強(qiáng)，從而提高了層間剪切強(qiáng)度。
碳纖維表面處理方法很多，主要有液相氧化、電解陽極氧化以及氣相氧化等方法。
液相氧化方法(USP3413094)，工藝較為復(fù)雜，處理時間長，不可能與碳纖維生產(chǎn)線相匹配，通常多用于實驗室研究機(jī)理或間歇式表面處理。具有工業(yè)實用價值的主要是電解陽極氧化和氣相氧化方法。
電解陽極氧化法(特開昭56-53275)處理時間短，效果顯著，層間剪切強(qiáng)度可達(dá)900～950kg/cm2，但經(jīng)電解陽極氧化處理后的碳纖維，必須先經(jīng)熱水洗工序洗掉金屬離子，再經(jīng)干燥工序，然后才能浸漬保護(hù)膠。顯然，工藝比較繁瑣。
氣相氧化法，工藝比較簡單，碳纖維在氧化性氣氛下進(jìn)行表面處理后可直接浸漬保護(hù)膠。氣相氧化法可用的氧化性氣氛較多，其中空氣氧化法處理溫度在400℃以上，反應(yīng)激烈，不易控制，常因深度氧化而使碳纖維嚴(yán)重失重，導(dǎo)致其強(qiáng)度下降(USP3476703)。采用臭氧氧化法，則因臭氧氧化活性高，所以不僅處理時間短(數(shù)十秒至數(shù)分)而且處理條件緩和(處理溫度在200℃以下)，處理效果也較好。
美國專利(USP3723607)公開了臭氧氧化碳纖維表面處理方法，該法是以空氣或氧氣經(jīng)旋風(fēng)分離器、過濾器、干燥器等進(jìn)行嚴(yán)格的干燥凈化除塵后，通過臭氧發(fā)生器的高壓放電環(huán)隙而產(chǎn)生臭氧，碳纖維在1200℃高溫下的惰性氣體氣氛中先處理數(shù)十秒，然后在臭氧濃度為20～40毫克/升的表面處理爐中進(jìn)行表面處理。該方法采用的高壓無聲放電發(fā)生臭氧的方法，臭氧發(fā)生器本身結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，另外還配有升壓、調(diào)壓系統(tǒng)，而且空氣或氧氣的干燥凈化要求也高。由于工作電壓高(初級電壓為100V，工作電壓約5～6KV)所以不僅耗電量大，還需大量的冷卻水，而且操作不安全;該法所用的臭氧濃度高，易造成對環(huán)境的污染;碳纖維先經(jīng)惰性氣體高溫預(yù)處理，導(dǎo)致碳纖維的失重(2.5%)，嚴(yán)重影響了碳纖維的抗拉強(qiáng)度。
本發(fā)明的目的在于提供一種工藝流程簡單，操作方便，處理效果顯著的且能與碳纖維生產(chǎn)線相配套的碳纖維表面處理方法及其相應(yīng)的、結(jié)構(gòu)簡單的碳纖維表面處理設(shè)備。
本發(fā)明所涉及的碳纖維表面處理方法是這樣實現(xiàn)的含有氧氣的氣體通過干燥塔脫水干燥、流量計計量后進(jìn)入臭氧發(fā)生器，產(chǎn)生含有一定臭氧濃度的氧化性氣體，并連續(xù)導(dǎo)入碳纖維表面處理爐與來自碳化爐的碳纖維接觸進(jìn)行表面處理，其特點在于(1)所說的含有氧氣的氣體中的氧的濃度為10～100%。
(2)碳纖維表面處理用的含有臭氧的氧化性氣體是以上述含有氧氣的氣體為氣源通過至少一個包含有紫外燈管和密閉氣體容器的紫外線臭氧發(fā)生器產(chǎn)生的，通過密閉氣體容器的氣體線速度應(yīng)控制在0.5厘米/分～40厘米/分。
(3)用于碳纖維表面處理的含有臭氧的氧化性氣氛中臭氧濃度為0.5毫克/升～15毫克/升。
(4)碳纖維表面處理溫度為70～150℃，碳纖維表面處理時間為30秒～600秒。
本發(fā)明采用紫外線臭氧發(fā)生器發(fā)生碳纖維表面處理用的含臭氧的氧化性氣體，由于紫外線臭氧發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡單，也無需苛刻的條件，而且由此產(chǎn)生的臭氧活性高，因此本方法不僅工藝流程簡單，操作方便，而且處理時間短，處理效果顯著。
