CN104790149B - 连续性纤维丝束的处理设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明有关一种连续性纤维丝束的处理设备及方法，其中处理设备包括退浆单元、展开与分散单元以及定型单元，所述退浆单元是通过流体清洗方式使所述纤维丝束退浆，所述展开与分散单元包括交替设置的圆棒及张力制动罗拉以及张力制动器，所述圆棒和张力制动罗拉是控制所述纤维丝束与相邻圆棒之间的接触角度，所述张力制动器是连接于各张力制动罗拉从而调整各张力制动罗拉转动时产生的张力，所述定型单元是令所述纤维丝束再上浆后干燥。本发明处理方法通过上述处理设备进行，经处理的纤维丝束具有降低且均匀的纤维分布密度，且有稳定且一致的纤维丝束幅宽，从而能用于直接与热可塑性塑料制成热可塑性复合材料或各种复合材料产品。

Description

连续性纤维丝束的处理设备及方法

技术领域

本申请案有关一种连续性纤维丝束的处理方法，特別是一种能够降低纤维分布密度，并使纤维分布密度均匀，且获得稳定且一致的纤维丝束幅宽的纤维丝束的方法。

本申请案又有关一种连续性纤维丝束的处理设备，可使用于上述处理方法中，从而达到更优良的效果。

背景技术

本发明所谓的纤维补强树脂复合材料(fiber reinforced plastic composite)是以树脂作为基材，而纤维作为补强材料的复合材料，常用的纤维补强树脂复合材料包括玻璃纤维、碳纤维、硼纤维及克维拉(Kevlar)纤维等复合材料，例如，玻璃钢(FRP)浴缸是最常见的玻璃纤维复合材料的应用，而碳纤维因其比重小，刚性与强度高，可取代金属用于要求高刚性及轻量化兼顾的产品上，例如碳纤维网球拍、高尔夫球杆、脚踏车等，皆为常见的碳纤维复合材料，而且台湾曾是上述碳纤维产品于全世界生产量第一的国家；另外，由波音公司生产且被称为梦幻飞机(dreamliner)的波音787(B787)，因要求续航力、节能与舒适感，是有始以来碳纤复合材料使用重量最大、比例最高及最著名的例子。

碳纤维环氧树脂复合材料，为碳纤维应用于航天工业或运动器材最多的复合材料，具有连续性长纤维特性的复合材料工艺为其最主要的工法，其中使用碳纤维含浸环氧树脂液的预浸步骤，能使树脂分布均匀且纤维充分浸润，含浸工法可制成重量轻且高强度与高模数的碳纤维复合材料，以此法制成的碳纤维复合材料常用于取代金属而达到减轻重量的效果。

制造碳纤维的原料主要有聚丙烯腈系、沥青系及嫘萦系三种，其中以聚丙烯腈系具有高强度与低成本特性，其为最重要与产能也最大，因此以聚丙烯腈树脂为原料的碳纤维，通过溶剂溶液的湿式纺丝法能将树脂纺成很细的纤维(一般称原丝)，其工艺与成份与一般所熟知用于制作人造羊毛或地毯的压克力棉相同，聚丙烯腈原丝再经1000至2000℃高温氧化及碳化后，将成分中非碳的元素除去而形成具有含碳纯度99％以上高强度、高模数的碳纤维，由于碳纤维的原丝，或碳化工艺是以单位时间的产出长度(米/小时)当产能依据，当卷取机构数量固定时，生产小丝束规格的碳纤维，例如3K(1K等于1仟根)碳纤维，每一卷取机构单位时间产出的碳纤维重量为1公斤，则生产12K碳纤维的重量可达4倍(即4公斤)，此意味生产3K碳纤维的工艺成本比12K高近4倍，若能生产24K或48K的大丝束碳纤维，工艺成本将更低。聚丙烯腈原丝于抽丝时，是聚丙烯腈聚物溶液经过纺嘴至纺丝液固化而成丝状物，12K原丝即为由12000个纺孔纺出的单丝纤维，经冷却及后加工并集束成12K碳纤维，大于12K的24K，48K或80K的碳纤维称为大丝束碳纤维。

大量工业化用于环氧树脂含浸的碳纤维以12K为主，以纤维含浸树脂液后呈具单方向纤维排列的半固化材料称为单方向预浸料(unidirectional prepreg)，其具有不沾手又容易作积层的优点，为目前制造高性能碳纤维复合材料的重要二次加工品。预浸料的质量取决于纤维含浸树脂，其必需能够充分使纤维含浸而均匀分散或分布于纤维中，而且树脂要充分含浸，必须于树脂黏度极低下进行含浸步骤，否则树脂无法渗入丝束间。现有的工法包括通过添加溶剂使树脂黏度降低的溶剂法，以及通过加热方式使树脂黏度降低的热熔胶法两种，其中溶剂法成本低，但不具环保性，而热熔胶法虽然成本高，但具环保性，且能得高质量的预浸料，为目前市场上主流的含浸工法。纤维是否能均匀分散或分布取决于碳纤维需分散的纤维密度、分散工法及碳纤维的质量稳定性。

以环氧树脂为基材的碳纤维复材料，因环氧树脂属热固性塑料，无法回收(recycle)再制造，而近年来因碳纤维的应用已逐渐扩至民生用途，如电子产品及汽车产业等，无法回收再制的问题迫使业者转而开发热塑性塑料的碳纤维复合材料。一般泛用级的热塑性塑料，例如尼龙(Nylon)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚碳酯(PC)及聚丙烯(PP)等。然而，因热塑性塑料熔融时的黏度无法如环氧树脂般具有很好的纤维渗透性，也无法以适当的溶剂使黏度降低，因此无法将环氧树脂热固性塑料的含浸工法应用于热塑性塑料的碳纤维预浸料。故，单方向碳纤维热可塑性复材预浸料为现今碳纤维产业急于研发的技术。

