CN110983778A - 一种提高碳纤维耐磨性的上浆方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于碳纤维性能优化方法，为了解决碳纤维作为一种脆性材料，在二维C/SiC复合材料制备过程中容易出现纤维单丝磨断，影响生产效率，造成大量碳纤维浪费的技术问题，提供一种提高碳纤维耐磨性的上浆方法。步骤1，将树脂型上浆剂与水按照1：1‑1：4的比例进行混合，在20‑40℃下搅拌5‑15min得到黏度为10‑300mPa·s的上浆剂溶液；步骤2，取多根碳纤维，以0.01‑0.15m/s的速度使碳纤维匀速通过上浆剂溶液，得到上浆后的碳纤维；通过上浆剂溶液时，多根碳纤维逐一浸没于上浆剂溶液中；步骤3，对上浆后的碳纤维干燥处理12‑60h，使上浆后的碳纤维充分浸润；步骤4，对上浆效果进行测试。
Description
技术领域
本发明属于碳纤维性能优化方法，具体涉及一种提高碳纤维耐磨性的上浆方法。
背景技术
二维C/SiC复合材料是以碳纤维布叠层为预制体，再通过碳纤维缝制，用以增强预制体的层间结合力。航天飞机机翼前缘、机身襟翼、航空发动机尾喷管调节片等均采用此类型的预制体。该类型的预制体需借助模具成型，成型过程中，碳纤维需往复穿过模具上预设孔，而碳纤维本身是一种脆性材料，且一束碳纤维中包含成千上万根碳纤维单丝，在预制体制备过程中，当碳纤维与模具以及碳布之间相互摩擦时，非常容易造成纤维单丝磨断，从而产生大量毛丝，无法继续缝制，影响生产效率，同时也造成大量碳纤维的浪费。
发明内容
本发明的主要目的是解决碳纤维作为一种脆性材料，在二维C/SiC复合材料制备过程中容易出现纤维单丝磨断，影响生产效率，造成大量碳纤维浪费的技术问题，提供一种提高碳纤维耐磨性的上浆方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种提高碳纤维耐磨性的上浆方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1，配制上浆剂溶液
将树脂型上浆剂与水按照1：1-1：4的比例进行混合，在20-40℃下搅拌5-15min得到黏度为10-300mPa·s的上浆剂溶液；
步骤2，碳纤维上浆
取多根碳纤维，以0.01-0.15m/s的速度使碳纤维逐一匀速通过上浆剂溶液，得到上浆后的碳纤维；通过上浆剂溶液时，多根碳纤维均浸没于上浆剂溶液中；
步骤3，干燥处理
对上浆后的碳纤维干燥处理12-60h，使上浆后的碳纤维充分浸润；
步骤4，上浆效果测试
使用经过步骤3处理后的碳纤维往复穿过厚度相同的碳纤维预制体进行缝制，直至碳纤维中起毛的单丝碳纤维数量超过预设值，记录碳纤维的往复次数；
或者，使用经过步骤3处理后的碳纤维往复穿过厚度相同的碳纤维预制体进行缝制，若往复中碳纤维断开，则重新开始缝制，直至碳纤维长度小于预设值无法缝制，记录碳纤维的缝制长度。
进一步地，步骤1中，所述将树脂型上浆剂与水按照1：1-1：4的比例进行混合具体为，将环氧树脂型上浆剂与水按照1：3.5的比例进行混合。
进一步地，步骤1中，所述搅拌是采用行星搅拌机进行搅拌，行星搅拌机的转速为1N/s。
如上所述一种提高碳纤维耐磨性的上浆方法，其特殊之处在于，步骤2中，所述取多根碳纤维，以0.01-0.15m/s的速度使碳纤维匀速通过上浆剂溶液是在上浆装置中完成的；
所述上浆装置包括容腔和上浆板；所述上浆板垂直安装于容腔的底部，所述上浆板的下部开设有穿引孔；上浆剂装入容腔内，碳纤维经上浆板的一侧穿入穿引孔，从上浆板的另一侧以0.01-0.15m/s的速度匀速穿出，位于穿引孔处的碳纤维浸没于上浆剂中。
进一步地，步骤2中，所述取多根碳纤维具体为，取20根110cm长的碳纤维。
进一步地，步骤3中，所述干燥处理为自然风干、太阳晒干或烘箱烘干中的一种。
