CN114892393B - 一种基于MXene相改性碳纤维装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于MXene相改性碳纤维装置，包括底座支架、直线运动导轨、放丝装置、收丝装置、碳纤维丝、两种盛液槽、压丝装置、PH检测及换液装置、清洗烘干一体化装置及PLC控制器。纤维丝由放丝装置和收丝装置牵引拉直，纤维丝浸泡时，放丝装置和收丝装置上电机制动停止，在纤维丝进入溶液槽的同时，放丝装置也沿着横向导轨向溶液槽移动，弹簧压缩，浸泡完成后，纤维丝离开溶液槽，放丝装置由于弹簧弹力作用回到初始位置，纤维丝再次拉直。本发明碳纤维可以反复多次浸泡PDAC溶液和MXene相溶液，不会对碳纤维结构造成破坏，同时收丝、放丝、压丝、溶液槽移动各个电机及换液装置配合下，由PLC控制器进行控制，该装置可实现阶段化连续制备MXene改性碳纤维丝。

Description

一种基于MXene相改性碳纤维装置

技术领域

本发明涉及一种碳纤维表面改性装置，目的是为了提高碳纤维基复合材料的电磁屏蔽性能，开发高性能电磁屏蔽复合材料，属于碳纤维表面改性领域。

背景技术

MXene(层状过渡金属碳/氮化物)是一种新兴的二维纳米材料，具有超高的电导率和优秀的电磁屏蔽功能，能够与各种材料形成良好的界面结合来制备性能优异的复合材料，是制备高电导率、优异电磁屏蔽性能新型纤维材料的一种新途径。超高的电导率使得MXene具有极其优异的电磁屏蔽性能，此外，MXene具有丰富的-OH、-O及-F等基团，在复合材料中能够与聚合物形成稳定的氢键或者共价键，进而提高复合材料的力学性能。

金属及金属基复合材料常用来作电磁屏蔽材料，然而其密度大、耐腐蚀性差、加工成本高，而碳纤维复合材料具有重量轻、耐腐蚀性好、柔性好等优点，是理想的电磁屏蔽材料。碳纤维本身内部能形成良好的导电网络，当电磁波在碳纤维之间传播时，随着入射电磁波频率的增加，会在纤维内部出现涡流损耗现象而被吸收，体现出碳纤维的吸波性能，同时另一部分电磁波会在每束碳纤维之间发生散射而相位对消，减小了电磁波的反射，使得碳纤维具有较佳的电磁屏蔽效果。

研究表明，单一使用碳纤维作为吸波和屏蔽材料，会存在磁导率低、介电常数高、吸收强度低、吸收频带窄等缺陷。碳纤维的导电性能有望进一步提高，因此急需采取一种方法，对碳纤维表面进行处理，增强其电磁屏蔽功能，同时不破坏碳纤维本身结构。而MXene作为一种新兴二维材料，其具有优异的电导率，电化学性质，将其和碳纤维复合能够进一步提高其电磁屏蔽性能。

在改性装置上，以往对于碳纤维改性的装置，在空间有限的情况下，无法实现对碳纤维丝的反复多次浸泡改性，同时因为装置的自动化程度低，导致在两种溶液浸泡时每次浸泡后需要人工进行清洗烘干，以及换丝进行下一个溶液的浸泡。

为解决上述问题，本发明提出一种可以采用MXene涂覆来改性碳纤维的阶段化连续装置，使碳纤维表面形成均匀稳定且厚度可控的MXene涂层，使碳纤维的导电性能得到进一步提高，有望在碳纤维复合材料的电磁屏蔽等领域发挥重要作用。

发明内容

本发明提出了一种基于MXene相改性碳纤维装置，该装置通过连续交替浸泡在碳纤维表面电荷自组装形成MXene层，以此提高碳纤维的电磁屏蔽功能，并能实现阶段式连续制备。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于MXene相改性碳纤维装置，包括：底座支架、直线运动导轨、放丝装置、收丝装置、碳纤维丝、两种盛液槽、压丝装置、PH检测及换液装置、清洗烘干一体化装置及PLC控制器。放丝装置和收丝装置分别安装在底座支架上的横向直线运动导轨两端，放丝装置与底座支架滑动连接，通过纤维丝拉伸和弹簧压缩可沿横向直线运动导轨移动，收丝装置固定，两种盛液槽安装在纵向导轨的左右两侧，可沿导轨移动，导轨都为滚珠丝杠式导轨，两盛液槽内装有PDAC(Poly dimethyl diallyl ammoniumchloride，聚二烯丙基二甲基氯化铵)和MXene溶液，其中PDAC带正电荷，MXene带负电荷。清洗烘干一体化装置安装在放丝装置和收丝装置之间横向导轨上，并靠近收丝装置一侧。碳纤维在放丝、收丝装置的作用下预紧，电机带动纵向导轨左侧的PDAC溶液槽移动到纤维丝下方，电机带动下压丝辊子将纤维丝压到PDAC溶液槽内进行浸泡，在压丝辊子下移过程中，放丝装置在纤维丝拉力作用下会开始向右移动并开始压缩弹簧(碳纤维的拉力远大于弹簧的弹力，且足以带动放丝装置在底座支架上滑动)，直到压丝辊子带动纤维丝到达溶液槽底部停止，当浸泡完成后，压丝辊子向上移动，此时碳纤维丝在放丝装置上弹簧张力的作用下拉直并脱离PDAC溶液槽，然后溶液槽由电机带动返回原位置。同时清洗烘干装置沿着横向导轨移动，对碳纤维丝进行清洗并快速烘干，结束后回到初始位置。同样地，纵向导轨右侧的MXene溶液槽重复上述步骤。反复以上过程即可在碳纤维表面获得均匀稳定的MXene涂层，整个装置由PLC控制器进行控制。

