一种碳纤维激光石墨化上浆设备及方法与流程

本发明涉及碳纤维石墨化加工制造领域，尤其涉及一种碳纤维激光石墨化上浆设备及碳纤维激光石墨化上浆方法。

背景技术：

碳纤维是一种碳含量高于90％的一种无机高分子纤维材料，因为其具有优异的力学性能，高强度，高模量，导电导热，低密度，热膨胀系数小，广泛应用于国防军工、航空航天、土木建筑、体育用品等领域，碳纤维在惰性气体中，经过2000～3000℃高温石墨化，进一步脱除碳纤维中的N等元素，碳元素进一步富集，含碳量高达99％以上，经过石墨化，石墨微晶排列更加规整，微晶尺寸增大，微晶层间间距减小，具有更高的模量。

在纤维加工过程中，由于碳纤维是脆性材料，在加工过程中纤维与机体，以及纤维与纤维之间的摩擦、拉伸使得纤维单丝断裂造成毛丝和断丝。毛丝会导致基体树脂不能充分润湿碳纤维，在复合材料中产生孔隙，从而影响复合材料的力学性能，毛丝到处乱飞，将造成电器设备、仪表等断路事故，严重影响生产和安全，会对操作人员健康带来危害，断丝会导致生产中断，所以要经过上浆处理，赋予纤维平滑性、韧性和耐磨性，且可以保护纤维表面的活性官能团。

现有的碳纤维上浆方法主要有转移法、浸渍法和喷涂法，其中常用的方法是浸渍法，通过纤维浸入浆槽完成上浆；上浆剂主要是以环氧树脂为主剂，辅以各种助剂，配制成油性乳状液和水性乳状液，针对不同基体树脂通常需要有各自专门的上浆剂，所以上浆剂种类繁多，需要根据工艺调整设备。由于上浆前纤维与空气接触，上浆剂暴露在空气中，表面都有一定程度的污染，上浆剂在浆槽中静置会发生沉积。上浆过程中，由于上浆剂挥发、沉积以及上浆被带走，导致浆槽中乳液浓度发生变化，从而造成纤维表面上浆不均匀。

上浆剂主剂是环氧树脂，环氧树脂具有良好的结膜性，可以在纤维表面生成坚固而强韧的薄膜，起到很好地保护纤维的作用。为了达到更好的耐磨擦效果，需要使用分子量越大的环氧树脂，而环氧树脂分子量越大，上浆并干燥后的纤维集束性也越强，也就是说，一束纤维中的单丝通过上浆剂紧密结合在一起，难以分开，导致开纤性很差。良好的开纤性可以制造优良的预浸料，为制造碳纤维增强体复合材料做准备。

技术实现要素：

为解决现有的上浆剂种类繁多，上浆过程易受空气污染、上浆不均匀，开纤性差以及上浆过程滞后，易造成毛丝断丝在上浆之前产生的问题，本发明提出一种不仅可以提高对不同种类上浆剂的适应性，并且可以提高纤维上浆的质量，保证纤维的耐磨性和开纤性和生产效率的方法与设备。

实现上述目的的技术方案是：一种碳纤维激光石墨化上浆设备，主要由放丝装置、牵引装置A、气封端盖、石墨化炉主体、包覆机头、挤出机、烘干装置、牵引装置B、收丝装置组成。这些装置依次布置，其中放丝装置安装在最左端，牵引装置A安装在石墨化炉主体的左侧，气封端盖通过螺栓固定在石墨化炉主体的左端，石墨化炉主体的右端连接上浆包覆机头，在包覆机头的侧面与一台小型挤出机相连，包覆机头的右侧依次安装烘干装置、牵引装置B和收丝装置。

设备工作时，石墨化炉两侧的牵引装置A和牵引装置B通过速差控制给碳纤维施加牵伸力，在牵引装置的的牵引下，碳纤维经过气封端盖的进丝口进入到石墨化炉中，气封端盖上开有进气口，用于通入保护气体氩气，从而阻止外界空气经由进丝口进入石墨化炉内；石墨化炉上开有进气口和出气口，氩气可以通过进气口进入石墨化炉内并经出气口排出，从而在石墨化炉内形成惰性气体保护环境；在石墨化炉上周向均匀布置有单个或多个激光透射口，激光器可以通过激光透射窗口对处于惰性气体保护下的碳纤维进行加热；经过激光石墨化之后的碳纤维通过导向棒进入到上浆包覆机头，挤出机向包覆机头供料使上浆剂涂覆在碳纤维表面；经过上浆的碳纤维由口模出丝口进入烘干装置进行烘干，之后碳纤维经过牵引装置B进入到收丝装置收集成卷。