前述一般泛用级的热可塑性塑料因熔融时的黏度高，导致树脂很难完全渗入丝束的纤维间隙，无法充填成具低空孔且树脂分布均匀的纤维补强塑料。若要克服此问题，必须将树脂黏度降低或使纤维分散得更易渗透。关于前者，虽然目前已有具有低黏度特性的航天高温级树脂，但其价格非常昂贵，非一般泛用级的价格可比拟，所以要符合民生工业可使用的阶段仍有一段距离，因此发展后者－“使纤维分散得更易渗透”势必较符合现阶段的课题。

将较大碳纤维丝束(如12K，24K，48K及80K)于宽方向单纤分布密度降低的方法可称为纤丝束“展开与分散方法”，应用于传统热固性塑料预浸料含浸法，或已发表的专利文献如下：

1.传统工法：

1-1热固性塑料热熔胶法：主要通过导丝时的张力及与罗拉(roller)的摩擦力使丝束展开，并通过纤维含浸时的罗拉挤压树脂带动纤维往两侧流动，从而降低单纤分布密度。如前述所言，其单纤分布密度降低50％为其极限制(12K碳纤维的分布密度由15.75根单纤重迭降至7.87根)，需有树脂带动增加密度降低的幅度并减少纤维断裂。

1-2溶剂法：仅通过导丝时的张力及与罗拉的摩擦力使丝束展开，因此摩擦力使丝束的幅宽变宽，也导致有大量的纤维断裂且幅宽不一纤维分布不均匀。

2.日本特许出愿公开号(JP Patent No.)昭56-43435：将大丝束碳纤维以金属圆棒通过张力与摩擦力方式，于树脂液中将丝束宽度变大与单纤分布密度降低，由于树脂液有润滑作用，从而减少纤维断裂，辅以圆棒的横向振动可增加丝束宽度。因主要是通过张力及摩擦力作用，所以若纤维丝束出丝时的张力不稳定，将使丝束展开后的幅宽不稳定。

3. JP Patent No.平3-31823：碳纤维多丝束通过具有多个罗拉圆棒的扩幅装置，辅以轴向方向上振动，罗拉以错位方式配置，并使纤维丝束呈30度到90度的出入角度，其缺点在于纤维丝束出丝时的张力不稳定，将使丝束展开后的幅宽不稳定且易造成大量的纤维断裂。

4. JP Patent No.平1-282362：以超音波于纤维丝束方向振动，辅以高压力的气体，使丝束宽度变大与降低单纤分布密度，其缺点为因纤维丝束向前的张力易使扩幅效果降低，因此无法用于制作较大扩幅。

5. JP Patent No.昭57-77342：于纤维丝束行进方向的垂直方向，以气体或液体的流体运动产生纤维丝束分散力量，促使丝束的幅宽变大，并降低单纤分布密度，其缺点为因纤维丝束向前的张力易使扩幅效果降低，因此无法用于制作较大扩幅，且幅宽难以稳定控制。

6. JP Patent No.昭52-151362：于纤维丝束行进方向的垂直方向，以喷出气体或液体的流体力量分散纤维丝束，促使丝束的幅宽变大并降低单纤分布密度，其缺点为纤维丝束向前的张力易使扩幅效果降低，因此无法用于制作较大扩幅，且幅宽难以稳定控制，纤维易被吹乱。

7. US 2,244,203：通过一系列星形罗拉，通过打击及振动作用而将纤维丝束扩幅，所述星形罗拉另装设有可挠曲性圆棍。

8. US 4,959,895：使用通过共鸣器产生振动作用的数个罗拉而将纤维丝束扩幅，罗拉以上下交替配置及振动接触，具有张力及剪力作用，将纤维集束剂进行破坏从而达到展纱扩纤的功效。

9. US 3,704,485：使纤维丝束于松弛状态下以声波脉冲产生的空气振动作用，而达到纤维丝束分散扩幅的效果。

10. CA 2,045,784：于音箱上方设置数对上下呈Z字交替的罗拉，并通过声波脉冲空气产生振动作用以及Z字交替的路径张力作用，而达到纤维丝束分散扩幅的效果。

11. JP Patent No.特开平7-145556：以在水中的超音波发振器产生振动，使碳纤维织物产生开纤作用。

12. US 6,094,791：此为Toray纤维丝束开纤制成预浸品的专利，其装置特征为(a)具有于轴向可振动的至少一个(数个)罗拉，(b)使用无振动的罗拉压住振动罗拉向下输出的纤纤束，(c)纤维丝束接触非振动罗拉的长度至少为接触振动罗拉的长度的2倍，另以50-180℃加热软化纤维丝束的集束剂，使纤维丝束易于被开纤。

13. WO 2005/002819 A2：其装置特征为(a)有一纤维丝束供丝单元及一张力稳定装置，纤维丝束出丝后经过一紧张及松弛交替的张力波动控制，(b)通过流体流动分散器，使松弛的纤维丝束因流体阻力弱化纤维间的接着，且因流体流动向下使纤维丝束向下弯曲，带动纤维丝束扩纤作用及降低分布密度，流体分散装置可重复设置数个，(c)一张力可变设备可作为紧张及松弛交替的张力波动的控制，(d)流体流动分散器可设置浮动控制桥，其为中间凸出的圆柱形状。

14. CN 1766196：其纤维丝束的扩纤装置，特征在于通过在圆周方向上相互平行地配设多个辊的驱动装置，从而驱动旋转的辊笼，在施加张力状态下，将纤维丝束缠绕在辊笼的周围，当纤维丝束通过和辊之间的摩擦进行扩纤，上述多个辊笼在蕊材周围安装自由伸缩的弹性管，所述弹性管两端连接到以可调节相对于辊笼的旋转轴倾斜角的方式被安装的端板上，辊笼浸渍在pH值为4-10的碱金属离子水中具更优良的扩纤效果。

