CN110997763A - 具有改善的可加工性的碳纤维丝束 - Google Patents

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Abstract

在一个实施方式中，上浆的碳纤维丝束可以包含：用上浆剂上浆的未上浆碳纤维丝束；其中上浆的碳纤维丝束具有：a)小于8个计数/20米的毛丝计数；b)未上浆碳纤维丝束的至少0.4重量％的上浆量；和c)小于5.5cm的悬垂性。一种制备上浆的碳纤维丝束的方法，包括：在至少3米/分钟的吞吐量线速度下在铺展器单元上铺展具有至少70mJ/m2表面能的未上浆碳纤维丝束并形成铺展的碳纤维；在至少3米/分钟的吞吐量线速度下在上浆料浴中上浆铺展的碳纤维并形成上浆的碳纤维；和干燥上浆的碳纤维并形成上浆的碳纤维丝束。

Description

具有改善的可加工性的碳纤维丝束
相关申请的引用
本申请是一件提交的国际申请，要求2017年8月1日提交的印度申请第2017/41027230号的优先权，该印度申请第2017/41027230号通过引用并入本文中。
技术领域
本公开总体上涉及一种上浆的(sized)碳纤维丝束(tow)，并且更具体地涉及具有改善的可加工性、上浆量和悬垂性的上浆的碳纤维丝束，以及制备这样的上浆的碳纤维丝束的方法。
背景技术
上浆的碳纤维丝束被广泛用作用于制备机织织物、预浸料、单向带和其他基于复合材料的材料的中间材料。碳纤维作为复合材料中的增强纤维具有固有的缺点，例如延展性低、脆性高和聚合物树脂润湿性低。
与将碳纤维用作增强纤维相关的另一个缺点是起毛或纤维断裂，这是在连续生产线上对碳纤维进行上浆或加工的同时发生的。在碳纤维表面上的起毛量影响碳纤维的加工和处理以及使用这样的碳纤维的任何增强的复合材料的机械完整性。碳纤维上的起毛量可能影响复合材料产品的光泽度和美学外观。此外，碳纤维本质上通常是导电的，所产生的毛丝可在碳基于纤维的产品的生产和加工过程中引起电线短路。随着最近的开发关注于自动化的和更高生产量的用于上浆的工艺，起毛和纤维断裂严重阻碍了产品质量和总体工艺生产率。
为了改善这些缺点，Wang等人已经在他们的出版物(“Effects of surfacetreatment of carbon fiber:Tensile Property,Surface Characteristics,andBonding to Epoxy”DOI:10.1002/pc.23489,Polymer Composites)中报道了随同上浆处理一起使用电解表面处理以增强层间剪切强度(ILSS)和改善基体粘附性或可润湿性。碳纤维的电解表面处理可通过任何在现有技术中公开的方法进行以产生对于树脂可润湿性所需的表面能。这样的方法例如已经在美国专利4,234,398中要求保护，并且也已经由Wang等人在他们的出版物中报道。然而，在这两篇参考文献中，在经表面处理的碳纤维上的起毛量对于碳纤维的进一步加工和处理仍将是个问题。
在Kibayashi等人的美国专利申请2013/253096(2013年9月26日出版)中公开了一种具有特定上浆量的上浆的碳纤维。然而，与这种上浆的碳纤维产品相关的起毛量将不会完全减轻所有与起毛相关的缺点和产品质量风险。另外，如在Kibayashi的专利中所讨论的，上浆的工艺以及相应的毛丝测量包括使用具有相对低包角的四个辊。用于上浆的低包角会导致较低的铺展性，其导致在碳纤维上的上浆量低，这可能影响使用这种碳纤维的复合材料的机械性能。
另外，如工业所要求的，用于加工/上浆碳纤维的吞吐量线速度应尽可能高，以确保优异的生产率和降低生产成本。然而，在高线速度下，由于上浆设备在较高速率下磨损碳纤维，因此所生产的碳纤维具有增加的起毛或纤维断裂。在需要降低起毛和纱线断裂的情况下，Miller等人在美国专利5,369,146中也已经一般性描述了上浆的碳纤维的加工。然而，‘146专利没有明确解决与生产率和悬垂有关的问题。
