一种用于木塑复合材料的碳纤维生产废料的表面处理方法.pdf

本发明主要涉及一种对碳纤维生产过程产生的不合格废丝进行表面处理以使其可以用于木塑复合材料的技术。该项技术的具体实施是通过以下方式完成的。碳纤维生产中的混合废丝(其中不合格PAN原丝40％，不合格预氧丝20％，不合格碳丝40％)切成长度为2mm的短丝，按废丝∶稀碱液＝1∶4的比例加入5％的碱液，80℃下搅拌1小时，离心脱除稀碱液，加水洗涤2次。洗涤后的混合废丝加入反应釜中，按1∶10∶20∶69的比例依次加入催化剂(蒽醌∶锡酸钠＝1∶2)，96％浓硫酸，30％双氧水和水，80℃下处理4小时，离心脱除处理液，用水洗涤至中性，烘干即得到产品。处理液补充双氧水后可以重复使用。

权利要求书
1.  一种将碳纤维生产过程产生的不合格废丝进行表面处理以使其可以用于木塑复合材料的技术，其特征在于本发明技术是具体是通过以下步骤实现的：碳纤维生产中的混合废丝(其中不合格PAN原丝40％，不合格预氧丝20％，不合格碳丝40％)切成长度为2mm的短丝，按废丝∶稀碱液＝1∶4的比例加入5％的碱液，80℃下搅拌1小时，离心脱除稀碱液，加水洗涤2次。洗涤后的混合废丝加入反应釜中，按1∶10∶20∶69的比例依次加入催化剂(蒽醌∶锡酸钠＝1∶2)，96％浓硫酸，30％双氧水和水，80℃下处理4小时，离心脱除处理液，用水洗涤至中性，烘干即得到产品。

2.  根据权利要求1中所述的一种将碳纤维生产过程产生的不合格废丝进行表面处理以使其可以用于木塑复合材料的技术，其特征在于碱洗过程中废丝与稀碱液的比例为1∶2-6。

3.  根据权利要求1中所述的一种将碳纤维生产过程产生的不合格废丝进行表面处理以使其可以用于木塑复合材料的技术，其特征在于所述催化氧化处理过程的催化剂为蒽醌和锡酸钠的混合物，混合比例为1∶2。

4.  根据权利要求1中所述的一种将碳纤维生产过程产生的不合格废丝进行表面处理以使其可以用于木塑复合材料的技术，其特征在于催化氧化过程中催化剂的用量为0.5-2％。

5.  根据权利要求1中所述的一种将碳纤维生产过程产生的不合格废丝进行表面处理以使其可以用于木塑复合材料的技术，其特征在于催化氧化过程中96％硫酸的用量为6-15％。

6.  根据权利要求1中所述的一种将碳纤维生产过程产生的不合格废丝进行表面处理以使其可以用于木塑复合材料的技术，其特征在于催化氧化过程中30％双氧水的用量为15-25％。

