一种碳纤维扩展设备及扩展方法与流程

本发明涉及碳纤维束的加工设备领域，具体涉及碳纤维的扩展设备。

背景技术：

随着航空航天、风电、新型汽车等高科技制造业的发展与成熟，相关的材料应用技术例如碳纤维材料技术也随之取得了长足的进步和广泛的应用。在实际应用中，由于大丝束碳纤维，如48K、60K以至于360K、480K等的价格要比小丝束的便宜很多，大丝束售价只有小丝束的50％-60％，所以更容易为生产者所接受，但是由于大丝束碳纤维存在随着纤维束根数增多而发生纤维的曲折、扭结的现象，且树脂基体不容易浸润到大丝束纤维束内部，单丝间容易产生孔隙，且容易造成纤维相和树脂相的富集与分离等缺陷，同时会随丝束直径增加，在复合材料成型过程中出现纤维屈曲及铺层角度错位的可能性也在增加，从而使复合材料强度、刚度受影响，力学性能降低、分散性大，不能满足结构设计的要求，无法发挥碳纤维增强材料高性能优势，因此突破低成本大丝束碳纤维发挥高性能优势关键技术就是开发大丝束碳纤维展开技术。

碳纤维原丝的扩展方式常规的都是采用热碾压法，发明专利——一种碳纤维束的扩展装置(201410366783.5)介绍了一种碳纤维束的扩展装置，包括预热区、若干扩展区和整理区，所述预热区和整理区分布在扩展区的两侧，所述预热区和扩展区内间隔分布有凸辊和凹辊，所述整理区内设有若干平辊；所述凸辊、凹辊和平辊内均设有加热机构；所述预热区的左侧和整理区的右侧分别设有牵引辊组一和牵引辊组二，所述牵引辊组一和牵引辊组二均连接有电机。本发明碳纤维束在不断经过凸辊的扩展和凹辊的收缩过程中获得在宽度上的加宽，直至变薄。扩展后的碳纤维束宽而薄，为均匀的纤维单向片；但是该方法展纤的碳纤维力学性能下降较大，并且容易对纤维丝束造成磨损，严重影响了碳纤维的使用，同时该类方法速度较慢，效率较低。

发明专利——一种用于扩展纤维束的设备及其工艺方法(201510417018.6)，介绍了一种用于扩展纤维束的设备，其特征在于：包括开卷装置，扩展槽系统，牵引及烘干装置及收卷装置；所述开卷装置包括阻尼控制器，张力监测装置及不少于两根的卷轴；所述扩展槽系统包括液槽、吊升架及若干个超声发射头。将碳纤维束导入装有超声波发生器与化学溶液的容器内，通过对超声波频率范围、溶液类型与浓度、碳纤维束在溶液中的牵伸速度的控制，使碳纤维束变得更轻薄；但是碳纤维原丝表面附着一层水性上浆剂，在超声波扩展的过程中，超声介质在振荡的过程中会破坏原丝表面的上浆剂，经过检测，使用一段时间的超声介质，其中含有大量的上浆剂，证明不论超声介质是何种物质，都会在超声的过程中，对上浆剂产生溶解破坏，缺失了上浆剂的碳纤维原丝，由于表面极为光滑，在浸渍树脂的过程中，不容易与树脂复合。

为了克服上述扩展过程中出现的上浆剂破坏和丝束断裂的问题，本发明提供了一种新的扩展设备和方法，经过高温蒸汽喷淋，使得上浆剂软化，然后进行高压吹扫，达到碳纤维扩展的目的。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的提供一种新的碳纤维扩展设备及扩展方法，采用气流吹扫和蒸汽喷淋结合，通过高频振动，达到将碳纤维原丝扩展的目的。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种碳纤维扩展设备，其特征在于：包括开卷丝轴、纠偏装置、扩展装置、牵引转轴和收卷装置；

所述开卷丝轴通过机械臂与伺服电机连接；

所述纠偏装置包括若干托架轮，每个托架轮之前设有光感测距器；

所述扩展装置包括设置在磁悬浮平台上的气流吹扫箱体，所述气流吹扫箱体内设有一块带有若干微气孔的吹扫板。

进一步，所述开卷丝轴的两端通过卡爪型机械臂固定连接，所述机械臂的一端与伺服电机固定连接，通过伺服电机驱动机械臂转动，机械臂的转动范围为360°。当原丝束发生偏转或者扭曲时，将信号传递给伺服电机，通过伺服电机反方向旋转，将原丝束纠偏；同时伺服电机的旋转方向为±360°，保证原丝束偏转后的回正。