因此，持续需要开发一种上浆的碳纤维丝束，其基本上没有起毛，具有良好的上浆量，同时仍是在高生产率和降低的生产成本下生产的。
发明内容
本文中公开了碳纤维丝束，制备碳纤维丝束的方法和那些碳纤维丝束的用途。
在一个实施方式中，上浆的碳纤维丝束可以包含：用上浆剂上浆的未上浆碳纤维丝束；其中上浆的碳纤维丝束具有：a)小于8个计数/20米的毛丝计数；b)未上浆碳纤维丝束的至少0.4重量％的上浆量；c)小于5.5cm的悬垂性。
在一个实施方式中，制备上浆的碳纤维丝束的方法可以包括：在至少3米/分钟的吞吐量线速度下在铺展器单元上铺展具有至少70mJ/m2表面能的未上浆碳纤维丝束并形成铺展的碳纤维；在至少3米/分钟的吞吐量线速度下在上浆料浴中上浆所述铺展的碳纤维并形成上浆的碳纤维；和干燥上浆的碳纤维并形成上浆的碳纤维丝束。
附图说明
附图构成本说明书的一部分，并结合于此以解释本发明的原理。
附图示例性说明了用于生产上浆的碳纤维丝束上浆料的总体工艺流程图。
发明详述
希望提供一种上浆的碳纤维丝束，其可在高吞吐量线速度下以优异的生产率生产并且由于具有低的起毛或纤维断裂而具有优异的生产率。
还希望开发一种具有高上浆量和低悬垂性的上浆的碳纤维丝束。
为了实现本发明的目的，本发明的发明人出人意料地发现，当在至少3米/分钟的吞吐量线速度下牵拉时，具有至少70毫焦耳/平方米(mJ/m2)表面能的未上浆碳纤维丝束，获得具有优异的上浆量、悬垂性和低起毛量的上浆的碳纤维丝束。更特别地，本发明涉及一种碳纤维丝束，其具有低于8个计数/20米的毛丝计数，至少0.4重量％的上浆量和小于5.5厘米(cm)的悬垂性。本发明进一步公开了生产这样的上浆的碳纤维丝束的方法，上浆的碳纤维丝束是以至少3米/分钟的吞吐量线速度生产的。
本公开涉及一种上浆的碳纤维丝束，其具有改善的可加工性、上浆量和悬垂性。特别地，即使当在高吞吐量线速度下生产时，根据本发明开发的上浆的碳纤维丝束也基本上没有起毛或纤维断裂。本发明进一步公开了制备这样的上浆的碳纤维丝束的方法，该方法具有优异的生产率和降低的生产成本。本发明的上浆的碳纤维丝束适用于制备单向带、复合材料和机织织物。
根据本发明的一个方面，本发明的发明人出人意料地发现，当在高吞吐量线速度下上浆时，可以由具有充分高表面能的未上浆碳纤维丝束生产具有优异的上浆量和悬垂性能的上浆的碳纤维丝束而不产生任何起毛或纤维断裂。特别地，本发明涉及一种上浆的碳纤维丝束，其包含在具有至少70mJ/m2表面能的未上浆碳纤维丝束上的上浆剂，并且上浆的碳纤维丝束的特征在于具有：a)小于8个计数/20米上浆的碳纤维丝束的毛丝计数，b)未上浆碳纤维丝束的至少0.4重量％的上浆量，c)小于5.5厘米(cm)的悬垂性。
附图示例性说明了用于生产上浆的碳纤维丝束的典型工艺。未上浆碳纤维丝束的上浆对于增强碳纤维的树脂可润湿性以及改善碳纤维的耐磨性是至关重要的。上浆的碳纤维具有增强的层间剪切强度(ILSS)，其导致改善的纤维-基体粘附性，并从而增强了复合材料的希望性能。另外，上浆的碳纤维丝束通过改善的纤维束内聚力、铺展性、抗毛丝形成性、纤维平滑性、耐磨性和可卷绕性而具有改善的可加工性。为了确保上浆的碳纤维的优异质量，上浆量需要是高的，同时确保悬垂性和起毛量保持是低的。
碳纤维的上浆可通过上浆操作进行，上浆操作涉及在至少3米/分钟的高吞吐量线速度下操作的上浆线。特别地，上浆工艺涉及制备上浆的碳纤维丝束的方法，该方法包括以下过程：在至少3米/分钟的吞吐量线速度下在铺展器单元上铺展具有至少70mJ/m2表面能的未上浆碳纤维丝束以形成铺展的碳纤维。随后在至少3米/分钟的吞吐量线速度下在上浆料浴中上浆所述铺展的碳纤维以形成上浆的碳纤维。然后将上浆的碳纤维在加热器上干燥以形成上浆的碳纤维丝束。
