CN104358050A - 一种碳纤维上浆方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种碳纤维上浆方法,可以有效的提高上浆的均一性,使上浆槽内上浆剂的浓度更容易控制,同时明显的减轻压辊上发生的上浆剂固化现象,解决了上浆剂中的树脂成分很容易附着并且发生固化,从而造成粘丝的现象及由于上浆槽内的上浆剂浓度持续变低,造成碳纤维的上浆量持续下降,从而产生批次之间的上浆量差异的问题。

Description

一种碳纤维上浆方法
技术领域
本发明涉及纤维制造领域,尤其涉及一种可以有效的提高上浆的均一性,使上浆槽内上浆剂的浓度更容易控制,同时明显的减轻压辊上发生的上浆剂固化现象的碳纤维上浆方法。
背景技术
碳纤维具有高比强度和高比模量的特性,其与各种树脂形成的复合材料在航空航天、一般工业和体育娱乐用品等领域内有着广泛的应用。碳纤维的产品性能多为连续的纤维束,在制备复合材料时,通常是将纤维束按一定的方向铺排好,或者将其预先编织为具有一定形态的织物,然后进行树脂含浸,树脂固化后就获得复合材料。
碳纤维本身是一种脆性材料,在纤维生产过程以及制备复合材料的过程中,当纤维与制造设备以及纤维之间互相摩擦时,非常容易产生纤维单丝磨断,从而产生大量毛丝,导致纤维品位下降,甚至导致生产无法顺利进行。另外,不经处理的纤维表面与树脂的亲和性差,导致碳纤维复合以后无法有效的发挥其全部的性能。为此,工业上生产的碳纤维,通常都要对纤维表面进行上浆处理。
上浆处理是指在将纤维通过一定浓度的上浆剂乳液(也称为浆料),浆料中的有效成分沉积在纤维表面,经过烘干后在纤维表面形成上浆剂保护膜。这层薄膜既可以减少纤维与设备以及纤维之间的摩擦,减少毛丝的发生,又能够有效的提高纤维与树脂的亲和性,因为无论是对碳纤维复合材料的生产还是性能,都具有重要的作用。
工业上对碳纤维进行上浆,一般采用将碳纤维在上浆槽中浸渍的方法,并且,为了控制上浆剂在纤维表面的附着量,尽量的实现上浆均匀,减少上浆后干燥过程的干燥负荷,需要尽量除去碳纤维表面附着的多余的上浆剂。
但是,在这样的上浆过程中,由于一般的上浆剂中的有效成分的粘度都比较大,经过长时间运行时,压辊表面与纤维直接接触的地方,由于纤维的摩擦作用上浆剂还不容易附着,辊面可以保持相对的清洁,但是压辊表面不与纤维直接接触的地方,上浆剂中的树脂成分很容易附着并且发生固化,从而造成粘丝的现象。这使得生产通过性大大降低,而且会降低纤维的品位和品质。
另外,由于使用的上浆剂一般都是乳液形式,在乳液中树脂成分和水与碳纤维的亲和力不同,因而在压辊对其进行挤压时,树脂成分更容易留在纤维表面,而水分相对的更容易被挤出,也就是说被挤出的上浆剂的浓度比原先上浆剂的浓度要低。如果直接回流到上浆槽中,会使上浆槽内的上浆剂浓度持续变低,如果没有额外的浓度调节设施,就会造成碳纤维的上浆量持续下降,从而产生批次之间的上浆量差异。因此,解决上述问题就显得尤为重要了。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以有效的提高上浆的均一性,使上浆槽内上浆剂的浓度更容易控制,同时明显的减轻压辊上发生的上浆剂固化现象的碳纤维上浆方法,解决了上浆剂中的树脂成分很容易附着并且发生固化,从而造成粘丝的现象及由于上浆槽内的上浆剂浓度持续变低,造成碳纤维的上浆量持续下降,从而产生批次之间的上浆量差异的问题。
本发明提供一种碳纤维上浆方法,所述上浆方法的步骤如下:
步骤一:将碳纤维通过导辊浸入上浆槽中进行上浆;
步骤二:将上过浆的碳纤维通过导辊传导到部分浸渍在上浆剂中的压辊中进行挤压;
