在组合生产线上串联等离子体源以将拆散的碳纤维丝束加入至模塑组合物的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种用于拆散碳纤维丝束包括将一碳纤维丝束投入到切碎机的自动化方法。碳纤维丝束被切割形成各种长度的裁切丝束部分，各个长度的裁切丝束部分都具有一个丝束体积。各种长度的裁切丝束部分被散布在一个移动的传送机上。将各种长度的裁切丝束部分暴露于来自于在所述的移动的传送机上的一第一等离子体源的一第一等离子体放电过程中，以形成拆散的碳纤维。或者，在所述的切割成各种长度之前将所述的碳纤维丝束暴露于所述的第一等离子体放电过程中。拆散的碳纤维之后被输送用于树脂模塑的模具中。一种在一张模塑化合物薄片上实施裁切纤维的系统包括将一碳纤维丝束切割为各种长度的裁切丝束部分的切碎机。接收所述的各种长度的裁切丝束部分的传送带。至少一个横向摆放在所述的传送带上的等离子体发生源。
【专利说明】在组合生产线上串联等离子体源以将拆散的碳纤维丝束加入至模塑组合物
[0001 ] 与之相关的专利申请
[0002]本申请主张2013年12月3日递交的序列号为61/911,223的美国临时申请的优先权，据此，其内容通过引用的方式并入。
技术领域
[0003]本发明通常涉及含碳纤维制品(carbon fiber containing articles)的生产，特别是涉及一种在生产线上铺展碳纤维丝束成为分散的碳纤维从而适用于内含在模塑组合物中的方法和系统。
【背景技术】
[0004]使用纤维内含物强化基质是公知的现有技术。用于强化的良好的现有机制(established mechanisms)包括放慢和延伸通过基质裂纹扩展的路径，和与来自周围基质材料中牵拉出一纤维相关的能量分布。在片状模塑组合物(SMC)配方和块状(bulk)模塑组合物(BMC)配方，以下被提及的均统称为“模塑组合物”，传统地，纤维强化已经涉及裁切玻璃纤维(chopped glass fibers)的使用。在模塑组合物的领域中用碳纤维代替模塑组合物中的部分或全部的玻璃纤维的认知日益增加。然而，由于玻璃和碳纤维之间的差异，这种效果仅获得有限的成功。特别地，这些差异包括纤维直径，用于模塑组合物中的玻璃纤维的直径通常具有16和30微米之间的直径，而碳纤维通常具有2和10微米的直径。此外，玻璃粗纱纤维织物，或丝束通常具有数十至数百个单独的纤维，而碳纤维丝束通常具有来自数千个丝束和甚至数万个单独的纤维。更进一步的区别存在于纤维-纤维的相互作用，其中玻璃纤维倾向于散射和基于裁切的拆散，范德华键和其他纤维间的表面相互作用倾向于使碳纤维无法在被裁切成用于模塑组合物的加固中的各种所需的长度后被拆散。而碳纤维丝束的拆散是在实验室规模的模塑中通过手动操作解决的，碳纤维丝束拆散为单独的裁切碳纤维的生广规模存在冋题。
[0005]共同待审批申请12/679,036在2012年5月I日递交，题目为“拆散碳纤维丝束及模塑包含该类纤维的组合物的方法”，通过引用的方式并入，提供了一种连续式拆散碳纤维丝束为分离的裁切碳纤维的方法和装置，并促进了碳纤维和模塑组合物组分间的相互作用以加强得到的SMC或BMC的强度。然而，拆散甚至用这些方法仍无法避免溶剂倾向于产生环境危害，并且没有充分湿润和铺展组成丝束的纤维。
[0006]因此，存在一种需求，即需要一种将拆散的碳纤维形成一个传送机加入至模塑组合物的自动化方法和装置。
【发明内容】
[0007]—种提供拆散碳纤维丝束包括将一碳纤维丝束投入至一切碎机的自动化方法。碳纤维丝束被切割形成各种长度的裁切丝束部分，各个长度的裁切丝束部分都具有一个丝束体积。各种长度的裁切丝束部分被散布在一个移动的传送机上。将各种长度的裁切丝束部分暴露于来自于所述的移动的传送机上的一第一等离子体源的一第一等离子体放电过程，或者，在所述的切割成各种长度之前将所述的碳纤维丝束暴露于所述的第一等离子体放电过程中。拆散的碳纤维被输送用于树脂成型的模具中。
[0008]—种在一张模塑化合物薄片上实施裁切纤维的系统，包括:将一碳纤维丝束切割为各种长度的裁切丝束部分的切碎机。接收所述的各种长度的裁切丝束部分的传送带。至少一个横向摆放在所述的传送带上的等离子体发生源。
【附图说明】
[0009]图1为本发明中配备有照射(impinging)碳纤维丝束的一等离子体发生源的传送机的示意图。
[0010]图2为已经暴露于一热离子体而被拆散的碳纤维丝束的照片和尚未暴露于热等离子体的一控制量的裁切纤维束的对比照片。
【具体实施方式】
[0011]本发明具有实用性，用于在自动化生产线上加入适合于内含在模塑组合物中的经裁切的和分散的碳纤维丝束的方法和系统，包括拆散大量的共同组成一丝束的碳纤维形成分散的裁切碳纤维适合用于模塑组合物配方中。通过将碳丝束暴露于一等离子体放电过程中，碳丝束被拆散。不希望被限定于特定的理论，在丝束中的一碳纤维的表面离子化包括一纤维-纤维的静电排斥。本发明中的实施例可能用于形成具有被加入到组合物中的裁切的分散的纤维的片状模塑组合物中，片材沿在自动化生产线上的一输送带上移动和至少一个安装在所述的传送带上的等离子体发生源电离碳纤维。
