展宽碳纤维丝束上浆、捻纱工艺、设备及应用的制作方法

本发明涉及碳纤维技术领域，尤其涉及一种展宽碳纤维丝束上浆、捻纱工艺、设备及应用。

背景技术：

碳纤维是一类脆性纤维材料，在生产及加工过程中，往往与设备部件有机械摩擦导致碳纤维起毛断纱，使得碳纤维丝束力学强度降低或生产加工效率降低。同时，由于毛丝的存在，在碳纤维预制体浸渍树脂时也会导致树脂基体不能充分浸润碳纤维，在复合材料制备过程中容易产生气泡或空隙，从而最终影响复合材料的力学性能。另外，毛丝的存在还会对工作环境产生影响，可能造成某些电器设备、仪表或电路等短路事故，严重影响到生产和安全。因此碳纤维提前上浆，在碳纤维表面覆盖一层几十纳米厚度的有机高分子薄膜，增加韧性、耐磨性和相互之间的粘结性，是解决碳纤维断纤和后道复合材料加工成型缺陷等问题的关键。

展宽碳纤维是一种将碳纤维分布均匀的扁平丝束，是制备轻质高强碳纤维复合材料的增强体。然而，在某些碳纤维加工成型领域，展宽碳纤维丝束不适合特定结构的加工工艺，将展宽碳纤维加捻获得纤维分布均匀的螺旋结构或圆柱体结构的碳纤维丝束，将使得碳纤维在螺旋柱体内均匀分布，受力时承力更加均匀，同时减少后道工序中碳纤维断纤造成的飞花，该类结构丝束在碳纤维长丝3d打印异形结构和垫纱机构制备碳纤维预制体时有广泛的应用前景。

目前，展宽碳纤维上浆的国内公开专利包括：cn201610166675.2(一种碳纤维展宽设备和工艺)，cn201410451043.1(一种碳纤维上浆后的干燥方法)，cn201520098738.6(一种超薄碳纤维束的制备设备)，cn201711280039.3(一种碳纤维丝展纱加工方法)，cn201510077085.8(一种超薄碳纤维束的制备方法及设备)，主要涉及如何将碳纤维丝束展宽的工艺、展宽的设备以及上浆后干燥方法，尚未涉及本发明上浆加捻一体成型的碳纤维柱体纱工艺。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提出了一种展宽碳纤维丝束上浆、捻纱工艺、设备及应用，展宽碳纤维丝束加捻后纤维均匀分布于纤维纱线柱体内，随捻度沿纤维轴线螺旋分布，纤维之间有一定的抱合力，适用于3d打印异形结构和垫纱机构制备碳纤维预制体。

本发明的技术方案是这样实现的：

一方面，本发明提供了一种展宽碳纤维丝束上浆、捻纱工艺，其包括以下步骤，

提供展宽碳纤维丝束；

上浆，将展宽碳纤维丝束通过表面平滑的罗拉挤压展平，浸入液态上浆剂中，再通过罗拉挤压去除碳纤维丝束内多余的浆液；

捻纱，对上浆后展宽碳纤维丝束绕展宽碳纤维丝束中心轴线方向旋转加捻成螺旋形状或圆柱形状的丝束；

烘干，将上浆且加捻后的碳纤维丝束送入烘箱烘干；

其中所述上浆步骤和捻纱步骤的先后顺序可以相互颠倒。

具体的，对于展宽碳纤维丝束来料规格不做限定，优选1～48k。具体的，可选1k、3k、6k、12k、24k和48k。单根碳纤维一般采用直径为7微米的连续长丝。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述上浆剂组分选自丙烯酸酯类、聚乙烯醇类、不饱和聚酯类、聚醚醚酮和经十二胺改性环氧树脂中的一种或几种的组合。优选采用其中两种组分，当采用其中两种组分时，两种组分之间的用量体积比优选在(1～2)：1之间。更优选，采用丙烯酸酯与pva的混合浆料，丙烯酸酯是良好的粘合剂，起到粘合的作用，pva可以提高碳纤维耐磨性能。在本发明实施例中，为了方便对比，所述上浆剂采用丙烯酸酯与pva按照体积比1：1配置的混合浆料。