步骤三:将挤压过的碳纤维输送到下一道工序。
进一步改进在于:所述步骤二中压辊下方设置有回液槽,压辊下半部分浸渍在回液槽中的上浆剂中。
进一步改进在于:所述步骤二中压辊将碳纤维上多余的上浆剂挤出后,上浆剂通过重力作用流入回液槽中。
进一步改进在于:所述压辊的设置数量至少为一对,所述压辊全部设置在回液槽中。
其最主要的特征,也是与普通上浆方法最大的区别,就是通过手段,使碳纤维在运行过程中表面可以时刻保持被上浆剂润湿的状态,也就是表面时刻存在一层上浆剂液膜的状态,从而避免了上浆剂中的树脂成分在压辊的表面附着、沉积、固化。上浆剂中的树脂成分,在纤维不直接与压辊接触的部分,更容易发生附着,但是由于保持了压辊时刻处于被上浆剂润湿的状态,即使树脂发生沉积,也会很快被压辊表面时刻存在的上浆剂所除去,从而避免了长时间的附着后发生的干燥和固化现象。为了保持压辊时刻被上浆剂所润湿,可以保持回液槽中具有一定的上浆剂液位,将压辊的部分浸入回液槽中液位以下;也可以采取对压辊表面进行上浆剂的喷射的方法。
本发明的另外一个主要特征,是压辊挤压出来的上浆剂不直接回流到上浆槽,而是将其收集到回液槽中。在碳纤维上浆的过程中,由于上浆剂乳液中的树脂成分和水对碳纤维的亲和力不同,树脂更容易沉积在纤维表面,因而在被压辊挤压出的多余的上浆剂中,水的比例要比原先的上浆剂更多,也就是说,被挤出的多余的上浆剂的浓度更低一些。如果其直接回流到上浆槽中,会造成上浆槽内上浆剂的浓度随生产时间的延长而逐渐降低。本发明中,被挤压出的上浆剂不直接回流到上浆槽内,而是被收集在回液槽中,回液槽中较低浓度的上浆剂可以很好的除去附着在压辊表面的树脂成分,从而防止其在压辊表面长时间附着而产生的干燥固化现象。
浸渍上浆过程:
本发明的上浆方法,第一步是将碳纤维在导辊的作用下通过上浆槽,通过浸渍在上浆槽中的上浆剂中实现上浆,也就是浸渍上浆过程。该过程中使用的上浆剂为乳液形式。其主要的有效成分为树脂,如环氧树脂、环氧改性的聚氨酯树脂、聚酯、聚酰胺、聚氨酯等,可以只有一种,也可以包含两种或以上。
上浆槽内上浆剂乳液的浓度,应根据所使用的上浆槽的大小和所需的上浆量而决定。一般而言,碳纤维制造过程中使用的上浆剂,无论是购买的市售品,还是自行生产,为了提高乳化效率以及保存方便等,浓度都比较大,通常在20~40%之间。在实际使用时,需要将其根据情况进行稀释到1~10%之间。
碳纤维束在上浆槽内的浸渍方法没有特别的限制。一般是通过设置一组导辊,将炭纤维束引入到上浆剂液面以下。导辊的数量和空间组合方式可以根据实际情况进行自由设置。另外,在上浆槽的前后,通常也需要设置导辊对纤维束进行变向。
挤压过程:
上浆槽内浸渍上浆过程之后,通过压辊将多余的上浆剂压出,通过调节压辊的压力,可以控制碳纤维的上浆量以及幅宽等,还可以使上浆剂在各个单丝上上浆均一。
挤压过程是本发明中最大的特征,被压辊挤出的多余的上浆剂不能直接回流到上浆槽中,而是被收集到额外设置的回液槽中,回液槽中的液面维持一定高度,将压辊部分浸渍于回液槽中的上浆剂中,即可以保持压辊表面时刻被上浆剂润湿,从而防止树脂在压辊表面的附着、干燥和固化。
压辊由上下设置的一对辊子组成,其中仅下方的辊子部分浸渍在回液槽中的上浆剂液面以下,上方的辊子没有直接接触上浆剂。由于碳纤维的运行速度一般较慢,被压辊挤出的多余的上浆剂首先滞留在上下两个辊子之间,然后在重力的作用下通过下方的辊子表面滴入回液槽,因此,其主要是在下方的辊子上滞留,而下方的辊子浸渍在上浆剂中,可以时刻保持湿润状态,因而可以有效的防止其长时间滞留而产生的干燥固化现象。