本发明一种基于MXene相改性碳纤维装置，放丝装置和收丝装置安装在底座支架上的横向导轨前后两端，放丝装置与底座支架滑动连接，且与支架有弹簧相连，收丝装置固定。纤维丝由放丝装置和收丝装置牵引拉直，纤维丝浸泡时，放丝装置和收丝装置上电机制动停止，在纤维丝进入溶液槽的同时，放丝装置也沿着横向导轨向溶液槽移动，弹簧压缩，浸泡完成后，纤维丝离开溶液槽的同时，放丝装置由于弹簧弹力作用回到初始位置，此时纤维丝再次拉直。

本发明一种基于MXene相改性碳纤维装置，所述两个溶液槽包括PDAC溶液槽和MXene溶液槽，分别安装在底座支架横向导轨的左右两侧，浸泡PDAC溶液时，由电机带动盛有PDAC溶液的溶液槽由滚珠丝杠导轨左侧移动到纤维丝下方，由压丝辊子将纤维丝压入溶液槽完成浸泡，浸泡结束后压丝辊子上移，纤维丝由于弹性装置而拉直绷紧离开溶液槽，之后电机带动PDAC溶液槽离开返回原位置，下一步进行清洗烘干，之后再次按照以上步骤浸泡MXene溶液。

本发明一种基于MXene相改性碳纤维装置，沿着碳纤维走丝方向，溶液槽的始末两端安装有走丝辊子，该走丝辊子为从动辊，用来防止碳纤维和溶液槽的壁面摩擦而损伤。垂直于走丝方向，在溶液池的侧壁处安装压丝装置，由压丝电机带动，在碳纤维进入PDAC或MXene溶液时,压丝辊子沿着滚珠丝杠式导轨向溶液池底部移动，在辊子压力作用下将碳纤维压入溶液中，当碳纤维要离开溶液槽时，电机带动压丝辊子上移，同时放丝装置在弹簧张力作用下回到初始位置，碳纤维丝再次绷紧，离开溶液槽。

本发明一种基于MXene相改性碳纤维装置，所述溶液池内安装有PH值检测及换液装置，用来检测池中溶液PH值的变化及换液，溶液的PH值维持在4-7，当PH值变化后则通过换液装置重新为溶液池自动换取溶液。

本发明一种基于MXene相改性碳纤维装置，放丝装置和收丝装置之间的横向导轨上安装有清洗烘干一体化装置，可由电机带动沿横向滚珠丝杠导轨移动，初始位置位于横向导轨末端，靠近收丝装置，碳纤维丝由放丝装置经过两溶液槽中间然后穿过清洗烘干一体化装置的箱体，最后牵引到收丝装置上。该部分的箱体设计能够防止清洗的水溶液和烘干后的水蒸气进入溶液槽而对溶液的PH值造成影响。清洗烘干装置在工作过程中沿着碳纤维的行进方向移动进行清洗烘干，之后回到原位置。

本发明的有益之处：碳纤维可以反复多次浸泡PDAC溶液和MXene相溶液，达到碳纤维表面均匀沉积MXene镀层，且不会对碳纤维结构造成破坏，同时收丝、放丝、压丝、溶液槽移动各个电机及换液装置配合下，由PLC控制器进行控制，该装置可实现阶段化连续制备MXene改性碳纤维丝。