针对来料规格为1～12k的展宽碳纤维丝束，可采用先上浆再捻纱的工艺步骤，当然，也可以采用先捻纱再上浆的工艺步骤。具体的，优选采用以下步骤，

上浆，将展宽碳纤维丝束通过表面平滑的罗拉挤压展平，浸入液态上浆剂中，再通过罗拉挤压去除碳纤维丝束内多余的浆液；

捻纱，对上浆后展宽碳纤维丝束绕展宽碳纤维丝束中心轴线方向旋转加捻成螺旋形状或者圆柱形状的丝束；

烘干，将上浆并加捻后的碳纤维丝束送入烘箱烘干。

针对来料规格为24～48k的展宽碳纤维丝束，展宽碳纤维丝束的宽度较大，在湿态条件下摩擦力小，不容易捻纱，所以可以先捻纱再上浆。具体的，优选采用以下步骤，

捻纱，对碳纤维丝束绕展宽碳纤维丝束中心轴线方向旋转加捻成螺旋或圆柱形状的丝束；

上浆，将展宽碳纤维丝束浸入液态上浆剂中，再挤压去除碳纤维丝束内多余的浆液；

烘干，将上浆且加捻后的碳纤维丝束送入烘箱烘干。

具体的，捻纱步骤中，捻度范围与展宽碳纤维丝束来料规格k数相对应，k数越大，捻度越大。进一步优选的，所述捻纱步骤中，捻度为展宽碳纤维丝束来料规格k数的10～100倍，其中，捻度单位为捻回数/米。

第二方面，本发明提供了一种展宽碳纤维丝束上浆、捻纱设备，具体的，

针对规格为1～12k的展宽碳纤维丝束来料，采用先上浆再捻纱的工艺步骤，对应的设备包括导纱罗拉、上浆槽、浸没辊、压浆罗拉、握持罗拉、第一握持旋转罗拉、第二握持旋转罗拉、烘箱和卷料辊，其中，

导纱罗拉，牵引展宽碳纤维丝束来料。具体的，展宽碳纤维丝束在导纱罗拉的牵引下，碳纤维呈平行排列状态进入上浆槽。

上浆槽，内部盛放上浆剂。在本发明实施例中，为了方便对比，所述上浆剂采用丙烯酸酯与pva按照体积比1：1配置的混合浆料，并对上浆剂加热至50℃，上浆剂对碳纤维丝束完全浸没。

浸没辊，引导从导纱罗拉过来的展宽碳纤维丝束来料浸没在液态上浆剂中。

压浆罗拉，对从浸没辊过来的展宽碳纤维丝束进行挤压，去除碳纤维丝束内多余的上浆剂。

握持罗拉，牵引从压浆罗拉过来的展宽碳纤维丝束。具体的，在本发明实施例中限定握持罗拉进丝速度控制在1m/min。

第一握持旋转罗拉，对从握持罗拉过来的展宽碳纤维丝束绕展宽碳纤维丝束中心轴线方向旋转加捻成扁平的螺旋状丝束。具体的，握持罗拉和第一握持旋转罗拉之间有一定的距离，在本发明实施例中限定其距离为50cm。优选的，第一握持旋转罗拉绕展宽碳纤维丝束中心轴线方向的旋转速度为2～4圈/秒。通过第一握持旋转罗拉对碳纤维丝束进行加捻，碳纤维丝束此时将由平直的扁平丝变成有螺旋形状的丝束。

