CN103628019A - 一种碳纤维生产设备辊轮的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及碳纤维生产设备，具体是一种碳纤维生产设备辊轮的制备方法。本发明在常规辊轮表面，利用等离子喷涂技术制备一种Al₂O₃/CrO涂层，使Al₂O₃/CrO微球颗粒均匀分布在辊轮表面，从而在辊轮表面形成许多光滑的微球面，改善纤维传送过程中的损伤，可以满足碳纤维生产设备上的具体工况要求。

Description

一种碳纤维生产设备辊轮的制备方法

技术领域

本发明涉及碳纤维生产设备，具体是一种碳纤维生产设备辊轮的制备方法。

技术背景

碳纤维是一种含碳量高于90%的力学性能优异的新材料，它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维；碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料；碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中构成复合材料，总之，碳纤维的应用领域非常广。

碳纤维生产的基本工艺过程是：原丝由放线机构放出，经过多个转辊传递之后进入氧化/碳化炉，最后进行表面清洗上浆；在整个生产过程中纤维原丝及其过程产品需要经过多次转辊传动，并且在整个生产线上只有末端的收丝机有牵引动力，而在纤维传送过程中对各处的张力要求较高，几乎需要达到恒张力控制，因此在纤维与转辊接触的过程中需要产生一定的摩擦力；传统的传动辊轮主要是不锈钢材料经过机械加工后进行简单地表面镀铬处理，这无法有效消除辊轮由于机械加工而导致的辊轮表面纹理呈锐角分布，这种锐角分布在纤维传动时会对纤维表面产生划伤，进而影响纤维产品的质量。

发明内容

本发明提供一种硬度高，耐磨，耐强酸强碱腐蚀的具有多光滑微球面的应用于碳纤维传递的辊轮。

本发明所要解决的问题是在常规辊轮表面，利用等离子喷涂技术制备一种Al₂O₃/CrO涂层，使Al₂O₃/CrO微球颗粒均匀分布在辊轮表面，从而在辊轮表面形成许多光滑的微球面，改善纤维传送过程中的损伤，可以满足碳纤维生产设备上的具体工况要求。

本发明的一种碳纤维生产设备用辊轮制备方法，其核心加工工艺如下：

1、利用数控车床对不锈钢表面进行加工，制造出直径为150mm、长度为200mm的辊轮；

2、采用外圆磨床对辊面进行磨削加工，使表面粗糙度达到1μm；

3、采用溶胶-凝胶法合成不同含量的CrO的Al₂O₃纳米复合粉体，主要原料为，仲丁醇铝，铬酸叔丁酯，异丙醇等，其制备步骤为：

1）将仲丁醇铝与有机溶剂按物质的量比1：8~12混合，搅拌溶解，得到混合溶液1。

2）将铬酸叔丁酯与有机溶剂按物质的量比为1：10~1：15混合后得到混合溶液2，将混合溶液2按照质量比为1:1~1:3与混合溶液1混合得到混合溶液3，然后缓慢滴加与混合溶液3等体积的异丙醇的去离子水溶液，异丙醇与去离子水的体积比为2：1~1：1，搅拌混合。 

3）将上述混合物烘干、煅烧后即得 Al₂O₃/CrO纳米复合粉体。

所述有机溶剂为异丙醇、苯或无水乙醇。

所述的搅拌溶解指在50℃下搅拌 20~30 min。

所述搅拌混合指搅拌22-26h。

所述的煅烧指1100℃煅烧1小时。

4、利用喷雾干燥机对复合纳米粉体进行喷雾造粒：取体积比为1:2的聚乙烯醇去离子水溶液，每升聚乙烯醇去离子水溶液加入500gAl₂O₃/CrO纳米复合粉体，超声混匀，然后用喷雾干燥机喷雾造粒，得到颗粒大小为1~10μm的团聚小球。

5、利用APS-2000等离子喷涂设备进行喷涂；上述制备方案中，步骤5中等离子喷涂所采用的参数为Ar：30 L/min，H₂：1.5 L/min，电流：520 A，电源50 V，喷涂距离：5~8 cm，送粉率为3~5 r/min。

   步骤3所述制备Al₂O₃/CrO纳米复合粉体，有效解决以往分步制备涂层的问题，实现两种复合材料涂层一步完成，有效改善粉体混合均匀性，提高材料界面结合力，解决单一镀铬带来的表面易擦伤纤维等问题。

本发明具有操作较简单、制备所用设备少、涂层性能稳定等特点，易于大批量生产，可以用于碳纤维及其他特种纤维制造设备上。

附图说明：

图1为本发明中所制备辊轮表面涂层的SEM图；

图2为本发明中所制备辊轮表面涂层的横截面SEM图；

图3为辊轮表面与不锈钢球在不同载荷下对磨的摩擦系数曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明，但本发明并不限于此，图1、图2分别为本发明所制备涂层的表面形貌SEM图和截面的SEM图，图3为制得的辊面涂层与不锈钢球在不同载荷下对摩的摩擦系数随时间的曲线。 

