碳纖維表面處理工藝優化研究

孫 浩，楊恩輝，張曉東，吳 英

(1.中國石油吉林石化公司 碳纖維廠，吉林 吉林 132021；2.中國石油吉林石化公司 精細化學品廠，吉林 吉林 132022；3.中國石油吉林石化公司 物資采購公司，吉林 吉林 132021)

碳纖維的表面處理方法通常使用電化學氧化法又稱為陽極氧化法[1-2]，是將碳纖維浸入電解液中作為電解池的陽極、石墨作為陰極，在電解水的過程中利用陽極生成的生態氧，使碳纖維表面氧化，從而生成羥基、羧基、羰基等含氧官能團，同時碳纖維也會受到一定程度的刻蝕，產生了孔洞和溝槽，形成一定的粗糙度，從而增加了纖維與基體間的機械鍥合作用。電化學氧化所使用的電解質有硝酸、硫酸、磷酸、醋酸、碳酸氫銨、氫氧化鈉、硝酸鉀等。電解質的種類不同，氧化歷程也不同，碳纖維表面處理效果也會不同[3]。碳纖維的處理效果不僅與電解質的種類密切相關[4]，與電流密度、氧化時間等條件也息息相關[5]。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

碳纖維原絲：6K，吉林石化公司；碳酸氫銨：工業級，沈陽華東試劑廠。

碳纖維表面處理設備，見圖1。

1.2 碳纖維表面處理工藝

實驗在吉林石化公司碳纖維廠碳化生產線進行，聚丙烯腈基原絲經過預氧化、低溫碳化、高溫碳化后生成碳纖維，碳纖維進入表面處理裝置進行表面處理實驗，表面處理后纖維經干燥、上漿、再干燥后卷繞成軸。

1.3 碳纖維力學性能的測試

1.3.1 復絲拉伸強度測試

執行GB/T 3362—1982標準，采用美國英斯特朗公司的萬能材料試驗機INSTRON 5565/5566進行測試。操作條件為拉伸速度10 mm/min；環境條件為25±5 ℃，濕度為(50±10)%RH。

1.3.2 層間剪切強度測試

執行JC/T 773標準，采用美國英斯特朗公司的萬能材料試驗機INSTRON 5565A/5566，使用等速壓縮短梁法進行碳纖維層間剪切強度測試。操作條件為十字頭速度2.0 mm/min；操作環境為溫度25±5 ℃，濕度為(50±10)%RH。

2 結果與討論

2.1 正交實驗設計方案

影響碳纖維表面處理工藝的操作條件有很多，實驗主要對電解液濃度、電解電流強度、電解溫度、處理時間等進行研究，正交實驗因素水平表見表1。

表1 正交實驗因素水平表

因實驗僅考察4個因素對碳纖維表面處理的影響效果，不考察因素間的交互作用，為4因素3水平實驗，故宜選用L9(34)正交表，正交實驗結果見表2。

表2 L9(34)正交實驗結果分析

續表

2.2 確定實驗因素的優水平和優化水平組合

以A因素拉伸強度指標為例，分析A因素各水平對實驗指標的影響。由表2可以看出，A1的影響反映在第1、2、3號實驗中，A2的影響反映在第4、5、6號實驗中，A3的影響反映在第7、8、9號實驗中。

同理，可以計算并確定其它因素的優水平。根據各指標不同水平平均值確定各因素的優化水平組合為拉伸強度A2B2C2D2；層間剪切強度A2B3C2D2。

2.3 確定因素的主次順序

極差Rj計算結果見表2，比較各R值大小，確定各因素對實驗結果的影響順序為拉伸強度D>C>B>A，層間剪切強度D>C>A>B。

以上2指標單獨分析出的優化條件不一致，不一致的條件為電解溫度，其它因素使用最優工藝，對電解溫度進行單因素實驗，實驗結果見表3。

表3 電解溫度單水平實驗結果

由表2可見，電解溫度因素的水平2和水平3對拉伸強度的影響基本一致，對層間剪切強度的影響一致，選用水平2和3，產品指標相近，同時考慮較低操作溫度可降低生產成本，提高操作環境的可操作性，綜合考慮，確定最佳工藝條件為A2B2C2D2。

2.4 最優組合驗證實驗

以最優工藝進行一批次實驗驗證，實驗結果見表4。

表4 最優工藝驗證實驗結果

由表4得出，在選用A2B2C2D2作為工藝條件時，制得的碳纖維的拉伸模量和層間剪切強度，與作正交實驗時得出的數據結果基本相同。

3 結 論

(1) 電解液中w(碳酸氫銨)越高、電解時間越長、電流強度越大，電解溫度越高，碳纖維電化學處理程度越深，但不是電解程度越深，碳纖維力學性能越好。只有電解程度適中時，才能對碳纖維的力學性能有正效應；

(2) 通過正交實驗對正常生產操作范圍內的w(碳酸氫銨)、電解電流強度、電解溫度、處理時間等4項操作指標進行了優化，確定了w(碳酸氫銨)=5%、電解電流強度40mA/K、電解溫度55 ℃、處理時間80s時為較優的生產工藝條件。

參 考 文 獻：

[1] 王茂章、賀福.炭纖維的制造、性質及其應用[M].北京：科學出版社，1984：122-135.

[2] 蔡小平．聚丙烯腈基碳纖維生產技術[M]．北京：化學工業出版社，2012：9.

[3] 王云英,孟江燕,陳學斌,等.復合材料用碳纖維的表面處理[J].表面技術，2007,36(3):53-60.

[4] 韓風,黃永秋,潘鼎.電化學氧化表面處理提高黏膠碳纖維的界面黏結性能[J].合成纖維工業,2001,24(4):25-28.

[5] 黃強,黃永秋,鄭成斐,等.電化學表面處理對黏膠基碳纖維熱穩定性的影響[J].東華大學學報(自然科學板),2002,28(6):118-121.