CN103374788A

CN103374788A - 一种预氧丝绑缚的准全碳碳纤维多轴向经编织物

Info

Publication number: CN103374788A
Application number: CN2013101871880A
Authority: CN
Inventors: 蒋高明; 高哲; 马丕波; 缪旭红; 丛洪莲
Original assignee: Jiangnan University
Current assignee: Jiangnan University
Priority date: 2013-05-16
Filing date: 2013-05-16
Publication date: 2013-10-30

Abstract

本发明涉及一种预氧丝绑缚的准全碳碳纤维多轴向经编织物是利用预氧丝成圈编织绑缚系统，并在绑缚系统中至少衬入两层到四层碳纤维铺纬纱层(最多可衬入八层，即七层纬纱，一层经纱，斜向纱线铺纬角度为±θ，θ在20°-90°之间可调)，形成预氧丝绑缚的准全碳碳纤维多轴向经编织物，纱层中纱线丝束呈平行伸直的无屈曲状态，可使碳纤维丝束的力学性能得到最大发挥，所述织物强度高、模量高、整体耐热性能好，具有优良保型性和卓越力学性能的复合材料增强体，可满足在广泛及特殊领域内纤维增强材料的要求。其特征在于所述的绑缚系统原料采用预氧丝，使绑缚纱的耐高温性能和力学性能较传统涤纶丝有大幅提升，无论从外观还是性能上都符合准全碳织物要求。

Description

一种预氧丝绑缚的准全碳碳纤维多轴向经编织物

技术领域

本发明涉及一种经编织物，具体为一种预氧丝绑缚的准全碳碳纤维多轴向经编织物。

技术背景

近年来，随着风电行业的大力兴起多轴向经编织物得到了广泛重视和发展。该类织物以其独特性能以及在复合材料中发挥的不可替代的力学增强作用再一次成为了针织行业和复合材料行业产品开发的重点。多轴向经编织物的结构由衬纱系统和绑缚系统组成。衬纱系统包括四个部分，即：0°衬经纱、90°衬纬纱以及-θ斜向衬纱和+θ斜向衬纱(θ在20°-90°之间可调)。每组衬纱平行伸直排列成一个纱线层，四组衬纱分别组成四个纱线层，并由经编结构的捆绑线圈绑缚在一起，形成多轴向经编针织物。因为其独特的结构，多轴向经编织物有如下特点：(1)在相同生产设备上，衬纱角度与织物密度可进行调整；(2)纱线完全平行伸直排列，各层取向度很高，具有很好的机械性能，可减轻织物重量；(3)增强纱线层可多层铺放，经成圈纱捆绑后，织物整体性较好；(4)织物结构较疏松，可以与纤维网和短切毡结合，提高了织物结构设计灵活性；(5)每个增强纱线层可使用不同纱线种类，扩大了织物结构复合性能；(6)经编取向结构具有良好的防滑性能，捆绑纱线的机械连接使织物具有很高连接强度，可以尽可能少地使用化学粘合。(7)生产效率高，原料适用范围广，与传统机织和铺层相比，多轴向经编技术工艺简单，机械化程度高，生产效率远远高于手工单向铺层和机织，而且可以使用高性能脆性纤维原料。

碳纤维是一种高性能纤维，具有低密度、高强度、高模量、耐高温和导电性能好等特点。碳纤维已经被广泛应用于航空航天、车船织造和能源等诸多重要和高端领域。将高性能的碳纤维用于经编多轴向织物中的衬纱层，可以使碳纤维的性能利用率达到90％，不论在横向还是纵向受到外力拉伸作用，织物的结构都更加稳定。使织物具有抗拉强力高，并且有良好的抗撕裂性能和抗冲击性能。另外，斜向纱线铺层的加入，使碳纤维多轴向经编织物成为了各向异性的优越的产业用针织品。

