碳纖維表面處理工藝中石墨輥的結構優化

李洪軍，范廷峰，劉 燕，張 磊，姚夢冉，明勇飛

(吉林市盛源機械廠，吉林 吉林 132021)

目前，碳纖維用途正趨向多樣化，在要求高溫、物理穩定性高的場合，碳纖維復合材料具備不可替代的優勢[1]。材料的比強度越高，則構件自重越小，比模量越高，則構件的剛度越大。碳纖維正是由于兼具這些優異性能[2]，在國防和民用領域均有廣泛的應用前景。

碳纖維本身表面光滑，比表面積小(一般小于1.0 m2/g),表面能低，導致纖維與基體樹脂之間的結合力弱，復合材料的層間剪切強度(ILSS)明顯偏低，達不到使用要求[3]。為了提高復合材料纖維與基體樹脂之間的結合力，通常的做法是將碳纖維的表面進行處理，經過處理后的碳纖維制備的復合材料ILSS可以達到90.0 MPa以上，完全滿足復合材料ILSS需要達到85.0 MPa以上的要求[4]。但如果纖維與基體樹脂之間的結合力過大，將會使得復合材料的韌性降低，因此需要對碳纖維表面進行適當的處理，整個表面處理程度不能太大也不能太小，對表面處理過程進行有效控制，這樣才能有效地提高復合材料的性能。

碳纖維表面處理的方法有很多，例如空氣或臭氧氧化法、液相氧化法、陽極電解氧化法、等離子體處理法、氣相雙效處理法、硅氧烷等偶聯劑涂層法等[5]。目前，我國所有的碳纖維生產廠幾乎都采用陽極電解氧化法對碳纖維進行表面處理，其特點是氧化反應緩和，易于控制，處理效果較好。陽極電解氧化法[6]主要是利用碳纖維與石墨輥的充分接觸，在電解質溶液中與石墨板形成原電池，碳纖維作為陽極，石墨板作為陰極，當碳纖維經過石墨板上方時發生氧化反應，對碳纖維形成刻蝕。其中，石墨輥是碳纖維絲束的載體，也是形成原電池的通道。目前使用的石墨輥多為半軸結構，石墨套多為分段結構，這造成經常出現石墨輥卡頓、刮絲的現象，嚴重影響了表面處理碳纖維的收率，同時增加了設備的維修成本。

作者針對陽極電解氧化法表面處理聚丙烯腈(PAN)基碳纖維過程中所涉及的核心部件石墨輥存在的缺陷進行分析，對石墨輥結構進行了優化。將石墨輥由半軸結構調整為通軸結構，將石墨輥的石墨套筒由分段結構優化為一體式結構；并將優化后的石墨輥應用于實際生產試驗中，通過優化前后的生產數據對比，發現優化后的石墨輥使用壽命提高，設備維修成本降低，產品的收率及復合材料的ILSS得到了提高。

1 陽極電解氧化法表面處理工藝

1.1 碳纖維表面處理工藝流程

目前，中國石油吉林石化公司PAN基碳纖維碳化裝置碳纖維表面處理的方法為陽極電解氧化法。陽極電解氧化法表面處理工藝流程見圖1，以碳酸氫銨為介質，在碳纖維經過浸在碳酸氫銨溶液中的石墨輥時，碳纖維表面會發生陽極電解氧化反應，在碳纖維表面形成細小的刻蝕，從而實現碳纖維的表面處理。

圖1 碳纖維表面處理工藝流程Fig.1 Carbon fiber surface treatment process1—導電輥；2—絕緣導輥；3—電解槽；4—陰極板；5—水洗槽；6—烘干槽；7—上膠槽；8—干燥爐；9—收絲輥

由圖1可見，在陽極電解氧化法表面處理工藝流程中，碳纖維與石墨輥作為陽極，陰極采用石墨板。電解質可以選用無機酸、有機酸、堿或鹽類，無機酸一般采用硝酸、硫酸、磷酸，有機酸一般采用甲酸、草酸，堿類一般采用氫氧化鈉，鹽類一般采用碳酸氫銨。該生產流程中電解質采用碳酸氫銨，采用直流電場的作用對碳纖維表面進行處理，適當增加碳纖維表面的極性和粗糙度，從而達到改善復合材料界面性能的目的。