本發(fā)明所提供的碳纖維表面處理方法，根據(jù)復(fù)合材料的化學(xué)鍵理論，利用高氧化活性的臭氧，氧化碳纖維表面的不飽和碳原子，使其成為羧基、羥基、羰基等含氧官能團(tuán)，提高碳纖維表面活性，使其憎液性變?yōu)橛H液性，強(qiáng)化兩相之間的粘接程度。因此，本方法是改善碳纖維表面活性從而提高碳纖維層間剪切強(qiáng)度的有效方法，例如可以適用于聚丙烯腈系碳纖維、瀝青系碳纖維、石墨纖維以及人造絲系碳纖維。
本發(fā)明可適用于1K、3K、6K和12K的碳纖維，處理的絲束數(shù)可以是1束、10束、30束、100束和200束。
為確保本發(fā)明所涉及的紫外線臭氧發(fā)生器具有較佳的發(fā)生臭氧的效果，在選定適宜的紫外燈管的功率、尺寸以及與此相匹配的密閉氣體容器之后，主要通過調(diào)節(jié)含有氧氣的氣體的流量使進(jìn)入密閉氣體容器的氣體有一適宜的線速度，本發(fā)明選用0.5厘米/分～40厘米/分，較好的進(jìn)氣線速度為3厘米/分～20厘米/分，最好選用6厘米/分～12厘米/分，線速過小，紫外線發(fā)生器溫度升高，不利于正常工作，線速過大，臭氧濃度低，含氧氣的氣體消耗大。
對于一個選定的紫外線臭氧發(fā)生器，由于受功率和尺寸的限制，它所產(chǎn)生的含臭氧的氣體中臭氧的濃度和氣量往往不能滿足碳纖維表面處理工藝要求，通常需多個紫外線臭氧發(fā)生器。含氧氣氣源按附圖2中所示的串聯(lián)形式進(jìn)入多個紫外線臭氧發(fā)生器可得到較高的臭氧濃度，按附圖2中的并聯(lián)形式，則臭氧濃度與單個臭氧發(fā)生器發(fā)生的臭氧濃度相同(通過每個紫外線臭氧發(fā)生器的線速度相同或體積流量相同時)但氣量較大，含氧氣氣源按串、并聯(lián)形式進(jìn)入各臭氧發(fā)生器，即可得到較高臭氧濃度和較大氣量的含臭氧的氧化性氣體。
對于一個具體的表面處理爐，含臭氧氣體在爐內(nèi)必有一適宜的停留時間，停留時間過長，臭氧利用率高，但處理效果差，停留時間短，臭氧利用率低，處理成本高。本發(fā)明通過調(diào)節(jié)含氧氣氣體的流量和選擇含氧氣氣體進(jìn)入各紫外線臭氧發(fā)生器的方式，使產(chǎn)生的含臭氧氣體在表面處理爐內(nèi)的停留時間為0.1分～5分，以05分～1.5分為佳。
本發(fā)明通過調(diào)節(jié)含氧氣氣體的流量和選擇含氧氣氣體進(jìn)入紫外線臭氧發(fā)生器的方式，使其表面處理用的含臭氧的氣體中的臭氧濃度為0.5毫克/升～15毫克/升，當(dāng)臭氧濃度為1毫克/升～10毫克/升時處理效果較好，最好選用1.2毫克/升～6毫克/升。臭氧濃度過低，處理效果差，達(dá)不到預(yù)期的目的，臭氧濃度過高，不僅浪費含臭氧氣源，而且還造成對環(huán)境的污染。
本發(fā)明所說的含氧氣的原料氣，例如可以是空氣，也可以是氧氣，以空氣作原料氣，成本較低，適于工業(yè)生產(chǎn)，但產(chǎn)生的臭氧濃度較低，可通過多個紫外線發(fā)生器串聯(lián)得到解決，選用氧氣作原料氣，雖然原料氣成本會高一些，但消耗量少，而且產(chǎn)生的臭氧濃度高，所以既適用于不同規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)也可用于小試。
本發(fā)明所說的碳纖維表面處理溫度為70～150℃，優(yōu)選的溫度范圍為80～130℃，最佳溫度為90～110℃。溫度低于70℃，臭氧對碳纖維表面碳原子的氧化效果明顯下降，溫度高于150℃時，臭氧本身易分解，起不到氧化作用。
