CN107297302B - 碳纤维丝束的浸胶装置及其浸胶方法、固化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种碳纤维丝束的浸胶装置及其浸胶方法、固化方法；该浸胶装置包括框架主体以及安装在该框架主体上的：丝轴固定架，至少两个第一丝束展开辊，用于将从丝轴固定架出来的丝束进行展开；胶液盒放置平台，用于放置胶液盒，并使第一丝束展开辊能位于胶液盒内；第一集中辊，用于将经由第一丝束展开辊的浸有胶液的丝束进行集中；胶液挤压机构，用于将经由第一集中辊的浸有胶液的丝束进行挤压以挤除多余胶液。该浸胶方法包括：在胶液盒中通过展开辊将丝束展开；通过集中辊将浸有胶液的丝束进行集中；将集中后的浸有胶液的丝束进行挤压以挤除多余胶液。该固化方法包括将浸有胶液的丝束分四阶段进行固化；本发明可以保证每个样条完全被胶液浸透。

Description

碳纤维丝束的浸胶装置及其浸胶方法、固化方法
技术领域
本发明涉及碳纤维丝束的技术领域，尤其涉及一种碳纤维丝束的浸胶装置及其浸胶方法、固化方法。
背景技术
样品条的好坏直接关系其结果能否准确反映样品的真实力学性能，而样品的浸胶、固化是样品条制备的关键。
目前，浸胶过程大多采用手动浸胶，即取一定长度的纤维，用手拿住两端浸入配制好的胶液中，取出后抖去多余胶液，将浸胶后的纤维加一定张力固定在固化用的框架上进行固化。该方法适用于小丝束(1K、3K、12K)碳纤维。对于大丝束的碳纤维复丝浸胶(24K)，该方法人为因素影响较大，对于多余的胶液每次、每人抖动都不一致，放置在固化框架上所使用的张力亦存在差异和不确定性，加之纤维单丝数量多，使用该方法，胶液不易将样品条完全浸透，单根纤维所受的张力也不一致。
通过手动浸胶后进行固化的样品条，在断裂后，其断裂处是呈分裂状的，如图1所示，没有平整的断裂面；这是由于通过手动浸胶后进行固化的样品条，其横截面具有较多、较大的气孔或树脂未均匀的浸透样品条，如图2所示。
发明内容
本发明的主要目的在于提出一种碳纤维丝束的浸胶装置及其浸胶方法、固化方法，旨在保证每个样条完全被胶液浸透，且保证单根纤维所受的张力一致。
为实现上述目的，本发明提出一种碳纤维丝束的浸胶装置，包括：
框架主体；
丝轴固定架，安装在所述框架主体上；
至少两个第一丝束展开辊，安装在所述框架主体上，用于将从所述丝轴固定架出来的丝束进行展开；
胶液盒放置平台，安装在所述框架主体上，用于放置胶液盒，并使所述第一丝束展开辊能位于所述胶液盒内；
第一集中辊，安装在所述框架主体上，用于将经由所述第一丝束展开辊的浸有胶液的丝束进行集中；
胶液挤压机构，安装在所述框架主体上，用于将经由所述第一集中辊的浸有胶液的丝束进行挤压以挤除多余胶液。
在一个可能的设计中，还包括导辊组，安装在所述框架主体上，且位于所述丝轴固定架与第一丝束展开辊之间，用于将丝束导向所述第一丝束展开辊。
在一个可能的设计中，胶液挤压机构包括辊架以及安装在所述辊架上的第一辊子和第二辊子；弹性件，第一端固定在所述第一辊子上，第二端固定在所述辊架上；所述第二辊子位于所述第一辊子与所述弹性件的第二端之间。
在一个可能的设计中，还包括第二丝束展开辊，安装在所述框架主体上，且位于所述第一丝束展开辊与第一集中辊之间。
在一个可能的设计中，还包括丝束缠绕架，可转动地安装在所述框架主体上，用于收集经由胶液挤压机构的丝束。
在一个可能的设计中，还包括：
第二集中辊，安装在所述框架主体上，且位于所述胶液挤压机构与丝束缠绕架之间；
槽辊，安装在所述框架主体上，且位于所述第二集中辊与丝束缠绕架之间。
在一个可能的设计中，还包括张力调节机构，与所述丝轴固定架相连，用于调节丝束张力。
在一个可能的设计中，所述框架主体包括第一升降机构与第二升降机构中的至少一个；其中，所述第一升降机构用于安装所述第一丝束展开辊；所述第二升降机构用于安装所述胶液盒放置平台。
为实现上述目的，本发明还提出一种碳纤维丝束的浸胶方法，包括：
在胶液盒中通过展开辊将丝束展开；
通过集中辊将浸有胶液的丝束进行集中；
将集中后的浸有胶液的丝束进行挤压以挤除多余胶液。