在本发明的一些实施例中，可通过使从供应商购买的未上浆的经表面处理的碳纤维丝束的卷轴解卷开始上浆操作。在一些其他实施例中，通过将上浆线与预上浆处理单元集成在一起而直接使用未上浆碳纤维丝束，而无需卷绕或解卷碳纤维。
在本发明的一些实施方式中，将未上浆的经表面处理的碳纤维丝束的卷轴从线轴解卷以产生解卷的碳纤维丝束，其被设置在用于上浆操作的上浆线上。未上浆的经表面处理的碳纤维丝束具有1000(IK)至50000(50K)根单丝的碳纤维单丝数。碳纤维单丝具有在1至12微米(μm)范围内、优选在3至10μm范围内和最优选在5至8μm范围内的直径。
例如，可以使用具有12K的单丝数的碳纤维丝束。碳纤维单丝衍生自聚丙烯腈(PAN)，然而也可将诸如沥青、人造丝、聚酯、聚酰胺的其他来源用作碳纤维单丝的来源。
可在开始上浆工艺之前对未上浆碳纤维丝束进行表面处理。碳纤维单丝的表面处理或表面功能化在碳纤维表面上引入极性官能团，其增强碳纤维的表面能，这反过来对于改善在复合材料中与树脂基体的粘附性或可润湿性是至关重要的。然而，未上浆碳纤维丝束或具有非常高表面能的碳纤维丝束的过度表面官能化可能导致低的拉伸模量和强度，其影响碳纤维的机械完整性。
未上浆碳纤维丝束的表面能可以是至少70mJ/m2。在本发明的一些实施方式中，未上浆碳纤维具有在70mJ/m2至90mJ/m2范围内、优选在71mJ/m2至78mJ/m2范围内并且最优选在72mJ/m2至76mJ/m2范围内的表面能。可通过任何本领域中已知的技术来测量表面能，并且一种这样的技术涉及在特定的分数表面覆盖率下注入正构烷烃和极性探针，以测量保留时间和将该保留时间与分散表面能和比自由能相关，从而达到所报道的表面能值。
可将在解卷后未上浆的经表面处理的碳纤维丝束或解卷的碳纤维牵拉向在上浆线上的铺展器单元，在特定的吞吐量线速度下牵拉以产生铺展的碳纤维。铺展单元可以包含至少五个辊，优选至少六个辊，和最优选至少七个辊。所述辊可由塑料或金属基材料制成。如果使用所述金属基辊，则其可以是镀覆以镜面抛光的硬铬。在铺展单元中的碳纤维路径具有至少500度和优选至少506度的总包角。与Kibayashi等人的美国专利申请2013/253096相比，本发明的铺展器单元布置将确保改善的铺展以及改善的上浆和树脂浸渍。上浆设备具有张力控制的筒子架系统，从该系统发出未上浆碳纤维丝束并且该未上浆碳纤维丝束被传递到用于铺展碳纤维丝束的铺展器单元上。可将上浆设备的张力保持在0.5牛顿(N)至5N范围内以牵拉碳纤维。优选地，将上浆设备的张力保持在0.75至2N下，例如1N下。
在上浆的碳纤维上达到最佳上浆料水平的一种方式是在施加上浆剂之前将未上浆碳纤维丝束铺展到铺展性的最佳水平。铺展性的最佳水平确保了优异的树脂浸渍，其导致在复合材料产品中改善的抗分层性和改善的机械性能。碳纤维的铺展性可通过使用式I来计算：
铺展性(％)＝((Sb–Sa)/(Sa))×100 (式I)
其中，Sb＝在进入上浆料浴之前从铺展器单元出来的碳纤维丝束的最终宽度；Sa＝在进入铺展器单元之前的未上浆碳纤维丝束的宽度。
通常，已知上浆操作需要在吞吐量线速度的特定范围内操作以确保优异的上浆量和工艺生产率。在高吞吐量线速度下，整个上浆操作将具有优异的工艺生产率和上浆量。然而，吞吐量线速度不能增加超过限度，因为在非常高的吞吐量线速度下，碳纤维在上浆料浴中的停留时间以及所述纤维与上浆剂的接触时间将是低的，其足以不利地影响上浆质量。另外，在较高的吞吐量线速度下，由于在碳纤维与辊之间的磨损增强，在碳纤维上的起毛可能增加。相反，显然，在低生产速率下，由于较低的磨损，起毛将是低的。然而，在如此低的吞吐量线速度下，上浆操作的整体生产率和经济性对于这种碳纤维丝束的商业生产可能是不可行的。
