CN105910874A - 一种碳纤维束丝自动浸胶制备复丝的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳纤维束丝自动浸胶制备复丝的方法及装置，所述装置包括：放丝辊组件(1)，纤维束丝(2)，浸胶槽(3)，绕丝架驱动装置(4)，绕丝架(5)。将碳纤维束丝从放丝辊上被拉出，经过浸胶槽浸胶，浸胶后的束丝逐步缠绕在绕丝架上旋转；其中浸胶槽中含有胶液；将绕丝架上相邻辐条间的束丝剪下，然后固化，即得。本发明工艺简单，操作方便，有效克服了人工制样不稳定的缺陷，保证了纤维复丝上胶的均匀性，提高了上胶效率。

Description

一种碳纤维束丝自动浸胶制备复丝的方法及装置

技术领域

本发明属于复丝制备方法及装置领域，特别涉及一种碳纤维束丝自动浸胶制备复丝的方法及装置。

背景技术

碳纤维作为高科技新材料之一，用途极为广泛，现主要应用于航空航天、雷达、探测器等方面，在民用方面也有涉足。目前，日本东丽公司已研制出T1100级别的碳纤维，而美国的Hextal公司已研制出M60级别的高模量碳纤维，如何取得这些高强/高模碳纤维及石墨纤维的强度、模量数据，则需要一定的测试方法及手段来进行力学性能的表征。

目前碳纤维复丝拉伸性能的测试主要还是采用手工制样的方法，根据国标GB/T3362-2005的说明，可以先将环氧树脂、固化剂、丙酮分散剂按照质量比为10:1:7的比例混合均匀，将混合均匀的胶液倒入胶槽中，将碳纤维束丝以300mm左右的长度从丝筒上剪下，将剪下的束丝浸入胶槽中，再将束丝置于白纸上甩干，待甩多次后纸面上无痕迹，将束丝用夹子固定于宽为200mm的铁框上。之后将固定好束丝的铁框放入鼓风烘箱鼓风2小时，再将鼓风烘箱的温度设定为120℃，鼓风加热2小时。这样的方法有以下缺点：(1)浸胶时纤维束的张力不稳定，影响浸胶均匀性；(2)浸胶时间人为掌握，波动性大；(3)浸胶后的束丝要用手动的方法在纸上甩，容易伤丝，最终引起测试数据稳定性差、波动性大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种碳纤维束丝自动浸胶制备复丝的方法及装置，本发明中碳纤维复丝样品的制样方法采用碳纤维束丝自动浸胶装置，通过恒定的张力和速度，有利于胶液充分浸润与扩散，避免了手动浸胶张力不均匀、甩丝引起伤丝等问题，保证了束丝上胶的均匀性，节省了手工人力成本，提高了浸胶效率。

本发明的一种碳纤维束丝自动浸胶的装置，所述装置包括：放丝辊组件(1)，纤维束丝(2)，浸胶槽(3)，绕丝架驱动装置(4)，绕丝架(5)；其中浸胶槽中设有导轮，放丝辊组件位于浸胶槽上方，并与浸胶槽内导轮垂直。

所述放丝辊组件上有磁性阻尼器，放丝辊上的磁性阻尼是绕丝架驱动装置启动后通过牵伸束丝，使放丝辊的磁性阻尼与绕丝架驱动装置联动产生的。

所述浸胶槽的长度为0.2-1.5m。

所述导轮个数大于或等于2，使纤维束从导轮的下方通过，在保证充分浸胶的同时起到导丝作用。

绕丝架由辐条构成，辐条为10-24根，辐条长度为0.1-1m。

绕丝架是由若干根辐条构成的，束丝被绕在辐条顶端成水平状，辐条的多寡和长度是根据复丝测量标准设计的。

本发明的一种碳纤维束丝自动浸胶制备复丝的方法，包括：

(1)应用权利要求1-4任一所述的装置，纤维束丝从导轮的下方经由浸胶槽中的胶液连接在绕丝架的一根辐条上，依靠绕丝架驱动装置使绕丝架旋转，带动纤维束丝匀速地缠绕在绕丝架上，在牵动束丝的同时，让放丝辊组件的阻尼器与驱动装置联动，使束丝受到的张力稳定，调节绕丝架驱动装置的速度使束丝浸胶0.5-10min，纤维束上的张力为50-500cN；待束丝围着辐条末端缠绕满一圈后，将沿着辐条围成一圈的束丝以辐条末端为节点剪断固定，使其匀速旋转1-30min，使束丝上的胶液充分扩散、溶剂充分挥发；