[0012]在本发明使用的，关于碳纤维丝束的“放样”、“拆散”和“铺展”为同义使用。碳纤维的“拆散”允许使树脂基质更完全地“浸湿”单个纤维以在最终的模制品中更好的传递应力，因此使该部分能够更好地在正常使用中承受应力和应变。
[0013]但是应该理解的是，在实施例中设置了值的范围，该范围旨在不仅仅包括该范围的端点值，还包含该范围的中间值，是明确包含在该范围中的，并且由该范围的最后有效数字改变。举例来说，从I到4的权利范围旨在包括I?2、I?3、2?4、3?4和I?4。
[0014]正如图2中所示，等离子体的生成引入了对碳纤维表面的必要能量用于建立纤维一纤维排斥以便引起丝束体积膨胀超过50%。
[0015]在本发明的使用中，丝束体积是由给定的丝束横截面的最大面积乘以丝束的长度来限定。在实施例中当一长度的丝束被暴露于等离子体放电过程时，最大终端面积(maximal terminal area)乘以裁切丝束部分的长度来限定丝束体积。虽然可以理解，碳纤维束拆散过程中能够在常规的弹性体传送机中发生从而便于冷等离子体的使用，可以理解的是热等离子体暴露也适合于使用了热等离子体温度相兼容的周边设备的碳纤维丝束拆散。
[0016]例如，热等离子体产生的温度约为1000°C。从等离子体的产生中传送机的分离，和压力的降低造成碳纤维丝束被暴露在明显较低的温度中。等离子体在压力从0.00001至I大气压力(atm)的变化范围内容易产生，在本发明的某些实施方案中，等离子体产生的压力范围为0.0OOl?0.1atm以产生等离子体。碳纤维丝束的拆散发生温度低至20°C。通常，拆散温度范围为20?250°C。在其它实施例中，拆散温度范围为40?200°C。
[0017]等离子体产生发生在各种气体中，例如氧气，空气，氮气，二氧化碳，稀有气体以及它们的混合物。举例来说，离子轰击的方法是一主要机理一如反应离子蚀刻一等离子体的功率密度(the power density)，以每立方厘米每千帕的瓦特为单位表示，将比电子派射占主导地位的方法要高。通常情况下，基于离子的方法具有的功率密度大约在3和100瓦/立方厘米/千帕之间，而基于电子的方法具有的密度约在0.1和10瓦/立方厘米/千帕之间。
[0018]离子轰击诱发激活容易在惰性气体如氮气、氖气、氩气中进行。在一些发明实施例中，一化学气相沉积(CVD)的前体在流化床中被加入到气体中以增加特定功能到碳纤维表面。
[0019]本发明装置的一个实施例如图1所示通常在10处，碳纤维12的一个或多个丝束被投入到一个常规的切碎机14中在一预选速度(preselected rate)相对于切碎机14的操作速率以得到预选的各种长度的碳纤维丝束16。这些各种长度的碳纤维丝束16被收集在从切碎机14下方经过的传送机18上。在一些实施例中，各种长度的碳纤维丝束16随着采用延碾机(spreader) 15的传送机18的宽度在方向和位置上进一步随机化。一个或多个等离子体发生源20安装在传送机18上面这样预选的各种长度的碳纤维丝束16被暴露于由一个或多个等离子体生成源20产生的等离子体中。在离子体21暴露的影响下，各种长度的碳纤维丝束16膨胀超过暴露等离子体前的50%，形成一个膨松的丝束22，在其它实施例中，体积超过等离子处理前体积的200%。在一些实施方案中，传送机18具有一个范围为0.9至1.8米的宽度。由因素包括该等离子体的离子能量、等离子体流量、传送机移动速率、碳纤维上浆身份(carbon fiber sizing identity)、丝束中纤维数量以及等离子源与碳纤维的接近度进行控制体积的增加程度。在本发明的一些实施方案中，如图2所示，用热等离子体能有效拆散裁切碳纤维或完整的碳纤维丝束。
[0020]在其他实施方案中，提供一个或多个等离子体发生源20’代替，或者与一个或多个等离子体产生源20共同合作。等离子发生源20’与发生源20是相同类型的，或在进入切碎机14前随着放样丝束12而改变运行参数。在本发明的实施方式中，碳纤维丝束12中具有至少1000个碳纤维到至少10000个碳纤维，在其他实施方案中每丝束中具有50000的碳纤维或更多纤维。可以理解的是，等离子发生源20从一盘状电极中发射一圆柱形等离子体，或着从一个跑道环形中发射直线体积的等离子体。根据本发明得到的裁切碳纤维可以在某些实施方案的配方加工处理(formulat1n cure)前随着片材沿生产线传送机移动模塑组合物配方片材被分散中可获得。通过控制在热固性树脂中的模塑组合物的单体极性，更进一步，获得散布和各向异性(dispers1n and anisotropy)的被裁切、等离子体撞击的碳纤维。