在本发明的一些实施方式中，碳纤维的铺展和上浆是在至少3米/分钟的吞吐量线速度下、优选在3.5米/分钟至10米/分钟的范围内并且最优选在4米/分钟至8米/分钟的范围内进行的。
在本发明的一些实施方式中，观察到当使用在高吞吐量线速度下操作的铺展器单元形成铺展的碳纤维时，铺展性对于实现上浆量的最佳水平是理想的。在实施例1和实施例2的表2和表4中也证明了这一观察结果，该表说明：通常，较高的吞吐量线速度在增加的铺展性的情况下提高了上浆量，之后达到最大值。然而，还显而易见的是，使用数个辊在高吞吐量线速度下铺展碳纤维，紧靠铺展辊和/或上浆设备的碳纤维的磨损将在碳纤维表面上产生高起毛量。在低吞吐量线速度下，碳纤维的较低铺展性导致较低的上浆量。
根据本发明的一些实施方式，本发明的发明人惊奇地发现，与常规使用的线速度相比，在相对较高的吞吐量线速度下实现了碳纤维丝束的最佳铺展性，其足以促进复合材料中的纤维基体附着性。当根据式I测量时，碳纤维的铺展性值为至少150％、优选在155％至220％的范围内并且最优选在178％至202％的范围内。
在本发明的一些实施方式中，将来自铺展器单元的铺展的碳纤维牵拉到含有上浆剂浆料的上浆料浴中。上浆料浴可以保持在环境室温下或保持在足以上浆铺展的碳纤维并产生上浆的碳纤维的温度下。上浆是在至少3米/分钟的吞吐量线速度下进行的，优选地，上浆是在3.5米/分钟至10米/分钟范围内的吞吐量线速度下进行的，并且最优选地，上浆是在4米/分钟至8米/分钟的范围内进行的。与工业中通常使用的相比，为了生产本发明的上浆的碳纤维丝束的目的使用的吞吐量线速度是更高的。上浆料浴可以含有的上浆剂的量的范围为浆料的总固体含量的1-5重量％。
上浆剂可以包括以下聚合物或树脂中的至少一种，所述聚合物或树脂选自由以下各项组成的组：聚氨酯、聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚醚酰亚胺、硅氧烷树脂、聚酮、聚砜、聚醚砜、聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚苯硫醚、聚丙烯酸酯、聚乙酸乙烯酯、聚酰胺、聚酯、聚醚酰亚胺、聚胺、聚酰亚胺、环氧树脂、苯氧基树脂、三聚氰胺树脂、尿素树脂、聚酰胺酰亚胺、聚醚砜、聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚苯硫醚和它们的组合。在本发明的一个实施方式中，可以优选将聚氨酯或苯氧基树脂用作上浆剂。
可以随后使上浆的碳纤维通过轧辊以挤出在碳纤维表面上的任何过量的上浆剂，然后在烘箱中干燥上浆的碳纤维以获得上浆的碳纤维丝束。已经观察到，上浆的碳纤维的干燥需要在最佳温度下进行，在过低温度下，干燥是无效的，而在非常高的温度下，在碳纤维丝束上的上浆可能会劣化。烘箱被保持在105℃至260℃的温度范围内、优选在110℃至200℃范围内并且最优选在115℃至150℃范围内。可选地，烘箱可以包括红外(IR)加热器以补充所述干燥操作。
在本发明的一些实施方式中，可以随后将上浆的碳纤维丝束卷绕在卷轴中以将其运输到不同位置用于制造复合材料制品或用于制作。在一些其他实施方式中，上浆的碳纤维丝束可以被直接传送到生产线用于复合材料制造。
取决于用于制备复合材料的聚合物基体，所用的上浆剂可以是热固性或热塑性聚合物。可以选择上浆剂以给复合材料赋予诸如高耐热性、抗分层性、增强的可润湿性和机械增强的性能。
