CN104535490B - 一种碳纤维集束性的测试装置的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种碳纤维集束性的测试装置的测试方法，测试装置包括全封闭式试验箱箱体，在试验箱箱体内依次设置有可自由转动的退绕装置、对碳纤维具有限位作用的瓷眼和对碳纤维具有传动作用的传动辊机构以及对碳纤维进行卷绕并可控速的卷绕装置。将碳纤维从退让装置牵出依次穿过瓷眼、传动辊机构，最后缠绕到卷绕装置上，根据碳纤维展纱前后的宽度计算出碳纤维的集束性。本发明还涉及到此装置的测试方法，可以有效对碳纤维的集束性进行测试，避免了因不同测试人员目测或手感造成的误差，为碳纤维集束性的评价检测提供了一个高效的测试设备和检测方法，使得测试结果更为可靠。

Description

一种碳纤维集束性的测试装置的测试方法

技术领域

本发明涉及碳纤维工艺适用性能检测评价的技术领域，具体是一种碳纤维集束性的测试装置及其测试方法。

背景技术

由于碳纤维具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、低密度、导电效率高等突出的优异性能，自上世纪六七十年代诞生以来，其树脂基复合材料迅速在航空航天，大功率风力发电机械，建筑工业，汽车工业，体育用品，导体材料，海洋耐腐蚀材料等领域得到了广泛的应用并呈现出逐年递涨的趋势，并且随着碳纤维生产工艺的不断优化以及生产成本的不断降低，越来越多的碳纤维复合材料将逐步广泛的进入民用领域，市场应用前景广阔。

众所周知，碳纤维本身没有集束性，其表面附着的一层上浆剂赋予碳纤维具有一定的集束性。如果上浆剂集束性不好，会给后续的缠绕、织造和预浸等深加工工序带来不良的影响，反之，集束性太强会导致纤维的开纤扩幅性变差，不利于碳纤维与基体树脂之间的充分浸渍，最终影响复合材料制品整体性能的充分发挥。所以，通常需要选用合适的上浆剂、选择合适的上浆工艺、调节适当的上浆剂含量使碳纤维获得适中的集束性，满足各种工艺适用性能的要求。

一直以来，对碳纤维集束性的评价都是一个突出的难题，现在国内碳纤维研发和生产企业比较普遍的做法是由经验相对丰富的技术人员根据外观和手感做出定性的评价结论，这样的评价方式往往带有一定的主观意识，其定性结论也经常是“好”、“较好”、“不好”和“差”等文字描述性的结论，得不到大多数人的认可，没有说服力。

碳纤维的集束性是碳纤维性能能否充分发挥的一个至关重要的影响因素，这已经是不争的事实。但是遍查国内外的文献和专利，基本上找不到有关集束性量化评价的介绍，而随着碳纤维在各行各业中的广泛应用，其用量也呈现出日益增长的趋势，仅凭带有主观意识的定性评价结论也早已不能满足来自各个方面客户的需求。鉴于以上原因，本发明提出了一种碳纤维集束性的测试装置和测试方法，可以取代测试人员的目测或触摸等不规范检测方法，减小了因测试人员不同造成的测试误差。

因此，上述问题是在碳纤维的集束性测试过程中所应当考虑并急需解决的问题。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明为避免因不同测试人员目测或手感造成的误差，提供一种能有效对碳纤维集束性进行测试的测试装置和测试方法。

本发明采用的技术方案是：一种碳纤维集束性的测试装置，包括全封闭式试验箱箱体，在所述试验箱箱体内依次设置有可自由转动的退绕装置、对碳纤维具有限位作用的瓷眼和对碳纤维具有传动作用的传动辊机构以及对碳纤维进行卷绕并可控速的卷绕装置。

优选地，所述试验箱箱体内的后侧面上固定有用于安装测试仪器的设备箱箱体，所述退绕装置、瓷眼、传动辊机构和卷绕装置依次安装在所述设备箱箱体上。

优选地，所述退绕装置包括退绕轴，在所述退绕轴上固定有可随所述退绕轴转动的纤维纱锭。

优选地，所述传动辊机构包括多个传动辊，分别为第一传动辊、第二传动辊、第三传动辊、第四传动辊和第五传动辊，所述第一传动辊、所述第二传动辊和所述第四传动辊、所述第五传动辊以所述第三传动辊为中心呈对称设置，所述第一传动辊和所述第二传动辊之间以及所述第四传动辊和所述第五传动辊之间均设置有直尺，为第一直尺和第二直尺，所述第三传动辊两侧均分别设置有展纱辊为第一展纱辊和第二展纱辊并分别位于所述第二传动辊与所述第三传动辊之间以及所述第四传动辊与所述第三传动辊之间。

