专利名称：用于延展碳纤维束的装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于将碳纤维束延展成碳纤维带的装置，它带有一个加热装置和一个在碳纤维束运行方向上安置在加热装置之后的延展装置。此外，发明还涉及一种用于将碳纤维束延展成碳纤维带的方法，在该方法中对碳纤维束先进行加热，再进行延展。
背景技术：
碳纤维常常应用于纤维增强塑料材料的生产。碳纤维有较低的质量，而在纵向具有较高抗拉强度。碳纤维常常埋入塑料基体。如果在一种这样的塑料基体内有着多层沿不同方向延伸的碳纤维，就能够提高抗拉强度，由此也就在多个方向上获得改善的载荷。
碳纤维由制造商通常以碳纤维束形式供货。这种碳纤维束常常是卷绕在一种筒子上。有时，碳纤维也存放在一个容器内。碳纤维束对于生产复合材料来说，一般显得太厚。为此，在生产一种碳纤维增强复合材料时，通常要求各碳纤维主要并列排列，重叠层次很少。为此选择这样过程，即先将碳纤维束延展，然后将由此获得的碳纤维带使用一个引纬装置或折叠装置喂入到一台带引纬器的经编机或喂入到一台多轴向织机内，这些机器将许多根并列排列的碳纤维带织出一种织物。在此通常将多组不同定向的碳纤维带重叠铺置，例如以0°位置，90°位置，+45°位置和-45°位置。关于碳纤维带的延展和铺置是大家所知的。
如大家所知，只要碳纤维束在延展之前先加热，就能使碳纤维束非常成功地延展成碳纤维带。对于已经上了一种浆料或一种粘合剂的碳纤维，当它加热时也同样使浆料或粘合剂加热，这样单根碳纤维的边侧粘合就会消弱，并且碳纤维在作用在碳纤维束上的压力下能更好地扩展。
加热方法有多种。众所周知的一种方法是，将加热的空气施加到碳纤维束。在此如果气流条件不适当，则用热空气加热会导致碳纤维束中的碳纤维紊乱，从而起到妨碍延展或扩展的效果。
另一种可用的加热方式是，将碳纤维束通行过加热辊。将加热辊的热量传递到碳纤维束。这项技术方案原则上是可行的。但它要求较大的能耗，因为不仅碳纤维束，而且全部加热辊都要加热。一大部分未利用的热量从加热辊辐射到周围环境。此外，由于加热辊的热惯量，很难对变化作出反应，比如对碳纤维束的运行速度的改变作出反应。因此就会导致碳纤维束受到过度加热或加热不充分。
发明内容
本发明的任务是，采用简单方式就能延展碳纤维束。
此任务在前面所述的装置方面如此解决；加热装置具有至少两根按一定间距安置的电极，碳纤维束贴靠在电极上朝延展装置移动，这时电极都与电源接通。
电源产生电极之间的电位差。碳纤维束含有导电的碳纤维。导电性结合电极之间的电位差或电压引导电流通过碳纤维。由于碳纤维的欧姆电阻，电流在碳纤维中又引起电损耗功率，后者再次转变成热量，从而达到碳纤维束所要求的温度的提高。能量消耗因此较低，因为只需产生用于加热所需的电流。不需要对其它的机器部件加热。通过碳纤维的加热，粘附在碳纤维上的浆料也被加热。这样能有目的地克服碳纤维束的扩展或扩幅的主要障碍。通过选择碳纤维束中的电流强度，能较精确地调节出一规定的温度水平。当环境条件或操作条件改变时，电流强度也较快变动，从而可以快速对变动作出反应。热惯量是较低的。因为碳纤维束在正常生产运行时连续被牵引，实际上热惯量可以忽略。由于碳纤维束只一小区段加热，只较小的质量必须加热。如上所述，这又使生产运转中达到较低能量消耗。
电极最好交替地安置在碳纤维束的不同侧面。这有许多优点。其一，碳纤维束以S形穿行于电极之间。这也使得碳纤维束以一定的机械张力紧贴在电极上面，从而改进了接触阻力以及电流流动容易。其二，通过对碳纤维束的机械牵引，有助于碳纤维束的初始扩展。这些又使碳纤维束的较大面积贴靠在电极上，由此方便于电流通过。
优选方式是，至少一根电极设计成一个转向装置。该转向装置用于改变碳纤维束的方向。在此偏转角不需要大。但应当足够在碳纤维束上施加足够的机械张力。