在多轴向经编织物中，绑缚纱所占克重虽然很小，甚至可以被忽略，但绑缚系统在织物中发挥的作用是非常重要的。多轴向经编织物中的绑缚系统通过一定的经编线圈组织(通常为编链或经平)将各个纱线层捆绑起来，使各纱线层彼此联系，形成一体化的整体织物，这样避免了织物分层现象的出现，使各纱线层中的纱线性能充分发挥，得到真正各向异性的高性能织物，并且提升了多轴向经编织物所增强的复合材料的力学性能。传统的多轴向经编织物所采用的绑缚纱通常为涤纶纱，因为该类纱线产量大，成本低，容易获得，可满足普通多轴向经编织物织造的要求。但涤纶纱强力有限，且耐高温性能差，对于航空航天或某些特殊领域的应用而且，显然不能满足需要。所以，本发明采用一种预氧丝作为碳纤维多轴向经编织物的绑缚纱。预氧丝一般为碳纤维制备过程中的中间产物，一般在氧气环境下将原丝在200℃～400℃的温度范围内进行1-24h的预氧化反应，经过该过程中的环构化反应，使原有的序态取向结构的大分子链变成平面状耐热的梯形稳定结构，且纤维具有不溶解，不熔融的特性。因而，由预氧丝绑缚的碳纤维多轴向经编织物可以满足高端复合材料的性能需要。另一方面，在现有的民用领域，碳纤维织物大量被用作汽车改装用的包覆材料，但由于传统碳纤维多轴向经编织物采用白色涤纶纱线作为绑缚纱，在织物表面形成明显的白色针迹和线圈，严重影响美观，所以消费者不会考虑用碳纤维多轴向经编织物，转而采用碳纤维机织布，从而一定程度地影响了碳纤维多轴向经编织物在民用领域中应用的扩展。预氧丝为炭黑色，与碳纤维颜色一致，用其作为碳纤维多轴向经编织物的绑缚纱可以有效提升织物表面颜色一致性，改善了涤纶纱绑缚的碳纤维多轴向经编织物美观性差的问题。虽然预氧丝的性能与碳纤维的性能存在一定的差距，但鉴于预氧丝为碳纤维生产的中间产物，并且其外观与性能都更接近于碳纤维的性能，因而将本发明中的一种预氧丝绑缚的碳纤维多轴向经编织物称为“一种预氧丝绑缚的准全碳碳纤维多轴向经编织物”

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种预氧丝绑缚的准全碳碳纤维多轴向经编织物，它一改传统的绑缚纱原料，具有极好的力学性能，更耐高温，并能大幅提升其所增强的复合材料的力学性能，可满足高端复合材料的生产需要，同时该织物的生产设备织造效率高，可满足工业化大批量生产的需要。

发明内容

本发明的目的是这样实现的：设计一种以预氧丝为绑缚纱按照编链组织或经平组织形成绑缚系统的准全碳碳纤维多轴向经编织物，在绑缚系统中至少衬入两层到四层碳纤维铺纬纱层(最多可衬入八层，即七层纬纱，一层经纱，斜向纱线铺纬角度为±θ，θ在20°-90°之间可调)，并且纱线完全平行伸直排列，呈无屈曲状态。所述的一种预氧丝绑缚的准全碳碳纤维多轴向经编织物(Quazi-all-carbon Multi-axial Warp Knitted Fabric Stitched with Pre-oxidized Fibers，简称QCMWK)中至少要延0°、90°或-45°、+45°或-20°至+20°之间呈轴向对称的双斜向衬入两层纱线层；或延0°和双斜向衬入三层纱线层；或延90°和双斜向衬入三层纱线层；或延0°、90°和双斜向衬入四层纱线层，最多可衬入八层，即七层纬纱，一层经纱，斜向纱线铺纬角度为±θ，θ在20°-90°之间可调。所述的一种预氧丝绑缚的准全碳碳纤维多轴向经编织物与纬编和机织轴向织物相比，有明显的优势。预氧丝绑缚的准全碳碳纤维多轴向经编织物各纱层中的纱线平行伸直紧密排列，经绑缚系统捆绑后，织物表面平滑，无延展，被用作包覆材料或在复合材料的制备过程中，经弯曲成型后不易产生变形，保证复合材料力学性能的均匀与稳定。而纬编轴向织物弹性大，变形严重，在弯曲成型后，局部组织密度会产生较大变化，使复合材料的力学性能不均匀。另外，同机织物相比，由于机织物中纱线有弯曲，作为复合材料增强体，在复合材料收到拉伸或者冲击等作用时，屈曲的纱线会先被拉直，使增强体产生变形，导致增强体与树脂之间的界面受到破坏，从而影响复合材料的力学性能。而所述的一种预氧丝绑缚的准全碳碳纤维多轴向经编织物，其纱线层中的纱线完全伸直排列无屈曲，纱线强力的利用率可以达到90％以上。在复合材料受到外力作用时，增强体的纱线不会产生变形，所以不会导致增强体与基体间的界面损伤。