本发明一种碳纤维激光石墨化上浆设备，其包覆机头在与挤出机连接处开有泄压口，并通过泄压口连接压力阀，当机头内部压力超过设定值时，压力阀打开进行泄压，保证上浆剂不会因为机头压力过大而回流至石墨化炉内。

本发明一种碳纤维激光石墨化上浆设备，其挤出机出口可加装过滤网，用于清除上浆剂中可能存在的杂质。

本发明一种碳纤维激光石墨化上浆设备，其口模的出口直径可以是不同大小，并可以在拆除固定板后进行更换，使得设备可以对不同丝束粗细的碳纤维进行上浆，也可以对同一型号丝束碳纤维的上浆厚度进行调整。

本发明一种碳纤维激光石墨化上浆设备，其烘干机中可加装开纤辊，开纤辊可以是橡胶弓形圆棒，用于纤维丝束在上浆剂尚未凝固的时候开纤，分成小丝束碳纤维，也可不加装开纤辊，直接对整束碳纤维进行烘干处理。

本发明一种碳纤维激光石墨化上浆设备，其观察窗口可用于安装红外测温仪进行实时测温和观察激光石墨化过程。

具体工艺方法

采用本发明一种碳纤维激光石墨化上浆方法，首先将需要石墨化和上浆的碳纤维从牵引装置A经由石墨化炉、包覆机头和烘干机穿引至牵引装置B；然后打开抽气泵和氩气净化机，对石墨化炉进行抽气的同时通入高纯氩气；当出气口处的氧分析仪检测出炉内氩气浓度达标后开启牵引装置，使碳纤维在牵引装置A和牵引装置B的作用下移动；接着打开激光器红光按钮，让激光器先出红光进行定位找点，调整激光头的位置，使得激光加热位置达到设定位置后打开激光器激光发射按钮开始对碳纤维进行激光加热；然后打开挤出机向包覆机头供料，碳纤维经过包覆机头完成上浆过程；接着进入烘干装置进行烘干处理或者对碳纤维进行开纤处理；最后在收丝装置处去除引丝过程中未处理的碳纤维后开始进行连续收丝成卷。

与现有的技术相比，本发明的有益效果是：

挤出机螺杆可以进行更换以适应热固性和热塑性等不同类型的上浆剂，应用广泛，适应性强。

单纯的石墨化炉，进出口都需要惰性气体密封，本石墨化炉出口直接与包覆机头相连接，省去了出口处的惰性气体密封，节省了氩气的使用量。

石墨化完成后直接进行上浆处理，没有与空气接触，表面洁净，提高了纤维丝束的表面质量，有利于提高纤维的力学性能；同时走丝距离短，减少因为纤维之间摩擦导致的毛丝，保证纤维表面质量，提高生产效率。

上浆剂经过挤压，质地均匀密实，而且与纤维表面紧密贴合，由于在有压力的环境下上浆，上浆剂的结膜性比在上浆剂浆槽中浸渍效果更好，纤维表面的皮膜更加致密，提升制备复合材料的性能。

上浆剂在机头中进行上浆，避免了与空气中的杂质接触，也避免了因挥发，沉积引起的上浆剂各组分的变化，保证了上浆剂的质量。

上浆剂可以用分子量大的环氧树脂，增加耐磨性，上浆之后，在上浆剂未干燥粘结在一起时，及时进行开纤，使纤维具有良好的开纤性，可以制备优质预浸料，为制造复合材料做好准备。解决了集束性与开纤性的矛盾。