在碳纤维丝束上的上浆剂的含量需要处在对于将碳纤维应用于复合材料、带或在机织织物中的最佳水平下。如果上浆量过低，则碳纤维将具有与树脂基体的低热力学可润湿性和低附着性。此外，低上浆量将损害碳纤维的耐磨性，这可能在制造带或织物的同时导致起毛。另一方面，高上浆量将导致碳纤维是硬的并影响其悬垂性。另外，高上浆量导致空隙，其导致差的密度和铺展特性。在这些情况下，即使低粘度树脂也经历降低的浸渍性，其导致不理想的机械性能。此外，从环境的角度看，在高上浆量的情况下，形成有害挥发物的可能性是显著的，并且可能招致对使用这种上浆的碳纤维的产品的监管限制。发明人惊奇地发现，所获得的上浆的碳纤维丝束具有优异的上浆量、低的悬垂性并且基本上没有起毛。
取决于所用的上浆剂的类型，上浆的碳纤维丝束的上浆量是可以通过灰分测试或溶剂消解技术(ASTM D2584)测量并且可以使用如下所示的式II计算的：
上浆量：使用下式测量干燥的碳纤维的上浆量：
上浆量(％)＝((w1-w0)/w0)×100 (式II)
其中，w1＝上浆的碳纤维丝束的重量；w0＝未上浆碳纤维丝束的重量。
在上浆的碳纤维丝束上的上浆量或上浆料的量为未上浆碳纤维丝束的至少0.4重量％。在本发明的一些实施方式中，上浆量在未上浆碳纤维丝束的0.42重量％至1.2重量％范围内、优选在未上浆碳纤维丝束的0.45重量％至1.1重量％范围内并且最优选在未上浆碳纤维丝束的0.6重量％至0.9重量％范围内。
上浆的碳纤维的悬垂性是评价该上浆的碳纤维的质量的关键参数。悬垂性值应足够低，以确保上浆的碳纤维丝束是柔性的以进一步加工和制造，尤其是在制备编织的织物时。另外，悬垂性决定了上浆的碳纤维丝束在线轴或卷轴上的卷绕，其用于进一步的商业应用。如果上浆的碳纤维丝束的悬垂性不够低，则上浆的纤维在线轴或卷轴上的卷绕将受到阻碍，因为所述纤维将趋于解卷，这是不希望的。
根据本发明的另一个方面，悬垂性可低于5.5cm。在本发明的一些实施方式中，上浆的碳纤维丝束的悬垂性在1.8cm至5.2cm范围内、优选在2cm至6cm范围内并且最优选在3cm至5cm范围内。测量上浆的碳纤维的悬垂性的一种方法可基于Liu等人的教导[J.Liu,H.Ge,J.Chen,D.Wang和H.Liu,J.Appl.Polym.Sci.,124,864(2012)]，其使用用于任何这种测量的小尺子和钩子布置。
如Kibayashi等人在美国专利申请2013/253096中公开的，毛丝计数可关于在上浆的碳纤维的特定预定长度内出现小球或纤维断裂情况的数量来表达。上浆的碳纤维丝束的预定长度用作样本或代表性长度，以表征整个上浆的碳纤维丝束的上浆质量。预定的单位长度可以是选自1米、10米、20米、30米、50米、100米的至少一种长度，或者为了表达每单位长度的上浆的碳纤维丝束的起毛量的任何这样的预定长度。例如，预定的单位长度可以是大于或等于1米，例如1米至100米，或10米至50米。
纤维断裂或起毛可以被表达为每20米上浆的碳纤维丝束的毛丝计数，其中每20米被随机选择用于人工检查。与1米的较小单位长度相比，根据本发明使用20米的较大预定长度确保了考虑足够大的代表性样本尺寸来表征上浆的碳纤维丝束。由于上浆的碳纤维丝束的处理，在较大的预定长度下，所述毛丝的测量可能变得困难。所述毛丝计数是通过手动检查例如上浆的碳纤维丝束的纤维断裂或起毛来确定的。碳纤维丝束的毛丝计数被确定为每20米小于8个计数，优选每20米小于5个计数，更优选每20米小于1个计数，和最优选每20米0个计数。
具体实施方式
提出以下实施例作为要求保护的发明的具体示例性说明。然而，应当理解的是，本发明不限于在这些实施例中阐述的具体细节。
实施例
实施例1
在两种不同线速度下在表面能、毛丝计数、悬垂性、铺展性之间的关系
目的：实施例1是本发明的实施方式，并证明了使用具有至少70mJ/m2表面能的未上浆碳纤维丝束生产了上浆的碳纤维丝束。该实施例部分进一步证明了，当在导致优异生产率的高吞吐量线速度下生产时，本发明的上浆的碳纤维丝束具有低的毛丝计数，优异的上浆量和铺展性。