下面结合附图详述本发明：

图1为本发明一层0°经纱1、一层45°斜向纬纱3、一层90°纬纱2和一层-45°斜向纬纱4，并由预氧丝绑缚系统5绑缚的四层四轴向经编织物三维示意图；

图2为本发明一层0°经纱1、一层45°斜向纬纱3、一层90°纬纱2、和一层-45°斜向纬纱4，并由预氧丝绑缚系统5绑缚的四层四轴向经编织物旋转70°以后的三维示意图；

图3为本发明一层-45°斜向纬纱4、一层0°经纱1和一层45°斜向纬纱3，并由预氧丝绑缚系统5绑缚的三层三轴向经编织物三维示意图；

图4为本发明一层-45°斜向纬纱4、一层0°经纱1和一层45°斜向纬纱3，并由预氧丝绑缚系统5绑缚的三层三轴向经编织物旋转70°以后的三维示意图；

图5为本发明一层-45°斜向纬纱4、一层90°纬纱2和一层45°斜向纬纱3，并由预氧丝绑缚系统6绑缚的三层三轴向经编织物三维示意图；

图6为本发明一层-45°斜向纬纱4、一层90°纬纱2和一层45°斜向纬纱3，并由预氧丝绑缚系统6绑缚的三层三轴向经编织物旋转70°以后的三维示意图；

图7为本发明一层0°经纱1和一层90°纬纱2，并由预氧丝绑缚系统5绑缚的双层双轴向经编织物三维示意图；

图8为本发明一层0°经纱1和一层90°纬纱2，并由预氧丝绑缚系统5绑缚的双层双轴向经编织物旋转70°以后的三维示意图；

图9为本发明一层-45°经纱4一层45°斜向纬纱3并由预氧丝绑缚系统6绑缚的双层双轴向经编织物三维示意图；

图10为本发明一层-45°经纱4一层45°斜向纬纱3并由预氧丝绑缚系统6绑缚的双层双轴向经编织物旋转70°以后的三维示意图。

本发明以预氧丝为绑缚纱按照编链组织或经平组织形成绑缚系统5的碳纤维多轴向经编织物，在绑缚系统中至少衬入两层到四层碳纤维纱层(最多可衬入八层，即七层纬纱，一层经纱，斜向纱线铺纬角度为±θ，θ在20°-90°之间可调)，并且纱线完全平行伸直排列，呈无屈曲状态(可参见任一附图)，即包括纱层1和2(衬经纱1和衬纬纱2的双层双轴向织物图中未给出)；3和4；1和3和4；2和3和4或者1和2和3和4。

本发明要求所衬入的经纱和纬纱完全平行伸直排列，呈无屈曲状态，这是经编轴向织物的加工设备与工艺的客观要求，同时经预氧丝绑缚系统捆绑后，织物表面平滑，无延展，被用作包覆材料或在复合材料的制备过程中，经弯曲成型后不易产生变形，保证复合材料力学性能的均匀与稳定。纱线强力的利用率可以达到90％以上。