为实现上述目的，本发明再提出一种碳纤维丝束的固化方法，将浸有胶液的丝束分四阶段进行固化；包括：
在第一阶段采用40-70℃固化30-70分钟；
在第二阶段采用80-120℃固化30-70分钟；
在第三阶段采用120-170℃固化30-70分钟；
在第四阶段采用140-180℃固化20-40分钟。
本发明提出的碳纤维丝束的浸胶装置及其浸胶方法、固化方法，将纤维束展开、集中，保证每个样条完全被胶液浸透，同时保证所受的张力一致。采用梯度升温，降低稀释剂和反应过程中产生的物质挥发速度，降低样品条截面的气孔数目，保证样品制备阶段不对结果准确性产生影响，降低测定样品的CV值。
附图说明
图1为现有技术中的碳纤维丝束处于断裂状态的示意图；
图2为现有技术中的碳纤维丝束的横截面的电子显微镜图；
图3为本发明实施例的碳纤维丝束的浸胶装置的结构示意图；
图4为图1所示的碳纤维丝束的浸胶装置的侧视图；
图5为本发明实施例的胶液挤压机构的结构示意图；
图6为本发明实施例的碳纤维丝束的浸胶方法的流程示意图；
图7为本发明实施例的碳纤维丝束浸胶后横截面的示意图；
图8为本发明实施例的碳纤维丝束浸胶后断裂状态的示意图；
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图3、图4所示，本发明提供一种碳纤维丝束的浸胶装置；该浸胶装置包括框架主体1以及安装在框架主体1上的丝轴固定架2、第一丝束展开辊7、胶液盒放置平台6、第一集中辊9、胶液挤压机构10。
其中，第一丝束展开辊7至少为2个，例如是3个，用于将从所述丝轴固定架出来的丝束进行展开；本实施例中，第一丝束展开辊7位于丝轴固定架2的下方。可选地，还可以包括导辊组，安装在框架主体1上，且位于所述丝轴固定架2与第一丝束展开辊7之间，用于将丝束导向所述第一丝束展开辊7。本实施例中的导辊组包括弯钩导向辊4以及导向辊5。
胶液盒放置平台6用于放置胶液盒16，并使所述第一丝束展开辊能位于所述胶液盒内，因此，胶液盒放置平台6一般位于第一丝束展开辊的正下方；在具体实施时，为了使第一丝束展开辊7能更方便地进入到胶液盒16内，框架主体1还可以包括第一升降机构(图中未显示)与第二升降机构(图中未显示)中的至少一个；其中，所述第一升降机构用于安装所述第一丝束展开辊；所述第二升降机构用于安装所述胶液盒放置平台。在放置胶液盒16前，可将第一丝束展开辊7与胶液盒放置平台6之间的距离拉开，从而使胶液盒16能被方便地放置在胶液盒放置平台6上，然后通过第一升降机构或第二升降机构调整第一丝束展开辊与胶液盒放置平台6之间的距离，使经由第一丝束展开辊展开的丝束可以被胶液盒16中的胶液浸没。可选地，上述胶液盒16也可以与胶液盒放置平台6一体成型。
第一集中辊9用于将经由所述第一丝束展开辊的浸有胶液的丝束进行集中；本实施例中，第一集中辊9位于第一丝束展开辊7的上方。
可选地，还包括第二丝束展开辊8，安装在所述框架主体上，且位于所述第一丝束展开辊7与第一集中辊9之间。一般地，多个第一丝束展开辊7可以设置在水平方向上，第二丝束展开辊8也可以为多个，沿竖直方向设置；第一丝束展开辊7位于第二丝束展开辊8的下方，使丝束低进高出。
胶液挤压机构10用于将经由所述第一集中辊的浸有胶液的丝束进行挤压以挤除多余胶液。如图5所示，本实施例中，胶液挤压机构10位于第一集中辊9的上方，该胶液挤压机构10包括辊架21以及安装在所述辊架21上的第一辊子22和第二辊子23；弹性件24，第一端固定在所述第一辊子22上，第二端固定在所述辊架21上；所述第二辊子23位于所述第一辊子22与所述弹性件24的第二端之间。更具体地，第一辊子22和第二辊子23平行设置，弹性件24为两个，分别固定在所述第一辊子22的两端，当浸有胶液的丝束进入到第一辊子22和第二辊子23之间时，弹性件24可以发生适量形变，弹性件24可以是弹簧。需要说明的是，在本发明的另一实施中，弹性件24的第二端也可以固定在第二辊子上。
为了更好地调节丝束张力，还可以包括张力调节机构3，与所述丝轴固定架相连，用于调节丝束张力。
