一种碳纤维丝展纱加工方法与流程

本发明涉及纤维加工领域，具体地，涉及一种碳纤维丝展纱加工方法。

背景技术：

通过对现有技术的检索发现，中国专利cn200920282868.x公开了一种大丝束碳纤维扩展装置，该方法采用控制数对加热辊筒的辊间隙对纤维进行逐步挤压展纱。该装置具有结构简单，成本低廉的优点，但该方法适用于48k以上的大丝束碳纤维，而对于1k、3k、6k、12k等航空航天用小丝束碳纤维不适用。中国专利cn201020588051.8和cn201010528738.7公开了碳纤维丝的扩丝装置和碳纤维丝的扩丝加工方法，该方法采用两根带电金属辊轴对碳纤维加热后经扩宽通孔实现机械展纱。该装置及其方法适用于小丝束的扩宽，提高了纤维蓬松度和对树脂的浸润性,并提高其复合材料的剪切强度和刚度。但在制备高模量碳纤维，尤其是纤维拉伸模量达到400gpa时，该装置对于纤维的机械损伤严重，造成较多的毛丝出现，显著降低了纤维本身性能，对纤维的连续性以及后期制备复合材料的工艺产生不利影响。因此，如不解决以上问题，将显著地制约我国在航天航空高端复合材料的应用，尤其是对重量要求更为苛刻的空间探测用反射器等产品的轻量化进程。

申请号为201610166675.2的申请专利中公开了一种碳纤维展宽设备和工艺，该展宽设备包括依次设置的加热辊、展纱辊和展宽辊组件，所述展纱辊的外周面上分布有凹凸状颗粒；所述展宽组件包括展宽定位辊、压轮，所述压轮压在展宽定位辊上的缺口槽内，碳纤维从缺口槽和压轮之间通过。但该碳纤维展宽设备和工艺所展碳纤维纱不能有效控制其厚度，且其所展出碳纤维纱片，因在展开前无浸润上浆剂步骤，会出现起毛，断丝现象，降低碳纤维丝本身性能。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种碳纤维丝展纱加工方法，尤其是提供一种小丝束、高模量碳纤维展纱方法。

通过本发明方法展宽的碳纤维丝可很好的保留纤维优良性能，尤其针对高模量碳纤维丝展宽，可显著减少其机械损伤，且提高了碳纤维表面被润湿性。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供一种碳纤维丝展纱加工方法，包括如下步骤：

s1、碳纤维丝张紧展开；

s2、将张紧展开的碳纤维丝浸润上浆剂；

s3、将浸润上浆剂后的碳纤维丝通过加热块加热；

s4、将加热后的碳纤维丝通过辊轴装置展宽；

s5、对展宽后的碳纤维丝进行收卷。

具体地，本碳纤维丝展纱加工方法依次包括：碳纤维丝张紧展开、浸润上浆剂、两道次加热、碳纤维丝展宽以及收卷筒卷绕步骤；其中，碳纤维丝浸润上浆剂的步骤为：经过张紧的碳纤维丝在卷绕过程中，使碳纤维丝在加热前，均匀浸润上浆剂；碳纤维丝加热步骤为：使碳纤维丝过加热块，通过第一加热块进行一次加热，通过第二加热块、第三加热块进行第二次加热，在多次加热过程中使碳纤维丝受热充分；碳纤维丝展宽步骤为：将受热的碳纤维丝在辊轴装置中碾压进行展宽；收卷筒卷绕步骤为：由电机驱动的收卷筒对展宽后的碳纤维丝进行收卷。

在碳纤维丝展宽前，预先浸润上浆剂，对碳纤维进行上浆处理即在纤维表面，涂一层有机物保护层。上浆剂可以大大减少纤维丝起毛、断丝现象，使碳纤维丝集束，改善其加工性能并起到保护作用；此外，由于碳纤维丝毛丝的减少，改善了碳纤维丝的润湿性，使其复合材料制品的孔隙缺陷得到了改善。