本發(fā)明所說的碳纖維表面處理時間為30秒～800秒，以90秒～450秒較適宜，最好選用150秒～300秒。處理時間小于30秒時，氧化效果不顯著，處理時間大于800秒時，會造成氧化失重而使碳纖維的強(qiáng)度下降。在表面處理爐長一定的條件下，可通過調(diào)節(jié)碳纖維的走絲速度來控制處理時間。
本發(fā)明按如下方法測定臭氧濃度，碳纖維表面含氧官能團(tuán)，碳纖維層間剪切強(qiáng)度臭氧濃度的測定。
用移液管吸取20ml20%中性碘化鉀溶液至1000ml的氣體吸收瓶中，并用蒸餾水稀釋到500ml，經(jīng)流量計計量的含臭氧氣體，以每分鐘400ml的流速通過上述含有碘化鉀溶液的氣體吸收瓶10分鐘，然后加入10ml6NH2SO4進(jìn)行酸化，并用0.1000N的Na2S2O5溶液滴定到淡黃色，加入2ml淀粉指示劑，呈蘭仙儆 .1000NNa2SO3滴到無色，根據(jù)下式即可算出臭氧濃度。
O3(mg/l)48×1000×NNa1S2O3×VNa1S2O32×4×1000]]>碳纖維表面含氧官能團(tuán)的測定在分析天平上秤取0.2±0.001克碳纖維于碘量瓶中，浸泡在30毫升0.001N的NaOH水溶液中，浸泡70小時，并每隔4小時攪動一次，然后在PH計指示下，用0.001NHCl滴至PH＝7為止。然后根據(jù)差減和中和法計算出碳纖維表面含氧官能團(tuán)的濃度。
層間剪切強(qiáng)度的測量碳纖維浸漬40%(重量)環(huán)氧樹脂648的丙酮膠液(三氟化硼單乙胺為固化劑，用量為樹脂重量的3%)，排成無緯布，并制成單向復(fù)合材料板材(標(biāo)準(zhǔn)厚度2mm)。單向板材在砂輪切割機(jī)上切成標(biāo)準(zhǔn)的測試樣品(20×6×2mm)，在萬能材料試驗機(jī)上以跨厚比為5比1測其剪切斷裂載荷P，按下式計算層間剪切強(qiáng)度τ(b和d分別為測試樣品的寬度與厚度)。一般取10個樣的平均值。
τ＝ (3×P)/(4×b×d)本發(fā)明涉及的碳纖維表面處理用設(shè)備，包括臭氧發(fā)生系統(tǒng)和碳纖維表面處理爐兩部份，其中臭氧發(fā)生系統(tǒng)包括用于脫除含氧氣的氣體中的水份的干燥塔、流量計以及臭氧發(fā)生器;碳纖維表面處理爐由爐體、位于爐體外的加熱保溫層、至少一根臭氧氣體進(jìn)氣分布管以及設(shè)置在爐體兩端的調(diào)節(jié)板組成，其特點在于所說臭氧發(fā)生器至少是一個紫外線臭氧發(fā)生器，它由帶有進(jìn)氣管的密閉氣體容器、設(shè)置在密閉氣體容器內(nèi)的紫外燈管以及起輝器、電源、限流器組成。
為滿足碳纖維表面處理工藝過程中對含臭氧氣體的流量及其臭氧濃度的不同要求，例如可以有多個相同的紫外線臭氧發(fā)生器連接在一起，其連接方式可以是附圖2中所示的串聯(lián)，并聯(lián)或串并聯(lián)，通常選用串并聯(lián)連接方式，滿足表面處理所需的臭氧濃度和足夠的氣量。
上述的紫外燈管、起輝器、電源、限流器構(gòu)成紫外線發(fā)生單元，是公知公用的成套產(chǎn)品，根據(jù)需要選用市售不同功率不同電壓的紫外燈管以及與此配套的起輝器、限流器，交流電源，通常選用市售220V交流電源的30瓦或40瓦紫外燈管(ZSZ30，上海電光器件廠)以及配套的起輝器、限流器與紫外燈管相匹配的密閉氣體容器，其主要作用在于確保含氧氣氣源流過該容器時經(jīng)受足夠強(qiáng)度的紫外線照射而產(chǎn)生臭氧，流動氣源可帶走紫外燈所產(chǎn)生的熱能，因此紫外燈管的長度和管徑選定后，密閉氣體容器的長度隨之確定，密閉氣體容器的橫截面積也隨之基本確定。過大的橫截面，含氧氣氣體不能充分有效地受紫外線的照射，影響了發(fā)生臭氧的效果，過小的橫截面則由于含氧氣氣體在發(fā)生器內(nèi)停留時間短，而影響了產(chǎn)生臭氧的效率。