15. CN 1766197：揭露一种纤维丝束的扩纤装置，特征在于纤维丝束流送部具有限制纤维丝束流送位置的位置限制辊，所述位置限制辊具有凸曲面部，且在所述凸起面部上设置限制纤维丝束的扩纤宽度的一对凸缘，限制辊被支撑于可摇摆的臂的前端部上，可因纤维丝束偏移改变倾斜角位置，使纤维丝束返回中央。

16. CN 101680136：通过至少一个中凸弯曲的散布棱作纤维丝束的扩幅散布。

综观上述专利文献所述的扩纤、展纱或将纤维丝束的纤维分布密度降低的方法，不外乎以圆棒(或辊)进行张力法的分散、或以流体的流向力进行分散、或以振动的分散力进行纤维的分散。其中，圆棒的张力摩擦分散法具有很好的分散作用，但因纤维与圆棒表面摩擦使纤维大量断裂，纤维丝束拉出时的张力无法稳定，分散后的纤维丝束宽度不一，无法得到单一纤维丝束宽度一致的高质量产品，仅能用于传统热固性高纤维分布密度的预浸产品；流体分散法或振动分散法于已知的专利技术中，大部份都是作为张力分散法的辅助方法，无法作为低纤维分布密度工艺的主要工法，若要得到分散后纤维丝束宽度一致的产品，必需有其它的辅助装置作限制宽度化或作调整。对于要制造单一纤维丝束纤维分布密低且均一的产品技术，大部份已知技术并没有完整地提出可行的方法，因此业界仍在找寻一种可以应用于热可塑性单方向预浸布的生产技术。

发明内容

本发明有鉴于此，本发明的目的是在于提供纤维丝束进行降低纤维分布密度的扩纤(或展纱)的整体性解决方案，进而得到低纤维分布密度的纤维丝束，使其所制成的产品具有高质量，即稳定且一致的纤维丝束幅宽以及均匀的纤维分布密度。

为达上述目的，本发明提供一种连续性纤维丝束的处理设备，包括：

退浆单元，包括清洗所述纤维丝束的装置；

展开与分散单元，包括一或多个圆棒、一或多个张力制动罗拉以及张力制动器，所述圆棒和所述张力制动罗拉是彼此相邻设置，其中所述圆棒是固定且无法转动，而所述张力制动罗拉是可移动且可转动，使得所述张力制动罗拉与相邻的圆棒之间的距离为可调整，所述张力制动器是连接于各张力制动罗拉，从而调整各张力制动罗拉转动时产生的张力，通过调整所述张力制动罗拉与圆棒的距离从而控制圆棒与纤维丝束的接触角度；以及

定型单元，包括再上浆装置以及干燥装置。

所述的处理设备进一步包括供丝单元，所述供丝单元是设置于所述退浆单元之前，所述供丝单元依照所述纤维丝束的行进方向依序设有固定装置、导丝罗拉以及导丝孔，其中所述固定装置具有张力控制器。

所述的处理设备进一步包括卷取单元，所述卷取单元是设置于所述定型单元之后，所述卷取单元包括将纤维丝束卷制成纤维丝束丝卷的滚筒。

所述的处理设备中所述退浆单元中清洗所述纤维丝束的装置包括装有流体的喷洒装置，以令所述流体由所述喷洒装置喷出而清洗所述纤维丝束。

所述的处理设备中所述退浆单元进一步包括至少二导丝罗拉组以及张力调整罗拉，所述导丝罗拉组分别设置于所述退浆单元的进料口与出料口，各导丝罗拉组包括上罗拉及下罗拉，所述张力调整罗拉是设置于分别位在进料口与出料口的导丝罗拉组之间，而所述喷洒装置的数量至少为二，分别设置于所述导丝罗拉组与所述张力调整罗拉之间。

所述的处理设备中所述展开与分散单元的圆棒至少为三根，而所述张力制动罗拉至少为两个，所述圆棒和所述张力制动罗拉是交替设置，其中所述圆棒与所述张力制动罗拉的外径尺寸为10-60mm。

所述的处理设备中所述圆棒的外径尺寸为20-40mm，所述张力制动罗拉的外径尺寸为25-45mm。

所述的处理设备中所述展开与分散单元进一步包括装有溶液的溶液槽，其中所述张力制动罗拉是设置于所述溶液的液面下，所述溶液为水或添加有界面活性剂的水。

所述的处理设备中所述张力制动辊轮与相邻的圆棒之间的距离是调整为使得所述纤维丝束与相邻圆棒之间的接触角度为大于90度并小于180度。

所述的处理设备中所述张力制动罗拉与相邻的圆棒之间的距离是调整为使得所述纤维丝束与相邻圆棒之间的接触角度在105度至165度之间。

所述的处理设备中所述定型单元的再上浆装置包括装有定型液的再上浆槽以及上浆罗拉，所述上浆罗拉是设置于所述再上浆槽中，且至少部分浸于所述定型液中，所述干燥装置包括令所述纤维丝束干燥的热源。

所述的处理设备中所述定型单元进一步包括至少二加压导丝罗拉组以及导丝滚轮组，分别设置于所述定型单元的进料口以及所述再上浆装置及所述干燥装置之间，各加压导丝罗拉组包括上罗拉及下罗拉，所述导丝滚轮组包括上罗拉及下罗拉，设置于所述定型单元的出料口，而所述定型单元的干燥装置进一步包括大型辊筒，其外径为50cm以上。