1.2 陽極電解氧化原理

如果采用酸性電解質[7]，因水的分解而在陽極(碳纖維)表面產生新生態氧(O·)，O·具有很高的活性，會將陽極碳纖維進行氧化，其反應見式(1)。

(1)

如果電解質屬于弱堿性[7]，將會產生兩個含氧活性基團，一個是氫氧自由基(HO·)，另一個是O·。HO·又稱為羥自由基，氧化還原電位高達2.85 V，僅次于氟，屬于求電子型強氧化劑，并且氧化還原的選擇性高，特別容易與碳雙鍵反應，生成含氧官能團，其反應見式(2)、(3)、(4)。

(2)

(3)

(4)

如果電解質屬于堿性溶液，氫氧根(OH-)放電產生新生態氧，其反應見式(5)、(6)。

(5)

(6)

陽極氧化將會使碳纖維表面生成許多含氧官能團，使碳纖維表面能得到提高，尤其是極性表面能的提高幅度較大。一般使用強堿如氫氧化鈉作為堿性電解質，有利于ILSS的提高，但是電解后的纖維間及纖維表面的殘留物不易清洗干凈，因此，在實際生產中通常選用碳酸氫銨。

1.3 表面處理裝置主要設備

陽極電解氧化法表面處理裝置主要設備包括電解液配置釜、計量槽、電解槽及循環槽。

配置釜和計量槽分別由釜體、攪拌傳動裝置、電加熱器及液面計、溫度傳感器組成。一般在配置釜中配制質量分數為3%～15%的碳酸氫銨溶液作為碳纖維電解槽的電解液，即碳纖維表面處理的介質。電解槽是表面處理系統中最重要的設備，循環槽位于電解槽的下部，為電解槽提供和補充工藝所需溫度和濃度的電解液。

電解槽[8]主要由槽體、變壓整流系統、電加熱板、溫控和溫顯部分、石墨輥、壓絲輥組成，其中最核心的部件是石墨輥。石墨輥的作用主要是導絲用，以及作為電解的陽極通過電刷接直流穩壓電源(+)極，導入陽極電流。在碳纖維經過石墨輥表面并與其充分接觸時，由于碳纖維本身的導電性，通過電刷導入的陽極電會導入到碳纖維絲束中，這樣碳纖維會帶正電荷。帶正電荷的碳纖維絲束在壓絲輥的引導下，通過帶負電荷的石墨板上方，碳纖維表面就會得到氧化處理，形成纖維表面刻蝕。由此可以看出，在整個電解過程中電解槽是最重要的設備，而石墨輥又是電解槽中的最核心部件，石墨輥質量的優劣及使用壽命的長短直接決定著碳纖維表面處理的效果。

目前，在用的石墨輥是半軸結構設計，導致石墨輥在運行過程中會產生動不平衡，造成兩段短軸軸承的磨損，出現卡軸現象，卡軸會造成表面處理工序停車，進而造成碳化裝置全線停車，形成巨大損失；同時由于石墨套是雙段設計，造成纖維帶電不均一，對整個電解效果的控制造成很大困難，使得絲束的刻蝕效果不能統一控制，造成絲束質量控制的不均性，在后續復合材料加工中會出現復合材料ILSS的不均一性；并且由于石墨套是分段設計，雖然在石墨加工上簡單，但在絲束運行時由于碳纖維是平展通過石墨輥，這就造成了絲束在通過兩段接縫處時會發生磨絲、卡絲現象，對生產有較大影響。

2 石墨輥的結構優化

2.1 改進前后石墨輥的結構對比

2.1.1 改進前石墨輥結構

陽極電解氧化法碳纖維表面處理中，石墨輥負責將碳纖維原絲充分帶電，使纖維絲束在經過陰極石墨板時發生電解反應。一般情況下表面處理工藝的掛絲量在170軸左右，這樣就要求石墨輥的長度在2 000 mm左右，同時輥直徑在260 mm左右，石墨輥的結構如圖2所示。

圖2 改造前石墨輥的結構Fig.2 Structure of graphite roller before improvement1—主軸1；2—導電環；3—石墨套筒1；4—安全擋板；5—石墨套筒2；6—托輥套筒；7—主軸2；8—石墨套接口

