[发明专利]杂乱堆积沥青碳纤维改性及制作方法和设备

说明书

技术领域

杂乱堆积沥青碳纤维的改性工艺，本发明属于沥青碳纤维表面改性技术领域。

背景技术

碳纤维具有高比强度、高比模量和耐腐蚀性等优良性能，其复合材料已广泛应用于航空、航天、体育器材、道路交通、建筑等领域。碳纤维是沿纤维轴向取向的石墨晶层结构，它的表面平滑、表面能低，呈惰性，因此在用碳纤维增强水泥、高分子树脂，做成复合材料时，碳纤维与基体材料间的粘结性差，表现为复合材料的界面结合强度低，影响复合材料的使用。

碳纤维目前主要有两种，一是PAN聚丙烯氰碳纤维，一是沥青碳纤维。前者采用高分子聚丙烯氰作为原料，对原丝质量要求苛刻，成品的PAN碳纤维可纺成长丝，缠绕在卷轴上备用，它属于高端、高性能碳纤维，价格昂贵，至今没有国产化；后者的沥青碳纤维，属于通用型碳纤维，原料来自于煤沥青和石油沥青，储量丰富，价格便宜，其中煤沥青碳纤维是采用特制的煤沥青作为原料，经喷丝，碳化等工艺制成毡型的沥青碳纤维。

为了提高碳纤维与被增强基体间的粘结性能，人们提出了一系列的碳纤维表面处理方法。有氧化法，包括用氧化剂溶液的湿法氧化法，用气态氧化剂的干法氧化法和利用电化学过程的电解氧化法。有利用不同气体的等离子体的方法。再有就是表面涂层法，包括浸涂有机或高分子化合物的、气相沉积碳或碳化硅层的、生长碳化硅晶须的、使用单体的电聚合和使用聚合物的电沉积法。

以上不同方法各有特色。氧化法和等离子法可在一定程度上增大碳纤维的表面积，增加其表面活性官能团的数量，提高碳纤维与基体的浸润性，从而增加了碳纤维与基体的界面结合强度。但是，这种处理方法容易破坏碳纤维的表面结构，造成碳纤维的力学性能的下降，同时还需要特殊的设备，处理成本较高。

相对而言，表面涂层法不会影响碳纤维力学性能，而且可根据使用场合的不同，选择不同的涂层物质，具有很大的灵活性。但现有的表面涂层处理方法是使长丝状，单根独立的纤维通过涂覆物质，然后热气流快速烘干，使涂覆物质包附在纤维表面上。但该法也有不足，一方面，它要求被处理的纤维必须是长丝可纺和单根独立形态的，不能处理杂乱堆积状态的碳纤维，另一方面，因碳纤维的直径较细，微观效应较强，当用溶液直接涂覆碳纤维束或毡时，由于毛细现象和表面张力的作用，液体会促使碳纤维收缩在一起，经干燥后，纤维会粘连在一起，造成碳纤维的粘联。

由于生产工艺的限制，沥青碳纤维的成品是杂乱堆积状态的，毡型的，不像呈长丝状的PAN碳纤维那样，可以较好的拉出单丝纤维，每根独立的进行表面涂覆，然后再经热气流干燥，保证纤维之间不粘结，从而达到涂覆材料全面包裹被处理纤维的表面的效果。

杂乱堆积的沥青碳纤维的表面改性涂覆技术采用传统的碳纤维涂覆改性技术不适合，效果不好，更容易造成杂乱堆积的沥青碳纤维之间的相互粘合，无法分开，无法使用。

发明内容

为了克服现有表面涂层处理方法的不足，本发明要解决的技术问题是：提供一种工艺简单、改性效果明显、环保节能，适合杂乱堆积状态下的沥青碳纤维改性的工艺。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该杂乱堆积沥青碳纤维的改性工艺，其特征在于：

1)把杂乱堆积的沥青碳纤维稍加整理，保证纤维之间留有一定孔隙，使沥青碳纤维呈相对独立的单丝状态，放置于一定直径的圆管型容器中；

2)室温下，采用雾化器把水溶性聚合物乳液涂层物质雾化，产生气溶胶；

3)用一定流量的空气把气溶胶从容器底部引入，由上而下对碳纤维进行涂覆处理，3～60min后，取出碳纤维，室温放置干燥，1～7天即可。

气溶胶的粒径为0.1～3um。主要形成雾状，便于涂覆。

水溶性聚合物乳液为聚氨酯乳液、环氧乳液、EVA乳液、PVAC乳液、丙烯酸类乳液或氯偏乳液的一种。这些聚合物分子结构中都带有相应的活性基团，用这些聚合物改性过的沥青碳纤维的表面会有活性基团存在，当用于水泥混凝土中时，表面活性基团可与水泥混凝土的水化物产生作用，从而提高沥青碳纤维在水泥混凝土中的握裹力，发挥其改善水泥混凝土性能的作用。

水溶性聚合物乳液的固含量为1～50％。