碳纤维表面处理工艺优化研究

孙 浩，杨恩辉，张晓东，吴 英

(1.中国石油吉林石化公司 碳纤维厂，吉林 吉林 132021；2.中国石油吉林石化公司 精细化学品厂，吉林 吉林 132022；3.中国石油吉林石化公司 物资采购公司，吉林 吉林 132021)

碳纤维的表面处理方法通常使用电化学氧化法又称为阳极氧化法[1-2]，是将碳纤维浸入电解液中作为电解池的阳极、石墨作为阴极，在电解水的过程中利用阳极生成的生态氧，使碳纤维表面氧化，从而生成羟基、羧基、羰基等含氧官能团，同时碳纤维也会受到一定程度的刻蚀，产生了孔洞和沟槽，形成一定的粗糙度，从而增加了纤维与基体间的机械锲合作用。电化学氧化所使用的电解质有硝酸、硫酸、磷酸、醋酸、碳酸氢铵、氢氧化钠、硝酸钾等。电解质的种类不同，氧化历程也不同，碳纤维表面处理效果也会不同[3]。碳纤维的处理效果不仅与电解质的种类密切相关[4]，与电流密度、氧化时间等条件也息息相关[5]。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

碳纤维原丝：6K，吉林石化公司；碳酸氢铵：工业级，沈阳华东试剂厂。

碳纤维表面处理设备，见图1。

1.2 碳纤维表面处理工艺

实验在吉林石化公司碳纤维厂碳化生产线进行，聚丙烯腈基原丝经过预氧化、低温碳化、高温碳化后生成碳纤维，碳纤维进入表面处理装置进行表面处理实验，表面处理后纤维经干燥、上浆、再干燥后卷绕成轴。

1.3 碳纤维力学性能的测试

1.3.1 复丝拉伸强度测试

执行GB/T 3362—1982标准，采用美国英斯特朗公司的万能材料试验机INSTRON 5565/5566进行测试。操作条件为拉伸速度10 mm/min；环境条件为25±5 ℃，湿度为(50±10)%RH。

1.3.2 层间剪切强度测试

执行JC/T 773标准，采用美国英斯特朗公司的万能材料试验机INSTRON 5565A/5566，使用等速压缩短梁法进行碳纤维层间剪切强度测试。操作条件为十字头速度2.0 mm/min；操作环境为温度25±5 ℃，湿度为(50±10)%RH。

2 结果与讨论

2.1 正交实验设计方案

影响碳纤维表面处理工艺的操作条件有很多，实验主要对电解液浓度、电解电流强度、电解温度、处理时间等进行研究，正交实验因素水平表见表1。

表1 正交实验因素水平表

因实验仅考察4个因素对碳纤维表面处理的影响效果，不考察因素间的交互作用，为4因素3水平实验，故宜选用L9(34)正交表，正交实验结果见表2。

表2 L9(34)正交实验结果分析

续表

2.2 确定实验因素的优水平和优化水平组合

以A因素拉伸强度指标为例，分析A因素各水平对实验指标的影响。由表2可以看出，A1的影响反映在第1、2、3号实验中，A2的影响反映在第4、5、6号实验中，A3的影响反映在第7、8、9号实验中。

同理，可以计算并确定其它因素的优水平。根据各指标不同水平平均值确定各因素的优化水平组合为拉伸强度A2B2C2D2；层间剪切强度A2B3C2D2。

2.3 确定因素的主次顺序

极差Rj计算结果见表2，比较各R值大小，确定各因素对实验结果的影响顺序为拉伸强度D>C>B>A，层间剪切强度D>C>A>B。

以上2指标单独分析出的优化条件不一致，不一致的条件为电解温度，其它因素使用最优工艺，对电解温度进行单因素实验，实验结果见表3。

表3 电解温度单水平实验结果

由表2可见，电解温度因素的水平2和水平3对拉伸强度的影响基本一致，对层间剪切强度的影响一致，选用水平2和3，产品指标相近，同时考虑较低操作温度可降低生产成本，提高操作环境的可操作性，综合考虑，确定最佳工艺条件为A2B2C2D2。

2.4 最优组合验证实验

以最优工艺进行一批次实验验证，实验结果见表4。

表4 最优工艺验证实验结果

由表4得出，在选用A2B2C2D2作为工艺条件时，制得的碳纤维的拉伸模量和层间剪切强度，与作正交实验时得出的数据结果基本相同。

3 结 论

(1) 电解液中w(碳酸氢铵)越高、电解时间越长、电流强度越大，电解温度越高，碳纤维电化学处理程度越深，但不是电解程度越深，碳纤维力学性能越好。只有电解程度适中时，才能对碳纤维的力学性能有正效应；

(2) 通过正交实验对正常生产操作范围内的w(碳酸氢铵)、电解电流强度、电解温度、处理时间等4项操作指标进行了优化，确定了w(碳酸氢铵)=5%、电解电流强度40mA/K、电解温度55 ℃、处理时间80s时为较优的生产工艺条件。

参 考 文 献：

[1] 王茂章、贺福.炭纤维的制造、性质及其应用[M].北京：科学出版社，1984：122-135.

[2] 蔡小平．聚丙烯腈基碳纤维生产技术[M]．北京：化学工业出版社，2012：9.

[3] 王云英,孟江燕,陈学斌,等.复合材料用碳纤维的表面处理[J].表面技术，2007,36(3):53-60.

[4] 韩风,黄永秋,潘鼎.电化学氧化表面处理提高黏胶碳纤维的界面黏结性能[J].合成纤维工业,2001,24(4):25-28.

[5] 黄强,黄永秋,郑成斐,等.电化学表面处理对黏胶基碳纤维热稳定性的影响[J].东华大学学报(自然科学板),2002,28(6):118-121.