优选地，所述卷绕装置包括卷绕轴，在所述卷绕轴上固定有收丝锭，采用无极变速电动机连接所述收丝锭并带动所述收丝锭进行自转，所述试验箱箱体外侧安装有可用于调节所述卷绕装置的电动机转速的变速旋钮。

优选地，在所述试验箱箱体的底部安装有两个可调节试验箱水平的调节旋钮，分别位于所述试验箱箱底的左右两侧，为左调节旋钮和右调节旋钮。

优选地，所述试验箱箱体正面为可开式设计，所述试验箱箱体的正面、左面、右面和顶面均采用无色透明材料制成，所述试验箱箱体的底面和后面采用承重材料制成。

优选地，上述一种碳纤维集束性的测试装置的测试方法，包括如下步骤：

a.调节试验箱箱体所处的环境，使得环境的温度和湿度达到检测标准，并通过左调节旋钮和右调节旋钮调节试验箱箱体使得试验箱箱体达到水平状态，试验箱箱体正面呈打开形式在此环境中静置；

b.从同一型号同一批次的碳纤维中选取复数锭需要测试集束性的碳纤维且保证每锭碳纤维的长度不低于10m，选取的复数锭碳纤维在步骤a中的环境下静置；

c.纤维纱锭在退绕轴上安装好并保证纤维能从其上端牵出，收丝锭在卷绕轴上固定好；

d.选取的纤维锭中的一锭纤维从退让装置牵出后按顺序依次经过瓷眼、传动辊机构，最后缠绕到卷绕装置上，关闭试验箱箱体正面使得试验箱呈封闭状态；

e.调节变速旋钮控制收丝锭的转速，并且每隔一段时间关闭电动机一次，分别在第一直尺和第二直尺上测出展纱前后纤维的宽度，测量相应次数后，第一直尺测出的数据取得平均值为a，第二直尺测出的数据取得平均值为b，并按照如下方程式求得集束性值，w=(b-a)/a×100%，w越大说明集束性越差；

f．将步骤b中选取的其他锭碳纤维依次按照步骤d~步骤e的步骤分别测试其集束性，测试结果取得平均值并计算其离散系数，最终得到该型号批次碳纤维集束性的测试数据。

优选地，步骤a中的环境温度控制为25℃±5℃，相对湿度为50%±10%，并且试验箱箱体和所选取的碳纤维静置时间不少于2小时；步骤e中调节变速旋钮控制收丝锭的转速在10~20r/min。

优选地，步骤d中碳纤维从瓷眼穿出后在传动辊机构上依次经过第一传动辊、第一直尺、第二传动辊、第一展纱辊、第三传动辊、第二展纱辊、第四传动辊、第二直尺和第五传动辊，再从上面缠绕到收丝锭上。

本发明一种碳纤维集束性的测试装置及其测试方法，在试验箱箱体内进行整个操作，为了使得箱体内的操作便于观察，箱体的正面、左面、右面和顶面均设计为无色透明状，可选用高透明聚乙烯或聚丙烯作为原料制成的无色透明塑料板材，箱体的底面和后面的承重材质可采用304型或306型承重不锈钢板材。

选取的若干根碳纤维在测试装置上进行展纱操作，并采用第一直尺和第二直尺分别测得展纱前碳纤维的宽度和展纱后碳纤维的宽度，选用的第一直尺和第二直尺的精度为0.2mm，两展纱辊的材质选取镀铬的橡胶弓形圆棒，并且展纱辊的弓形弧度控制为10°~120°。两直尺测出的数据取得平均值后根据方程式w=(b-a)/a×100%得出集束性，其中b为第二直尺测出的碳纤维展纱后得到宽度平均值，a为第一直尺测出的碳纤维展纱前得到的宽度平均值，所求出的w值越大，说明其集束性越差，反之，集束性越好。其他的碳纤维也选用上述方法求得w值即集束性值，求得所有集束性值的平均值，并计算得到其离散系数，最终便可得该型号批次的碳纤维集束性的测试结果。