进一步，所述纠偏装置的外壳为可视的规则箱体，包括至少两个以上的托架轮，所述光感测距器设置在托架轮的上游一侧，若干托架轮的排列方式为直线型、之字型或者任意其他形状。原丝束的宽度固定，通过光感测距器来检测原丝束的宽度，用以标记丝束是否发生扭曲或者偏转，当光感测距器检测到丝束的宽度小于设定值，通过控制器内的换算，得出丝束扭曲的方向和角度，将信号传输给伺服电机，通过伺服电机控制开卷丝轴向反方向转动，使得丝束恢复原位；当发生一次丝束扭曲后，第二个光感测距器检测到丝束再次发生扭曲，将信号传输给伺服电机，通过伺服电机控制开卷丝轴向反方向转动两倍；丝束继续前进过程中经过第三个光感测距器是，如果再次检测到丝束扭曲，将发生警报，整个扩展设备停止工作，采用人工纠偏。同时，光感测距器不仅限于上述的三个，也可以是更多个，并且光感测距器的排布方式，可以根据设备的安装场地和要求决定，并不仅限于本发明提到的排列方式；同时也可以根据安装要求将整个纠偏装置设置在封闭的箱体内，预留观察窗或者箱体采用透明玻璃或者树脂材料，使得整个丝束的行程在可视的范围内呈现。光感测距器的检测距离可以根据丝束的型号调整，比如12K的原丝，丝束宽度为6.5mm，如果光感信号检测到小于5mm，那么意味着发生了丝束扭曲或者偏转。

进一步，所述扩展装置为规则的箱体，吹扫板位于扩展装置的中部，沿水平方向将扩展装置分割为上下两个腔室，分别为蒸汽喷淋腔和高压腔，所述扩展装置的两端分别为入丝孔和出丝孔，吹扫板连接入丝孔和出丝孔的两端设置为倒角状，所述扩展装置的箱体四角设有四个锚固点，所述锚固点与磁悬浮平台分别通有相反电荷，形成电磁悬浮。

进一步，所述微气孔的横截面为锥形，微气孔的内径为0.4-0.6mm，相邻微气孔之间的间隔距离为0.4-0.6mm。

进一步，所述蒸汽喷淋腔的顶部设有若干蒸汽喷淋孔，蒸汽喷淋温度为100-110℃。

进一步，所述高压腔与空气压缩机连通，高压腔内的气压为0.4-0.8MPa。

本发明采用的扩展装置结合了气流吹扫、蒸汽加热和磁悬浮震动设计而成，碳纤维原丝束由入丝孔进入扩展装置，若干原丝束平铺在吹扫板上，吹扫板的上方腔体为蒸汽喷淋腔，通过若干蒸汽喷淋孔向原丝束喷淋热蒸汽，蒸汽的温度控制在100-110℃，原丝束表面的上浆剂的软化温度为90-100℃，进入扩展装置的碳纤维原丝束在热蒸汽的包裹下，表面的上浆剂逐渐软化，使得丝束内的原丝之间的粘结作用力降低，然后高压腔内通入的压缩空气，经过微气孔不断吹向原丝束，同时整个扩展装置置于磁悬浮平台上，磁悬浮平台通入交流电，通过变频器控制交流频率扩展装置不断横向震动，经过微气孔的气流在扩展装置左右震动的情况下左右移动，使得气流形成左右移动的吹扫情况，经过软化的原丝束在气流的吹扫作用下，丝束的单根原丝逐渐分散扩展；随着原丝束在牵引装置的牵引作用下，不断经过扩展装置，被热蒸汽软化和气流吹扫，达到丝束扩展的目的。