为了更快更好地收集浸有还包括丝束缠绕架14，可转动地安装在所述框架主体1上，用于收集经由胶液挤压机构的丝束；本实施例中，丝束缠绕架14上加工有凹槽来固定浸胶后的碳纤维丝束；更具体地，框架主体1包括缠绕架支杆13，丝束缠绕架14安装在缠绕架支杆13上，且能绕缠绕架支杆13旋转。在本发明的一个实施例中，丝束缠绕架支杆13上可以设有外螺纹，丝束缠绕架14可以与之旋合使用。丝束缠绕架14上还可以设置手柄以方便转动。
此外，还包括：第二集中辊11，安装在所述框架主体1上，且位于所述胶液挤压机构10与丝束缠绕架14之间；槽辊12，安装在所述框架主体1上，且位于所述第二集中辊11与丝束缠绕架14之间。
在使用本发明实施例提供的碳纤维丝束的浸胶装置，将所需要浸胶的纤维样品丝轴放置在丝轴固定架2上，使用楔形模具固定，将纤维束从丝轴一端开始，经过导辊组，即弯钩导向辊4以及导向辊5，到第一丝束展开辊7，第二丝束展开辊8，穿过第一集中辊9，到达胶液挤压机构0，经过第二集中辊11和槽辊12，到达丝束缠绕架14，用燕尾夹固定纤维的端头，调节张力机构3，同时查看各个导辊是否润滑良好，确认好上述条件后，将胶液盒放置在平台上，调节平台的高度，将丝束展开辊组7放置在胶液盒16的底部，固定好之后，将配制好的胶液倒入胶液盒16中，同时保证倒入的胶液将多个第一丝束展开辊7全部淹没，转动缠绕架14上的手柄就可以开始样品浸胶过程了。该装置通过使用不同的导辊，对附着有树脂的纤维束进行展开、再展开、集中、再集中，使树脂充分的进入到纤维束的内部，保证每根纤维都完全被浸透，受力均匀，
如图6所示，本发明还提供一种碳纤维丝束的浸胶方法，包括以下步骤：
S1、在胶液盒中通过展开辊将丝束展开；
S2、通过集中辊将浸有胶液的丝束进行集中；
S3、将集中后的浸有胶液的丝束进行挤压以挤除多余胶液。
在具体实施时，可以采用本发明实施例提供的碳纤维丝束的浸胶装置实现上述碳纤维丝束的浸胶方法。
请同时参照图7，采用本发明实施例提供的碳纤维丝束的浸胶装置或浸胶方法，其截面气孔数量极少；这是因为每个样条完全被胶液浸透，纤维所受的张力一致，从而保证了样品制备阶段不对结果准确性产生影响，同时可以减小测定样品结果的CV值，提高固化效率，样品断裂截面整齐，如图8所示。
本发明还提供一种碳纤维丝束的固化方法，将浸有胶液的丝束分四阶段进行固化；包括：
在第一阶段采用40-70℃固化30-70分钟；
在第二阶段采用80-120℃固化30-70分钟；
在第三阶段采用120-170℃固化30-70分钟；
在第四阶段采用140-180℃固化20-40分钟。
上述碳纤维丝束的固化方法可以在实施本发明实施例提供的碳纤维丝束的浸胶方法之后进行。
更具体地，若浸有胶液的丝束缠绕在丝束缠绕架上，则可以将该丝束缠绕架放置在一个方形铁盘内，连同铁盘一同放入固化用的高温烘箱内。由低温往高温分四个阶段进行逐步的固化。
目前浸胶所用树脂目前多采用环氧树脂和酸酐类固化剂，通常配有促进剂，同时加入稀释剂，采用1步或2步升温来进行固化，随着温度的升高、反应过程的进行，固化后样品条截面易出现较多气孔，影响其测试结果的准确性，其复丝测试结果不能反映样品的真实值，不能有效的指导生产。采用本发明实施例提供的固化方法通过使稀释剂和反应过程中产生的物质挥发速度降低，减少气孔的数量，进一步保障样品结果的准确性和精确度，得到真实的纤维丝束强度、模量结果，减小结果的CV值。
下面结合具体的实例进一步对本发明进行描述：
对Toray T700SC(24K)碳纤维样品采用此浸胶装置进行浸胶，浸胶结束后采用本发明所述的固化方法进行固化，使用Zwick Z020材料试验机测定的丝束结果与TorayT700SC(24K)的结果进行比较。具体方法如下：
1.按照胶液的配比进行胶液的配制；
2.将碳纤维样品穿过各个导辊，调节张力装置，倒入胶液，实施本发明实施例提供的浸胶方法；
3.将浸胶好的样品放入高温鼓风烘箱中，采取本发明实施例提供的固化方法进行固化。
4.选取10根丝束制作加强片；
5.使用ZwickZ020材料试验机测定丝束结果，结果如下表1所示：
表1 TorayT700SC(24K)碳纤维样品测定结果
采用本发明进行浸胶和固化后的Toray T700SC(24K)碳纤维测定结果和TorayT700S的TECHNICAL DATA SHEET中的结果的对比如表2中所示：