本发明的有益效果是：本发明所设计的测试装置结构简单，没有复杂的部件，制作成本低廉，根据此测试装置所采用的测试方法简洁明了，测试人员经过简单培训即可操作，并且操作过程安全快捷。本发明可以有效对碳纤维的集束性进行测试，避免了因不同测试人员目测或手感造成的误差，为碳纤维集束性的评价检测提供了一个高效的测试设备和检测方法，对碳纤维的集束性进行测试的测试结果更可靠。

附图说明

图1是本发明一种碳纤维集束性的测试装置的正面结构示意图。

图2是本发明一种碳纤维集束性的测试装置的俯视结构示意图。

其中，1-试验箱箱体，2-退绕装置，3-瓷眼，4-传动辊机构，5-卷绕装置，6-设备箱箱体，201-退绕轴，202-纤维纱锭，401-第一传动辊，402-第二传动辊，403-第三传动辊，404-第四传动辊，405-第五传动辊，406-第一直尺，407-第二直尺，408-第一展纱辊，409-第二展纱辊，501-卷绕轴，502-收丝锭，7-变速旋钮，8-左调节旋钮，9-右调节旋钮。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

如图1和图2所示，一种碳纤维集束性的测试装置包括全封闭式试验箱箱体1，在所述试验箱箱体1内依次设置有可自由转动的退绕装置2、对碳纤维具有限位作用的瓷眼3和对碳纤维具有传动作用的传动辊机构4以及对碳纤维进行卷绕并可控速的卷绕装置5。所述试验箱箱体1内的后侧面上固定有用于安装测试仪器的设备箱箱体6，所述退绕装置2、瓷眼3、传动辊机构4和卷绕装置5依次安装在所述设备箱箱体6上。所述退绕装置2包括退绕轴201，在所述退绕轴201上固定有可随所述退绕轴201转动的纤维纱锭202。所述传动辊机构4包括多个传动辊，分别为第一传动辊401、第二传动辊402、第三传动辊403、第四传动辊404和第五传动辊405，所述第一传动辊401、所述第二传动辊402和所述第四传动辊404、所述第五传动辊405以所述第三传动辊403为中心呈对称设置，所述第一传动辊401和所述第二传动辊402之间以及所述第四传动辊404和所述第五传动辊405之间均设置有直尺，为第一直尺406和第二直尺407，所述第三传动辊403两侧均分别设置有展纱辊为第一展纱辊408和第二展纱辊409并分别位于所述第二传动辊402与所述第三传动辊403之间以及所述第四传动辊404与所述第三传动辊403之间，选用的第一直尺406和第二直尺407的精度为0.2mm，两展纱辊的材质选取镀铬的橡胶弓形圆棒，并且展纱辊的弓形弧度控制为10°~120°。所述卷绕装置5包括卷绕轴501，在所述卷绕轴501上固定有收丝锭502，采用无极变速电动机连接所述收丝锭502并带动所述收丝锭502进行自转，所述试验箱箱体1外侧安装有可用于调节所述卷绕装置5的电动机转速的变速旋钮7。在所述试验箱箱体1的底部安装有两个可调节试验箱水平的调节旋钮，分别位于所述试验箱箱底的左右两侧，为左调节旋钮8和右调节旋钮9。所述试验箱箱体1正面为可开式设计，所述试验箱箱体1的正面、左面、右面和顶面均采用无色透明材料制成，其材质可选用高透明聚乙烯或聚丙烯作为原料制成的无色透明塑料板材，所述试验箱箱体1的底面和后面采用承重材料制成，其材质可采用304型或306型承重不锈钢板材。

上述一种碳纤维集束性的测试装置的测试方法，包括如下步骤：

a.调节试验箱箱体1所处的环境，使得环境的温度和湿度达到检测标准，并通过左调节旋钮8和右调节旋钮9调节试验箱箱体1使得试验箱箱体1达到水平状态，试验箱箱体1正面呈打开形式在此环境中静置；

b.从同一型号同一批次的碳纤维中选取复数锭需要测试集束性的碳纤维且保证每锭碳纤维的长度不低于10m，选取的复数锭碳纤维在步骤a中的环境下静置；

c.纤维纱锭202在退绕轴201上安装好并保证纤维能从其上端牵出，收丝锭502在卷绕轴501上固定好；

d.选取的纤维锭中的一锭纤维从退绕装置2牵出后按顺序依次经过瓷眼3、传动辊机构4，最后缠绕到卷绕装置5上，关闭试验箱箱体1正面使得试验箱呈封闭状态；

e.调节变速旋钮7控制收丝锭502的转速，并且每隔一段时间关闭电动机一次，分别在第一直尺406和第二直尺407上测出展纱前后纤维的宽度，测量相应次数后，第一直尺406测出的数据取得平均值为a，第二直尺407测出的数据取得平均值为b，并按照如下方程式求得集束性值，w=(b-a)/a×100%，其中b为第二直尺407测出的碳纤维展纱后得到宽度平均值，a为第一直尺406测出的碳纤维展纱前得到的宽度平均值，所求出的w值越大，说明其集束性越差，反之，集束性越好。