7.  根据权利要求1中所述的一种将碳纤维生产过程产生的不合格废丝进行表面处理以使其可以用于木塑复合材料的技术，其特征在于催化氧化反应温度为60-90℃。

8.  根据权利要求1中所述的一种将碳纤维生产过程产生的不合格废丝进行表面处理以使其可以用于木塑复合材料的技术，其特征在于催化氧化反应时间为2-6小时。

说明书一种用于木塑复合材料的碳纤维生产废料的表面处理方法
技术领域
本发明涉及一种用于木塑复合材料增强纤维的碳纤维生产废丝的表面处理技术。
背景技术
在碳纤维生产过程中，不可避免地要出现性能指标达不到要求的不合格产品，这些残次品不能进入正常的市场，一般都是作为废物堆积在仓库或者以极低的价格用于其他领域。碳纤维生产过程中产生的不合格产品的处理问题是每一个碳纤维生产企业急需解决的问题之一。
碳纤维生产过程中的不合格产品主要有三种，PAN原丝生产过程中产生的不合格原丝、预氧化过程产生的不合格预氧丝以及碳化过程产生的不合格碳丝。
木塑复合材料是废弃木材及农作物秸秆等经粉碎后，与塑料混合，再加入各种助剂，经热压复合或熔融挤出等加工工艺而制成的一种高性能高附加值的新型复合材料。由于原料主要来源于废弃木材和废弃塑料，对缓解木材资源紧张状况和解决塑料污染问题起到了重要作用。
但是由于目前木塑复合材料的物理力学性质普遍偏低，制约了其应用范围和高端产品的开发。单纯地从界面改性角度提高木塑复合材料的力学强度已不能满足需求，且部分改性剂存在成本较高的问题，因而利用增强纤维提高木塑复合材料力学性能则是拓展其应用领域的一个良好途径。已经有人将Kevlar纤维、剑麻纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等力学性能较好的纤维经改性后添加到木塑复合材料中，以提高其拉伸强度、弯曲强度及抗冲击强度等。但这些纤维材料的价格还是使木塑复合材料的成本处于较高的水平。
为克服这个缺点，我们提出了使用碳纤维生产过程产生的废料(包括不合格的丙烯腈原丝、预氧化丝及碳丝等)作为增强纤维用于木塑复合材料的解决方法。然而，由于PAN原丝、预氧丝及碳丝的表面与塑料粉及木粉的相容性不好，使增强纤维的界面剪切强度较小，影响了增强纤维性能的发挥，所以必须进行必要的表面处理以使其适用于木塑复合材料。
本发明提供了一种碳纤维生产废丝(PAN原丝，预氧丝，碳丝)表面处理技术，使处理后的增强纤维与木塑复合材料具有良好的相容性。
发明内容
本发明是一种将碳纤维生产过程产生的不合格产品进行表面处理以使其可以用于木塑复合材料增强纤维的技术。
具体做法是将碳纤维生产中产生的不合格产品切成一定长度的短切丝，经过碱洗、水洗后加入到反应器中，然后在蒽醌复合催化剂、硫酸存在下加入一定浓度的双氧水处理一定时 间，过滤、干燥得到表面处理的产品。
处理过程的技术原理如下：
碱洗过程主要是除去各种废丝表面的处理剂(如废PAN原丝表面的油剂，废碳丝表面的上浆剂等)以及清除在加工及保管过程中的污染等。水洗过程则是除去碱洗过程中残留的碱液。
碳纤维生产废丝的表面处理原理如下式所示：