至少在电极与碳纤维束相接触的区域内，最好有一个圆柱外壳形状。简单方式是，依据相应的圆柱体半径，保证碳纤维束的以及其内所含碳纤维的机械负荷保持较低。这样碳纤维束不弯曲。
碳纤维束最好贴紧在两根以上的电极上面，其中在运行方向上的第一电极和在运行方向上的最末一根电极处于相同的电位。这种简单的方案保证处于加热装置之外的碳纤维束有相同的电位。
如果电位与环境电位相一致，则具有特别优点。因它保证电流只能在加热装置内流通。环境电位比如是接着发生的带接触电位，即碳纤维带与一台多轴向织机的或一台带引纬器的经编机的机架的接触点。退绕出碳纤维带的筒子架也有相同的电位，即通常所称的“地电位”。如果第一和最末一根电极保证处于地电位，就不产生向外的附加电流通过。
最好，碳纤维束是以摩擦方式在电极上导向。其优点是，电极借助碳纤维带自行清洁。这样就防止了绒毛的形成。因此在较长时间运转下，电极和碳纤维带之间的接触电阻可以实现几乎无变动。电极能够停止，也可以转动。在后一种情况下，电极当然应制动或驱动，使碳纤维束和电极之间能产生一个相对速度。
最好，电源为恒流源，其电流强度是能调节的。这样始终保证，一个具有调节的强度的恒定电流流过碳纤维束的碳纤维。由此进入到碳纤维束的热量以及由此产生的温度升高可以用较高精确度进行调节。如果碳纤维束和电极之间可能由于不同接触电阻产生较小的干扰，对此可用简单方式有效消除。当例如产生较高的接触电阻时，为了保证稳定的电流，电源必须暂时提高其电压。价格合理的恒流源在商业上是可以获得的。
电源最好同一个传感器装置连接，传感器装置至少采集碳纤维束和/或碳纤维带预先规定的实际参数。这里电源作这样调节，即使实际参数是与预定的额定参数相一致。由此可以被动地调节延展过程。在此优选方式是，实际参数是在运行方向上位于延展装置之后的碳纤维带的宽度。碳纤维带宽度取决于温度。而温度又依赖于电流以及由此产生的电损耗热。测定碳纤维带的宽度可以无接触较简单地进行。最终的宽度即是工艺方法所依据的目标参量。如果可以直接采集到宽度并作为控制参数，那就不再需要换称。
优选将电源同机器控制装置连接，控制装置又和一个喂带装置连接，这里机器控制装置依据喂带装置的工作来控制电源。碳纤维束延展成碳纤维带由此也可通过传输过程数据主动配置。例如间歇式喂带器有明显优点。例如喂带器将碳纤维带放入到两根运输链条之间，这里放置只按喂带器的一个运行方向进行。喂带器返回时，就不再消耗碳纤维带。碳纤维束的加热可以较简单地与喂带器的工作相协调，因为碳纤维带实际受到牵引时才产生电流。至少可以减少“位置排列”或带子作标记。当然，在这种情况下，加热应当考虑碳纤维带的导向，特别是在加热碳纤维束时应考虑到加热装置和喂带器之间的这段碳纤维带。
最好对碳纤维束进行条带张力调节，这样就能影响碳纤维束和电极之间的过渡电阻并且基本上保持恒定。
为电极最好设置一个清洁装置。该清洁装置可以附加地或交替地自行借助碳纤维束清洁电极。以此方式保证电极和碳纤维束之间的接触电阻保持基本恒定。
电源最好在两根电极之间产生最高为60V的直流电压，特别产生12V至20V范围内的电压。直流电压较易调节。如果应用最大60V的电压，这是一种SELV(安全特低电压)或PELV(保护特低电压)，在此情况下，安全所花费用是较低的。对于操作人员来说，不产生危险的电位。
在发明任务在开头所述类型的方法方面如此解决，即在一预定的碳纤维束的长度内产生电流以进行加热。