第二握持旋转罗拉，对从第一握持旋转罗拉过来的碳纤维丝束绕展宽碳纤维丝束中心轴线方向进一步旋转加捻成圆柱形的螺旋状丝束，第二握持罗拉与第一握持罗拉的旋转方向相同。第二握持旋转罗拉绕展宽碳纤维丝束中心轴线方向的旋转加捻速度高于第一握持旋转罗拉的旋转加捻速度，优选的，第二握持旋转罗拉绕展宽碳纤维丝束中心轴线方向的旋转速度为3～6圈/秒。第二握持旋转罗拉使得碳纤维丝束的螺旋扁平形状变成螺旋圆柱形状。

烘箱，对从第二握持旋转罗拉过来的碳纤维丝束加热，固化上浆剂。在本发明实施例中限定烘箱温度为90～110℃，让上浆剂发生部分交联反应并固化，螺旋纱线形态被固化。

卷料辊，对从烘箱过来的碳纤维丝束收卷。

针对规格为24～48k的展宽碳纤维丝束来料，包括导纱罗拉、上浆槽、浸没辊、压浆罗拉、握持罗拉、第一握持旋转罗拉、第二握持旋转罗拉、烘箱和卷料辊，其中，

握持罗拉，牵引展宽碳纤维丝束来料。具体的，展宽碳纤维丝束在握持罗拉的牵引下，碳纤维呈平行排列状态进入第一握持旋转罗拉。

第一握持旋转罗拉，对从握持罗拉过来的展宽碳纤维丝束来料绕展宽碳纤维丝轴向方向旋转加捻成扁平的螺旋状丝束。具体的，握持罗拉与第一握持旋转罗拉之间有一定的距离，在本发明实施例中限定其距离为50cm。第一握持旋转罗拉既可以握持碳纤维丝束，又可以绕展宽碳纤维丝轴向方向进行旋转，旋转速度可以调节。优选的，第一握持旋转罗拉进丝速度为2～4m/min，绕展宽碳纤维丝轴向方向的旋转速度为3～6圈/秒，对碳纤维丝束进行加捻，碳纤维丝束此时将由平直的扁平丝变成有螺旋形状的丝束。

第二握持旋转罗拉，对从第一握持旋转罗拉过来的碳纤维丝束绕展宽碳纤维丝轴向方向进一步旋转加捻成圆柱形的螺旋状丝束，第二握持罗拉与第一握持罗拉的旋转方向相同。第二握持旋转罗拉绕展宽碳纤维丝轴向方向的旋转速度大于第二握持旋转罗拉，优选的，第二握持旋转罗拉绕展宽碳纤维丝轴向方向的旋转速度为6～10圈/秒。第二握持旋转罗拉使得碳纤维丝束的螺旋扁平形状变成螺旋圆柱形状。

上浆槽，内部盛放上浆剂。在本发明实施例中，为了方便对比，所述上浆剂采用丙烯酸酯与pva按照体积比1：1配置的混合浆料，并对上浆剂加热至50℃，上浆剂对碳纤维丝束完全浸没。浆液对碳纤维丝束完全浸没，碳纤维丝束呈负应力状态，浆液可以完全进入纱线内部。

导纱罗拉，牵引从第二握持旋转罗拉过来的碳纤维丝束。

浸没辊，引导从导纱罗拉过来的碳纤维丝束来料浸没在液态上浆剂中。

压浆罗拉，对从浸没辊过来的碳纤维丝束进行挤压，去除碳纤维丝束内多余的上浆剂。

烘箱，对从压浆罗拉过来的碳纤维丝束加热，固化上浆剂。在本发明实施例中限定烘箱温度为90～110℃，让上浆剂发生部分交联反应并固化，螺旋纱线形态被固化。

卷料辊，对从烘箱过来的碳纤维丝束收卷。

第三方面，本发明第一方面所述展宽碳纤维丝束上浆、捻纱工艺得到的碳纤维丝束在3d打印含浆膜碳纤维的异形结构和垫纱机构制备含浆膜碳纤维的预制体中的应用。

本发明的展宽碳纤维丝束上浆、捻纱工艺、设备及应用相对于现有技术具有以下有益效果：

(1)通过对展宽碳纤维丝束上浆、捻纱，纤维均匀分布于纤维纱线柱体内，随捻度沿纤维轴线螺旋分布，纤维之间有一定的抱合力，适用于3d打印异形结构和垫纱机构制备碳纤维预制体；

