CN103757783A - 一种低成本高性能大丝束碳纤维展开装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低成本高性能大丝束碳纤维展开装置，包括用于放置纤维束并实现张力控制的放纱装置，其特征在于：纤维束自放纱装置引出后进入预展纱装置，由预展纱装置利用超声波扩纤法将纤维束预展开，预展开的纤维束由橡胶罗拉及金属罗拉之间通过，在其共同挤压作用下去除纤维束表面的液体，随后进入检测机构，由检测机构调整纤维束的速度并保证纤维束张力恒定，张力、速度调整好的预展开纤维束进入主展纱装置，由主展纱装置利用声波扩纤法将纤维束展开，展开后的纤维束由牵拉卷曲装置收卷。本发明提供的设备能有效的将大丝束碳纤维充分展开。

Description

一种低成本高性能大丝束碳纤维展开装置

技术领域

本发明涉及一种低成本高大束碳纤维展开装置。

背景技术

由于大丝束碳纤维，如48K、60K以至于360K、480K等的价格要比小丝束的便宜得多，大丝束售价只有小丝束的50％-60％，使先进复合材料的成本可以大幅度降低。大丝束碳纤维和小丝束碳纤维一样，都可以制成复合材料，但材料和加工成本却相差很大。因为从石油原料到碳纤维，增值关系是1到3，而把碳纤维做成复合材料，增值到10。也就是说碳纤维在复合材料中的成本仅仅占25％-30％，后续纤维制品零件成型加工成本占70％-75％。选择低成本大丝束碳纤维可使后续加工节省一大部分成本，可以实现高性能碳纤维复合材料低成本化，满足航天航空、风电叶片和汽车制造等方面与日俱增的需求。

但是大丝束碳纤维存在随着纤维束根数增多而发生纤维的曲折、扭结的现象，且树脂基体不容易浸润到大丝束纤维束内部，单丝间容易产生孔隙，且容易造成纤维相和树脂相的富集与分离等缺陷，同时会随丝束直径增加，在复合材料成型过程中出现纤维屈曲及铺层角度错位的可能性也在增加，从而使复合材料强度、刚度受影响，力学性能降低、分散性大，不能满足结构设计的要求，无法发挥碳纤维增强材料高性能优势，这样造成了大丝束碳纤维大量应用尚有困难。

突破低成本大丝束碳纤维发挥高性能优势关键技术就是开发大丝束碳纤维展开技术，这在很大程度上能避免此类缺陷的产生。如果大丝束碳纤维展开足够宽，比如说传统50K碳纤维是6mm，利用碳纤维展开技术至4倍以上，可以比传统小丝束12K碳纤维更加轻薄，制得更为轻质的低成本高性能大丝束碳纤维复合材料。

目前，围绕大丝束碳纤维展开装置主要采用机械多滚筒方式，通过辊子滚压、左右摆动或上下震动方式将纤维束展宽拉薄，展开效果通过控制震动幅度，若加大震动幅度易造成碳纤维折断，且震动频率受限制，展开效果并不是很理想，对纤维损伤很大。国外已经尝试其他展纱方式，包括超声波扩纤法、气流喷射扩纤法、声波扩纤法等。这些方法可使大丝束纤维损伤小，不起或少起毛，但展开的宽度有限。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够有效将大丝束碳纤维束展开的设备。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种低成本高性能大丝束碳纤维展开装置，包括用于放置纤维束并实现张力控制的放纱装置，其特征在于：纤维束自放纱装置引出后进入预展纱装置，由预展纱装置利用超声波扩纤法将纤维束预展开，预展开的纤维束由橡胶罗拉及金属罗拉之间通过，在其共同挤压作用下去除纤维束表面的液体，随后进入检测机构，由检测机构调整纤维束的速度并保证纤维束张力恒定，张力、速度调整好的预展开纤维束进入主展纱装置，由主展纱装置利用声波扩纤法将纤维束展开，展开后的纤维束由牵拉卷曲装置收卷。

优选地，所述放纱装置包括用于放置纤维束的纱架，纤维束出纱架后经由第一导纱罗拉被导向所述预展纱装置，在位于纱架与第一导纱罗拉之间的纤维束的上方设有第一浮动辊及第二浮动辊，第一浮动辊及第二浮动辊分别配置一个同步电动驱动马达，第一浮动辊与第二浮动辊通过同步带相连，同步带的运动方向与与纤维束的运动方向相反且在纤维束上产生轴向力。