因为碳纤维同时是一个欧姆电阻，因此可利用碳纤维束中碳纤维的导电性。如果借助碳纤维产生电流，同时也产生一个电损耗热，后者导致碳纤维温度升高，以及附着在碳纤维上的表面涂层，比如一种浆料或一种粘合剂的温度提高。借助于加热使相邻的碳纤维之间粘附作用减少，因而创造了一个条件，即便于碳纤维束的延展或扩展。由于碳纤维中的热量是自己产生的，因此只须加热较少的质量。电流能较快的变动。热惯量较小或甚至几乎不存在。该方法能较快地与生产中的一台与延展装置相连接的机器，比如一台多轴向织机或一台带引纬器的经编机的变动相适配。对比下，很少热量散出到周围环境，因为没有另外的机器元件需一起加热。当然，电能输入到用于加工碳纤维束的机器元件只产生微小损耗功率。该损耗功率远低于加热辊的损耗。
最好从一个位置产生电流，去到沿两个不同方向远离该位置的位置。从“喂入”位置处产生一个沿运行方向的电流以及一个逆碳纤维束运行方向的电流。这样保证在运行方向上处于相应最末电极前面或后面的碳纤维束区段。实际上是无电压的。在这些区段内不产生电流，所以电能在碳纤维束上的加载可以限制在清楚确定的区段上。
碳纤维束最好通过至少两根电极进行机械张紧。优点是，碳纤维束和电极之间的接触电阻得到改善。机械张力同时有利于一定的延展，后者又扩大了碳纤维束和电极之间的接触区域。这样又改进了电极和碳纤维束之间的电过渡，使电损耗功率实际仅在碳纤维束的碳纤维内产生，而不在其它机器元件内产生。
最好产生一个可调节的恒定电流。电损耗功率以及由此温度升高可以通过电流较精确地调节。
优选方式是，测定经过延展后的碳纤维带宽度并依据已达到的宽度来调节电流强度。通过碳纤维束的电流依据碳纤维带的宽度调节。
下面根据一种优选的实施例并结合附图对本发明进行说明。其中图1用于延展碳纤维束的一个装置的示意透视图；图2一个延展装置的放大图；图3延展装置放入到一台加工机器内的一个示意图。
具体实施例方式
图1表示一个用于将碳纤维束2延展成碳纤维带3的装置1。碳纤维束2卷绕在一个筒子4上，筒子在筒子架5内可旋转地支承在一个固定的轴6上。筒子4在筒子架5内以未示出的、但公知的方式制动。一个加压装置7作用到筒子4上，该加压装置另外能完成一个“填料状态指示器”的功能。
一根碳纤维束含有千万根以上的碳纤维，比如12,000(12K)根或24,000(24K)根汇集成束的碳纤维。通常，碳纤维有一表面涂层，比如浆料。该表面涂层使各根碳纤维相互粘附。
为进行后续加工，应将碳纤维束2横向于其运行方向8进行延展。为此设置一台延展装置9，图2中示出了其放大图。
延展装置9有一块带孔11的板10。孔10横向于运行方向8的宽度基本上确定碳纤维带以后的最大宽度。
在运行方向8上，孔11受到第一转向装置12和第二转向装置13的限制。碳纤维束2交替地在第一转向装置12下面以及第二转向装置13的上面导向，这时碳纤维束借助牵引碳纤维带3而保持一定的张力。两个转向装置12，13在运行方向8上有着较小的间距，从而即使在板10较小的厚度下，也能达到使碳纤维束2充分延展或扩展成碳纤维带3。
这里应指出的是，从相应数量的筒子4拉出来的多根碳纤维束2能够以示详细示出的方式进行加工。每根碳纤维束2都配置相应的延展装置9，这里相邻的延展装置9是并排的安置，他们的孔11是紧靠相连。
为方便延展或扩展碳纤维束2，将一台加热装置14在运行方向8上安置在延展装置9的上游。加热装置14在本实施例中有三根电极15-17，碳纤维束2S形状通过这些电极导引。根据图1的结构形式，碳纤维束2在运行方向8上的第一电极15下面导引，然后在第二电极16的上面导引，再在第三电极17的下面导引。因此碳纤维束2保持一定的张力。为此图3中展示一个碳纤维束张力调节装置18，其是退绕装置19的组成部分，筒子架5和筒子4也属于该退绕装置19。
电极15-17都是圆柱形棒。也就是它们有圆柱形圆周面，各碳纤维束2分别紧贴在上面。当然电极15-17设计成不旋转的，使碳纤维束以一定的摩擦通过电极15-17导向。碳纤维束2在从筒子4退绕时，也可以垂直于运动方向8位移，也就是以横动方式运行经过电极15-17。