(2)将束丝顺着辐条剪成段，固化，即得。

所述步骤(1)中胶液为质量比为10:0.5～2:5～20的环氧树脂、固化剂和丙酮。

所述步骤(1)中浸胶时间为0.5-10min。

浸胶速度通过绕丝架的旋转速度控制，旋转速度恒定可调。

所述步骤(1)中待束丝围着辐条末端缠绕满一圈后，将沿着辐条围成一圈的束丝以辐条末端为节点剪断固定，只利用绕丝架旋转电机使辐条匀速旋转1-30min，使束丝上的胶液充分扩散、溶剂充分挥发，旋转时间为1-30min。

步骤(1)中浸胶槽浸胶时束丝的张力为50-500cN，束丝张力通过放丝辊组件上的磁性阻尼控制，张力恒定可调。

所述步骤(2)中固化为烘箱中进行固化，温度为80-160℃，时间为2-3小时(可补充)。

本发明中碳纤维束丝可在恒定速度与张力下自动完成浸胶过程，即碳纤维束丝从放丝辊上被匀速拉出，经过浸胶后缠绕在绕丝架上，被浸胶的束丝在旋转过程中逐渐失去流动性，之后剪成段放入烘箱中固化。

本发明中浸胶速度通过绕丝架的旋转速度控制，其速度恒定可调。

本发明中浸胶时的束丝束丝张力和浸胶时间控制是通过以下步骤实现的：

(1)由于碳纤维上胶放丝组件是带有磁性阻尼的被动装置，因而碳纤维束丝在浸胶时所受的张力由放丝辊磁性阻尼来控制，张力范围为50-500cN。

(2)纤维在浸胶槽中的停留时间与浸胶槽长度及纤维在浸胶槽中的移动速度相关，而纤维束在浸胶槽中的移动速度与绕丝架与胶槽的相对位置、绕丝架辐条的长度、辐条数量等相关，如图1所示，随着绕丝架的转动，三角形OAB中的α角增大，AB边增加。AB边的增加速度就是胶槽中束丝的移动速度，B点转动到D点，完成一段束丝的上浆，束丝移动速度可用以下公式表示：

$v=\frac{\mathrm{\ω}Lrsin\mathrm{\α}}{\sqrt{L^2+r^2-2Lrcos\mathrm{\α}}}---\left(2\right)$

例如，当辐条数量为12根，辐条长度为0.5m，OA段长度L为1.0m，绕丝架转动角速度为12π/h时，丝条移动速度与转动角度的关系如图2所示，速度虽然不恒定但很规律且波动不大，束丝在浸胶槽中的停留时间与浸胶槽的长度有关，若浸胶槽的长度为0.5m，那么浸胶时间为(1/12π)h，即95秒。

本发明一种碳纤维束丝自动浸胶制备复丝的制备及装置，碳纤维束丝经过图1所示的浸胶装置后被绕在丝架上，干燥后取下剪成段，放入烘箱固化。其特征主要包括：1.能够实现碳纤维在恒张力、稳定速度下浸胶和上架；2.放丝辊有可调磁性阻尼，保证束丝张力恒定且可调；3.绕丝架配有驱动装置，可保证上胶及绕丝过程中速度稳定且可调；4.束丝绕满绕丝架后可继续旋转，使束丝上的胶液充分浸润并且使溶剂挥发，促使胶液陈化。本发明工艺简单，操作方便，有效克服了人工制样不稳定的缺陷，保证了纤维复丝上胶的均匀性，提高了上胶效率。

有益效果

本发明提供的一种碳纤维束丝自动浸胶装置，包括放丝辊组件、浸胶槽及导轮装置、绕丝架驱动装置、绕丝架；通过该装置不仅能够大大减少制样时间，而且可以有效控制束丝浸胶过程中的张力和速度，使得束丝样品上胶均匀，保证碳纤维拉伸性能测试的准确性；

本发明中碳纤维复丝样品的制样方法采用碳纤维束丝自动浸胶装置，通过恒定的张力和速度，有利于胶液充分浸润与扩散，避免了手动浸胶张力不均匀、甩丝引起伤丝等问题，保证了束丝上胶的均匀性，节省了手工人力成本，提高了浸胶效率。