密閉氣體容器可以選用玻璃套管，石英套管或金屬套管，塞子可選用硅橡膠塞。
上述密閉氣體容器還可以通過外鍍、涂或外面包裹屏蔽反射物質(zhì)，例如，可以是外鍍金屬薄層，還可以是外包裹鍍金屬的高分子薄膜層，或通過金屬套管內(nèi)壁拋光等方法使紫外線在容器內(nèi)多次反射，增強(qiáng)紫外線的有效強(qiáng)度，改善臭氧發(fā)生效果或防止紫外線污染環(huán)境。若選用玻璃套管，則推薦選用兩面鍍有鋁層聚酯薄膜包裹在管外，或采用制鏡工藝在管外直接鍍金屬薄層例如可以是純銀、純鋁。
本發(fā)明所說的調(diào)節(jié)板可以是四塊，爐體兩端各有上、下兩塊調(diào)節(jié)板，每塊調(diào)節(jié)板上各有兩個前后對稱的縱向調(diào)節(jié)槽，分別通過相應(yīng)的位于槽內(nèi)的螺釘調(diào)整上下調(diào)節(jié)板間的相對位置，從而達(dá)到自由調(diào)節(jié)走絲狹縫大小的目的。在碳纖維進(jìn)行表面處理時，上調(diào)節(jié)板(位于爐體上康牡鶻詘澹┩ü鶻誆巰螄攏碌鶻詘逋ü鶻誆巰蟶希鶻 走絲狹縫至1～4mm。這既可使絲束連續(xù)通過表面處理爐，又可保證表面處理爐內(nèi)的含臭氧氣體與碳纖維表面充分接觸，當(dāng)需要穿絲或排除故障時，則可使上調(diào)節(jié)板向上，下調(diào)節(jié)板向下，擴(kuò)大走絲狹縫的寬度。
為了使進(jìn)入表面處理爐的含臭氧氣體在爐內(nèi)分布均勻，氣體分布管可以有多根，可以從表面處理爐的兩個側(cè)面的不同位置進(jìn)入表面處理爐內(nèi)，管的頂端封閉，由進(jìn)氣端到頂端，開孔的孔徑逐漸增大，孔間的距離逐漸減小。
本發(fā)明與其它氣相氧化法一樣，碳纖維經(jīng)表面處理后可直接浸漬保護(hù)膠，而且能與碳纖維生產(chǎn)線相配套。
本發(fā)明采用紫外線發(fā)生臭氧的方法提供表面處理用的含臭氧的氧化性氣源，與已有技術(shù)相比有以下優(yōu)點1.紫外線臭氧發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡單，通常以市售的紫外燈管作為紫外線發(fā)生源，可直接使用220V的交流電，不需復(fù)雜的變壓、升壓裝置，因此操作安全、方便、省電、節(jié)約水，設(shè)備投資大大降低。
2.紫外線發(fā)生臭氧的方法，以普通的含氧氣的氣體作為發(fā)生臭氧的氣源，無需嚴(yán)格的干燥凈化，因此操作方便，且縮短了工藝流程。
3.可能由于紫外線法與高壓無聲放電發(fā)生臭氧的機(jī)理不同，所產(chǎn)生的臭氧結(jié)構(gòu)不同，本法所產(chǎn)生的臭氧活性很高，因此，如實施例2-5所示，當(dāng)臭氧濃度為1.8毫克/升～3.25毫克/升時取得了很好的處理效果，經(jīng)處理后的碳纖維復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度達(dá)844kg/cm2，而其臭氧濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于20-40毫克/升(USP3413094)，因此大大減少了環(huán)境的污染，而其層間剪切強(qiáng)度則相當(dāng)高。
4.本法采用外鍍金屬薄層的紫外發(fā)生器，其發(fā)生臭氧效率很高，如實施例5所示，僅一個功耗為30瓦的紫外線臭氧發(fā)生器即可產(chǎn)生臭氧濃度為2.78毫克/升的氧化性氣氛。