进一步地，步骤3中，所述干燥处理若采用烘箱烘干，温度为20-60℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明提高碳纤维耐磨性的上浆方法，将树脂型上浆剂按照合理比例稀释，充分混合后得到黏度为10-300mPa·s的上浆剂溶液，上浆剂的黏度直接影响到上浆效果，黏度低则流动性强，内部均匀程度高，碳纤维浸润时间短，但过低的黏度又会造成上浆操作无意义。本发明黏度为10-300mPa·s的上浆溶液，经验证，上浆均匀且上浆效果佳，经上浆效果测试，能够满足耐磨性要求。另外，以0.01-0.15m/s的匀速上浆，兼顾了上浆效果和上浆效率。
2.本发明的具体使用环氧树脂型上浆剂，上浆效果验证，上浆剂与水的比例按照1：3.5时，上浆效果最佳，碳纤维的往复次数和缝制长度也最佳。
3.本发明采用行星搅拌机进行搅拌，搅拌更加均匀；同时搅拌机转速1N/s，过高的速度会影响上浆剂性能，过低也无法达到搅拌效果。
4.本发明借助上浆装置进行上浆，匀速穿过穿引孔且速度较低，减少了碳纤维的损失。
附图说明
图1为本发明实施例中上浆装置的结构示意图。
其中，1-容腔、2-上浆板、3-穿引孔。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例并非对本发明的限制。
对纤维表面进行上浆处理可有效提高纤维耐磨性，也可以有效使碳纤维被树脂充分浸润，一方面提高碳纤维丝的集束性，另一方面提高碳纤维的表面光滑度。。上浆剂的粘度指标是影响碳纤维上浆量及均匀性的重要因素，但并不是唯一因素。上浆剂粘度越低，流动性越强，内部均匀程度越高，从碳纤维表面浸润到内部的时间更短，碳纤维内外上浆量差异无明显减弱。同时，上浆粘度越小，不易在上浆剂通过的垫片凹槽形成凝胶，碳纤维通过性更强，产生毛丝的概率也就越低，纤维损耗率明显下降。但是，粘度并不是越低越好，过低的粘度则使上浆操作毫无意义。因此上浆方法并不是通过简单的尝试就能得到最优效果，其是多种因素的综合影响。
实施例一
一种提高碳纤维耐磨性的上浆方法，包括以下步骤：
步骤1，配制上浆剂溶液
将树脂型上浆剂与水按照1：1的比例进行混合，在20℃下搅拌10min得到粘度为300mPa·s的上浆剂溶液；
步骤2，碳纤维上浆
取20根110cm长的碳纤维，在如图1所示上浆装置中，以0.01m/s的速度使碳纤维匀速通过上浆剂溶液，得到上浆后的碳纤维；所述上浆装置包括容腔1和上浆板2；所述上浆板2垂直安装于容腔1的底部，所述上浆板2的下部开设有穿引孔3；上浆剂装入容腔1内，碳纤维经上浆板2的一侧穿入穿引孔3，从上浆板2的另一侧以0.01m/s的速度均速穿出，位于穿引孔3处的碳纤维浸没于上浆剂中；
步骤3，干燥处理
对上浆后的碳纤维自然风干40h，使上浆后的碳纤维充分浸润；
步骤4，上浆效果测试
使用经过步骤3处理后的碳纤维往复穿过厚度相同的碳纤维预制体进行缝制，直至碳纤维起毛，记录碳纤维的往复次数；
往复的次数越多说明碳纤维耐磨性越好，上浆效果越好。
同时，使用经过步骤3处理后的碳纤维往复穿过厚度相同的碳纤维预制体进行缝制，若往复中碳纤维断开，则重新开始缝制，直至碳纤维长度小于预设值无法缝制，记录碳纤维的缝制长度。缝制长度越长，则说明上浆效果越好。
实施例二
步骤1，配制上浆剂溶液
将树脂型上浆剂与水按照1：3.5的比例进行混合，在40℃下搅拌15min得到黏度为40mPa·s的上浆剂溶液；
步骤2，碳纤维上浆
取25根110cm长的碳纤维，在上浆装置中，以0.1m/s的速度使碳纤维匀速通过上浆剂溶液，得到上浆后的碳纤维；所述上浆装置包括容腔1和上浆板2；所述上浆板2垂直安装于容腔1的底部，所述上浆板2的下部开设有穿引孔3；上浆剂装入容腔1内，碳纤维经上浆板2的一侧穿入穿引孔3，从上浆板2的另一侧以0.1m/s的速度均速穿出，位于穿引孔3处的碳纤维浸没于上浆剂中；
步骤3，干燥处理
对上浆后的碳纤维太阳晒干30h，使上浆后的碳纤维充分浸润；
步骤4，上浆效果测试