使用的材料：使用如在本发明中公开的方法使未上浆的、经表面处理的碳纤维的七个样品等级上浆，碳纤维具有12,000根单丝(12K)，购自Carbon Nexus。
Figure BDA0002379321630000121
工艺/过程：为了该实施例的目的，实施以下工艺—a)在5米/分钟的吞吐量线速度下在铺展器单元上，使用铺展器单元铺展具有至少70mJ/m2表面能的未上浆碳纤维丝束以形成铺展的碳纤维，并形成铺展的碳纤维，b)在5米/分钟的吞吐量线速度下将铺展的碳纤维在上浆料浴中上浆，并形成上浆的碳纤维，c)随后将上浆的碳纤维干燥以形成上浆的碳纤维丝束。将在1米/分钟下获得的上浆的碳纤维丝束用作对照以分析和对比由使用5米/分钟的高吞吐量线速度获得的结果。为了该实施例的目的，将具有小于70mJ/m2表面能的碳纤维用作对照。
结果：分析当在5米/分钟和1米/分钟的两种不同吞吐量线速度下处理时，具有不同表面能的未上浆碳纤维的铺展性、毛丝计数、上浆量和悬垂性。下表中列表显示了观察结果：
Figure BDA0002379321630000131
从表2中明显看出，在5米/分钟的高线速度下制备的上浆的碳纤维丝束产生了具有低毛丝计数以及优异上浆量和悬垂性的上浆的碳纤维丝束。另外，与通常约1-2米/分钟的常规线速度相比，在本发明的本实施方式中使用高线速度确保了本发明方法的更好的生产率和工艺经济性。
另外，观察到，即使当在5米/分钟的高吞吐量线速度下牵拉碳纤维时，在大于70mJ/m2的表面能下，产生的毛丝也是低的。在73mJ/m2和76mJ/m2之间的表面能下，毛丝计数为零。从在表2中的结果可观察到，上浆的碳纤维丝束的上浆量如所愿那样是足够高的而没有损害上浆的碳纤维丝束的悬垂性。
实施例2
在零毛丝计数下，在各种生产上浆线速度下，在表面能、悬垂性、铺展性之间的关系
目的：作为本发明的实施方式的实施例2证明，当在3、5、6、8米/分钟的高吞吐量线速度下上浆时，具有在73mJ/m2和76mJ/m2之间表面能的未上浆碳纤维丝束，在优异的上浆量和低悬垂性的情况下，毛丝计数保持是低的。高生产速率还确保了优异的生产率和工艺经济性。
Figure BDA0002379321630000141
工艺/过程：将未上浆碳纤维丝束上浆的工艺与在实施例1下描述的相同。
结果：从为了实施例2的目的进行的实验获得的结果列于下表。如可观察到的，在优异的上浆量和悬垂性的情况下，即使在各种吞吐量线速度下，对于上浆的碳纤维丝束产生的毛丝也是低的。即使当在高线速度下上浆时，上浆的碳纤维丝束的低毛丝计数也将确保上浆的碳纤维丝束会具有优异的商业可接受性，同时是在高生产率下生产的。
Figure BDA0002379321630000142
Figure BDA0002379321630000151
以下列出的是碳纤维丝束、制备所述丝束的方法以及由所述丝束制成的物品的一些方面。
方面1：一种上浆的碳纤维丝束，包含：用上浆剂上浆的未上浆碳纤维丝束；其中上浆的碳纤维丝束具有：a)小于8个计数/20米的毛丝计数；b)未上浆碳纤维丝束的至少0.4重量％的上浆量；和c)小于5.5cm的悬垂性。
方面2：方面1的上浆的碳纤维丝束，其中上浆的碳纤维丝束具有小于1个计数/20米的毛丝计数，优选零个计数/20米的毛丝计数。
方面3：前述方面中的任一项的上浆的碳纤维丝束，其中未上浆碳纤维丝束具有的表面能为至少70mJ/m2，优选71mJ/m2至80mJ/m2，或72mJ/m2至76mJ/m2。
方面4：前述方面中的任一项的上浆的碳纤维丝束，其中上浆的碳纤维丝束具有的上浆量在未上浆碳纤维丝束的0.43重量％至1.2重量％，优选未上浆碳纤维丝束的0.6重量％至0.9重量％范围内。