5.本法不僅可用于小試(如實施例4～5)，而且也可用于中試(如實施例3)和工業(yè)生產(chǎn)線(實施例2)。


圖1是碳纖維表面處理流程示意圖。
圖2是多個紫外線臭氧發(fā)生器連接方式示意圖。
圖3是紫外線臭氧發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡圖。
圖4是碳纖維表面處理爐結(jié)構(gòu)簡圖。
實施例1本發(fā)明將結(jié)合附圖1-4對碳纖維表面處理設(shè)備的具體實施方式
予以說明。本發(fā)明所說的碳纖維表面處理用設(shè)備，包括臭氧發(fā)生系統(tǒng)和碳纖維表面處理爐兩部份，其中臭氧發(fā)生系統(tǒng)(如附圖1)包括穩(wěn)壓罐〔3〕、用于脫除含氧氣氣體中水份的干燥塔〔4〕、流量計〔5〕以及臭氧發(fā)生器〔2〕。臭氧發(fā)生器〔2〕是由三組并聯(lián)的紫外線臭氧發(fā)生器組成，每組包括按附圖2方式連接的4個紫外線臭氧發(fā)生器。每組紫外線臭氧發(fā)生器的出口分別與設(shè)置在表面處理爐〔1〕內(nèi)的一根進(jìn)氣分布管〔21〕相連，如附圖3所示，每個紫外線臭氧發(fā)生器由帶有進(jìn)氣管〔6〕、出氣管〔13〕的密閉氣體容器〔11〕，設(shè)置在密閉氣體容器內(nèi)的紫外燈管〔10〕以及與紫外燈管相配套的起輝器〔15〕、電源〔14〕、限流器〔16〕所組成，密閉氣體容器是由直徑為φ52×2長度為820的玻璃套管〔9〕和硅橡膠塞〔7〕、硅橡膠塞〔12〕組成，紫外燈管為市售(ZSZ30，上海電光器件廠)，管長900，管徑φ21，功率30瓦，電源為220V，玻璃套管外包裹有鍍鋁聚酯薄膜屏蔽反射層，如附圖4所示碳纖維表面處理爐〔1〕是由長1000、寬120、高80的兩端開口的長方形不銹鋼爐體〔22〕、爐體外的電加熱層〔20〕、保溫層〔19〕、分別與上述三組紫外線臭氧發(fā)生器出口相連接的三根進(jìn)氣分布管〔21〕以及用于調(diào)節(jié)走絲狹縫寬度的調(diào)節(jié)板〔17〕和調(diào)節(jié)板〔23〕組成，其中進(jìn)氣分布管的管徑為φ10×1，管長為800，開孔孔徑為φ0.5～φ1.2，開孔率約3%。
實施例2氧氣鋼瓶中的氧氣經(jīng)減壓、穩(wěn)壓罐〔3〕穩(wěn)壓、干燥塔〔4〕脫水干燥、流量計〔5〕計量后的流量為0.6米3/時的氧氣進(jìn)入實施例1所述連接方式的紫外線臭氧發(fā)生器〔2〕產(chǎn)生臭氧濃度為2.68毫克/升的含氧氣體，經(jīng)實施例1所述的進(jìn)氣分布管〔21〕連接通過表面處理爐〔1〕與來自碳化爐的走絲速度為14米/時的100束3K聚丙烯腈碳纖維(上海碳素廠)，在爐溫100℃下進(jìn)行表面處理。按上述說明部分所述的測試方法測得表面處理前后的碳纖維及其復(fù)合材料的主要性質(zhì)列于表1。
表1 表面處理前后碳纖維的主要性質(zhì)
實施例3來自車間空氣管線的空氣經(jīng)穩(wěn)壓罐穩(wěn)壓，干燥塔脫水干燥、流量計計量后的流量為0.8米3/時的空氣進(jìn)入實施例1所述連接方式的紫外線臭氧發(fā)生器產(chǎn)生臭氧濃度為1.56毫克/升的含臭氧氣體，經(jīng)實施例1所述的進(jìn)氣分布管連續(xù)通過表面處理爐與來自碳化爐的走絲速度為14米/時的30束3K聚丙烯腈碳纖維(上海碳素廠)在爐溫100℃下進(jìn)行表面處理。測試結(jié)果為層間剪切強(qiáng)度由596kg/cm2提高到844kg/cm2，抗拉強(qiáng)度由259kg/mm2提高至272kg/mm2。