石墨具有良好的導電性，其導電性是碳鋼的3倍，是不銹鋼的5倍，因此在碳纖維表面處理過程中，石墨輥是整個電解過程中核心部件的首選。由圖2可以看出，石墨輥是以兩個半軸為支架，一個托輥套筒為龍骨，托輥套筒外面是兩段石墨套鑲嵌而組成的；由于絲束經過石墨輥，并且與石墨輥表面充分接觸，這樣碳纖維才會產生良好的帶電性，因此石墨套筒的表面粗糙度(Ra)需要達到0.4。

2.1.2 改進后石墨輥結構

針對在用石墨輥存在的問題，對石墨輥結構進行優化。一是將石墨套筒改為一體化加工；二是將石墨輥輥軸由半軸結構改為通軸結構；三是增加漲緊錐套；四是增加防轉銷。改進后的石墨輥結構如圖3所示。石墨輥改進后，碳纖維絲束經過石墨輥時，其帶電的均一性得到了大大提高，為后續的電解刻蝕創造了有利條件，產品的均一性得到了有效控制；同時改進為一體化石墨套后，絲束在通過石墨輥時不會發生刮絲、卡絲現象，整個生產的連續性得到了保障；同時石墨輥在運行過程中避免了因動不平衡而產生的卡頓隱患，提高了整個生產工藝流程的穩定性；另外，由于石墨輥結構得到簡化，石墨輥的加工成本也大大降低。

2.2 改進前后石墨輥的應用效果對比

將改進后的石墨輥試用于中國石油吉林石化公司碳纖維裝置的纖維表面處理工序中，采用的電解液碳酸氫銨質量分數為5%，電解溫度為45 ℃，電流強度為30 mA，整個過程處理時間均為80 s，石墨輥改進前后碳纖維的表面處理效果對比見表1，得到的復合材料的ILSS對比表2。

表1 石墨輥改進前后碳纖維表面處理效果對比

表2 石墨輥改進前后表面處理碳纖維復合材料的ILSS對比

由表1可見：使用改進后的石墨輥與改進前石墨輥，經表面處理的碳纖維的拉伸強度相差不大，均滿足大于等于3.5 GPa的要求；使用改進后的石墨輥，碳纖維的產品均一性較使用改進前石墨輥提高了8.3%；同時，改進后的石墨輥加工成本較改進前石墨輥降低了35%，石墨輥的使用壽命由改進前的3年提高到5年，使用壽命提高了66.7%；使用改進后的石墨輥，消除了刮絲隱患，同時也消除了石墨輥的卡頓隱患，碳纖維收率由改進前的83%提高到87%，提高了4.8%。

由表2可見，石墨輥改進前表面處理碳纖維復合材料的ILSS為103.2 MPa，石墨輥改進后復合材料的ILSS為105.8 MPa，提高了1.3%。目前，國內碳纖維行業的石墨輥多為分段式結構，通過對石墨輥結構優化改進后，消除了石墨輥的設計缺陷，提高了碳纖維收率，該改進方法也為我國碳纖維行業的設備改進提供了些許經驗和啟示。

3 結論

a.石墨輥是陽極電解氧化法表面處理裝置的最核心部件。在用石墨輥是半軸結構設計，運行過程中會產生動不平衡，出現卡軸現象，同時由于石墨套是分段設計，絲束在通過兩段接縫處時會發生磨絲、卡絲現象，對表面處理效果及碳絲收率有較大影響。

b.針對在用石墨輥存在的問題，對石墨輥結構進行了優化。優化措施：一是將石墨套筒改為一體化加工；二是將石墨輥輥軸由半軸結構改為通軸結構；三是增加漲緊錐套；四是增加防轉銷。

c.石墨輥結構改進后試用于碳纖維表面處理工序中，對碳絲的拉伸強度幾乎沒有影響，都能滿足大于等于3.5 GPa的要求；碳絲產品的均一性提高了8.3%，收率提高了4.8%，使用壽命提高到了1.67倍，加工成本降低了35%；表面處理碳纖維復合材料的ILSS從103.2 MPa提高至104.6 MPa，提高了1.3%。石墨輥結構改進后，可提高碳纖維生產的連續性，有效降低生產成本。