CN111020782A - 一种碳纤维短切纤维束 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳纤维短切纤维束，包含30,000～120,000根的碳纤维构成的单丝、将上述单丝集束的质量分数1～10％的施胶剂的碳纤维短切纤维束，所述施胶剂为聚酰胺树脂和聚乙烯(PVA)醇的混合物，其截面的长径(Dmax)与短径(Dmin)之比(Dmax/Dmin)为1.0～2.8，沿纤维方向的长度(L)为3～10mm，短切纤维束的沿纤维方向的长度(L)与短切纤维束的短径(Dmin)之比(L/Dmin)为4.5以下，休止角为10～25度，单丝的直径为3～15μm，束残存率为70％～98％。

Description

一种碳纤维短切纤维束
技术领域
本发明属于纤维复合材料领域，具体地说涉及一种碳纤维短切纤维 束。
背景技术
以往，以热塑性树脂为基体树脂制造的短碳纤维增强热塑性树脂(以 下记为“CFRTP”)作为高性能的工程材料而受到关注，其需求急剧地增 加。该CFRTP由于能够采用注射成型制造，因此生产率高。并且，与以往 的未增强的热塑性树脂、短玻璃纤维增强热塑性树脂比较，机械特性、滑 动特性、电特性、尺寸稳定性等优异。
通常，作为制造该CFRTP的方法，有以下记载的方法。
(1)首先，将切断为3～10mm的用施胶剂集束的碳纤维丝束(所谓碳纤 维短切纤维束)、或粉碎为1mm以下的所谓碳纤维粉碎纤维与热塑性树脂 的粒料或粉末一起供给到挤出机，在挤出机中将它们熔融混炼而粒料化。 然后，使用得到的粒料，用注射成型机或挤出成型机制造CFRTP。
(2)将碳纤维短切纤维束和热塑性树脂的粒料或粉末投入挤出成型 机，直接制造CFRTP。
另一方面，作为将碳纤维短切纤维束和热塑性树脂供给到挤出机制 造粒料的方法，主要采用了以下的2种方法。
(1)将碳纤维短切纤维束和热塑性树脂干混，将其混合物供给到挤 出机的方法(干混法)。
(2)将热塑性树脂供给到挤出机的挤出方向的后端侧，另一方面， 将碳纤维短切纤维束供给到供给的热塑性树脂熔融的挤出机的挤出方向 中间部分的方法(侧进料法)。
如公知那样，CFRTP的各种特性与碳纤维的纤维长相关联。如果使用 纤维长极短的粉碎纤维，成型的CFRTP中的纤维长极短，因此该CFRTP具 有的各种特性与使用碳纤维短切纤维束的CFRTP相比差。
为了使CFRTP中的纤维长保持得长，有时使用具有与切割长相同的 纤维长的长纤维粒料制造CFRTP。这种情况下，得到的CFRTP的纤维取向 控制难。因此，在需要进行大量生产的价格低的CFRTP的制造中，使用该 长纤维粒料的制造方法不适合。由于上述原因，一般地将碳纤维短切纤维 束用于CFRTP的制造。
制造CFRTP时碳纤维短切纤维束的流动性低的情况下，存在难以将 碳纤维短切纤维束稳定地供给到挤出机的问题。
干混法中，使用的碳纤维短切纤维束的流动性低的情况下，在挤出机、 注射成型机的料斗内碳纤维短切纤维束存在难以流下的问题。其结果，设 置在料斗下部的计量器定量地供给到挤出机的挤出螺杆的碳纤维短切纤 维束量变得不稳定。由于上述理由，恒定地得到均一的组成的CFRTP变得 困难。而且制造效率下降。
另一方面，侧进料法中也同样地，碳纤维短切纤维束的流动性低的情 况下，变得无法将碳纤维短切纤维束定量地供给到挤出机的挤出螺杆。而 且极端的情况下，有时碳纤维短切纤维束的供给自身变得不可能。
由于这些理由，工业上大量使用的碳纤维短切纤维束要求具有流动 性高的性质。为了应对该要求，采用了对碳纤维束赋予集束性高的施胶剂 的方法、赋予大量的施胶剂的方法。而且，还进行了向将纤维束切割得到 的碳纤维短切纤维束添加另外的施胶剂来成型为米粒状。
但是，将上述施胶剂的添加量多的短切纤维束配合到加工温度高的耐 热性热塑性树脂中制造CFRTP的情况下，其制造时产生起因于施胶剂的热 分解的气体。该气体成为也产生得到的CFRTP的外观不良、熔接强度降低 等问题的原因(参照例如专利文献1、2)。进而，施胶剂的热分解容易成 为CFRTP的物性降低的要因。
此外，由于在碳纤维中添加的大量的施胶剂的影响，在挤出机中，将 短切纤维束和热塑性树脂熔融混炼时，有时碳纤维的分散性降低。这种情 况下，得到的粒料中的碳纤维的分散性不足。使用该粒料制造CFRTP的情 况下，存在没有在得到的CFRTP中充分分散的纤维的束。该纤维的束成为 应力集中源，CFRTP的机械特性(特别是拉伸强度)降低。
另一方面，为了大量地生产短切纤维束，增加构成短切纤维束的单丝 数是有效的。以往，已知包含30000根以上的单丝数的短切纤维束。该短切 纤维束的形态形成为扁平。通过使形态成为扁平，从而在CFRTP中碳纤维 容易以单丝状态分散，避免了碳纤维集合为束状。
但是，扁平的形态的短切纤维束由于表面积大，短切纤维束之间的接 触面积变大。其结果，短切纤维束的流动性降低，将该短切纤维束供给到 挤出机的情况下，产生向计量器的供给不良、向挤出机的供给不良。
进而，起因于上述供给不良，短切纤维束在挤出机内滞留的时间变长。 这种情况下，短切纤维束大量受到挤出机的螺杆产生的剪切，将碳纤维折 断。其结果，纤维长变短，得到的CFRTP的机械特性降低。