方面5：前述方面中的任一项的上浆的碳纤维丝束，其中上浆剂选自由以下各项组成的组：聚氨酯、聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚醚酰亚胺、硅氧烷树脂、聚酮、聚砜、聚醚砜、聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚苯硫醚、聚丙烯酸酯、聚乙酸乙烯酯、聚酰胺、聚酯、聚醚酰亚胺、聚胺、聚酰亚胺、环氧树脂、苯氧基树脂、三聚氰胺树脂、尿素树脂、聚酰胺酰亚胺、聚醚砜、聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚苯硫醚和它们的组合。
方面6：前述方面中的任一项的上浆的碳纤维丝束，其中上浆剂是苯氧基树脂。
方面7：前述方面中的任一项的上浆的碳纤维丝束，具有在1.8cm至5.2cm范围内的悬垂性。
方面8：制备上浆的碳纤维丝束的方法，该方法包括：在至少3米/分钟的吞吐量线速度下在铺展器单元上铺展具有至少70mJ/m2表面能的未上浆碳纤维丝束并形成铺展的碳纤维；在至少3米/分钟的吞吐量线速度下在上浆料浴中上浆铺展的碳纤维并形成上浆的碳纤维；和干燥上浆的碳纤维并形成上浆的碳纤维丝束。
方面9：方面8的方法，其中所述方法进一步包括从线轴解卷未上浆碳纤维丝束。
方面10：方面8的方法，其中从预上浆处理单元直接使用未上浆碳纤维丝束，而无需卷绕或解卷未上浆碳纤维丝束。
方面11：方面8-10中的任一项的方法，其中所述方法进一步包括将上浆的碳纤维丝束卷绕成卷轴用于进一步加工。
方面12：方面8-11中的任一项的方法，其中在105℃至260℃的温度范围内干燥上浆的碳纤维。
方面13：方面8-12中的任一项的方法，其中所述吞吐量线速度在3.5米/分钟至10米/分钟范围内。
方面14：方面8-13中的任一项的方法，其中所述吞吐量线速度在4米/分钟至8米/分钟范围内。
方面15：方面8-13中的任一项的方法，该方法进一步包括在干燥前使上浆的碳纤维通过轧辊(例如，以挤出任何过量的上浆剂)。
方面16：方面8-15中的任一项的上浆的碳纤维丝束，其具有小于8个计数/20米的毛丝计数。
方面17：方面16的上浆的碳纤维丝束在制品中的用途。
定义：以下内容包括贯穿本说明书使用的各种术语和短语的定义。
如在本说明书和随附的权利要求书中使用的，单数形式“一个”、“一种”和“该”包括复数个指示物，除非上下文清楚地指出相反情况。
术语“约”被定义为接近于，如本领域普通技术人员所理解的那样。在一个非限制性实施方式中，该术语被定义为在所报道值的10％以内、优选在5％以内，更优选在1％以内并且最优选在0.5％以内。
术语“碳单丝”是指由碳制成的纤维的单线或股。
术语“复合材料”是指包含具有分散或浸渍在聚合物基体中的增强纤维(例如碳纤维)的聚合物树脂基体或基材的产品。
术语“丝束”是指包含几千根单独的碳纤维单丝的碳纤维的束。
术语“吞吐量线速度”是指旋转或操作所述线轴或卷轴或辊所处的速率，其用于牵拉用于上浆或铺展的包含碳纤维单丝的未上浆碳纤维丝束。
术语“高吞吐量线速度”是指至少3米/分钟的吞吐量线速度。
术语“铺展性”是指在使未上浆碳纤维丝束通过铺展器单元后，单独的碳纤维单丝彼此分离的程度或级别。
术语“悬垂性”或“悬垂”是指为了进一步加工，上浆的碳纤维丝束在线轴或辊上的柔韧性或弯曲能力。
术语“起毛”是指纤维断裂，或更具体地指碳纤维单丝，其在加工过程中由于机械磨损而破损，从而在碳纤维丝束的表面上产生杂散的碳纤维单丝或线或小球。当手动检查上浆的碳纤维丝束时，使用“毛丝计数每20米”上浆的碳纤维丝束的单位来量化产生的毛丝。
术语“基本上没有起毛”是指当手动观察或检查时，纤维断裂计数要么不存在，要么以不到8个计数/20米的量存在于上浆的碳纤维丝束的表面上。
术语“上浆的碳纤维”是指在将未上浆碳纤维丝束在含有上浆剂的上浆料浴中浸涂后产生的在碳纤维的表面上的聚合物涂层。