所述的处理设备中所述的大型辊筒的外径是在60至80cm之间。

所述的处理设备中所述定型液为水溶性的压克力树脂、环氧树脂或聚脲酯树脂或者非水溶性的溶剂型热可塑性粉体或单体溶液；所述热源为烤箱、热板、红外线加热器或黄金灯管。

所述的处理设备中所述纤维丝束是选自于由碳纤维、玻璃纤维、克维拉(Kevlar)纤维、玄武岩纤维及芳香族聚酰胺纤维所组成的群。

本发明亦提供一种连续性纤维丝束的处理方法，其包括使用上述处理设备进行以下步骤：

提供纤维丝束；

使用上述退浆单元使所述纤维丝束通过流体清洗方式退浆；

将退浆后的纤维丝束通过上述展开与分散单元处理；以及

将展开并分散后的纤维丝束送入上述定型单元中，并通过所述再上浆装置使所述纤维丝束再上浆，之后通过所述干燥装置使所述纤维丝束干燥而予以定型。

本发明另提供一种连续性纤维丝束的处理方法，包括使用上述处理设备进行以下步骤：

提供纤维丝束；

使用所述退浆单元使所述纤维丝束通过流体清洗方式退浆；

将退浆后的纤维丝束通过所述展开与分散单元处理，通过调整所述张力制动罗拉与圆棒的距离以控制圆棒与纤维丝束的接触角度；以及

将展开并分散后的纤维丝束送入所述定型单元中，并通过所述再上浆装置使所述纤维丝束再上浆，之后通过所述干燥装置使所述纤维丝束干燥而予以定型。

所述的处理方法中所述提供纤维丝束的步骤是使用所述供丝单元提供纤维丝束。

所述的处理方法中在所述纤维丝束干燥后进一步使用所述卷取单元将定型后的纤维丝束卷制成纤维丝束丝卷。

所述的处理方法中所述退浆步骤是以非喷出式在退浆槽内以具有涡流产生装置的涡流水流清洗所述纤维丝束。

附图说明

图1是本发明连续性纤维丝束的处理设备的示意图。

图2是本发明展开与分散单元中的圆棒及张力制动罗拉呈较小接触角的示意图。

图3是本发明展开与分散单元中的圆棒及张力制动罗拉呈较大接触角的示意图。

图4是本发明定型单元中的大型辊筒输送纤维丝束的示意图。

具体实施方式

除非文中有另外说明，于本说明书中(尤其是在后述专利申请范围中)，所使用的“一”、“所述”及类似用语应理解为包含单数及复数形式。另，为明确起见，图式中可能夸示各组件及区域的尺寸，而未按照实际比例绘示。

请参看图1，本发明的一种连续性纤维丝束的处理设备，其依照纤维丝束的行进方向包括：

供丝单元1；其依照纤维丝束F的行进方向设有固定装置11、导丝罗拉12以及导丝孔13，其中所述固定装置11具有张力控制器；

退浆单元2，包括至少二导丝罗拉组21/22、张力调整罗拉23以及至少二喷洒装置24，所述导丝罗拉组21/22分别设置于所述退浆单元2的进料口与出料口，各导丝罗拉组21/22包括上罗拉及下罗拉，所述张力调整罗拉23是设置于分别位在进料口与出料口的导丝罗拉组21/22之间，而所述喷洒装置24则是设置于所述导丝罗拉组21/22与所述张力调整罗拉23之间，各喷洒装置24具有输出流体的喷嘴25，所述流体可为液体或蒸气形式的水或有机溶剂；

展开与分散单元3，其设有装有溶液32的溶液槽31、至少三根圆棒33a，33b，33c、至少二个张力制动罗拉34a，34b及34c以及张力制动器35，所述溶液32可为水或加入界面活性剂，所述圆棒33a，33b，33c和所述张力制动罗拉34a，34b及34c是交替设置，其中所述圆棒33a，33b，33c是固定且无法转动地设置在所述溶液32的液面上或部分浸入溶液32中，而所述张力制动罗拉34a，34b及34c是可移动且可转动地设置在所述溶液32的液面下，使得所述张力制动罗拉34a，34b及34c与相邻的圆棒33a，33b，33c之间的距离为可调整，使得所述纤维丝束F与相邻圆棒33a，33b及33c之间的接触角度为大于90度并小于180度，优选的是105度至165度之间，所述张力制动器35是连接于各张力制动罗拉34a，34b及34c，从而调整各张力制动罗拉34a，34b及34c转动时产生的张力；

定型单元4，包括再上浆装置40、干燥装置50、至少二加压导丝罗拉组44a/44b以及导丝滚轮组44c，所述再上浆装置40包括装有定型液42的再上浆槽41以及上浆罗拉43，所述定型液42为水溶性的压克力树脂、环氧树脂或聚脲酯树脂或者非水溶性的溶剂型热可塑性粉体或单体溶液，所述上浆罗拉43是设置所述再上浆槽41内，且至少部分浸于所述定型液42中；所述干燥装置50包括热源以及大型辊筒51/52，所述热源可为烤箱、热板、红外线加热器或黄金灯管等，所述大型辊筒51/52是设置于所述热源可照射的范围内，且其外径为50cm以上，优选的是60至80cm；所述加压导丝罗拉组44a/44b是设置于所述定型单元4的进料口以及所述再上浆装置40及所述干燥装置50之间，各加压导丝罗拉组44a/44b包括上罗拉及下罗拉，所述导丝滚轮组44c包括上罗拉及下罗拉，设置于所述定型单元4的出料口，从而将定型后的纤维丝束F传送至下一单元；以及

卷取单元6，包括滚筒，令定型后的纤维丝束F卷制成纤维丝束丝卷7。

其中，所述纤维丝束包括用以制作纤维补强树脂复合材料的碳纤维、玻璃纤维、克维拉(Kevlar)纤维、玄武岩纤维、芳香族聚酰胺纤维等；优选的是纤维丝束为碳纤维。

本发明亦提供一种连续性纤维丝束的处理方法，包括以下步骤：

供丝步骤：提供纤维丝束，优选的是使用上述供丝单元提供纤维丝束；

退浆步骤：将所述纤维丝束通过流体清洗方式退浆，所述流体包括液体或蒸气形式的水或有机溶剂，所述流体清洗方式为通过喷出式的流体清洗、通过非喷出式的流动流体浸泡清洗、直接冲洗的方式、或通过非喷出式在退浆槽内以具有涡流产生装置的涡流水流清洗，优选的是使用上述退浆单元使所述纤维丝束退浆或通过非喷出式在退浆槽内用具有涡流产生装置的涡流水流清洗；