碳纤维生产过程中产生的废丝有一个共同的特点，即纤维结晶度较高，表面规整紧密，与塑料或者木粉表面的结合力较小。在强氧化剂、催化剂及强酸介质中，各种废丝表面发生一定程度上的氧化、水解反应，生成酰胺基、羟基、氨基或者羧基，这样一方面由于基团之间的排斥力是PAN原丝表面松散，增加了分子间作用面积，另一方面产生的极性基团与塑料中的偶联剂可以很好结合，增加了与塑料的相容性。另外，PAN原丝表面的极性基团也与木粉表面有很好的相互作用，增加了它们之间的结合力。
具体实施方式
具体实施方式一
碳纤维生产中的混合废丝(其中不合格PAN原丝40％，不合格预氧丝20％，不合格碳丝40％)切成长度为2mm的短丝，按废丝∶稀碱液＝1∶4的比例加入5％的碱液，80℃下搅拌1小时，离心脱除稀碱液，加水洗涤2次。洗涤后的混合废丝加入反应釜中，按1∶10∶20∶69的比例依次加入催化剂(蒽醌∶锡酸钠＝1∶2)，96％浓硫酸，30％双氧水和水，80℃下处理4小时，离 心脱除处理液，用水洗涤至中性，烘干即得到产品。
处理液补充双氧水后可以重复使用。
为测试表面处理的效果，按以下配方制成增强木塑复合材料：高密度聚乙烯42份，木粉40份，混合废丝10份，偶联剂(马来酸酐接枝聚乙烯)6份，润滑剂石蜡2份。将上述物料使用高速混料机混合后送入螺杆挤出机中，熔融挤出得到颗粒状增强木塑复合材料。经测试其力学性能如下，抗拉强度46.6MPa，弯曲强度63.9MPa，冲击强度12.7MPa。
具体实施方式二
按实施方式一所述方法，只是将混合废丝改为不合格PAN原丝，操作条件与实施方式一相同，得到的产品经测试其力学性能如下，抗拉强度45.8MPa，弯曲强度62.4MPa，冲击强度12.5MPa。
具体实施方式三
按实施方式一所述方法，只是将混合废丝改为不合格预氧丝，操作条件与实施方式一相同，得到的产品经测试其力学性能如下，抗拉强度43.8MPa，弯曲强度60.6MPa，冲击强度11.0MPa。
具体实施方式四
按实施方式一所述方法，只是将混合废丝改为不合格碳丝，操作条件与实施方式一相同，得到的产品经测试其力学性能如下，抗拉强度47.3MPa，弯曲强度65.2MPa，冲击强度13.2MPa。
具体实施方式五
碳纤维生产中的混合废丝(其中不合格PAN原丝40％，不合格预氧丝20％，不合格碳丝40％)切成长度为2mm的短丝。按以下配方制成增强木塑复合材料：高密度聚乙烯42份，木粉40份，未经处理的混合废丝10份，偶联剂(马来酸酐接枝聚乙烯)6份，润滑剂石蜡2份。将上述物料使用高速混料机混合后送入螺杆挤出机中，熔融挤出得到颗粒状增强木塑复合材料。经测试其力学性能如下，抗拉强度28.8MPa，弯曲强度40.1MPa，冲击强度6.4MPa。
具体实施方式六
按实施方式一所述方法，所不同的是按废丝∶稀碱液＝1∶2的比例加入5％的碱液，其余操作条件与实施方式一相同，得到的产品经测试其力学性能如下，抗拉强度44.3MPa，弯曲强度60.2MPa，冲击强度11.2MPa。
具体实施方式七
按实施方式一所述方法，所不同的是按废丝∶稀碱液＝1∶3的比例加入5％的碱液，其余操作条件与实施方式一相同，得到的产品经测试其力学性能如下，抗拉强度45.6MPa，弯曲强度61.7MPa，冲击强度11.9MPa。
具体实施方式八
按实施方式一所述方法，所不同的是按废丝∶稀碱液＝1∶5的比例加入5％的碱液，其余操作条件与实施方式一相同，得到的产品经测试其力学性能如下，抗拉强度46.7MPa，弯曲强度63.7MPa，冲击强度12.7MPa。
具体实施方式九
按实施方式一所述方法，所不同的是按废丝∶稀碱液＝1∶7的比例加入5％的碱液，其余操作条件与实施方式一相同，得到的产品经测试其力学性能如下，抗拉强度46.8MPa，弯曲强度63.9MPa，冲击强度13.0MPa。
具体实施方式十
按实施方式一所述方法，所不同的是按0.5∶10∶20∶69.5的比例依次加入催化剂(蒽醌∶锡酸钠＝1∶2)，96％浓硫酸，30％双氧水和水，其余操作条件与实施方式一相同，得到的产品经测试其力学性能如下，抗拉强度39.4MPa，弯曲强度60.2MPa，冲击强度11.1MPa。
具体实施方式十一
按实施方式一所述方法，所不同的是按1.5∶10∶20∶68.5的比例依次加入催化剂(蒽醌∶锡酸钠＝1∶2)，96％浓硫酸，30％双氧水和水，其余操作条件与实施方式一相同，得到的产品经测试其力学性能如下，抗拉强度46.4MPa，弯曲强度63.9MPa，冲击强度12.9MPa。