丝束拉伸强度(MPa) 丝束拉伸模量(GPa)
T700SDatasheet结果 4900 230
采用本发明后的测定结果 5040(CV％：2.14) 232(CV％：0.96)
相对误差(％) 2.85 0.44
表2 结果对比
由表1和表2可以看出，采用本发明的浸胶装置进行浸胶，使用本发明的梯度升温进行固化，测定结果与Toray的T700S Data sheet中的结果一致，保证了样品结果的准确性，其CV值也较小。
本发明提供的种碳纤维复丝浸胶装置、浸胶方法及固化方法，通过反复的将纤维束展开、集中，保证每个样条完全被胶液浸透，同时保证所受的张力一致。采用梯度升温，降低稀释剂和反应过程中产生的物质挥发速度，降低样品条截面的气孔数目，保证样品制备阶段不对结果准确性产生影响，降低测定样品的CV值。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种碳纤维丝束的浸胶装置，其特征在于，包括：
框架主体；
丝轴固定架，安装在所述框架主体上；
至少两个第一丝束展开辊，安装在所述框架主体上，用于将从所述丝轴固定架出来的丝束进行展开；
胶液盒放置平台，安装在所述框架主体上，用于放置胶液盒，并使所述第一丝束展开辊能位于所述胶液盒内；
第一集中辊，安装在所述框架主体上，用于将经由所述第一丝束展开辊的浸有胶液的丝束进行集中；
胶液挤压机构，安装在所述框架主体上，用于将经由所述第一集中辊的浸有胶液的丝束进行挤压以挤除多余胶液；
多个第二丝束展开辊，安装在所述框架主体上，且位于所述第一丝束展开辊和第一集中辊之间，所述第一丝束展开辊设置在水平方向上，多个第二丝束展开辊沿竖直方向设置，且所述第一丝束展开辊位于所述第二丝束展开辊下方，使丝束低进高出；
丝束缠绕架，可转动地安装在所述框架主体上，用于收集经由胶液挤压机构的丝束；
第二集中辊，安装在所述框架主体上，且位于所述胶液挤压机构与丝束缠绕架之间；
槽辊，安装在所述框架主体上，且位于所述第二集中辊与丝束缠绕架之间；
将需要浸胶的纤维样品丝轴放置在丝轴固定架上，将纤维束从丝轴一端开始，依次经第一丝束展开辊、第二丝束展开辊，穿过第一集中辊，到达胶液挤压机构，经过第二集中辊和槽辊，到达丝束缠绕架，对纤维束进行展开、再展开、集中、再集中，使树脂充分的进入到纤维束的内部，保证每根纤维都完全被浸透。
2.根据权利要求1所述碳纤维丝束的浸胶装置，其特征在于，还包括导辊组，安装在所述框架主体上，且位于所述丝轴固定架与第一丝束展开辊之间，用于将丝束导向所述第一丝束展开辊。
3.根据权利要求1所述碳纤维丝束的浸胶装置，其特征在于，胶液挤压机构包括辊架以及安装在所述辊架上的第一辊子和第二辊子；弹性件，第一端固定在所述第一辊子上，第二端固定在所述辊架上；所述第二辊子位于所述第一辊子与所述弹性件的第二端之间。
4.根据权利要求1所述碳纤维丝束的浸胶装置，其特征在于，还包括张力调节机构，与所述丝轴固定架相连，用于调节丝束张力。
5.根据权利要求1所述碳纤维丝束的浸胶装置，其特征在于，所述框架主体包括第一升降机构与第二升降机构中的至少一个；其中，所述第一升降机构用于安装所述第一丝束展开辊；所述第二升降机构用于安装所述胶液盒放置平台。
6.一种碳纤维丝束的浸胶方法，其特征在于，采用权利要求1-5任一项所述的碳纤维丝束的浸胶装置对碳纤维丝束进行浸胶，包括：
在胶液盒中通过展开辊将丝束展开；
通过集中辊将浸有胶液的丝束进行集中；
将集中后的浸有胶液的丝束进行挤压以挤除多余胶液。
7.一种碳纤维丝束的固化方法，其特征在于，首先，采用权利要求1-5任一项所述的碳纤维丝束的浸胶装置对碳纤维丝束进行浸胶，然后将浸有胶液的丝束分四阶段进行固化；包括：
在第一阶段采用40-70℃固化30-70分钟；
在第二阶段采用80-120℃固化30-70分钟；
在第三阶段采用120-170℃固化30-70分钟；
在第四阶段采用140-180℃固化20-40分钟。
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