优选地，步骤s2中，浸润上浆剂的步骤包括：在碳纤维丝加热之前，通过中间辊轴及盛有上浆剂的槽，在碳纤维丝传动过程中使碳纤维丝浸润上浆剂。

优选地，步骤s2中，所述上浆剂包括如下组分和含量：以重量份数计，环氧树脂8-20份，复配树脂2-6份，抗静电剂0.02-4份，溶剂100-150份。

优选地，所述环氧树脂的为ag-80环氧树脂(提高碳纤维丝层间强度)；

所述复配树脂为热塑性树脂或热固性树脂；

所述抗静电剂为表面活性剂或亲水物质(去除碳纤维丝表面静电)；

所述溶剂为聚丙烯乳液(作为溶剂与溶质有很好的相容性)。

优选地，步骤s3中，所述加热块为弧形加热块，相邻的所述弧形加热块通过中间辊轴间隔开，所述碳纤维丝依次经过若干弧形加热块的最大弧面。以使碳纤维丝与弧形加热块接触面积大，使其受热充分

优选地，所述弧形加热块包括第一加热块、第二加热块和第三加热块，所述碳纤维丝依次经过第一加热块的最大弧面、第二加热块的最大弧面和第三加热块的最大弧面。弧形加热块结构及尺寸一致。

碳纤维丝浸润上浆剂后，通过第一加热块，使碳纤维丝受热，对其进行第一次加热，然后，再通过第二加热块、第三加热块进行第二次加热，碳纤维第一次加热经过张紧轮张紧，再加热再张紧，多次加热，保证了碳纤维丝在展宽前充分受热。

更优选地，所述第一加热块相邻的其中一个中间辊轴与上浆剂接触。

优选地，所述第一加热块的温度为120℃-300℃，所述第二加热块的温度为120℃-300℃；所述第三加热块的温度为120℃-300℃。

优选地，所述第一加热块的最大弧面的曲率半径为150-300nm；所述第二加热块和第三加热块的最大弧面的曲率半径均为150-300nm。

优选地，所述第二加热块和第三加热块关于两者间的中间辊轴对称设置。以尽可能使碳纤维丝在收卷过程，张力均匀。

优选地，步骤s4中，所述辊轴装置包括相对转动的第一辊轴和第二辊轴，所述碳纤维丝进入两个辊轴之间碾压展宽，两个辊轴之间的距离可调。通过调节两辊轴之间的距离，可得到不同厚度的碳纤维丝，尤其是针对小束纤维丝的超薄展开更为适用。

优选地，所述第一辊轴的位置可调，所述第二辊轴的位置固定；第一辊轴为活动辊轴，第二辊轴为固定辊轴，活动辊轴曲率半径小于固定辊轴。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、在碳纤维丝展宽前，预先浸润上浆剂，对碳纤维进行上浆处理即在纤维表面，涂一层有机物保护层。上浆剂可以大大减少纤维丝起毛、断丝现象，使碳纤维丝集束，改善其加工性能并起到保护作用；此外，由于碳纤维丝毛丝的减少，改善了碳纤维丝的润湿性，使其复合材料制品的孔隙缺陷得到了改善。

2、本方法充分保留了碳纤维的优良性能，使其在对复合产品提出更高要求的航空航天领域中得到了进一步利用。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明碳纤维丝展纱加工方法的示意图；

图2为碳纤维丝经弧形加热块加热的局部放大图；

图3为弧形加热块的结构示意图；

图中，1-放卷筒；2-槽；3-中间辊轴；4-第一加热块；5-第二加热块；6-第三加热块；701-第一辊轴；702-第二辊轴；8-收卷筒。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例提供了一种碳纤维丝展纱装置，如图1所示，包括依次设置的放卷筒1、槽2、加热块、辊轴装置和收卷筒8；所述放卷筒1至收卷筒8方向上，依次设置有若干中间辊轴3；所述槽2内装有的上浆剂，所述槽2的上方设置有一中间辊轴3，且所述中间辊轴3与上浆剂的液面接触。