展开与分散步骤：将退浆后的纤维丝束展开与分散，优选的是使用上述展开与分散单元处理所述纤维丝束；

定型步骤：将所述纤维丝束再上浆，而后干燥予以定型，优选的是将展开并分散后的纤维丝束送入上述定型单元中，并通过所述再上浆装置使所述纤维丝束再上浆，之后通过所述干燥装置使所述纤维丝束干燥而予以定型；以及

卷取步骤：将定型后的纤维丝束卷制成纤维丝束丝卷，优选的是使用上述卷取单元将定型后的纤维丝束卷制成纤维丝束丝卷。

本发明优选的是通过上述连续性纤维丝束的处理设备进行。

连续性纤维丝束：

本发明以碳纤维为例，碳纤维碳化后的12K碳纤维丝束，成品的宽度约为5.333mm(5333μm)，纤维分布密度为12000根除以5333μm，相当于1μm宽有2.250根碳纤维单纤，又单纤细度(直径)约为7μm，因此理论上有15.75根单纤重迭，12K碳纤丝束的理论厚度为110.25μm(7μm x 15.75＝110.25μm)。

退浆：

以热熔胶法12K碳纤维(每公尺长0.8克重)的环氧树脂预浸料而言，制成每平方公尺150.0克的预浸料，相当于碳纤维丝束未有被扩大的纤维分布密度，15.75根单纤重迭，即由187.5条12K碳纤维丝束组成1公尺宽，换算每米平方重量＝0.8克/公尺x187.5＝150.0克/平方公尺。实际上，12K碳纤维丝束可被作成125克/平方公尺，100克/平方公尺，75克/平方公尺的预浸料，纤维分布密度各被分散为13.125、10.5与7.875根单纤重迭，换算成单丝束宽度为6.4mm，8.0及10.666mm，以12K碳纤维要制作更低的纤维密度预浸料相当困难，例如50克/平方公尺，纤维分布密度5.25根，单丝束宽度16.0mm；30克/平方公尺，纤维分布密度3.15根，单丝束宽度26.67mm，若无特殊的技术，绝对无法得到均匀的分散密度。

以12K的碳纤维丝束而言，从抽丝到碳化完成的工艺中，纤维从模数及强度很低的原丝，到最终成品具有很高的模数及强度，高模数会使得纤维变得很脆，任何摩擦、扭曲或弯折都会使纤维断裂，因此碳纤维丝束成卷前都会作集束或表面润滑加工的上浆工艺，上浆的目的就是方便碳纤维于复合材料工艺加工时，减少碳纤维断裂及易于树脂渗透及结合，上浆工艺为碳纤维制造过程中的关键技术之一。通常碳纤维的上浆率低于3％，上浆率愈低纤维愈易于后加工时被分散，上浆率愈高则纤纤耐磨性愈优良，纤维愈不易断裂，控制碳纤维于后加工易于被分散又不易断裂，乃上浆剂的技术所在。

因此，若要将纤维丝束进行纤维分散，首先必须将浆料去除或降至最低，从而利于纤维被分散。故，本发明的方法含有将浆料去除的步骤或降低浓度的装置，称为退浆单元。

所述退浆单元的特征是设有可喷出流体的喷洒装置，通过喷出流体方式使得纤维丝束的浆料去除或至少降低浆料含量，此流体可为液体或蒸气形式的水或有机溶剂，所述有机溶剂可为酮类、烷类等，酮类如常用的丙酮或甲乙酮等，烷类如二氯甲烷或三氯甲烷等，若通过非喷出式的流动流体浸泡或冲洗方式，亦有相同的功效。为了得到稳定的纤维丝束宽度，在纤维丝束退卷(unwinding)拉出的固定装置上，设有可调整张力的控制器从而利于丝束送出时的稳定性。

展开及分散：

纤维丝束经过退浆步骤后，纤维丝束变得更易被分散，所以此时将纤维丝束进行展开及分散的步骤，使得纤维丝束的纤维密度降低，本案提供一种“展开与分散单元”，通过多根圆棒与张力制动罗拉组合的张力分散法，其特征为在纤维丝束的展开分散过程中，于所述装置中加入如水或添加有界面的水的溶液，使得纤维丝束在所述溶液的浸润下展开与分散，本案所提供的展开与分散单元的特征亦在于圆棒与张力制动罗拉的排列及数量配置，其中所述圆棒数量至少有3个，所述张力罗拉数量至少有2个，而圆棒与张力制动罗拉通过交替方式配置，其中所述圆棒为不转动的固定式装置，而所述张力制动罗拉不限制为转动或固定，所述张力制动罗拉的特征为具有可向上或向下移动从而调整与相邻圆棒的距离，以作为控制纤维丝束与相邻圆棒接触角度的方法，当纤维丝束与固定不转动的圆棒接触角度愈大，则摩擦力愈大，相对于纤维丝束受到的正向力则愈大，而纤维丝束受到如同被往下压的力量愈大，则纤维丝束将会往幅宽的两侧移动，致使纤维丝束被分散使幅宽变大，纤维分布密度变小。所述张力制动罗拉的张力为可调整的，当张力调大时，纤维丝束与罗拉表面的摩擦力愈大，纤维丝束就愈易被展开与分散。