使用经过步骤3处理后的碳纤维往复穿过厚度相同的碳纤维预制体进行缝制，若往复中碳纤维断开，则重新开始缝制，直至碳纤维长度小于预设值无法缝制，记录碳纤维的缝制长度。缝制长度越长，则说明上浆效果越好。
同时，使用经过步骤3处理后的碳纤维往复穿过厚度相同的碳纤维预制体进行缝制，直至碳纤维起毛，记录碳纤维的往复次数。同步验证上浆效果。
实施例三
步骤1，配制上浆剂溶液
将树脂型上浆剂与水按照1：2的比例进行混合，在20℃下搅拌5min得到黏度为150mPa·s的上浆剂溶液；
步骤2，碳纤维上浆
取20根110cm长的碳纤维，在上浆装置中，以0.15m/s的速度使碳纤维匀速通过上浆剂溶液，得到上浆后的碳纤维；所述上浆装置包括容腔1和上浆板2；所述上浆板2垂直安装于容腔1的底部，所述上浆板2的下部开设有穿引孔3；上浆剂装入容腔1内，碳纤维经上浆板2的一侧穿入穿引孔3，从上浆板2的另一侧以0.15m/s的速度均速穿出，位于穿引孔3处的碳纤维浸没于上浆剂中；
步骤3，干燥处理
对上浆后的碳纤维在烘箱中在40℃下烘干24h，使上浆后的碳纤维充分浸润；
步骤4，上浆效果测试
使用经过步骤3处理后的碳纤维往复穿过厚度相同的碳纤维预制体进行缝制，若往复中碳纤维断开，则重新开始缝制，直至碳纤维长度小于预设值无法缝制，记录碳纤维的缝制长度。缝制长度越长，则说明上浆效果越好。
同时，使用经过步骤3处理后的碳纤维往复穿过厚度相同的碳纤维预制体进行缝制，直至碳纤维起毛，记录碳纤维的往复次数。同步验证上浆效果。
实施例四
步骤1，配制上浆剂溶液
将树脂型上浆剂与水按照1：3的比例进行混合，在30℃下搅拌5min得到黏度为80mPa·s的上浆剂溶液；
步骤2，碳纤维上浆
取20根110cm长的碳纤维，在上浆装置中，以0.15m/s的速度使碳纤维匀速通过上浆剂溶液，得到上浆后的碳纤维；所述上浆装置包括容腔1和上浆板2；所述上浆板2垂直安装于容腔1的底部，所述上浆板2的下部开设有穿引孔3；上浆剂装入容腔1内，碳纤维经上浆板2的一侧穿入穿引孔3，从上浆板2的另一侧以0.15m/s的速度均速穿出，位于穿引孔3处的碳纤维浸没于上浆剂中；
步骤3，干燥处理
对上浆后的碳纤维在烘箱中在50℃下烘干18h，使上浆后的碳纤维充分浸润；
步骤4，上浆效果测试
使用经过步骤3处理后的碳纤维往复穿过厚度相同的碳纤维预制体进行缝制，若往复中碳纤维断开，则重新开始缝制，直至碳纤维长度小于预设值无法缝制，记录碳纤维的缝制长度。缝制长度越长，则说明上浆效果越好。
同时，使用经过步骤3处理后的碳纤维往复穿过厚度相同的碳纤维预制体进行缝制，直至碳纤维起毛，记录碳纤维的往复次数。同步验证上浆效果。
实施例五
步骤1，配制上浆剂溶液
将树脂型上浆剂与水按照1：4的比例进行混合，在25℃下搅拌5min得到黏度为10mPa·s的上浆剂溶液；
步骤2，碳纤维上浆
取20根110cm长的碳纤维，在上浆装置中，以0.15m/s的速度使碳纤维匀速通过上浆剂溶液，得到上浆后的碳纤维；所述上浆装置包括容腔1和上浆板2；所述上浆板2垂直安装于容腔1的底部，所述上浆板2的下部开设有穿引孔3；上浆剂装入容腔1内，碳纤维经上浆板2的一侧穿入穿引孔3，从上浆板2的另一侧以0.15m/s的速度均速穿出，位于穿引孔3处的碳纤维浸没于上浆剂中；
步骤3，干燥处理
对上浆后的碳纤维在烘箱中在60℃下烘干12h，使上浆后的碳纤维充分浸润；
步骤4，上浆效果测试
使用经过步骤3处理后的碳纤维往复穿过厚度相同的碳纤维预制体进行缝制，若往复中碳纤维断开，则重新开始缝制，直至碳纤维长度小于预设值无法缝制，记录碳纤维的缝制长度。缝制长度越长，则说明上浆效果越好。
同时，使用经过步骤3处理后的碳纤维往复穿过厚度相同的碳纤维预制体进行缝制，直至碳纤维起毛，记录碳纤维的往复次数。同步验证上浆效果。
对上述实施例一至实施例五的上浆效果进行对比，相同的上浆效果测试方法下进行对比，其中实施例二对应的上浆效果最佳。
上述将树脂型上浆剂与水在20-40℃下搅拌混合，一般操作时在室温下亦可。