优选地，所述预展纱装置包括超声波发生器、液槽、第一展纱罗拉、第二展纱罗拉、第三展纱罗拉，液槽内盛有有机溶剂，第一展纱罗拉、第二展纱罗拉及第三展纱罗拉排列在液槽内的有机溶剂中，在液槽内浸入超声波发生器，纤维束进入液槽后依次绕经第一展纱罗拉、第二展纱罗拉及第三展纱罗拉后出液槽。

优选地，所述超声波发生器产生超声波功率强度控制在0.6～1.1w／cm²，使用频率控制在20～50KHz，纤维束在有机溶剂内由于超声波的传播被预扩展。

优选地，所述检测机构包括位于第二导纱罗拉和支承棍之间的张力稳定棍，通过调整张力稳定棍的位置来调整纤维束速度，在张力稳定棍的上方及下方分别安装有用于检测上限位置的上限位置传感器及用于检测其下限位置的下限位置传感器。

优选地，所述检测机构保证纤维束张力恒定的步骤为：

当行进中的纤维束的张力增大时，所述张力稳定棍向上移动，而张力减小时，则向下移动；当张力稳定辊到达其上限位置时，所述上限位置传感器检测到这样的位置并且将此结果信号反馈到所述放纱装置，放纱装置增加放纱旋转速度，以便增加纤维束供给而使张力稳定棍下降；当张力稳定棍到达其下限位置时，所述下限位置传感器检侧到这样的位置并且将此结果信号反馈到放纱装置，放纱装置减少纤维束的供给而使张力稳定辊上升，这样纤维束张力总是保持恒定。

优选地，所述主展纱装置包括低频发电机、功率放大器、扬声器、第一导辊及第二导辊，低频发电机连接低频发电机，低频发电机与扬声器相连，第一导辊及第二导辊布置在扬声器内，纤维束进入扬声器后依次绕经第一导辊及第二导辊后出扬声器。

优选地，所述主展纱装置将纤维束展开的步骤为：

利用所述低频发电机的电磁感应原理，将通电的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动产生变化的感应电流信号，所述功率放大器将感应电流信号放大，接着变化的感应电流信号通过线圈产生变化的磁场，从而让所述扬声器的膜片振动，引起四周空气的震荡，借助空气震荡使纤维束跟着不断振动，从而被展开。

优选地，低频发电机是在交变电压下工作，采用变频或者变压的形式；变频形式的低频发电机频率可选择范围20-50Hz；变压形式的低频发电机电压可选择范围是4-12V；扬声器装在密封的胶合板内，产生声波范围在80-130dB；第一导辊及第二展纱辊的表面经过高抛光处理。

本发明提供的设备能有效的将大丝束碳纤维充分展开。大丝束碳纤维展开过程中利用超声波扩纤法和声波扩纤法相结合的方式，可使使纤维束充分展开；为使纤维束避免在展开过程中由于抖动使纤维束振散开，在展开过程中，加了一对辊子，这样可以沿着振动棍表面均匀铺平，稳定碳纤维的展开铺平效果。同时，在线检测装置可以控制纤维束喂入速度，保持张力恒定。这种工艺可以使丝束扩展宽度宽，丝束展开宽度大原来纤维束的4倍，纤维损伤少，不起或少起毛，稳定性好，展宽后的纤维束平行伸展，纤维间交叉小，制得的复合材料空隙含量低等优点。

附图说明

图1为本发明提供的一种低成本高性能大丝束碳纤维展开装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

结合图1，本发明提供的一种低成本高性能大丝束碳纤维展开装置采用超声波扩纤法和声波扩纤法相结合的方式展开大丝束碳纤维。该装置包括纱架1，将纱筒放置在纱架1上，由纱筒引出纤维束，之后进入预展纱装置20，即超声波扩纤装置，使得纤维束得预扩展，接着通过检测装置50，调整纤维束速度，随后喂入主展纱装置30，即声波扩纤装置，使大丝束碳纤维充分展开，最后由牵拉卷曲装置40将展开的大丝束纤维收卷。

放纱装置10的作用是从纱架1上放纱，同时可以实现张力控制。它是由纱架1、第一浮动辊2.1、第二浮动辊2.2及皮带3组成。纱架1采用卧式安装方式。纤维束上张力主要通过第一浮动辊2.1、第二浮动辊2.2及皮带3控制的。第一浮动辊2.1及第二浮动辊2.2分别配置一个同步电动驱动马达，配合其独立运动。通过改变马达输出电压变化可以改变浮动辊的竖直位置，皮带3沿着与纤维束相反的方向运动，在纤维束上产生轴向力，实现纤维束张力控制。