f．将步骤b中选取的其他锭碳纤维依次按照步骤d~步骤e的步骤分别测试其集束性，测试结果取得平均值并计算其离散系数，最终得到该型号批次碳纤维集束性的测试结果。

步骤a中的环境温度控制为25℃±5℃，相对湿度为50%±10%，并且试验箱箱体1和所选取的碳纤维静置时间不少于2小时；步骤e中调节变速旋钮7控制收丝锭502的转速在10~20r/min。步骤d中碳纤维从瓷眼3穿出后在传动辊机构4上依次经过第一传动辊401、第一直尺406、第二传动辊402、第一展纱辊408、第三传动辊403、第二展纱辊409、第四传动辊404、第二直尺407和第五传动辊405，再从上面缠绕到收丝锭502上。

针对上述碳纤维集束性的测试方法，现列举如下实施例：

实施例1：

调节试验房间温度为20℃，相对湿度为40%，并使用左调节旋钮8和右调节旋钮9调节试验箱箱体1的水平，打开试验箱箱体1的正面，在此环境中静置2小时以上；从HF10-12K-A2碳纤维中选取5锭需要测试集束性的碳纤维，纤维定长均在1100米左右，在上述环境中放置2小时；纤维纱锭202在退绕轴201上安装好并保证纤维能从其上端牵出，收丝锭502在卷绕轴501上固定好；选取的纤维锭中的其中一根固定在退绕装置2上，并按顺序依次经过瓷眼3和传动辊机构4等，最后缠绕到收丝锭502上，闭合试验箱箱体1正面；使用变速旋钮7调节收丝锭502的转速到10r/min，然后每隔5秒钟关闭电动机一次，在第一直尺406、第二直尺407上测出展纱前后纤维的宽度，一共测10次，第一直尺406和第二直尺407各自测得的10个数据取平均值分别为7.42mm、9.60mm，则集束性值为29.38%；选取的其余4锭碳纤维依次按照上述步骤测试集束性，第二到第五次测试结果分别为26.4%、29.3%、27.9%、28.1%，取平均值得到该型号批次碳纤维集束性为28.2%，离散系数为4.26%。

实施例2：

调节试验房间温度为25℃，相对湿度为50%，从HF30-12K-A2碳纤维中选取4锭需要测试集束性的碳纤维纤维定长均在2700米左右，按照实施例1在上述环境中放置2小时并通过试验箱箱体1内的测试装置检测，变速旋钮7调节收丝锭502的转速为15r/min，第一到第四次测试结果分别为46.3%、47.9%、49.6%、48.1%，取平均值得到该型号批次碳纤维集束性为47.98%，离散系数为2.61%。

实施例3：

调节试验房间温度为27℃，相对湿度为60%，从T700SC-12K-50C碳纤维中选取3锭需要测试集束性的碳纤维纤维定长均在2500米左右，按照实施例1在上述环境中放置2小时并通过试验箱箱体1内的测试装置检测，变速旋钮7调节收丝锭502的转速为20r/min，第一到第三次测试结果分别为33.3%、32.5%、30.08%，取平均值得到该型号批次碳纤维集束性为31.96.，离散系数为2.97%。

与现有技术相比，本实施例的有益效果是：本发明所设计的测试装置结构简单，没有复杂的部件，制作成本低廉，根据此测试装置所采用的测试方法简洁明了，测试人员经过简单培训即可操作，并且操作过程安全快捷。本发明可以有效对碳纤维的集束性进行测试，避免了因不同测试人员目测或手感造成的误差，为碳纤维集束性的评价检测提供了一个高效的测试设备和检测方法，对碳纤维的集束性进行测试的测试结果更可靠。

尽管给定的实施例已经被描述，然而这些实施例仅仅用于举例说明，其并不用于限定本发明的保护范围。事实上，说明书记载的实施例可以被以各种变形方式实施；即，基于本发明的精神可以对上述实施例做出各种省略、替代和改变等变形。从而在本技术领域一般技术人员不脱离本发明精神的情况下使用的各种修改、替代结构和等同特征将落入本发明公开的范围。