压辊的压力大小,应根据所希望的上浆量以及碳纤维幅宽来灵活调节。压辊所使用的材质,可以选用硬质橡胶或者金属。压辊的设置数量最少为一对,也可以根据情况设置两对或者以上。
本发明的有益效果是:使用本发明的碳纤维上浆系统,可以有效的提高上浆的均一性,使上浆槽内上浆剂的浓度更容易控制,同时明显的减轻压辊上发生的上浆剂粘附固化现象。
附图说明
图1是本发明的工作示意图。
其中:1-碳纤维,2-导辊,3-上浆槽,4-压辊,5-回液槽。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解,下面将结合实施例对本发明作进一步详述,该实施例仅用于解释本发明,并不构成对本发明保护范围的限定。
实施例1
未上浆的碳纤维(每束丝的单丝数为12000)40束在辊面上按间隔10mm均匀排列行进。纤维束通过如图1所示的上浆系统的上浆槽进行上浆。上浆槽中的上浆剂为上浆剂乳液,其主要有效成分为液相环氧树脂和固相环氧树脂,有效成分的浓度为4.5%。
所述上浆方法的步骤如下:
步骤一:将碳纤维通过导辊浸入上浆槽中进行上浆;
步骤二:将上过浆的碳纤维通过导辊传导到部分浸渍在上浆剂中的压辊中进行挤压;
步骤三:将挤压过的碳纤维输送到下一道工序。
所述步骤二中压辊下方设置有回液槽,压辊下半部分浸渍在回液槽中的上浆剂中。所述步骤二中压辊将碳纤维上多余的上浆剂挤出后,上浆剂通过重力作用流入回液槽中。所述压辊的设置数量为一对,所述压辊全部设置在回液槽中。
在完成上浆后在导辊的作用下将纤维导出上浆槽,通过一对压力可控的压辊,将纤维中多余的上浆剂挤压出来。挤压出来的多余的上浆剂收集到回液槽中。压辊中下方的一根部分浸渍在回液槽中的浆液中,浸入深度约为其直径的1/4.纤维的走行速度为3m/min.
经测定,回液槽中收集到的多余的上浆剂的浓度为4.2~4.3%,经过对浓度重新调配后可以在上浆槽中重复使用。连续运行5天,在整个压辊的表面,无论是纤维接触到的部分还是未接触到的部分,未见有明显的差异,未见有明显的上浆剂粘附、固化所造成的痕迹。整个过程中上浆槽中的上浆剂的浓度基本保持稳定。纤维的上浆量平均值为0.82%,数据离散性即CV值为4.7%,上浆均一性较好。
比较例:
使用目前的压辊挤压碳纤维的方法,将压辊设置在上浆槽中,其余与实施例1一致。连续运行5天,过程中每天对上浆槽中的上浆剂浓度进行检测,其结果分别为4.5%,4.46%,4.41%,4.37%,4.33%,浓度显示出明显的下降趋势。经过5天的运行后,压辊上有明显的由于上浆剂粘附固化所产生的的印迹,纤维接触到的部分和未接触到的部分差别明显,印迹主要集中纤维未接触的部分辊面。碳纤维的上浆量平均值为0.78%,CV值为8.9%,上浆均一性较差。

Claims (4)

1.一种碳纤维上浆方法,其特征在于:所述上浆方法的步骤如下:
步骤一:将碳纤维通过导辊浸入上浆槽中进行上浆;
步骤二:将上过浆的碳纤维通过导辊传导到部分浸渍在上浆剂中的压辊中进行挤压;
步骤三:将挤压过的碳纤维输送到下一道工序。
2.如权利要求1所述的一种碳纤维上浆方法,其特征在于:所述步骤二中压辊下方设置有回液槽,压辊下半部分浸渍在回液槽中的上浆剂中。
3.如权利要求2所述的一种碳纤维上浆方法,其特征在于:所述步骤二中压辊将碳纤维上多余的上浆剂挤出后,上浆剂通过重力作用流入回液槽中。
4.如权利要求1所述的一种碳纤维上浆方法,其特征在于:所述压辊的设置数量至少为一对,所述压辊全部设置在回液槽中。
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