纤维丝束与相邻圆棒之间的接触角度是在本发明设备开机稼动前进行调整，而张力制动罗拉的张力调整则是在本发明设备稼动时所进行，其中前者(即接触角度调整)为纤维丝束展开与分散的主要控制因子，后者(张力制动罗拉的张力调整)则为辅助调整。通过上述二者的调整，可以使纤维丝束展开与分散后获得稳定的幅宽及均匀的纤维分布密度。

圆棒与张力制动罗拉的数量愈多，则愈易稳定且渐进地将纤维丝展开、分散。纤维丝束展开后，由于丝束受到往前的张力，使展开后的丝束很容易又缩回原来的丝束宽度，为了防止丝束宽度回复原来的宽度，于展开圆棒之后，可设置一组上下罗拉彼此接触且自由转动的加压导丝罗拉组，通过上罗拉的压力阻止纤维丝束展开后回复原来的宽度。

定型：

由于本发明的目的是在于将纤维丝束展开并分散以得到纤维分布密度很低但均匀且幅宽稳定的纤维丝束，进而可将此丝束很容易地与热可塑性塑料结合，而制成纤维复合材料。因此当丝束展开后，必须于后续各种加工工艺中能保持此稳定的宽度。为了有利于后续加工，本发明尚提供定型步骤或“定型单元”，此步骤/装置包含再上浆步骤/装置及干燥步骤/装置。

所述再上浆装置有再上浆槽及上浆罗拉，纤维丝束展开分散后，经过再上浆槽，使其含浸于稀薄的定型液中，而后输送至所述干燥装置中，经过大型辊筒表面，使纤维丝束干燥以固定幅宽。

幅宽被固定后的纤维丝束最后还可通过卷取单元卷取成类似胶卷的纤维丝束丝卷。纤维丝束丝卷可用于直接与热可塑性塑料含浸成预浸带，所述预浸带可以缠绕法制成热可塑性复合材料，或以编织成织物的方式应用于各种复合材料产品。

上述定型液可为水溶性或非水溶性溶液，若为单纯的定型再上浆率以5％以下为优选，水溶性定型液可为水溶性环氧树脂、水溶性压克力树脂、或水溶性聚脲酯树脂；非水溶性定型液通常以有机溶剂作为溶剂，以溶解特定的热固性树脂，一方面作为纤维表面的界面处理剂，另一方面则作为定型剂使用。水溶性定型液也会考虑作为使纤维易于与塑料结合的界面处理剂使用。

上述定型液的选择可根据后续形成复合材料时，与所述纤维丝束结合的塑料材料种类而定，因为定型液会影响所述纤维丝束与塑料材料之间的界面结合，因此，若欲制造高质量的复合材料，就必须选择正确的定型液。

经展开与分散的纤维丝束再上浆后，即使在烘烤干燥的过程中，仍然会因纤维丝束向前拉的张力影响，导致展开后的丝束宽度变小，或呈不稳定的变化，所以若使用传统的烤箱烘烤方式，在纤维丝束烘烤过程中并无提供握持力或固定的装置，因此无法确保纤维丝束的幅宽不会产生不稳定的变化。为了克服此不利质量的生产方式，本发明提供可稳定纤维丝束的干燥装置，其特征是使用大型辊筒表面输送纤维丝束向前进，而所述纤维丝束再上浆后被导入所述大型辊筒，并服贴于大型辊筒表面，当大型辊筒转动时，纤维丝束被向前输送，此时于大型辊筒的周围或内部提供热源，使纤维丝束被输送前进的同时被烘烤干燥，由于纤维丝束服贴于大型辊筒表面进行干燥且同时前进，所以纤维丝束在烘烤过程中并无前进张力，使得纤维丝束幅宽不会变小或呈不稳定的变化。以本发明的12K碳纤维作幅宽16mm展开与分散生产，或24K碳纤维作幅宽26mm展开与分散生产，其公差可控制在+/-1mm以内，符合后续加工的质量的要求。

实例：

本发明连续性纤维丝束的处理设备的具体实施方式，请再请参看图1所示，供丝单元1是将纤维丝束F固定于固定装置11，所述固定装置11具有固定的张力控制器，可使得所述纤维丝束F被拉出时保持固定且稳定的张力，而后所述纤维丝束F经由导丝罗拉12及导丝孔13而输出供丝单元1时，可以避免所述纤维丝束F不稳定地被拉出或产生张力不稳定状态。

为确保纤维丝束F进入或离开退浆单元2的时候有稳定的张力以及固定的纤维丝束F宽度，于所述退浆单元2的进料口和出料口各设有一对导丝罗拉21/22，所述导丝罗拉组21/22是分别设置于所述退浆单元2的进料口与出料口，所述进料口是接受由所述供丝单元1的导丝孔13而来的纤维丝束F，而所述出料口则是将纤维丝束F传送出所述退浆单元2，并前往后展开与分散单元3。纤维丝束F于丝束制造过程中，难免会有卷取时的张力变化，因此须于此退浆单元2中设置张力调整罗拉23，张力调整为大时，可以增加丝束的展开或分散，反之张力小时不易被展开或分散。退浆单元2主要设有2个或以上的喷洒装置24，其上有喷嘴25，可通过输入流体及供压使喷嘴25喷出流体26，所述流体26可为液体或蒸气形式的水或有机溶剂，由于纤维丝束F的集束剂通常为水溶性，因此使用水则成本较低，但蒸气具有较高的温度，因此退浆的效果较好。当纤维丝束F经过退浆单元2后，其附着于纤维丝束F表面的集束剂浆料大部份都可洗去。