附图说明

图1为本发明的碳纤维束丝自动浸胶装置示意图；

图2为纤维在浸胶槽中的移动速度与辐条转动角度的关系图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

如图1所示，为碳纤维束丝自动浸胶装置，包括：放丝辊组件1、纤维束2、浸胶槽及导轮装置3、绕丝架驱动装置4、绕丝架5。放丝辊组件位于浸胶槽上方，与浸胶槽内导轮垂直，浸胶槽3内安装两个导轮。

按照国家标准GB/T 3362-2005将环氧树脂、固化剂、丙酮按照10:1:7的质量比进行调配，本发明中实验样品采用日本东丽公司的T800碳纤维，浸胶开始前，纤维束丝从导轮的下方经由胶液连接在绕丝架5的一根辐条上，辐条根数为12根，每根辐条长度为0.375m。依靠绕丝架驱动装置4使绕丝架5旋转，带动束丝匀速地缠绕在绕丝架5上。在牵动束丝的同时，让放丝辊1的阻尼器与驱动装置4联动，使束丝受到的张力稳定。浸胶槽长度为0.5m，调节绕丝架驱动装置4的速度使束丝浸胶2min，纤维束上的张力为150cN；待束丝围着辐条末端缠绕满一圈后，将沿着辐条围成一圈的束丝以辐条末端为节点剪断固定，只利用绕丝架旋转电机使辐条匀速旋转5min，使束丝上的胶液充分扩散、溶剂充分挥发，最后将束丝剪成段，放入烘箱中固化，即得碳纤维复丝样品。

实施例2

自动浸胶装置以及碳纤维样品同实施例1，改变胶液的配比，将环氧树脂、固化剂、丙酮按照10:1.5:7的质量比进行调配，浸胶开始前，纤维束丝从导轮的下方经由胶液连接在绕丝架5的一根辐条上，辐条根数为12根，每根辐条长度为0.375m。依靠绕丝架驱动装置4使绕丝架5旋转，带动束丝匀速地缠绕在绕丝架5上。在牵动束丝的同时，让放丝辊1的阻尼器与驱动装置4联动，使束丝受到的张力稳定。浸胶槽长度为0.5m，调节绕丝架驱动装置4的速度使束丝浸胶1.5min，纤维束上的张力为185cN；待束丝围着辐条末端缠绕满一圈后，将沿着辐条围成一圈的束丝以辐条末端为节点剪断固定，只利用绕丝架旋转电机使辐条匀速旋转7min，使束丝上的胶液充分扩散、溶剂充分挥发，最后将束丝剪成段，放入烘箱中固化，即得碳纤维复丝样品。

实施例3

自动浸胶装置及碳纤维样品同实施例1，改变胶液的配比，将环氧树脂、固化剂、丙酮按照10:2:7的质量比进行调配，浸胶开始前，纤维束丝从导轮的下方经由胶液连接在绕丝架5的一根辐条上，辐条根数为12根，每根辐条长度为0.375m。依靠绕丝架驱动装置4使绕丝架5旋转，带动束丝匀速地缠绕在绕丝架5上。在牵动束丝的同时，让放丝辊1的阻尼器与驱动装置4联动，使束丝受到的张力稳定。浸胶槽长度为0.5m，调节绕丝架驱动装置4的速度使束丝浸胶40s，纤维束上的张力为425cN；待束丝围着辐条末端缠绕满一圈后，将沿着辐条围成一圈的束丝以辐条末端为节点剪断固定，只利用绕丝架旋转电机使辐条匀速旋转8min，使束丝上的胶液充分扩散、溶剂充分挥发，最后将束丝剪成段，放入烘箱中固化，即得碳纤维复丝样品。

为了对比束丝采用自动浸胶和手工浸胶的胶含量，相对于实施例分别做了如下对比。

对比例1

根据国标GB/T 3362-2005的说明，将环氧树脂、固化剂、丙酮分散剂按照质量比为10:1:7的比例混合均匀，将混合均匀的胶液倒入胶槽中，取300mm的日本东丽公司T800碳纤维束丝浸入胶槽中，充分浸润，再将束丝置于白纸上甩干，待甩多次后纸面上无痕迹，将束丝用夹子固定于铁框上，按照实施例中的条件进行固化。