由于扩展装置设置在磁悬浮平台上，使得扩展装置的震动频率可以通过通入的交流频率控制，震动频率可以达到超声级别，同时蒸汽包裹的氛围又不至于使得上浆剂的脱落。

进一步，所述高压腔与空气压缩机之间设有除油过滤装置，用于将压缩空气中的油性物质除去。油性物质对原丝束表面的上浆剂有一定损伤。

一种碳纤维扩展方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将多锭丝束盘依此安装在开卷丝轴上；

(2)将丝束分别从开卷丝轴引出，分别绕过对应的光感测距器和托架轮；

(3)丝束进入扩展装置，丝束平铺经过吹扫板；

(4)经过扩展的丝束经过牵引装置并接入收卷装置；

(5)完成上述连接后进行开机运行，通过光感测距器检测每一条丝束的宽度，当发生丝束偏转后，信号传输给开卷丝轴上的伺服电机，通过伺服电机转动使丝束恢复原位；

(6)吹扫板上方蒸汽喷淋腔开启蒸汽喷淋，下方高压腔进行气流吹扫；同时扩展装置开始磁悬浮震荡。

本发明的优点在于：

1、扩展装置采用磁悬浮平台，可以经过变频器控制扩展装置的高频振动，实现震动频率覆盖50HZ-300HZ，跟任何机械震动相比，本发明的震动方式频率大大提高，并且不受设备的影响；

2、扩展装置内的吹扫板上设有若干微气孔，高压气体经过微气孔向碳纤维原丝束进行气流吹扫，吹扫板上形成若干吹扫气柱，对平铺在吹扫板上的原丝束进行快速吹扫，上方的喷淋孔不断的喷出热蒸汽，使得原丝束表面的上浆剂软化，在气流吹扫的作用下，丝束不断分散扩展，该扩展方式对原丝束几乎没有伤害，同时上浆剂不会脱落，保证丝束的完整，不会产生断裂；

3、采用通过光感测距器检测每一条丝束的宽度，当发生丝束偏转后，信号传输给开卷丝轴上的伺服电机，通过伺服电机转动使丝束恢复原位，避免了丝束在前进时发生扭曲或者偏转。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的立体结构图。

其中：1、开卷丝轴 2、纠偏装置 3、扩展装置 4、牵引转轴 5、收卷装置；

101、机械臂 102、伺服电机

201、托架轮 202、光感测距器

301、磁悬浮平台 302、气流吹扫箱体 303、微气孔 304、吹扫板 305、蒸汽喷淋腔 306、高压腔 307、入丝孔 308、出丝孔 309、锚固点 310、蒸汽喷淋孔 311、空气压缩机 312、除油过滤装置

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图所示的一种碳纤维扩展设备，其特征在于：包括开卷丝轴1、纠偏装置2、扩展装置3、牵引转轴4和收卷装置5；

所述开卷丝轴1通过机械臂101与伺服电机102连接；

所述纠偏装置2包括若干托架轮201，每个托架轮201之前设有光感测距器202；

所述扩展装置3包括设置在磁悬浮平台301上的气流吹扫箱体302，所述气流吹扫箱体302内设有一块带有若干微气孔303的吹扫板304。

进一步，所述开卷丝轴1的两端通过卡爪型机械臂101固定连接，所述机械臂101的一端与伺服电机102固定连接，通过伺服电机102驱动机械臂101转动，机械臂101的转动范围为360°。当原丝束发生偏转或者扭曲时，将信号传递给伺服电机102，通过伺服电机102反方向旋转，将原丝束纠偏；同时伺服电机102的旋转方向为±360°，保证原丝束偏转后的回正。

进一步，所述纠偏装置2的外壳为可视的规则箱体，包括至少两个以上的托架轮201，所述光感测距器202设置在托架轮201的上游一侧，若干托架轮201的排列方式为直线型、之字型或者任意其他形状。原丝束的宽度固定，通过光感测距器202来检测原丝束的宽度，用以标记丝束是否发生扭曲或者偏转，当光感测距器202检测到丝束的宽度小于设定值，通过控制器内的换算，得出丝束扭曲的方向和角度，将信号传输给伺服电机102，通过伺服电机102控制开卷丝轴1向反方向转动，使得丝束恢复原位；当发生一次丝束扭曲后，第二个光感测距器202检测到丝束再次发生扭曲，将信号传输给伺服电机102，通过伺服电机102控制开卷丝轴1向反方向转动两倍；丝束继续前进过程中经过第三个光感测距器202是，如果再次检测到丝束扭曲，将发生警报，整个扩展设备停止工作，采用人工纠偏。同时，光感测距器202不仅限于上述的三个，也可以是更多个，并且光感测距器202的排布方式，可以根据设备的安装场地和要求决定，并不仅限于本发明提到的排列方式；同时也可以根据安装要求将整个纠偏装置2设置在封闭的箱体内，预留观察窗或者箱体采用透明玻璃或者树脂材料，使得整个丝束的行程在可视的范围内呈现。光感测距器202的检测距离可以根据丝束的型号调整，比如12K的原丝，丝束宽度为6.5mm，如果光感信号检测到小于5mm，那么意味着发生了丝束扭曲或者偏转。