[0021]在本发明的其他实施方案中，拆散的纤维通常被输送到一快速热处理多过程(RTM)系统中，特别地，成型与为了RTM模塑的碳纤维预煅(pre-form)相一致。本发明的拆散的纤维提供更高强度的模塑。不打算必须通过本发明的方法增强一个特定的纤维润湿理论。
[0022]上面的描述是本发明的特定的具体实施方案的说明，但是此处并不意味着在实施中的限制。上述的权利要求，包括其中的所有等同物，旨在限定本发明的范围。
【主权项】
1.一种拆散碳纤维丝束的自动化方法，包括: 将一碳纤维丝束投入切碎机中； 切割所述的碳纤维丝束，形成各种长度的裁切丝束部分，所述的各个长度的裁切丝束部分均具有一个丝束体积； 将所述的各种长度的裁切丝束部分散布在移动的传送机上；以及 将所述的各种长度的裁切丝束部分暴露于来自于所述的移动的传送机上的一第一等离子体源的一第一等离子体放电过程中，以形成拆散的碳纤维。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括将一张模塑化合物薄片放置在所述的传送带上。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的等离子体源由横放在所述的移动的传送机上的一跑道形电磁分离器形成。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的拆散的碳纤维具有一个比所述的丝束体积大超过50 %的拆散体积。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的等离子体放电过程是在空气中发生的。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的等离子体放电过程是在大气压下进行的。7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，还包括在所述的切割该碳纤维丝束之前将所述的碳纤维丝束暴露于一第二等离子体放电过程中。8.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，还包括从所述的拆散的碳纤维中形成一快速热处理模塑预成品。9.一种拆散碳纤维丝束的自动化方法，包括: 将一碳纤维丝束暴露于等离子体放电过程中，以形成一膨胀的丝束； 将所述的膨胀的丝束投入切碎机中； 切割所述的膨胀的丝束，形成各种长度的裁切丝束部分，所述的各个长度的裁切丝束部分均具有一个丝束体积；以及 将所述的各种长度的裁切丝束部分散布在移动的传送机上。10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括将一张模塑化合物薄片放置在所述的传送带上。11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述的等离子体源由横放在所述的移动的传动机上的一跑道形电磁分离器形成。12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述的拆散的碳纤维具有一个比所述的丝束体积大超过50 %的拆散体积。13.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述的等离子体放电过程是在空气中发生的。14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述的等离子体放电过程是在大气压下进行的。15.根据权利要求9至14任一项所述的方法，其特征在于，还包括在所述的切割该碳纤维丝束之前将所述的碳纤维丝束暴露于一第二等离子体放电过程中。16.根据权利要求9至14任一项所述的方法，其特征在于，所述的碳纤维丝束具有至少100个碳纤维。17.根据权利要求9至14任一项所述的方法，其特征在于，所述的碳纤维丝束具有至少1000个碳纤维。18.根据权利要求9至14任一项所述的方法，其特征在于，还包括从所述的拆散的碳纤维中形成一快速热处理模塑预成品。19.一种在一张模塑化合物薄片上实施裁切纤维的系统，包括: 将一碳纤维丝束切割为各种长度的裁切丝束部分的切碎机； 接收所述的各种长度的裁切丝束部分的传送带；以及 至少一个横向摆放在所述的传送带上的等离子体发生源。20.根据权利要求19所述的系统，其特征在于，所述的至少一个等离子体发生源是一个具有一发射等离子体而与各种长度的裁切丝束部分相接触的跑道形电磁分离器环的单个等离子体发生源。21.根据权利要求19所述的系统，其特征在于，所述的传送带具有范围为0.9?1.8米的宽度。
【文档编号】B29C70/48GK105829077SQ201480065504
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2014年12月3日
【发明人】弗兰克·马赫尔, 普罗拜尔·库马尔·古哈, 迈克尔·J.·西瓦捷克, 沙恩·什科普, 拉胡尔·拉内, 亚当·伯利
【申请人】康廷南拓结构塑料有限公司