术语“上浆的”是指在未上浆碳纤维丝束的表面上的聚合物涂层。
术语“上浆量”是指在通过上浆料浴后粘附到或涂覆在碳纤维表面上的上浆料的量。
术语“表面能”是指碳纤维表面的表面张力值，其与通过对未上浆碳纤维丝束进行电化学表面处理产生的极性或基于氧的官能团成比例。
术语“线轴”或“卷轴”是指包含卷绕到芯/支撑体上的碳纤维粗纱的单独包。
术语“包角”是指张紧的碳纤维丝束接触辊筒销的距离，以度为单位。
术语“高表面能”是指碳纤维丝束或单独的碳纤维表面具有至少70mJ/m2表面能值。

Claims (16)

1.一种上浆的碳纤维丝束，其包含：
用上浆剂上浆的未上浆碳纤维丝束；其中所述上浆的碳纤维丝束具有：
a)小于8个计数/20米的毛丝计数；
b)所述未上浆碳纤维丝束的至少0.4重量％的上浆量；和
c)小于5.5cm的悬垂性。
2.权利要求1的上浆的碳纤维丝束，其中所述上浆的碳纤维丝束具有小于1个计数/20米的毛丝计数，优选零个计数/20米的毛丝计数。
3.前述权利要求中的任一项的上浆的碳纤维丝束，其中所述未上浆碳纤维丝束具有的表面能为至少70mJ/m2，优选71mJ/m2至80mJ/m2，或72mJ/m2至76mJ/m2。
4.前述权利要求中的任一项的上浆的碳纤维丝束，其中所述上浆的碳纤维丝束具有的上浆量在所述未上浆碳纤维丝束的0.43重量％至1.2重量％，优选所述未上浆碳纤维丝束的0.6重量％至0.9重量％范围内。
5.前述权利要求中的任一项的上浆的碳纤维丝束，其中所述上浆剂选自由以下各项组成的组：聚氨酯、聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚醚酰亚胺、硅氧烷树脂、聚酮、聚砜、聚醚砜、聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚苯硫醚、聚丙烯酸酯、聚乙酸乙烯酯、聚酰胺、聚酯、聚醚酰亚胺、聚胺、聚酰亚胺、环氧树脂、苯氧基树脂、三聚氰胺树脂、尿素树脂、聚酰胺酰亚胺、聚醚砜、聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚苯硫醚和它们的组合。
6.前述权利要求中的任一项的上浆的碳纤维丝束，其中所述上浆剂是苯氧基树脂。
7.前述权利要求中的任一项的上浆的碳纤维丝束，其具有的悬垂性在1.8cm至5.2cm范围内。
8.一种制备上浆的碳纤维丝束的方法，包括：
a)在至少3米/分钟的吞吐量线速度下在铺展器单元上铺展具有至少70mJ/m2表面能的未上浆碳纤维丝束并形成铺展的碳纤维；
b)在至少3米/分钟的吞吐量线速度下在上浆料浴中上浆所述铺展的碳纤维并形成上浆的碳纤维；和
c)干燥所述上浆的碳纤维并形成所述上浆的碳纤维丝束。
9.权利要求8的方法，其中所述方法进一步包括从线轴解卷所述未上浆碳纤维丝束。
10.权利要求8的方法，其中从预上浆处理单元直接使用所述未上浆碳纤维丝束而无需卷绕或解卷所述未上浆碳纤维丝束。
11.权利要求8-10中的任一项的方法，其中所述方法进一步包括将所述上浆的碳纤维丝束卷绕成卷轴用于进一步加工。
12.权利要求8-11中的任一项的方法，其中在105℃至260℃的温度范围内干燥所述上浆的碳纤维。
13.权利要求8-12中的任一项的方法，其中所述吞吐量线速度在3.5米/分钟至10米/分钟范围内。
14.权利要求8-13中的任一项的方法，其中所述吞吐量线速度在4米/分钟至8米/分钟范围内。
15.权利要求8-14中的任一项的上浆的碳纤维丝束，具有小于8个计数/20米的毛丝计数。
16.权利要求15的上浆的碳纤维丝束在制品中的用途。
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