进一步，所述扩展装置3为规则的箱体，吹扫板304位于扩展装置3的中部，沿水平方向将扩展装置3分割为上下两个腔室，分别为蒸汽喷淋腔305和高压腔306，所述扩展装置3的两端分别为入丝孔307和出丝孔308，吹扫板304连接入丝孔307和出丝孔308的两端设置为倒角状，所述扩展装置3的箱体四角设有四个锚固点309，所述锚固点309与磁悬浮平台301分别通有相反电荷，形成电磁悬浮。锚固点的底端为一个金属片，通入电荷，而整个气流扩展箱体为绝缘箱体。

进一步，所述微气孔303的横截面为锥形，微气孔303的内径为0.4-0.6mm，相邻微气孔303之间的间隔距离为0.4-0.6mm。

进一步，所述蒸汽喷淋腔305的顶部设有若干蒸汽喷淋孔310，蒸汽喷淋温度为100-110℃。若干喷淋蒸汽孔连接一个蒸汽输送管路，通过蒸汽发生器供给热蒸汽。

进一步，所述高压腔306与空气压缩机311连通，高压腔306内的气压为0.4-0.8MPa。

本发明采用的扩展装置3结合了气流吹扫、蒸汽加热和磁悬浮震动设计而成，碳纤维原丝束由入丝孔307进入扩展装置3，若干原丝束平铺在吹扫板304上，吹扫板304的上方腔体为蒸汽喷淋腔305，通过若干蒸汽喷淋孔310向原丝束喷淋热蒸汽，蒸汽的温度控制在100-110℃，原丝束表面的上浆剂的软化温度为90-100℃，进入扩展装置3的碳纤维原丝束在热蒸汽的包裹下，表面的上浆剂逐渐软化，使得丝束内的原丝之间的作用力降低，然后高压腔306内通入的压缩空气，经过微气孔303不断吹向原丝束，同时整个扩展装置3置于磁悬浮平台301上，磁悬浮平台301通入交流电，通过变频器控制交流频率扩展装置3不断横向震动，经过微气孔303的气流在扩展装置3左右震动的情况下左右移动，使得气流形成左右移动的吹扫情况，经过软化的原丝束在气流的吹扫作用下，丝束的单根原丝逐渐分散扩展；随着原丝束在牵引装置的牵引作用下，不断经过扩展装置3，被热蒸汽软化和气流吹扫，达到丝束扩展的目的。

由于扩展装置3设置在磁悬浮平台301上，使得扩展装置3的震动频率可以通过通入的交流频率控制，震动频率可以达到超声级别，同时蒸汽包裹的氛围又不至于使得上浆剂的脱落。

进一步，所述高压腔306与空气压缩机311之间设有除油过滤装置312，用于将压缩空气中的油性物质除去。油性物质对原丝束表面的上浆剂有一定损伤。

一种碳纤维扩展方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将多锭丝束盘依此安装在开卷丝轴1上；

(2)将丝束分别从开卷丝轴1引出，分别绕过对应的光感测距器202和托架轮201；

(3)丝束进入扩展装置3，丝束平铺经过吹扫板304；

(4)经过扩展的丝束经过牵引装置并接入收卷装置5；

(5)完成上述连接后进行开机运行，通过光感测距器202检测每一条丝束的宽度，当发生丝束偏转后，信号传输给开卷丝轴1上的伺服电机102，通过伺服电机102转动使丝束恢复原位；

(6)吹扫板304上方蒸汽喷淋腔305开启蒸汽喷淋，下方高压腔306进行气流吹扫；同时扩展装置3开始磁悬浮震荡。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。