图1和图2所示的为本发明最典型的由预氧丝绑缚的四轴向碳纤维经编织物的结构，即在预氧丝绑缚系统5中同时衬入0°经纱1、90°纬纱2、45°斜向纬纱3和-45°斜向纬纱4，也就是一层衬经纱和三层衬纬纱的四层四轴向结构。此外，还可以在经平组织为绑缚系统5中同时衬入多种结构，包括如下几种：

(1)衬入-45°斜向纬纱4、0°经纱1和45°斜向纬纱3(参见图3、图4)；

(2)衬入0°经纱1和90°纬纱2(参见图7、图8)

(3)衬入0°经纱1、90°纬纱2、-θ₁斜向纬纱、θ₁斜向纬纱、-θ₂斜向纬纱、θ₂斜向纬纱、-θ₃斜向纬纱和θ₃斜向纬纱，共八层(图中未给出)。

在编链组织为绑缚系统6中同时衬入多种结构，包括如下几种：

(4)衬入-45°斜向纬纱4、90°纬纱2和45°斜向纬纱3(参见图5、图6)；

(5)衬入-45°斜向纬纱4和45°斜向纬纱3(参见图9、图10)。

本发明的特点是：利用一种预氧丝成圈编织绑缚系统，并在绑缚系统中至少衬入两层到四层碳纤维铺纬纱层(最多可衬入八层，即七层纬纱，一层经纱，斜向纱线铺纬角度为±θ，θ在20°-90°之间可调)，形成预氧丝绑缚的准全碳碳纤维多轴向经编织物，以织造强度高、模量高、整体耐热性能好，具有优良保型性和卓越力学性能的复合材料增强体，可满足在广泛及特殊领域内纤维增强材料的要求。

Claims

1.利用一种预氧丝成圈编织绑缚系统，并在绑缚系统中至少衬入两层到四层碳纤维铺纬纱层(最多可衬入八层，即七层纬纱，一层经纱，斜向纱线铺纬角度为±θ，θ在20°-90°之间可调)，形成预氧丝绑缚的准全碳碳纤维多轴向经编织物，纱层中纱线丝束呈平行伸直的无屈曲状态，可使碳纤维丝束的力学性能得到最大发挥，所述织物强度高、模量高、整体耐热性能好，具有优良保型性和卓越力学性能的复合材料增强体，可满足在广泛及特殊领域内纤维增强材料的要求。其特征在于所述的绑缚系统原料采用预氧丝，使绑缚纱的耐高温性能和力学性能较传统涤纶丝有大幅提升，无论从外观还是性能上都符合准全碳织物要求。

2.如权利要求1所述的预氧丝绑缚的准全碳碳纤维多轴向经编织物，其特征在于所述的绑缚系统纱线原料为PAN基预氧丝、沥青基预氧丝或粘胶基预氧丝中的一种。

3.如权利要求1所述的预氧丝绑缚的准全碳碳纤维多轴向经编织物，其特征在于所述的绑缚系统纱线原料为预氧丝，规格为1K-6K。

4.如权利要求1所述的预氧丝绑缚的准全碳碳纤维多轴向经编织物，其特征在于所述的绑缚系统中衬入一层碳纤维经纱，并且经纱呈平行伸直的无屈曲状态，碳纤维规格无要求。

5.如权利要求1所述的预氧丝绑缚的准全碳碳纤维多轴向经编织物，其特征在于所述的绑缚系统中衬入一层90°碳纤维纬纱，并且纬纱呈平行伸直的无屈曲状态，碳纤维规格无要求。

6.如权利要求1所述的预氧丝绑缚的准全碳碳纤维多轴向经编织物，其特征在于所述的绑缚系统中衬入两层至六层碳纤维斜向纬纱，铺纬角度为-θ₁纱和θ₁斜向纬纱；或-θ₁斜向纬纱、θ₁斜向纬纱、-θ₂斜向纬纱和θ₂斜向纬纱；或-θ₁斜向纬纱、θ₁斜向纬纱、-θ₂斜向纬纱、θ₂斜向纬纱、-θ₃斜向纬纱和θ₃斜向纬纱，θ在20°-90°之间可调，并且纬纱呈平行伸直的无屈曲状态，碳纤维规格无要求。