而后，纤维丝束F进入展开与分散单元3时，将易于被分散及展开。本发明的展开与分散单元3，主要设置有至少三根圆棒33a，33b及33c与至少二个张力制动罗拉34a，34b及34c，每一圆棒为无法转动而固定的装置，而所述张力制动罗拉34a，34b及34c则可调整，以控制与相邻的圆棒33a，33b及33c的距离，如34b与33b及33c的距离，以便使33b及33c与纤维丝束F的接触角度变大或变小(请参看图2及图3)，相同的情形如34c与33b及33c，所述张力制动罗拉34a，34b及34c被设计与相邻圆棒33a，33b及33c的距离渐进变大，以便使圆棒33a，33b及33c与纤维丝束F之间所呈的接触角度逐渐变大，优选的是在105度至165度之间，此种逐渐加大接触角度的目的在于逐渐加大纤维丝束F被展开与分散的张力。其中圆棒33a，33b及33c与张力制动罗拉34a，34b及34c的外径尺寸为10-60mm，圆棒33a，33b及33c的优选外径尺寸为具有20-40mm。张力制动罗拉34a，34b及34c的优选外径尺寸为具有25-45mm。

所述张力制动罗拉34a，34b及34c连接张力制动器35，可在线调整所述张力制动罗拉34a，34b及34c的张力，当张力调大时，纤维丝束F与所述张力制动罗拉34a，34b及34c表面的摩擦力愈大，纤维丝束F愈易被展开与分散。如果所述张力制动罗拉34a，34b及34c不受纤维丝束F前进的张力转动而静止时，其作用与圆棒33a，33b及33c的功能相同，纤维丝束F与相邻圆棒33a，33b及33c之间的接触角度是在本发明设备开机稼动前进行调整，而所述张力制动罗拉34a，34b及34c的张力调整则是在本发明设备稼动时所进行。纤维丝束F的张力变大时，可以迫使纤维丝束F与不具转动的圆棒33a，33b及33c，产生摩擦力，因表面摩擦力作用对纤维丝束F产生正向力，等同给予所述纤维丝束F一种挤压的力量，纤维丝束F被挤压后，无法往下流动或变形，导致纤维丝束F往幅宽方向，即两侧方向流动，此种力学作用使纤维丝束F展开或分散，张力愈大，则纤维丝束F被分散的愈宽，纤维分布密度就愈小，以1200根(12k)碳纤维丝束而言，未被展开或分散前的纤维丝束宽度约为5.3mm，经本发明设备分散与展开后可至幅宽16mm，以一根单纤的直径7μm计算，意味原本的纤维丝束有15.75根纤维重迭，经过所述展开与分散单元3后，其纤维仅有5.25根重迭。为了减少纤维丝束F因摩擦力因素发生严重的纤维断裂，所以本发明特别将展开与分散作用设置在溶液32中进行，溶液32可为水，或加入少许的界面活性剂增加润滑作用防止纤维断裂。圆棒33a，33b及33c组的设置位置以全部没入溶液32为最优选，或可调整接触角度的圆棒33a，33b及33c没入溶液32中，而固定圆棒33a，33b及33c在液面上亦有相似的效果。为了展开与分散后的纤维丝束F宽度，不会再缩回去而使幅宽变小，故于所述展开与分散单元3以及定型单元4的交界处设置二对加压导丝罗拉组44a，所述加压导丝罗拉组44a可自由受张力牵引而转动，上罗拉施予一定压力以确保纤维丝束F的幅宽不变小。

本发明为了有利于后段的含浸加工(即为了能使纤维丝束F在复合材料工艺中与热可塑性塑料充分含浸)，因此有必要将已展开与分散的纤维丝束F固定，以确保后段的工艺能达到稳定且均匀的含浸质量，故本发明使用定型单元4，使纤维丝束F的幅宽固定。所述定型单元4包括再上浆装置40与干燥装置50，纤维丝束F展开分散后经过再上浆装置40，即经过再上浆槽41，通过上浆罗拉43使纤维丝束F在前进的同时含浸于定型液42中，而后再经由二对加压导丝罗拉组44b，将多余的定型液42挤出。此定型液42一般的上浆率是控制在5％以下即有很好的定型效果，配合后段热可塑性塑料含浸，具有良好的接着界面，所述定型液42可选择水溶性的压克力树脂、环氧树脂或聚脲酯树脂等，端视能否与后段的塑料接着；亦可采用非水溶性的溶剂型热可塑性粉体或单体溶液当定型液42使用。纤维丝束F经定型液42含浸后，须使纤维丝束F经过所述干燥装置50，以热烘烤方式将溶剂挥发干燥，所述干燥装置50包括有热源供应的烤箱、热板、红外线加热器或黄金灯管等，所述热源使溶剂挥发即能使纤维丝束F干燥而固定幅宽。为确保纤维丝束F的幅宽不再变化，本发明是使用大型辊筒51/52表面输送纤维丝束F前进(请附加参看图4)，即已含定型液42的纤维丝束F被导入且服贴于所述大型辊筒51/52的表面，当大型辊筒51/52转动时，纤维丝束F被向前输送，并于大型辊筒51或52的周围，以如电热管加热或内部蒸气等提供热源的方式，使纤维丝束F在往前输送的同时被烘烤干燥，因纤维丝束F服贴于大型辊筒51/52的表面干燥与同时前进，纤维丝束F烘烤过程无前进张力，纤维丝束F幅宽不会变小或呈不稳定的变化。其中大型辊筒51/52的外径为50cm以上，优选的是60至80cm。

最后已干燥的纤维丝束F经一卷取单元6，将已展开且分散的纤维丝束F卷制成如同胶卷般的丝卷7。所述纤维丝束丝卷7可用于直接与热可塑性塑料含浸成预浸带，预浸带可通过缠绕法制成热可塑性复合材料。丝卷7或预浸带也可以用织造方式织成2D的织物，此热可塑预浸织物以迭层方式制成的复合材料具有高性能热可塑复合材料的特性。

Claims (18)