實施例4氧氣鋼瓶中的氧氣經(jīng)減壓、穩(wěn)壓罐穩(wěn)壓、干燥塔脫水干燥、流量計計量后的流量為0.15米3/時的氧氣進(jìn)入兩個串聯(lián)連接的紫外線臭氧發(fā)生器產(chǎn)生臭氧濃度為1.80毫克/升的含臭氧氣體，經(jīng)一根進(jìn)氣分布管連接通過表面處理爐與走絲速度為30米/時的1束K聚丙烯腈碳纖維(上海碳素廠)在爐溫90℃下進(jìn)行表面處理。表面處理爐的尺寸為長2米，φ24×2的石英管，上述進(jìn)氣分布管的尺寸為長800，φ6×1。測試結(jié)果見表2。
表2 表面處理前后的碳纖維的主要性質(zhì)
＊μeq/g為微克當(dāng)量/克實施例5氧氣鋼瓶的氧氣經(jīng)減壓、穩(wěn)壓罐穩(wěn)壓、干燥塔脫水干燥、流量計計量后的流量為0.15米3/時的氧氣進(jìn)入單個紫外線臭氧發(fā)生器產(chǎn)生臭氧濃度為2.78毫克/升的含臭氧的氣體，連續(xù)通過表面處理爐與走絲速度為30米/時的1束1K聚丙烯腈碳纖維(上海碳素廠)在爐溫90℃下進(jìn)行表面處理，上述紫外線臭氧發(fā)生器的玻璃套管內(nèi)鍍有鋁層代替實施例2-4的鍍鋁聚酯薄膜。測試結(jié)果為表含氧官能團(tuán)濃度由117μeq/g提高到196μeq/g，層間剪切強(qiáng)度由679kg/cm2提高至1080kg/cm2。
由實施例2-5的處理結(jié)果表明，碳纖維采用本方法處理后層間剪切強(qiáng)度大大提高，碳纖維的抗拉強(qiáng)度也略有提高，處理效果十分顯著。
權(quán)利要求
1.一種用于改善碳纖維表面活性的碳纖維表面處理方法，包括以下步驟(1)含有氧氣的氣體經(jīng)脫水干燥，流量計計量后進(jìn)入臭氧發(fā)生器，產(chǎn)生含有臭氧的氧化性氣氛，并連續(xù)導(dǎo)入表面處理爐；(2)來自碳化爐的碳纖維連續(xù)通過表面處理爐，在含有臭氧的氧化性氣氛下進(jìn)行表面處理；其特征在于(1)上述含有氧氣的氣體中的氧的濃度為10～100%；(2)上述含有氧氣的氣體通過含有紫外燈管[10]和密閉氣體容器[11]的至少一個紫外線臭氧發(fā)生器[2]，產(chǎn)生碳纖維表面處理用的含有臭氧的氧化性氣氛，通過密閉氣體容器[11]的氣體線速為0.5厘米/分～40厘米/分；(3)上述含有臭氧的氧化性氣體連續(xù)通入碳纖維表面處理爐，臭氧的濃度為0.5毫克/升～15毫克/升；(4)碳纖維表面處理溫度為70～150℃，碳纖維表面處理時間為30秒～800秒；
2.按權(quán)利要求1所述的碳纖維表面處理方法，其特征在于所說的碳纖維是聚丙烯腈碳纖維。
3.按權(quán)利要求1或2所述的碳纖維表面處理方法，其特征在于所說的通過密閉氣體容器〔11〕的氣體線速為3厘米/分～20厘米/分，最好為6厘米/分～12厘米/分。
4.如權(quán)利要求1或2所述的碳纖維表面處理方法，其特征在于所說的用于碳纖維表面處理的氧化性氣氛中臭氧的濃度是1毫克/升～10毫克/升。
5.如權(quán)利要求1或2所述的碳纖維表面處理方法，其特征在于所說的用于碳纖維表面處理的氧化性氣氛中臭氧的濃度是1.2毫克/升～6毫克/升。
6.如ɡ 或2所述的碳纖維表面處理方法，其特征在于所說的含有氧氣的氣體中氧的濃度為21～100%，最好為42～100%。
7.如權(quán)利要求1或2所述的碳纖維表面處理方法，其特征在于所說的碳纖維表面處理溫度為80～130℃。
8.如權(quán)利要求1或2所述的碳纖維表面處理方法，其特征在于所說的碳纖維表面處理溫度為90～110℃。
9.如權(quán)利要求1或2所述的碳纖維表面處理方法，其特征在于所說的碳纖維表面處理時間為90秒～450秒。