附图说明

图1为本发明一种基于MXene相改性碳纤维装置结构示意图。

图2为本发明一种基于MXene相改性碳纤维装置的放丝、收丝、清洗烘干一体化装置以及导轨结构示意图。

图3为本发明一种基于MXene相改性碳纤维装置溶液槽装置示意图。

图4为本发明一种基于MXene相改性碳纤维装置纤维丝溶液槽浸泡示意图。

图5为本发明一种基于MXene相改性碳纤维装置纤维丝清洗烘干一体化装置剖视图。

图中包括：1、底座支架，101横向直线导轨、102纵向直线导轨，2、放丝装置，201放丝辊子、202放丝电机、203弹簧，3、碳纤维、4、PLC控制器、5、走丝辊子，6、压丝装置(两个溶液槽压丝装置相同，且每个槽左右压丝结构相同，所以只介绍一侧)，601压丝电机、602压丝辊子、603压丝导轨，7、两个溶液槽(701PDAC溶液槽移动电机、702MXene溶液槽移动电机、703、PDAC溶液槽、704、MXene溶液槽)，8、PH检测及换液装置，9、清洗-烘干一体化装置，901清洗烘干装置移动电机、902清洗装置、903烘干装置，10、收丝装置、1001收丝电机、1002收丝辊子。

具体实施方式

以下将参考附图1-5，对该发明装置进行详细说明。

本发明一种基于MXene改性碳纤维阶段化连续装置，整体结构图示意图及分布图如图1-5所示，包括底座支架1、横向直线导轨101、纵向直线导轨102、放丝装置2、放丝辊子201、放丝电机202、弹簧203、碳纤维3、PLC控制器4、走丝辊子5、压丝装置6、压丝电机601、压丝辊子602、压丝导轨603、溶液槽7(左右两个：PDAC溶液槽703、MXene溶液槽704)、PDAC溶液槽移动电机701、MXene溶液槽移动电机702、两个PH检测及换液装置8、(由于MXene溶液槽和PDAC溶液槽结构和装置都相同，所以只对其中MXene溶液槽结构及装置进行介绍)、清洗装置和烘干一体化装置9、清洗烘干装置移动电机901、清洗装置902、烘干装置903、收丝装置10、收丝电机1001、收丝辊子1002；该装置上的导轨都为直线式滚珠丝杠导轨，电机都采用步进电机，除了放丝辊子201和收丝辊子1002为主动辊外其余辊子都为从动辊子。其中放丝装置2和收丝装置10安装在底座支架1上横向导轨101前后端，放丝装置2与支架1滑动连接，且放丝装置2与支架1上有弹簧203连接，收丝装置固定。两溶液槽7安装在底座支架上纵向导轨102的左右两侧，通过溶液槽移动电机701、702带动下在纵向直线滚珠丝杠导轨上移动，碳纤维丝3由放丝装置2和收丝装置10拉直，清洗烘干一体化装置9安装在横向直线运动导轨101上，通过清洗烘干移动电机901带动在横向直线滚珠丝杠导轨上移动，初始位置位于收丝装置10左侧。两个PH检测及换液装置8分别安装在溶液槽702、703的底部，当溶液PH值偏离规定值(4-7)时可自动进行换液，整个装置由PLC控制器4进行控制。

本发明一种基于MXene相改性碳纤维装置,具体工作实施方式为：阶段化连续工作时，碳纤维3在放丝2、收丝10装置上的步进电机202、1001的作用下预紧，步进电机701带动纵向直线滚珠丝杠导轨102左侧的PDAC溶液槽703移动到纤维丝3下方，经过压丝装置6上的压丝电机601带动压丝辊子602沿着滚珠丝杠导轨603将纤维丝压到PDAC溶液槽703内进行浸泡，在纤维丝进入溶液槽过程中，放丝装置2和收丝装置10上的电机202、1001都制动停止，辊子201、1002停止，放丝装置2在纤维丝3拉力作用下会开始向右移动并开始压缩弹簧203，直到压丝辊子602带动纤维丝3到达溶液槽703底部停止，当浸泡时间完成后，压丝辊子602向上移动，此时碳纤维丝3在放丝装置2上弹簧203张力的作用下拉直并脱离PDAC溶液槽703，然后溶液槽703由电机701带动返回原位置。同时在清洗烘干电机901作用下，清洗烘干装置9沿着横向直线滚珠丝杠导轨101移动，对碳纤维丝进行清洗并快速烘干。同样地，纵向导轨右侧的MXene溶液槽重复上述步骤。，完成“PDAC浸泡-烘干-MXene浸泡-烘干”一次处理周期。由PLC控制器4自动控制整个过程，反复以上过程(通常循环四次)即可在碳纤维表面获得均匀稳定的MXene涂层。之后在放丝电机202和收丝电机1001带动下进行下一段的纤维丝的浸泡。