(2)第一握持旋转罗拉绕展宽碳纤维丝轴向方向的旋转速度小于第二握持旋转罗拉，逐步加捻，循序渐进，有利于碳纤维在加捻后的螺旋体内均匀分布，也有利于上浆剂的均匀分布，碳纤维之间抱合效果更加显著；

(3)本发明制备的加捻碳纤维丝束用于3d打印含浆膜碳纤维的异形结构，上浆膜作为保护膜，锋利的打印头拐角不会磨破浆膜，以防止碳纤维纱线起毛断纱，保证碳纤维3d打印连续进行；进一步采用耐磨的上浆剂，提高碳纤维的耐磨性能；加捻后的碳纤维，沿轴向具有各向受力均匀，碳纤维的力学优势更容易发挥，此外，加捻后碳纤维类似于圆柱体形状，相比于展宽丝束，与3d打印头的接触面积少了，单根碳纤维长丝由于螺旋排列亦不会长时间与打印头接触，所以加捻后的碳纤维纱线抗起毛起球效果就更好；

(4)应用于垫纱机构制备含浆膜碳纤维的预制体，预制体内纤维走向导致单丝的浆膜彼此接触，垫纱的碳纤维丝束接触比表面积大，浆膜的接触，减少丝束内纤维的断裂，有利于制备过程顺利进行，提升了垫纱预制体的制备效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明实施例1的展宽碳纤维丝束上浆、捻纱设备的连接关系示意图；

图2为本发明实施例1的展宽碳纤维丝束上浆、捻纱设备的第一握持旋转罗拉部分的立体图；

图3为本发明实施例2的展宽碳纤维丝束上浆、捻纱设备的连接关系示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1，针对规格为3k的展宽碳纤维丝束来料，采用先上浆再捻纱的工艺步骤，对应的设备包括导纱罗拉1、上浆槽2、浸没辊3、压浆罗拉4、握持罗拉5、第一握持旋转罗拉6、第二握持旋转罗拉7、烘箱8和卷料辊9，其中，

导纱罗拉1，牵引展宽碳纤维丝束来料。具体的，展宽碳纤维丝束在导纱罗拉1的牵引下，碳纤维呈平行排列状态进入上浆槽2。

上浆槽2，内部盛放上浆剂。在本实施例中，为了方便对比，所述上浆剂采用丙烯酸酯与pva按照体积比1：1配置的混合浆料，并对上浆剂加热至50℃，上浆剂对碳纤维丝束完全浸没。其中，上浆槽2内部设置有液位传感器，如果液面降低到设定阈值，则开启浆液循环装置，将浆桶里的上浆剂抽到上浆槽2内。

浸没辊3，引导从导纱罗拉1过来的展宽碳纤维丝束来料浸没在液态上浆剂中。

压浆罗拉4，对从浸没辊3过来的展宽碳纤维丝束进行挤压，去除碳纤维丝束内多余的上浆剂。

握持罗拉5，牵引从压浆罗拉4过来的展宽碳纤维丝束。具体的，在本实施例中限定握持罗拉5进丝速度控制在1m/min。

第一握持旋转罗拉6，如图2，对从握持罗拉5过来的展宽碳纤维丝束绕展宽碳纤维丝轴向方向旋转加捻成扁平的螺旋状丝束。具体的，握持罗拉5和第一握持旋转罗拉6之间有一定的距离，在本实施例中限定其距离为50cm。优选的，第一握持旋转罗拉6绕展宽碳纤维丝轴向方向的旋转速度为2圈/秒。通过第一握持旋转罗拉6对碳纤维丝束进行加捻，碳纤维丝束此时将由平直的扁平丝变成有螺旋形状的丝束。