Claims (5)

1.一种碳纤维集束性的测试装置的测试方法，所述测试装置包括全封闭式试验箱箱体，在所述试验箱箱体内依次设置有可自由转动的退绕装置、对碳纤维具有限位作用的瓷眼和对碳纤维具有传动作用的传动辊机构以及对碳纤维进行卷绕并可控速的卷绕装置，所述传动辊机构包括多个传动辊，分别为第一传动辊、第二传动辊、第三传动辊、第四传动辊和第五传动辊，所述第一传动辊、所述第二传动辊和所述第四传动辊、所述第五传动辊以所述第三传动辊为中心呈对称设置，所述第一传动辊和所述第二传动辊之间以及所述第四传动辊和所述第五传动辊之间均设置有直尺，为第一直尺和第二直尺，所述第三传动辊两侧均分别设置有展纱辊为第一展纱辊和第二展纱辊并分别位于所述第二传动辊与所述第三传动辊之间以及所述第四传动辊与所述第三传动辊之间；所述退绕装置包括退绕轴，在所述退绕轴上固定有可随所述退绕轴转动的纤维纱锭，所述卷绕装置包括卷绕轴，在所述卷绕轴上固定有收丝锭，采用无极变速电动机连接所述收丝锭并带动所述收丝锭进行自转，所述试验箱箱体外侧安装有可用于调节所述卷绕装置的电动机转速的变速旋钮，在所述试验箱箱体的底部安装有两个可调节试验箱水平的调节旋钮，分别位于所述试验箱箱底的左右两侧，为左调节旋钮和右调节旋钮，其特征在于：包括如下步骤：

a.调节试验箱箱体所处的环境，使得环境的温度和湿度达到检测标准，并通过左调节旋钮和右调节旋钮调节试验箱箱体使得箱体达到水平状态，试验箱箱体正面呈打开形式在此环境中静置；

b.从同一型号同一批次的碳纤维中选取复数锭需要测试集束性的碳纤维且保证每锭碳纤维的长度不低于10m，选取的复数锭碳纤维在步骤a中的环境下静置；

c.纤维纱锭在退绕轴上安装好并保证纤维能从其上端牵出，收丝锭在卷绕轴上固定好；

d.选取的纤维锭中的一锭纤维从退让装置牵出后按顺序依次经过瓷眼、传动辊机构，最后缠绕到卷绕装置上，关闭试验箱箱体正面使得试验箱呈封闭状态；

e.调节变速旋钮控制收丝锭的转速，并且每隔一段时间关闭电动机一次，分别在第一直尺和第二直尺上测出展纱前后纤维的宽度，测量相应次数后，第一直尺测出的数据取得平均值为a，第二直尺测出的数据取得平均值为b，并按照如下方程式求得集束性值，w=(b-a)/a×100%，w越大说明集束性越差；

f．将步骤b中选取的其他锭碳纤维依次按照步骤d~步骤e的步骤分别测试其集束性，测试结果取得平均值并计算其离散系数，最终得到该型号批次碳纤维集束性的测试数据。

2.根据权利要求1所述的一种碳纤维集束性的的测试装置的测试方法，其特征在于：步骤a中的环境温度控制为25℃±5℃，相对湿度为50%±10%，并且试验箱箱体和所选取的碳纤维静置时间不少于2小时；步骤e中调节变速旋钮控制收丝锭的转速在10~20r/min。

3.根据权利要求2所述的一种碳纤维集束性的的测试装置的测试方法，其特征在于：步骤d中碳纤维从瓷眼穿出后在传动辊机构上依次经过第一传动辊、第一直尺、第二传动辊、第一展纱辊、第三传动辊、第二展纱辊、第四传动辊、第二直尺和第五传动辊，再从上面缠绕到收丝锭上。

4.根据权利要求1所述的一种碳纤维集束性的测试装置的测试方法，其特征在于：所述试验箱箱体内的后侧面上固定有用于安装测试仪器的设备箱箱体，所述退绕装置、瓷眼、传动辊机构和卷绕装置依次安装在所述设备箱箱体上。

5.根据权利要求1所述的一种碳纤维集束性的测试装置的测试方法，其特征在于：所述试验箱箱体正面为可开式设计，所述试验箱箱体的正面、左面、右面和顶面均采用无色透明材料制成，所述试验箱箱体的底面和后面采用承重材料制成。