以下实施例中所用的原材料如下：

仲丁醇铝（化学纯）、铬酸叔丁酯（化学纯）、异丙醇（化学纯）、去离子水自制。

本发明辊轮的制备方法包括如下步骤：

1、不锈钢辊轮的表面切削、磨削加工；

2、CrO的Al₂O₃纳米复合粉体制备；

3、Al₂O₃/CrO纳米复合粉体的喷雾造粉；

4、利用离子喷涂设备进行不锈钢表面喷涂。

实施实例：

1、利用数控车床对不锈钢表面进行加工，制造出直径为150mm、长度为200mm的辊轮；

2、采用外圆磨床对辊面进行磨削加工，使表面粗糙度达到1μm；

3、采用溶胶-凝胶法合成CrO的Al₂O₃纳米复合粉体，主要原料为，仲丁醇铝，铬酸叔丁酯，异丙醇等，主要制备步骤为：

1）将70g的仲丁醇铝溶于200ml的异丙醇溶剂中，50℃下搅拌 25 min以提高仲丁醇铝的溶解度得到混合溶液1；

2）将50g铬酸叔丁酯溶于180ml的异丙醇中配置成混合溶液2，加入到混合溶液1中得到混合溶液3，搅拌均匀，然后缓慢滴加入与混合溶液3等体积的异丙醇去离子水溶液，，异丙醇与去离子水的体积比为1.5：1，搅拌24 h；

3）将上述混合物烘干、1100℃煅烧1小时后即得 Al₂O₃/CrO纳米复合粉体。

4、利用喷雾干燥机对复合纳米粉体进行喷雾造粒：将所得的Al₂O₃/CrO纳米复合粉体与体积比为1:2的聚乙烯醇去离子水溶液200ml混合，超声30分钟混匀，然后用喷雾干燥机喷雾造粒，得到颗粒大小为1~10μm的团聚小球；

5、利用APS-2000等离子喷涂设备进行喷涂；上述制备方案中中，步骤5中等离子喷涂所采用的参数为Ar：30 L/min，H₂：1.5 L/min，电流：520 A，电源50 V，喷涂距离：7 cm，送粉率为4 r/min，喷涂时间30分钟，获得的涂层表面形貌如图1、2所示的SEM图，从图1中可见涂层表面颗粒呈微球型分布，图2所示涂层截面结构致密。

将所制备的辊轮表面涂层分别浸泡在0.1mol/L的NaOH水溶液和0.1mol/L的H₂SO₄水溶液中72小时，表面未见侵蚀坑出现，在摩擦磨损试验机上以不锈钢球为对偶件进行摩擦学实验，由于实际生产中辊轮的线速度通常比较低，因此只考虑载荷对辊面摩擦性能的影响，测得不同载荷作用下辊面的摩擦系数，如图3所示，发现在1N及以下载荷作用时，辊面的摩擦系数为0.07左右，且摩擦系数稳定，这有效提高了碳纤维传递过程中的平稳性，有助于纤维牵引过程中恒张力控制。

Claims (6)

1.一种碳纤维生产设备辊轮的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

不锈钢辊轮的表面切削、磨削加工；

2）采用溶胶-凝胶法合成CrO的Al₂O₃纳米复合粉体：

将仲丁醇铝与有机溶剂按物质的量比1：8~12混合，搅拌溶解，得到混合溶液1；将铬酸叔丁酯与有机溶剂按物质的量比为1：10~1：15混合后得到混合溶液2，将混合溶液2按照质量比为1:1~1:3与混合溶液1混合得到混合溶液3，然后缓慢滴加与混合溶液3等体积的异丙醇的去离子水溶液，异丙醇与去离子水的体积比为2：1~1：1，搅拌混合；将上述混合物烘干、煅烧后即得 Al₂O₃/CrO纳米复合粉体；

3）利用喷雾干燥机对复合纳米粉体进行喷雾造粒：取体积比为1:2的聚乙烯醇去离子水溶液，每升聚乙烯醇去离子水溶液加入500gAl₂O₃/CrO纳米复合粉体，超声混匀，然后用喷雾干燥机喷雾造粒，得到颗粒大小为1~10μm的团聚小球；

4）利用等离子喷涂设备进行喷涂，等离子喷涂所采用的参数为Ar：30 L/min，H₂：1.5 L/min，电流：520 A，电源50 V，喷涂距离：5~8 cm，送粉率为3~5 r/min。

2.如权利要求1所述的一种碳纤维生产设备辊轮的制备方法，其特征在于：所述有机溶剂为异丙醇、苯或无水乙醇。

3.如权利要求1所述的一种碳纤维生产设备辊轮的制备方法，其特征在于：所述的搅拌溶解指在50℃下搅拌 20~30 min。

4.如权利要求1所述的一种碳纤维生产设备辊轮的制备方法，其特征在于：所述搅拌混合指搅拌22-26h。

5.如权利要求1所述的一种碳纤维生产设备辊轮的制备方法，其特征在于：所述煅烧指1100℃煅烧1小时。

6.如权利要求1所述的一种碳纤维生产设备辊轮的制备方法，其特征在于：所述的不锈钢辊轮的表面切削、磨削加工指：利用数控车床对不锈钢表面进行加工，制造出直径为150mm、长度为200mm的辊轮；采用外圆磨床对辊面进行磨削加工，使表面粗糙度达到1μm。

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