对比例2

将胶液中环氧树脂、固化剂、丙酮分散剂按照质量比为10:1.5:7的比例均匀混合。其他同对比例1。

对比例3

将胶液中环氧树脂、固化剂、丙酮分散剂按照质量比为10:2:7的比例均匀混合。其他同对比例1。

碳纤维复丝的胶含量反映了纤维束丝浸胶的程度，一般来说，胶含量在30-40％的复丝测试的拉伸性能较好。如果含胶量过低，浸胶不充分，无法起到固化纤维束丝的效果；反之，如果含胶量过大，纤维上易形成挂珠，影响碳纤维的力学性能。因此，合适的胶含量对碳纤维力学性能的测试数据具有重要的意义。本发明比较了手工浸胶和自动浸胶的胶含量，列于表1，并对实施例1和对比例1中的浸胶方式制备的碳纤维复丝样品进行了力学性能测试，列与表2。

本发明采用驱动装置可精确控制浸胶时间和纤维张力，可实现碳纤维束丝自动均匀上胶，避免了手动浸胶张力不均匀、甩丝引起伤丝等问题，保证了束丝上胶的均匀性以及测试结果的准确性，节省了手工人力成本，提高了浸胶效率。

表1 T800碳纤维自动浸胶(实施例)和手工浸胶(对比例)含胶量对比

表2 实施例1和对比例1中制备的T800碳纤维复丝的力学性能对比

(1)实施例1

(2)对比例1

Claims (10)

1.一种碳纤维束丝自动浸胶的装置，其特征在于：所述装置包括：放丝辊组件(1)，纤维束丝(2)，浸胶槽(3)，绕丝架驱动装置(4)，绕丝架(5)；其中浸胶槽中设有导轮，放丝辊组件位于浸胶槽上方，并与浸胶槽内导轮垂直。

2.根据权利要求1所述的一种碳纤维束丝自动浸胶的装置，其特征在于：所述放丝辊组件上有磁性阻尼器；浸胶槽的长度为0.2-1.5m。

3.根据权利要求1所述的一种碳纤维束丝自动浸胶的装置，其特征在于：所述导轮个数大于或等于2。

4.根据权利要求1所述的一种碳纤维束丝自动浸胶的装置，其特征在于：绕丝架由辐条构成，辐条为10-24根，辐条长度为0.1-1m。

5.一种碳纤维束丝自动浸胶制备复丝的方法，包括：

(1)应用权利要求1-4任一所述的装置，将纤维束丝从导轮的下方经由浸胶槽中的胶液连接在绕丝架的一根辐条上，依靠绕丝架驱动装置使绕丝架旋转，带动纤维束丝匀速地缠绕在绕丝架上，在牵动纤维束丝的同时，让放丝辊组件的阻尼器与驱动装置联动，使纤维束丝受到的张力稳定；待纤维束丝围着辐条末端缠绕满一圈后，将沿着辐条围成一圈的纤维束丝以辐条末端为节点剪断固定，然后匀速旋转；

(2)将束丝顺着辐条剪成段，固化，即得。

6.根据权利要求5所述的一种碳纤维束丝自动浸胶制备复丝的方法，其特征在于：所述纤维束丝为T800碳纤维束丝。

7.根据权利要求5所述的一种碳纤维束丝自动浸胶制备复丝的方法，其特征在于：所述步骤(1)中胶液为质量比为10:0.5～2:5～20的环氧树脂、固化剂和丙酮。

8.根据权利要求5所述的一种碳纤维束丝自动浸胶制备复丝的方法，其特征在于：步骤(1)中调节绕丝架驱动装置的速度使纤维束丝浸胶时间为0.5-10min；纤维束丝上的张力为50-500cN。

9.根据权利要求5所述的一种碳纤维束丝自动浸胶制备复丝的方法，其特征在于：步骤(1)中，待束丝围着辐条末端缠绕满一圈后，将沿着辐条围成一圈的束丝以辐条末端为节点剪断固定，然后匀速旋转时间为1-30min。

10.根据权利要求5所述的一种碳纤维束丝自动浸胶制备复丝的方法，其特征在于：所述步骤(2)中固化为烘箱中进行固化，温度为80-160℃，时间为2-3小时。