从图1和图3看出，电极15-17处于不同的电位。中间电极16处于正电位，两根在运行方向8上处于外部的电极15，17处于负电位，其也称之为地电位20。图3中所示的加工碳纤维带3的装置21的其它部件也处于地电位20上，这将在下文详述。
为了产生各个电位以及由此一方面产生电极16和电极15之间的电位差，另一方面产生电极16和电极17之间的电位差设置一个电源22，后者一侧与电极16，另一侧与地电位20相连接，从而电源通过地电位20也就同两根电极15，17相连通。电源22产生电极15，16以及16，17之间的一个电压，其范围在12V至20V。最好是，该电压最大为42V，因为它是一种保护性低电压，而进一步的保护操作人员接触的保护措施只需花较小的费用。
碳纤维束的第一区段23布置在电极15，16之间，碳纤维束的第二区段24布置在电极16，17之间。当碳纤维束2贴靠在电极15-17上时，电流即流过这两个区段23，24。实际上，电流通过只限制于该区段23，24上，因为这两个在运行方向8上处于外部的电极15，17处在相同电位，正如碳纤维束2或碳纤维带3的其它接触点。
电极15，16或16，17之间电流通过是可能的，因为碳纤维束2的碳纤维本身是导电的。此外，碳纤维有一个欧姆电阻，使电极15，16及16，17之间流通的电流产生一个电损耗，其表现为产生热量。热量产生导致碳纤维束的温度升高，从而对碳纤维的表面涂层产生作用，并由此有利于碳纤维束2的扩展。
碳纤维束中碳纤维电性能，特别是欧姆电阻是大家所知的，或者也可采用测量技术事先测定。较简单方式可以借助电流的高度来计算电损耗功率的高度以及由此计算出在确定的电流强度下产生的温度升高。通过控制电流强度能有目的地将碳纤维束2调节到预先设定的温度。这种温度调节实际上能动无惯量地进行，因为电源22能很快调节到预先设定的电流强度。为了减少电极15-17和碳纤维束2之间接触电阻的负作用，电源22设计成带一个可调节电流的恒流源。如果过渡电阻升高的话，电源22必须提高其输出电压，以保证恒定的电流。
通过使碳纤维束2以一定的摩擦通过电极15-17导引，可以使过渡电阻在生产过程中基本上保持恒定。因而有目的阻止绒毛的附着或者消除掉粘附的绒毛。图3中所示清洁装置25-27是为每根电极15-17另外布置的，该装置例如借助一股有针对性的气流清洁电极15-17的表面。
图3表示装置1置入到一个延展碳纤维带3的装置21内。该装置例如有一个属于一台多轴向织机或一台带引纬器的经编机的喂带器28，其也可称之为条带喂入器。在一台多轴向织机上，每一层内放置有许多根并排的碳纤维带3。许多层相叠放。每一层内碳纤维带有一个相对于放置形成的幅面的纵向延伸方向的预先确定的定向。例如每层内的碳纤维带3的定向度可以是0°，90°，+45°和-45°。喂带器28受到图中所示的机器控制装置29控制。喂带器28抓住碳纤维带3的一个区段，将它放入到两条运输链之间。在喂带器28返程时，不输送碳纤维带3。在休息时间内也可以取消或减少碳纤维束2的加热。为了使电源22的控制不依赖于喂带器28的工作方式，机器控制装置29同电源22连接。在使用加热辊的情况下所发生的带子作标记或“位置排列”可以简化。
为此，作为附加方案或替代方案在延展装置9之后设置一个传感器30，其比如测定碳纤维带3垂直于运行方向8的宽度。依据所达到的宽度来调节电源所产生的电流，使测出的实际宽度符合预先给定的额定宽度。利用延展装置9所达到的宽度依赖于流过区段23、24的电流的强度。
配置有电极15-17的加热装置14能以简单方式很快地与不同的操作条件，比如多轴向织机的喂带器28的不同机器速度相适配。延展过程一方面可采取被动的调节，例如借助记录一个测定参量，如碳纤维带3的宽度或碳纤维带3的温度进行调节；另一方面，延展过程可以借助来自多轴向织机或其它下游机器的过程数据来主动调节。
权利要求