实施例一至实施例五中，步骤2中碳纤维通过上浆剂溶液，保证碳纤维各部位均能够均速通过上浆剂溶液，使碳纤维从一端至另一端均通过上浆剂溶液；其中，取多根碳纤维通过上浆剂，碳纤维的规格可以是1K、3K、6K或12K。步骤4中，通过记录碳纤维的往复次数评判上浆效果时，所述直至碳纤维中起毛的单丝碳纤维数量超过预设值；以及，通过记录碳纤维的缝制长度评判上浆效果时，所述直至碳纤维长度小于预设值无法缝制；上述两处预设值，均可根据生产现场对碳纤维质量要求进行调整，若现场要求较高，所述直至碳纤维中起毛的单丝碳纤维数量超过预设值，该预设值可以限定为较小的值；所述直至碳纤维长度小于预设值无法缝制，该预设值可以限定为较大的值。若现场要求较低，则相反。
本发明的上浆方法适用的上浆剂类型为树脂体系，包括环氧、酚醛和双马来酰亚胺。用作复合材料的树脂大多为环氧树脂。但其他类型的上浆剂也可借用本发明的方法及装置进行生产或实验。
以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (7)
1.一种提高碳纤维耐磨性的上浆方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，配制上浆剂溶液
将树脂型上浆剂与水按照1：1-1：4的比例进行混合，在20-40℃下搅拌5-15min得到黏度为10-300mPa·s的上浆剂溶液；
步骤2，碳纤维上浆
取多根碳纤维，分别以0.01-0.15m/s的速度使碳纤维逐一匀速通过上浆剂溶液，得到上浆后的碳纤维；通过上浆剂溶液时，多根碳纤维分别浸没于上浆剂溶液中；
步骤3，干燥处理
对上浆后的碳纤维干燥处理12-60h，使上浆后的碳纤维充分浸润；
步骤4，上浆效果测试
使用经过步骤3处理后的碳纤维往复穿过厚度相同的碳纤维预制体进行缝制，直至碳纤维中起毛的单丝碳纤维数量超过预设值，记录碳纤维的往复次数；
或者，使用经过步骤3处理后的碳纤维往复穿过厚度相同的碳纤维预制体进行缝制，若往复中碳纤维断开，则重新开始缝制，直至碳纤维长度小于预设值无法缝制，记录碳纤维的缝制长度。
2.如权利要求1所述一种提高碳纤维耐磨性的上浆方法，其特征在于：步骤1中，所述将树脂型上浆剂与水按照1：1-1：4的比例进行混合具体为，将环氧树脂型上浆剂与水按照1：3.5的比例进行混合。
3.如权利要求1所述一种提高碳纤维耐磨性的上浆方法，其特征在于：步骤1中，所述搅拌是采用行星搅拌机进行搅拌，行星搅拌机的转速为1N/s。
4.如权利要求1或2或3所述一种提高碳纤维耐磨性的上浆方法，其特征在于：步骤2中，所述取多根碳纤维，以0.01-0.15m/s的速度使碳纤维逐一匀速通过上浆剂溶液是在上浆装置中完成的；
所述上浆装置包括容腔(1)和上浆板(2)；所述上浆板(2)垂直安装于容腔(1)的底部，所述上浆板(2)的下部开设有穿引孔(3)；上浆剂装入容腔(1)内，碳纤维经上浆板(2)的一侧穿入穿引孔(3)，从上浆板(2)的另一侧以0.01-0.15m/s的速度均速穿出，位于穿引孔(3)处的碳纤维浸没于上浆剂中。
5.如权利要求4所述一种提高碳纤维耐磨性的上浆方法，其特征在于：步骤2中，所述取多根碳纤维具体为，取20根110cm长的碳纤维。
6.如权利要求5所述一种提高碳纤维耐磨性的上浆方法，其特征在于：步骤3中，所述干燥处理为自然风干、太阳晒干或烘箱烘干中的一种。
7.如权利要求6所述一种提高碳纤维耐磨性的上浆方法，其特征在于：步骤3中，所述干燥处理若采用烘箱烘干，温度为20-60℃。
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2019
- 2019-12-13 CN CN201911283260.3A patent/CN110983778A/zh active Pending
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