10.如權(quán)利要求1或2所述的碳纖維表面處理方法，其特征在于所說的碳纖維表面處理時間為150秒～360秒。
11.為實現(xiàn)權(quán)利要求1的方法所設(shè)計的碳纖維表面處理用設(shè)備，包括臭氧發(fā)生系統(tǒng)和碳纖維表面處理爐，其中臭氧發(fā)生系統(tǒng)包括干燥塔〔4〕、流量計〔5〕以及臭氧發(fā)生器〔2〕，碳纖維表面處理爐〔1〕由爐體〔22〕，位于爐體外〔21〕的加熱層〔20〕、保溫層〔19〕、至少一根臭氧進(jìn)氣分布管〔21〕以及設(shè)置在爐體兩端的調(diào)節(jié)板〔17〕和調(diào)節(jié)板〔23〕等組成，其特征在于所說的臭氧發(fā)生器至少是一個紫外線臭氧發(fā)生器〔2〕，它由帶有氣體入口〔6〕和氣體出口〔13〕的密閉氣體容器〔11〕、設(shè)置在密閉氣體容器內(nèi)的紫外燈管〔10〕、起輝器〔15〕、電源〔14〕、限流器〔16〕組成。
12.如權(quán)利要求11所述的碳纖維表面處理用設(shè)備，其特征在于多個紫外線臭氧發(fā)生器是以串并聯(lián)方式相連接。
13.如權(quán)利要求11或12所述的碳纖維表面處理用設(shè)備，其特征在于所述的密閉氣體容器〔11〕是由玻璃套管〔9〕和硅橡膠塞〔7〕、硅橡膠塞〔12〕組成。
14.如權(quán)利要求13所述的碳纖維表面處理用設(shè)備，其特征在于密閉容器〔11〕外另有屏蔽反射層〔8〕。
15.如權(quán)利要求14所述的碳纖維表面處理用設(shè)備，其特征在于所說的屏蔽反射層是金屬薄層或鍍有金屬的高分子薄膜層。
16.如權(quán)利要求11或12所述的碳纖維表面處理用設(shè)備，其特征在于所說的調(diào)節(jié)板〔17〕和調(diào)節(jié)板〔23〕分別由上、下兩塊調(diào)節(jié)板組成，每塊調(diào)節(jié)板各有兩個前后對稱的縱向調(diào)節(jié)槽，分別通過相應(yīng)的螺釘〔24〕調(diào)整上下調(diào)節(jié)板間的相對位置。
17.如權(quán)利要求14所述的碳纖維表面處理用設(shè)備，其特征在于所說的調(diào)節(jié)板〔17〕和調(diào)節(jié)板〔23〕分別由上、下兩塊調(diào)節(jié)板組成，每塊調(diào)節(jié)板各有兩個前后對稱的縱向調(diào)節(jié)槽，分別通過相應(yīng)的螺釘〔24〕調(diào)整上下調(diào)節(jié)板間的相對位置。
全文摘要
一種用于改善碳纖維表面活性的碳纖維表面處理方法及其設(shè)備，將含有氧氣的氣體通過由紫外燈管[10]和密閉氣體容器[11]等組成的紫外線臭氧發(fā)生器所產(chǎn)生的高活性的臭氧(臭氧的濃度為0.5毫克/升～15毫克/升)連續(xù)導(dǎo)入碳纖維表面處理爐與來自碳化爐的碳纖維進(jìn)行表面處理。本發(fā)明設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，工藝流程短，操作方便且能與碳纖維生產(chǎn)線相配套，處理效果顯著，經(jīng)處理，碳纖維復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度可達(dá)800～1080kg/cm
文檔編號D01F11/10GK1032042SQ86108839
公開日1989年3月29日 申請日期1986年12月25日 優(yōu)先權(quán)日1986年12月25日
發(fā)明者賀福, 王潤娥, 侯樹元 申請人:中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所