之后通过第一导纱罗拉4.1将纤维束喂入预展纱装置30。预展纱装置20利用超声波扩纤法将纤维预展开。该装置主要包括超声波发生器5、液槽6、第一展纱罗拉7.1、第二展纱罗拉7.2及第三展纱罗拉7.3。将纤维束喂入液槽6中，超声波在液槽6内盛有的有机液中传播，使得纤维束预扩展。第一展纱罗拉7.1、第二展纱罗拉7.2及第三展纱罗拉7.3作用就是在有机液中给纤维束施加张力，防止纤维散开。液槽6内盛有在常温下就可以溶解纤维束表面浆料的有机溶剂，避免纤维在加热的情况下会产生交联，如果这种情况发生在纤维束内，这样纤维束表面浆料反而变成了粘结剂，纤维束将会粘连在一起。超声波的功率强度一般在0.6～1.1w／cm²，频率是20～50KHz较为合适。纤维束表面浆料清洗程度通过调节纤维束速度来调节。

将预展开的纤维束在橡胶罗拉8与金属罗拉9之间通过，在它们挤压作用下去除纤维束表面液体，避免由于液体的表面张力而产生的纤维束的断裂。

接着预展开的纤维束进入检测机构50。检测机构50通过调节第二导纱罗拉4.2和支承棍14.1之间的张力稳定棍13的位置，调整纤维束速度。为了保证纤维束张力恒定，在张力稳定辊13的上方及下方分别安装用于检测上限位置的上限位置传感器11.1及用于检测其下限位置的下限位置传感器11.2。实现方式，当行进中的纤维束的张力增大时，张力稳定棍13向上移动，而张力减小时则向下移动。然而，当张力稳定辊13到达其上限位置时，上限位置传感器11.1检测到这样的位置并且将此结果信号反馈到放纱装置10，增加放纱旋转速度，以便增加纤维束供给而使张力稳定棍13下降。相反，当张力稳定棍13到达其下限位置时，下限位置传感器11.2检侧到并且将此结果信号反馈到放纱装置10，以便减少纤维束的供给而使张力稳定辊13上升，这样纤维束张力总是保持恒定。

将张力、速度调整好的预展开纤维束从压送辊15和支撑辊14.2之间通过。压送辊15旋转方向与纤维束喂入方向一致，是单方向旋转的，以便防止纤维束被拉回。

预展开纤维束接着进入主展纱装置30。主展纱装置30即声波扩纤装置，利用低频的声波在气体介质中振动丝束，使丝束展开。该装置主要包括低频发电机16、功率放大器17、扬声器18、第一导辊19.1及第二导辊19.2。首先利用低频发电机16的电磁感应原理，将通电的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动产生变化的感应电流，功率放大器17将电信号放大，接着变化的电流通过线圈，产生变化的磁场，从而让扬声器16的膜片振动，引起四周空气的震荡，借助空气震荡使纤维束跟着不断振动，将纤维束展开。简单的说，低频发电机16将机械能转化为电能，功率放大器17将该电信号放大，扬声器18就是电信号转化为声波释放，声波引起空气扩散和振动，借助空气振动纤维束，使纤维束展开。第一导辊19.1、第二导辊19.2作用是为了使纤维束上有合适的张力，防止纤维的垂直抖动减少纤维的损伤。扬声器18的电阻是8欧姆、功率为100瓦特。低频发电机16是在交变电压下工作，采用变频或者变压的形式。变频形式低频发电机16频率可选择范围20-50Hz。变压形式低频发电机16电压可选择范围是4-12V。扬声器18装在密封的胶合板内，产生声波范围在80-130dB。第一导辊19.1及第二导辊19.2的表面经过高抛光。

牵拉卷曲装置40中，牵拉辊21.1及牵拉辊21.2表面由硅橡胶棍子组成。在牵拉辊作用下，保证纤维束稳定速度行进，这样纤维束表面张力一致，经过牵拉区的纤维束最终被收纱筒22收卷。

Claims (9)

1.一种低成本高性能大丝束碳纤维展开装置，包括用于放置纤维束并实现张力控制的放纱装置(10)，其特征在于：纤维束自放纱装置(10)引出后进入预展纱装置(20)，由预展纱装置(20)利用超声波扩纤法将纤维束预展开，预展开的纤维束由橡胶罗拉(8)及金属罗拉(9)之间通过，在其共同挤压作用下去除纤维束表面的液体，随后进入检测机构(50)，由检测机构(50)调整纤维束的速度并保证纤维束张力恒定，张力、速度调整好的预展开纤维束进入主展纱装置(30)，由主展纱装置(30)利用声波扩纤法将纤维束展开，展开后的纤维束由牵拉卷曲装置(40)收卷。