第二握持旋转罗拉7，对从第一握持旋转罗拉6过来的碳纤维丝束绕展宽碳纤维丝轴向方向进一步旋转加捻成圆柱形的螺旋状丝束，第二握持罗拉7与第一握持罗拉6的旋转方向相同。第二握持旋转罗拉7绕展宽碳纤维丝轴向方向的旋转加捻速度高于第一握持旋转罗拉6的旋转加捻速度，在实施例中，第二握持旋转罗拉7绕展宽碳纤维丝轴向方向旋转速度为5圈/秒。第二握持旋转罗拉7使得碳纤维丝束的螺旋扁平形状变成螺旋圆柱形状。

烘箱8，对从第二握持旋转罗拉7过来的碳纤维丝束加热，固化上浆剂。在本实施例中限定烘箱温度为100℃，让液态上浆剂发生部分交联反应并固化，螺旋纱线形态被固化。

卷料辊9，对从烘箱8过来的碳纤维丝束收卷。

实施例2

如图3，针对规格为24k的展宽碳纤维丝束来料，包括导纱罗拉1、上浆槽2、浸没辊3、压浆罗拉4、握持罗拉5、第一握持旋转罗拉6、第二握持旋转罗拉7、烘箱8和卷料辊9，其中，

握持罗拉5，牵引展宽碳纤维丝束来料。具体的，展宽碳纤维丝束在握持罗拉5的牵引下，碳纤维呈平行排列状态进入第一握持旋转罗拉6。

第一握持旋转罗拉6，对从握持罗拉5过来的展宽碳纤维丝束来料绕展宽碳纤维丝轴向方向旋转加捻成扁平的螺旋状丝束。具体的，握持罗拉5与第一握持旋转罗拉6之间有一定的距离，在本实施例中限定其距离为50cm。第一握持旋转罗拉6既可以握持和牵引碳纤维丝束，又可以绕展宽碳纤维丝轴向方向进行旋转，绕展宽碳纤维丝轴向方向旋转的速度可以调节。在本实施例中，第一握持旋转罗拉6进丝速度为3m/min，绕展宽碳纤维丝轴向方向的旋转速度为5圈/秒，相当于每秒加五个捻回数，对碳纤维丝束进行加捻，碳纤维丝束此时将由平直的扁平丝变成有螺旋形状的丝束。

第二握持旋转罗拉7，对从第一握持旋转罗拉6过来的碳纤维丝束绕展宽碳纤维丝轴向方向进一步旋转加捻成圆柱形的螺旋状丝束，第二握持罗拉7与第一握持罗拉6的旋转方向相同。第二握持旋转罗拉7的旋转速度大于第二握持旋转罗拉7，优选的，第二握持旋转罗拉7旋转速度为8圈/秒。第二握持旋转罗拉7使得碳纤维丝束的螺旋扁平形状变成螺旋圆柱形状。

上浆槽2，内部盛放上浆剂。在本发明实施例中，为了方便对比，所述上浆剂采用丙烯酸酯与pva按照体积比1：1配置的混合浆料，并对上浆剂加热至50℃，上浆剂对碳纤维丝束完全浸没。浆液对碳纤维丝束完全浸没，碳纤维丝束呈负应力状态，浆液可以完全进入纱线内部。

导纱罗拉1，牵引从第二握持旋转罗拉7过来的碳纤维丝束。

浸没辊3，引导从导纱罗拉1过来的碳纤维丝束来料浸没在液态上浆剂中。

压浆罗拉4，对从浸没辊3过来的上浆碳纤维丝束进行挤压，去除碳纤维丝束内多余的上浆剂。

烘箱8，对从压浆罗拉4过来的碳纤维丝束加热，固化上浆剂。在本实施例中限定烘箱温度为100℃，让上浆剂发生部分交联反应并固化，螺旋纱线形态被固化。

卷料辊9，对从烘箱8过来的含浆膜碳纤维丝束收卷。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。