具体实施方式十二
按实施方式一所述方法，所不同的是按2∶10∶20∶68的比例依次加入催化剂(蒽醌∶锡酸钠＝1∶2)，96％浓硫酸，30％双氧水和水，其余操作条件与实施方式一相同，得到的产品经测试其力学性能如下，抗拉强度46.8MPa，弯曲强度64.5MPa，冲击强度13.4MPa。
具体实施方式十三
按实施方式一所述方法，所不同的是按1∶6∶20∶73的比例依次加入催化剂(蒽醌∶锡酸钠＝1∶2)，96％浓硫酸，30％双氧水和水，其余操作条件与实施方式一相同，得到的产品经测试其力学性能如下，抗拉强度41.6MPa，弯曲强度60.1MPa，冲击强度10.3MPa。
具体实施方式十四
按实施方式一所述方法，所不同的是按1∶8∶20∶71的比例依次加入催化剂(蒽醌∶锡酸钠＝1∶2)，96％浓硫酸，30％双氧水和水，其余操作条件与实施方式一相同，得到的产品经测试其力学性能如下，抗拉强度43.4MPa，弯曲强度61.7MPa，冲击强度11.8MPa。
具体实施方式十五
按实施方式一所述方法，所不同的是按1∶12∶20∶67的比例依次加入催化剂(蒽醌∶锡酸钠＝1∶2)，96％浓硫酸，30％双氧水和水，其余操作条件与实施方式一相同，得到的产品经测 试其力学性能如下，抗拉强度47.4MPa，弯曲强度63.8MPa，冲击强度12.8MPa。
具体实施方式十六
按实施方式一所述方法，所不同的是按1∶15∶20∶64的比例依次加入催化剂(蒽醌∶锡酸钠＝1∶2)，96％浓硫酸，30％双氧水和水，其余操作条件与实施方式一相同，得到的产品经测试其力学性能如下，抗拉强度47.6MPa，弯曲强度63.6MPa，冲击强度13.2MPa。
具体实施方式十七
按实施方式一所述方法，所不同的是按1∶10∶15∶74的比例依次加入催化剂(蒽醌∶锡酸钠＝1∶2)，96％浓硫酸，30％双氧水和水，其余操作条件与实施方式一相同，得到的产品经测试其力学性能如下，抗拉强度44.4MPa，弯曲强度56.8MPa，冲击强度9.7MPa。
具体实施方式十八
按实施方式一所述方法，所不同的是按1∶10∶18∶71的比例依次加入催化剂(蒽醌∶锡酸钠＝1∶2)，96％浓硫酸，30％双氧水和水，其余操作条件与实施方式一相同，得到的产品经测试其力学性能如下，抗拉强度45.5MPa，弯曲强度58.7MPa，冲击强度10.8MPa。
具体实施方式十九
按实施方式一所述方法，所不同的是按1∶10∶25∶64的比例依次加入催化剂(蒽醌∶锡酸钠＝1∶2)，96％浓硫酸，30％双氧水和水，其余操作条件与实施方式一相同，得到的产品经测试其力学性能如下，抗拉强度46.9MPa，弯曲强度63.7MPa，冲击强度12.8MPa。
具体实施方式二十
按实施方式一所述方法，所不同的是催化氧化处理温度为60℃，其余操作条件与实施方式一相同，得到的产品经测试其力学性能如下，抗拉强度36.1MPa，弯曲强度43.2MPa，冲击强度7.6MPa。
具体实施方式二十一
按实施方式一所述方法，所不同的是催化氧化处理温度为70℃，其余操作条件与实施方式一相同，得到的产品经测试其力学性能如下，抗拉强度42.8MPa，弯曲强度59.8MPa，冲击强度10.4MPa。
具体实施方式二十二
按实施方式一所述方法，所不同的是催化氧化处理温度为90℃，其余操作条件与实施方式一相同，得到的产品经测试其力学性能如下，抗拉强度46.1MPa，弯曲强度63.8MPa，冲击强度12.6MPa。
具体实施方式二十三
按实施方式一所述方法，所不同的是催化氧化处理时间为2小时，其余操作条件与实施 方式一相同，得到的产品经测试其力学性能如下，抗拉强度37.7MPa，弯曲强度53.3MPa，冲击强度9.5MPa。
具体实施方式二十四
按实施方式一所述方法，所不同的是催化氧化处理时间为3小时，其余操作条件与实施方式一相同，得到的产品经测试其力学性能如下，抗拉强度43.8MPa，弯曲强度59.5MPa，冲击强度11.5MPa。
具体实施方式二十五
按实施方式一所述方法，所不同的是催化氧化处理时间为6小时，其余操作条件与实施方式一相同，得到的产品经测试其力学性能如下，抗拉强度46.7MPa，弯曲强度63.2MPa，冲击强度12.5MPa。