1.一种连续性纤维丝束的处理设备，包括：

退浆单元，包括清洗所述纤维丝束的装置；

展开与分散单元，包括一或多个圆棒、一或多个张力制动罗拉以及张力制动器，所述圆棒和所述张力制动罗拉是彼此相邻设置，其中所述圆棒是固定且无法转动，而所述张力制动罗拉是可移动且可转动，使得所述张力制动罗拉与相邻的圆棒之间的距离为可调整，所述张力制动器是连接于各张力制动罗拉，以调整各张力制动罗拉转动时产生的张力，通过调整所述张力制动罗拉与圆棒的距离以控制圆棒与纤维丝束的接触角度；其中所述张力制动辊轮与相邻的圆棒之间的距离是调整为使得所述纤维丝束与相邻圆棒之间的接触角度为大于90度并小于180度；其中所述展开与分散单元进一步包括装有溶液的溶液槽，其中所述张力制动罗拉是设置于所述溶液的液面下，所述溶液为水或添加有界面活性剂的水；以及

定型单元，包括再上浆装置以及干燥装置。

2.根据权利要求1所述的连续性纤维丝束的处理设备，其进一步包括供丝单元，所述供丝单元是设置于所述退浆单元之前，所述供丝单元依照所述纤维丝束的行进方向依序设有固定装置、导丝罗拉以及导丝孔，其中所述固定装置具有张力控制器。

3.根据权利要求1所述的连续性纤维丝束的处理设备，其进一步包括卷取单元，所述卷取单元是设置于所述定型单元之后，所述卷取单元包括将纤维丝束卷制成纤维丝束丝卷的滚筒。

4.根据权利要求2所述的连续性纤维丝束的处理设备，其进一步包括卷取单元，所述卷取单元是设置于所述定型单元之后，所述卷取单元包括将纤维丝束卷制成纤维丝束丝卷的滚筒。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的连续性纤维丝束的处理设备，其中所述退浆单元中清洗所述纤维丝束的装置包括装有流体的喷洒装置，以令所述流体由所述喷洒装置喷出而清洗所述纤维丝束。

6.根据权利要求5所述的连续性纤维丝束的处理设备，其中所述退浆单元进一步包括至少二导丝罗拉组以及张力调整罗拉，所述导丝罗拉组分别设置于所述退浆单元的进料口与出料口，各导丝罗拉组包括上罗拉及下罗拉，所述张力调整罗拉是设置于分别位在进料口与出料口的导丝罗拉组之间，而所述喷洒装置的数量至少为二，分别设置于所述导丝罗拉组与所述张力调整罗拉之间。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的连续性纤维丝束的处理设备，其中所述展开与分散单元的圆棒至少为三根，而所述张力制动罗拉至少为两个，所述圆棒和所述张力制动罗拉是交替设置，其中所述圆棒与所述张力制动罗拉的外径尺寸为10-60mm。

8.根据权利要求7所述的连续性纤维丝束的处理设备，其中所述圆棒的外径尺寸为20-40mm，所述张力制动罗拉的外径尺寸为25-45mm。

9.根据权利要求1所述的连续性纤维丝束的处理设备，其中所述张力制动罗拉与相邻的圆棒之间的距离是调整为使得所述纤维丝束与相邻圆棒之间的接触角度在105度至165度之间。

10.根据权利要求1至4中任一项所述的连续性纤维丝束的处理设备，其中所述定型单元的再上浆装置包括装有定型液的再上浆槽以及上浆罗拉，所述上浆罗拉是设置于所述再上浆槽中，且至少部分浸于所述定型液中，所述干燥装置包括令所述纤维丝束干燥的热源。

11.根据权利要求1所述的连续性纤维丝束的处理设备，其中所述定型单元进一步包括至少二加压导丝罗拉组以及导丝滚轮组，其分别设置于所述定型单元的进料口以及所述再上浆装置及所述干燥装置之间，各加压导丝罗拉组包括上罗拉及下罗拉，所述导丝滚轮组包括上罗拉及下罗拉，其设置于所述定型单元的出料口，而所述定型单元的干燥装置进一步包括大型辊筒，其外径为50cm以上。

12.根据权利要求11所述的连续性纤维丝束的处理设备，其中所述的大型辊筒的外径是在60至80cm之间。

13.根据权利要求10所述的连续性纤维丝束的处理设备，其中所述定型液为水溶性的压克力树脂、环氧树脂或聚脲酯树脂或者非水溶性的溶剂型热可塑性粉体或单体溶液；所述热源为烤箱、热板、红外线加热器或黄金灯管。

14.根据权利要求1至4中任一项所述的连续性纤维丝束的处理设备，其中所述纤维丝束是选自于由碳纤维、玻璃纤维、克维拉(Kevlar)纤维、玄武岩纤维及芳香族聚酰胺纤维所组成的群。

15.一种连续性纤维丝束的处理方法，包括使用权利要求1至14中任一项所述的处理设备进行以下步骤：

提供纤维丝束；

使用所述退浆单元使所述纤维丝束通过流体清洗方式退浆；

将退浆后的纤维丝束通过所述展开与分散单元处理，通过调整所述张力制动罗拉与圆棒的距离以控制圆棒与纤维丝束的接触角度；以及

将展开并分散后的纤维丝束送入所述定型单元中，并通过所述再上浆装置使所述纤维丝束再上浆，之后通过所述干燥装置使所述纤维丝束干燥而予以定型。

16.根据权利要求15所述的处理方法，其中所述提供纤维丝束的步骤是使用所述供丝单元提供纤维丝束。

17.根据权利要求15或16所述的连续性纤维丝束的处理方法，其中在所述纤维丝束干燥后进一步使用所述卷取单元将定型后的纤维丝束卷制成纤维丝束丝卷。

18.根据权利要求15所述的连续性纤维丝束的处理方法，其中所述退浆步骤是以非喷出式在退浆槽内以具有涡流产生装置的涡流水流清洗所述纤维丝束。