1.用于将碳纤维束延展成碳纤维带的装置，它带有一个加热装置和一个在碳纤维束运行方向上安置在加热装置之后的延展装置，该加热装置(14)具有至少两根相互按间距安置的电极(15-17)，碳纤维束在它朝延展装置(9)运动时紧贴在电极上面，其中电极(15-17)与电源(22)连接。
2.根据权利要求1的装置，其特征在于，所述电极(15-17)交替地安置在碳纤维束(2)的不同侧。
3.根据权利要求1或2的装置，其特征在于，至少一根电极(15-17)设计成转向装置。
4.根据权利要求1至3中任一项的装置，其特征在于，所述电极(15-17)至少在同碳纤维束的接触区域内有一个圆柱外套形状。
5.根据权利要求1至4中任一项的装置，其特征在于，所述碳纤维束(2)紧贴在两根以上电极(15-17)上，这里沿运行方向(8)的第一电极(15)和在该运行方向(8)上的最后一根电极(17)处于相同的电位。
6.根据权利要求5的装置，其特征在于，所述电位(20)是一个地电位。
7.根据权利要求1至6中任一项的装置，其特征在于，所述碳纤维束(2)是以摩擦方式行通过电极(15-17)导引。
8.根据权利要求1至7中任一项的装置，其特征在于，所述电源(22)是恒流源，其电流强度是可以调节的。
9.根据权利要求1至8中任一项的装置，其特征在于，所述电源(22)与一个传感器装置(30)连接，后者检测出碳纤维束(2)和/或碳纤维带(3)的至少一个实际参数，这里电源(22)如此调节，使该实际参数与一个预定的额定参数相符合。
10.根据权利要求9的装置，其特征在于，所述实际参数是在运行方向(8)上位于延展装置(9)后面的碳纤维带(3)的宽度。
11.根据权利要求1至10中任一项的装置，其特征在于，所述电源(22)与一个机器控制装置(29)相连接，后者也同一个条带喂入装置(28)相连接，这里机器控制装置(29)依据条带喂入装置(28)的动作控制电源(22)。
12.根据权利要求1至11中任一项的装置，其特征在于，所述碳纤维束(2)是受到一个带张力调节器(18)的作用。
13.根据权利要求1至12中任一项的装置，其特征在于，所述电极(15-17)设有一个清洁装置(25-27)。
14.根据权利要求1至13中任一项的装置，其特征在于，两根电极(16，15；16，17)之间的电源产生一个最大为60V的直流电压。
15.用于将碳纤维束延展成碳纤维带的方法，在该方法中，加热碳纤维束，然后进行延展，其特征在于，为了加热目的，使碳纤维束(2)的一段预先规定的长度(23，24)产生电流。
16.根据权利要求15的方法，其特征在于，从一个位置出发，产生朝两个沿不同方向远离该位置的位置而流动的电流。
17.根据权利要求15或16的方法，其特征在于，通过至少两根电极(15-17)机械地张紧碳纤维束(2)。
18.根据权利要求1至17中任一项的方法，其特征在于，产生一个可调节的恒定电流。
19.根据权利要求15至18中任一项的方法，其特征在于，检测所述碳纤维带(3)在经过延展后的宽度，并依据已达到的宽度调节电流强度。
全文摘要
提出了用于将碳纤维束(2)延展成碳纤维带(3)的一种装置和方法，该装置包括一个加热装置(14)和一个在碳纤维束(2)运行方向(8)上安置在加热装置(14)之后的延展装置(9)。可以用简单方式进行延展。为此，设计的加热装置(14)具有至少两根相互按一定间距安置的电极(15－17)，碳纤维束在其向延展装置(9)运行时紧靠在电极上面，其中电极(15－17)与一个电源(22)连接。
文档编号D01D10/00GK1958895SQ20061014329
公开日2007年5月9日 申请日期2006年11月3日 优先权日2005年11月4日
发明者J·纳斯特勒, F·维特曼, D·卢奇塞尔 申请人:卡尔.迈耶.马里莫纺织机械制造有限责任公司