2.如权利要求1所述的一种低成本高性能大丝束碳纤维展开装置，其特征在于：所述放纱装置(10)包括用于放置纤维束的纱架(1)，纤维束出纱架(1)后经由第一导纱罗拉(4.1)被导向所述预展纱装置(20)，在位于纱架(1)与第一导纱罗拉(4.1)之间的纤维束的上方设有第一浮动辊(2.1)及第二浮动辊(2.2)，第一浮动辊(2.1)及第二浮动辊(2.2)分别配置一个同步电动驱动马达，第一浮动辊(2.1)与第二浮动辊(2.2)通过同步带(3)相连，同步带(3)的运动方向与与纤维束的运动方向相反且在纤维束上产生轴向力。

3.如权利要求1所述的一种低成本高性能大丝束碳纤维展开装置，其特征在于：所述预展纱装置(20)包括超声波发生器(5)、液槽(6)、第一展纱罗拉(7.1)、第二展纱罗拉(7.2)、第三展纱罗拉(7.3)，液槽(6)内盛有有机溶剂，第一展纱罗拉(7.1)、第二展纱罗拉(7.2)及第三展纱罗拉(7.3)排列在液槽(6)内的有机溶剂中，在液槽(6)内浸入超声波发生器(5)，纤维束进入液槽(6)后依次绕经第一展纱罗拉(7.1)、第二展纱罗拉(7.2)及第三展纱罗拉(7.3)后出液槽(6)。

4.如权利要求3所述的一种低成本高性能大丝束碳纤维展开装置，其特征在于：所述超声波发生器(5)产生超声波功率强度控制在0.6～1.1w／cm2，使用频率控制在20～50KHz，纤维束在有机溶剂内由于超声波的传播被预扩展。

5.如权利要求1所述的一种低成本高性能大丝束碳纤维展开装置，其特征在于：所述检测机构(50)包括位于第二导纱罗拉(4.2)和支承棍(14.1)之间的张力稳定棍(13)，通过调整张力稳定棍(13)的位置来调整纤维束速度，在张力稳定棍(13)的上方及下方分别安装有用于检测上限位置的上限位置传感器(11.1)及用于检测其下限位置的下限位置传感器(11.2)。

6.如权利要求5所述的一种低成本高性能大丝束碳纤维展开装置，其特征在于：所述检测机构(50)保证纤维束张力恒定的步骤为：

当行进中的纤维束的张力增大时，所述张力稳定棍(13)向上移动，而张力减小时，则向下移动；当张力稳定辊(13)到达其上限位置时，所述上限位置传感器(11.1)检测到这样的位置并且将此结果信号反馈到所述放纱装置(10)，放纱装置(10)增加放纱旋转速度，以便增加纤维束供给而使张力稳定棍(13)下降；当张力稳定棍(13)到达其下限位置时，所述下限位置传感器(11.2)检侧到这样的位置并且将此结果信号反馈到放纱装置(10)，放纱装置(10)减少纤维束的供给而使张力稳定辊(13)上升，这样纤维束张力总是保持恒定。

7.如权利要求1所述的一种低成本高性能大丝束碳纤维展开装置，其特征在于：所述主展纱装置(30)包括低频发电机(16)、功率放大器(17)、扬声器(18)、第一导辊(19.1)及第二导辊(19.2)，低频发电机(16)连接低频发电机(16)，低频发电机(16)与扬声器(18)相连，第一导辊(19.1)及第二导辊(19.2)布置在扬声器(18)内，纤维束进入扬声器(18)后依次绕经第一导辊(19.1)及第二导辊(19.2)后出扬声器(18)。.

8.如权利要求7所述的一种低成本高性能大丝束碳纤维展开装置，其特征在于：所述主展纱装置(30)将纤维束展开的步骤为：

利用所述低频发电机(16)的电磁感应原理，将通电的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动产生变化的感应电流信号，所述功率放大器(17)将感应电流信号放大，接着变化的感应电流信号通过线圈产生变化的磁场，从而让所述扬声器(18)的膜片振动，引起四周空气的震荡，借助空气震荡使纤维束跟着不断振动，从而被展开。

9.如权利要求7所述的一种低成本高性能大丝束碳纤维展开装置，其特征在于：低频发电机(16)是在交变电压下工作，采用变频或者变压的形式；变频形式的低频发电机(16)频率可选择范围20-50Hz；变压形式的低频发电机(16)电压可选择范围是4-12V；扬声器(18)装在密封的胶合板内，产生声波范围在80-130dB；第一导辊(19.1)及第二展纱辊(19.2)的表面经过高抛光处理。

Images