本发明一种基于MXene改性碳纤维连续化装置，溶液槽如图3所示，(由于MXene溶液槽和PDAC溶液槽结构和装置都相同，所以只对其中MXene溶液槽结构及装置进行介绍)包括走丝辊子5、压丝装置6、压丝电机601、压丝辊子602、压丝导轨603、PH检测及换液装置8。走丝棍子5为从动辊，防止纤维丝与溶液槽接触，压丝辊子602在压丝电机带动下可沿着压丝导轨603(滚珠丝杠式)移动，溶液槽中PH值维持在4-7之间，当PH值偏离此范围时由PH检测及换液装置8进行检测自动并换液。

本发明一种基于MXene改性碳纤维连续化装置，纤维丝浸泡过程如图4所示，压丝辊子602在压丝电机601的带动下沿着压丝导轨603开始向溶液槽7底部移动，纤维丝3经过走丝辊子5被压丝辊子602压入溶液槽底部进行浸泡，此时放丝装置2和收丝装置10的电机202、1001处于制动停止状态，放丝装置2在纤维丝3拉力作用下向溶液槽靠拢(碳纤维丝的拉伸强度远大于弹簧3的弹力，且足以带动放丝装置在底座支架上滑动)。纤维丝3在溶液槽7浸泡至少15min后，压丝辊子602在压丝电机601带动下回到初始位置，此时纤维丝3拉力减小，放丝装置由于弹簧203弹性的原因也回到初始位置，纤维丝3再次拉直，进行下一步清洗烘干。

本发明一种基于MXene改性碳纤维连续化装置，清洗烘干一体化装置9结构剖视图如图5所示，包括清洗烘干装置移动电机901、清洗装置902、烘干装置903，两个装置安装在箱体内，清洗装置902安装在箱体两侧，由底部左侧进行供水，右侧排水，烘干装置903安装在箱体上侧，热风烘干。碳纤维丝由放丝装置经过俩溶液槽中间然后穿过清洗烘干一体化装置牵引到收丝装置上，该一体化装置初始位置在收丝装置左侧，当纤维丝完成浸泡后溶液槽移向两侧后，清洗烘干一体化装置开始在导轨上由清洗烘干装置移动电机901带动顺着横向导轨101移动完成对纤维丝清洗烘干，完成后回到初始位置。这样箱体设计不仅可以快速将纤维上的溶液清洗烘干，同时清洗液也不会飞溅出对溶液槽内溶液PH造成影响。

Claims (4)

1.一种基于MXene相改性碳纤维装置，其特征在于：包括底座支架、直线运动导轨、放丝装置、收丝装置、碳纤维丝、两种盛液槽、压丝装置、PH检测及换液装置、清洗烘干一体化装置及PLC控制器，放丝装置和收丝装置分别安装在底座支架上的横向直线运动导轨两端，放丝装置与底座支架滑动连接，通过纤维丝拉伸和弹簧压缩可沿横向直线运动导轨移动，收丝装置固定，两种盛液槽安装在纵向导轨的左右两侧，可沿导轨移动，导轨都为滚珠丝杠式导轨，两盛液槽内装有PDAC和MXene溶液，其中PDAC带正电荷，MXene带负电荷；清洗烘干一体化装置安装在放丝装置和收丝装置之间横向导轨上，并靠近收丝装置一侧；碳纤维在放丝、收丝装置的作用下预紧，电机带动纵向导轨左侧的PDAC溶液槽移动到纤维丝下方，电机带动下压丝辊子将纤维丝压到PDAC溶液槽内进行浸泡；所述溶液池内安装有PH值检测及换液装置，用来检测池中溶液PH值的变化及换液，溶液的PH值维持在4-7；整个装置由PLC控制器进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于MXene相改性碳纤维装置，其特征在于：放丝装置和收丝装置安装在底座支架上的横向导轨前后两端，放丝装置与底座支架滑动连接，且与支架有弹簧相连，收丝装置固定，纤维丝由放丝装置和收丝装置牵引拉直。

3.根据权利要求1所述的一种基于MXene相改性碳纤维装置，其特征在于：沿着碳纤维走丝方向，溶液槽的始末两端安装有走丝辊子，该走丝辊子为从动辊，用来防止碳纤维和溶液槽的壁面摩擦而损伤；垂直于走丝方向，在溶液池的侧壁处安装压丝装置，由压丝电机带动，在碳纤维进入PDAC或MXene溶液时,压丝辊子沿着滚珠丝杠式导轨向溶液池底部移动，在辊子压力作用下将碳纤维压入溶液中。

4.根据权利要求1所述的一种基于MXene相改性碳纤维装置，其特征在于：清洗烘干一体化装置包括清洗烘干装置移动电机、清洗装置、烘干装置，两个装置安装在箱体内，清洗装置安装在箱体两侧，由底部左侧进行供水，右侧排水，烘干装置安装在箱体上侧，热风烘干。

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