石墨化炉中使用激光加热，温度、加热点控制更精确，可以实现可控制备，可以迅速提高纤维温度到2500℃以上，而周围设备温度较低，能耗低，设备使用寿命长。

附图说明

图1为本发明一种碳纤维激光石墨化上浆设备示意图。

图2为本发明一种碳纤维激光石墨化上浆设备制备的纤维上浆后在开纤辊上开纤示意图。

图中：1-放丝装置，2-牵引装置A，3-气封端盖进气口，4-气封端盖，5-石墨化炉主体，6-激光透射口，7-观测窗口，8-惰性气体进气口，9-惰性气体出气口，10-导向棒，11-包覆机头，12-固定板，13-口模，14-过滤网，15-挤出机螺杆，16-挤出机，17-烘干装置，18-开纤辊，19-牵引装置B，20-收丝装置。

具体实施方式

本发明一种碳纤维激光石墨化上浆设备，如图1所示，主要包括放丝装置1、牵引装置A2、气封端盖4、石墨化炉主体5、包覆机头11、挤出机16、烘干装置17、牵引装置19、收丝装置20。放丝装置1安装在牵引装置A2的左侧，牵引装置2A在石墨化炉主体5的左侧，牵引装置A2和牵引装置B19的速比辊给予碳纤维牵伸力的作用，纤维通过气封端盖4的进丝口进入石墨化炉主体5中；炉体端部由气封端盖4进行密封，通过气封端盖进气口3通入氩气，阻止空气经由进丝口进入石墨化炉主体5内部；利用抽气泵从出气口8将炉内空气抽出，同时通过进气口9向炉内通入高纯氩气，维持石墨化炉内惰性气体保护环境；当出气口8处的氧气分析仪检测出炉内气体达到要求后，激光器通过激光透射口6对碳纤维从各个方向进行加热；红外测温仪可以通过观察窗口7对加热区域进行实时测温；经过激光石墨化后的碳纤维经由导向棒10进入包覆机头11，挤出机16通过螺杆15向包覆机头提供上浆剂，过滤网14可以对上浆剂进行过滤处理；口模13由固定板12安装在包覆机头11上，可以根据要求进行更换，碳纤维在包覆机头11中上浆后通过口模13进入至烘干装置17中进行烘干处理；烘干装置17中可加装开纤辊18，开纤辊18可以是橡胶弓形圆棒，用于纤维丝束在上浆剂尚未凝固的时候开纤，分成小丝束碳纤维；之后碳纤维经过牵引装置19进入到收丝装置20收集成卷。

具体实施例：

乳化型上浆剂各组分：(1)主剂：双酚A环氧树脂，(2)稀释剂：乙二醇单乙醚，(3)乳化剂：芳香族非离子乳化剂，(4)润滑剂：丁基硬脂酸酯，(5)溶剂：水。其中，物料(1)、(2)、(3)、(4)进行高速搅拌混合，在50-60℃下混合均匀，之后加入(5)，降低搅拌转速，在40℃以下充分搅拌混合，使其均匀，进行乳化转相，得到乳白色的乳液上浆剂。

采用PAN基碳纤维，通过牵引装置A2和牵引装置B19的速比辊受到牵伸力的作用，走丝速度60mm/min，由气封端盖4的进丝口进入石墨化炉主体5，氩气经由氩气净化机后通过进气口9进入石墨化炉中，入口压力为0.25MPa，出气口8接有微型抽气泵，抽气速度为0-5L/min，当石墨化内气体达到要求后，激光器通过激光透射窗口6对石墨化炉内的碳纤维进行激光加热，上浆剂各组分通过投料口进入挤出机16，经过乳化过程后，通过挤出机螺杆15旋转挤压，挤压去除上浆剂中的气泡，向前输送，螺杆转速控制在70r/min，乳化液经过过滤网14过滤掉不溶性杂质后进入包覆机头11，碳纤维通过导向棒10进入包覆机头11，上浆剂紧密地涂覆在纤维表面，经过口模13挤出上浆，刚刚上浆完成的丝束进入烘干装置17进行烘干，根据需要，可以经过开纤辊19在上浆剂尚未凝固时开纤，分成小丝束碳纤维，开纤扩幅之后小丝束碳纤维可以在烘干装置17中烘干，烘干装置17的设定温度为180-210℃，烘干完成后由收丝装置20收集上浆后的碳纤维。