所述加热块包括依次设置的第一加热块4、第二加热5和第三加热块6，且第一加热块4和第二加热5之间、第二加热5和第三加热块6之间均设有中间辊轴3。所述第一加热块4与槽2之间无中间辊轴3；所述第三加热块6与辊轴装置之间设有中间辊轴3。所述加热块为弧形加热块。图2为碳纤维丝经弧形加热块加热的局部放大图；图3为弧形加热块的结构示意图。

所述第二加热块5和第三加热6块关于两者之间的中间辊轴3对称设置。

所述辊轴装置包括相对转动的第一辊轴701和第二辊轴702。

本实施例涉及一种碳纤维丝展纱加工方法，依次包括碳纤维丝张紧展开的步骤、碳纤维丝浸润上浆剂的步骤、碳纤维丝加热的步骤、碳纤维丝展宽的步骤以及收卷筒卷绕步骤；

所述碳纤维丝张紧展开的步骤为：将缠绕于放卷筒1上的碳纤维丝张紧展开；

所述碳纤维丝浸润上浆剂的步骤为：通过中间辊轴3及盛有上浆剂的槽2，在绕卷过程中使碳纤维丝浸润上浆剂；

所述碳纤维丝加热的步骤为：通过第一加热块4，使碳纤维丝受热，然后，再通过第二加热块5、第三加热块6进行碳纤维丝第二次加热；本实施例中，保证碳纤维丝加热后温度控制在150-200℃为佳；

所述纤维丝展宽的步骤为：经充分加热的碳纤维进入辊轴装置(包括相对转动的第一辊轴701、第二辊轴702)进行碾压展宽；

所述收卷筒卷绕步骤为：将展宽后的碳纤维丝均匀的卷绕到由电机驱动的收卷筒8上。

本实施例中，上浆剂的具体组分及含量见表1；第一加热块4的温度设置为140℃，第二加热块5的温度设置为170℃，第三加热块6的温度设置为170℃；所述第一加热块的最大弧面的曲率半径为150nm，第二加热块的最大弧面的曲率半径为300nm，第三加热块的最大弧面的曲率半径为300nm。

本实施例中采用碳纤维为东丽t800h-6k，其拉伸模量为294gpa，线密度为223g/km，经展开后碳纤维丝的宽度为3mm。

实施例2

本实施例涉及一种碳纤维丝展纱加工方法，所述加工方法与实施例1基本一致，不同之处在于：本实施例中，上浆剂的具体组分及含量见表1；第一加热块4的温度设置为155℃，第二加热块5的温度设置为180℃，第三加热块6的温度设置为300℃；所述第一加热块的最大弧面的曲率半径为200nm，第二加热块的最大弧面的曲率半径为180nm，第三加热块的最大弧面的曲率半径为250nm。

本实施例中对东丽公司高模量m55j-6k碳纤维丝进行展宽，其拉伸模量为540gpa，线密度为212g/km，展宽后碳纤维丝宽度为3.5mm。

实施例3

本实施例涉及一种碳纤维丝展纱加工方法，所述加工方法与实施例1基本一致，不同之处在于：本实施例中，上浆剂的具体组分及含量见表1；第一加热块4的温度设置为120℃，第二加热块5的温度设置为300℃，第三加热块6的温度设置为250℃；所述第一加热块的最大弧面的曲率半径为150nm，第二加热块的最大弧面的曲率半径为200nm，第三加热块的最大弧面的曲率半径为220nm。

表1实施例1-3中上浆剂的具体组分及含量

对比例1

本对比例涉及一种碳纤维丝展纱加工方法，所述加工方法与实施例2基本一致，不同之处在于：碳纤维丝加热时采用常规加热方法，所述常规加热方法为：采用加热棒加热其受热面积小，不能在加热过程中为碳纤维丝提供一定张力。

本碳纤维丝展纱加工方法经实际使用，所得纤维厚度分布均匀，纤维断丝、起毛等损伤较少，取得了较理想的效果。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。