如上所述，碳纤维短切纤维束中，在不使碳纤维的分散性、得到的 CFRTP的物性降低的情况下，提高短切纤维束的流动性，通过提高该流动 性，从而以稳定的状态将大量的短切纤维束从挤出机的料斗供给到挤出机 的挤出螺杆，目前为止是困难的。
发明内容
针对现有技术的种种不足，现提出一种碳纤维短切纤维束，能够解决 上述问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种碳纤维短切纤维束，包含30,000～120,000根的碳纤维构成的单丝、 将上述单丝集束的质量分数1～10％的施胶剂的碳纤维短切纤维束，所述 施胶剂为聚酰胺树脂和聚乙烯(PVA)醇的混合物，其截面的长径(Dmax)与 短径(Dmin)之比(Dmax/Dmin)为1.0～2.8，沿纤维方向的长度(L)为3～ 10mm，短切纤维束的沿纤维方向的长度(L)与短切纤维束的短径(Dmin)之 比(L/Dmin)为4.5以下，休止角为10～25度，单丝的直径为3～15μm，束残存率为70％～98％。
进一步，所述聚酰胺树脂和聚乙烯(PVA)醇的混合物中，聚酰胺树脂 和聚乙烯(PVA)醇的比例为1～3。
进一步，堆积密度为200～700g/L。
进一步，所述短切纤维束的平均直径为1～10mm。
进一步，一种碳纤维短切纤维束的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：加捻工序：对单丝数为30,000～120,000根的无捻的碳纤维束 加0.5～50个/m的捻的工序；
步骤二：将上述加捻的碳纤维束导入施胶剂中，使用带沟槽的辊成型， 并干燥，使碳纤维束集束；
步骤三：将步骤二中的碳纤维束切割为规定长度，单丝的直径为3～ 15μm。
进一步，所述施胶剂为聚酰胺树脂和聚乙烯(PVA)醇的混合物，所述 施胶剂的质量分数为0.5～30％。
进一步，一种碳纤维短切纤维束的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：加捻工序：对单丝数为30,000～120,000根的无捻的碳纤维束 加0.5个/m的捻的工序；
步骤二：将上述加捻的碳纤维束导入施胶剂中，使用带沟槽的辊成型， 并干燥，使碳纤维束集束，所述施胶剂为聚酰胺树脂和聚乙烯(PVA)醇1： 1的混合物，施胶剂的质量分数为0.5％；
步骤三：将步骤二中的碳纤维束切割为规定长度，单丝的直径为3μm。
进一步，一种碳纤维短切纤维束的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：加捻工序：对单丝数为30,000～120,000根的无捻的碳纤维束 加50个/m的捻的工序；
步骤二：将上述加捻的碳纤维束导入施胶剂中，使用带沟槽的辊成型， 并干燥，使碳纤维束集束，所述施胶剂为聚酰胺树脂和聚乙烯(PVA)醇3： 1的混合物，施胶剂的质量分数为30％；
步骤三：将步骤二中的碳纤维束切割为规定长度，单丝的直径为15μ m。
本发明的有益效果是：
1、本发明的碳纤维短切纤维束使用使30,000～120,000根的碳纤维束 含浸规定量的施胶剂的碳纤维束作为原材料。该纤维束具有0.5～50个/m 的捻，因此将其裁断而得到的本碳纤维短切纤维束的集束性优异，截面 形状难以成为扁平。其结果本碳纤维短切纤维束的流动性优异。
因此，将本碳纤维短切纤维束投入挤出机的料斗的情况下，顺利地进 行料斗内的纤维束的流下，稳定地供给到挤出机的计量器。其结果，能 够将短切纤维束稳定地供给到挤出机的挤出螺杆。
本碳纤维短切纤维束由于如上所述能够稳定地供给到挤出机，因此 难以产生通过挤出机的时间的波动。其结果，能够缩短在挤出螺杆部的滞 留时间。由于上述理由，挤出螺杆部的纤维束的混炼时的切断少。其结 果，得到分散长纤维的成型材料。由于上述理由，使用该成型材料制造 成型物的情况下，得到机械特性优异的成型物。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出 创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种碳纤维短切纤维束，包含30,000～120,000根的碳纤维构成的单丝、 单丝集束的质量分数1～10％的施胶剂的碳纤维短切纤维束，所述施胶剂 为聚酰胺树脂和聚乙烯(PVA)醇的混合物，其截面的长径(Dmax)与短径 (Dmin)之比(Dmax/Dmin)为1.0～2.8，沿纤维方向的长度(L)为3～10mm， 短切纤维束的沿纤维方向的长度(L)与短切纤维束的短径(Dmin)之比(L/Dmin)为4.5以下，休止角为10～25度，单丝的直径为3～15μm，束残存 率为70％～98％。
实施例一
一种碳纤维短切纤维束，包含30,000～120,000根的碳纤维构成的单丝、 单丝集束的质量分数1％的施胶剂的碳纤维短切纤维束，所述施胶剂为聚 酰胺树脂和聚乙烯(PVA)醇的混合物，其截面的长径(Dmax)与短径(Dmin) 之比(Dmax/Dmin)为1.0，沿纤维方向的长度(L)为3mm，短切纤维束的沿 纤维方向的长度(L)与短切纤维束的短径(Dmin)之比(L/Dmin)为1，休止角 为10度，单丝的直径为3μm，束残存率为70％。
按照以下步骤进行:
加捻工序，对单丝数为30,000～120,000根的无捻的碳纤维束加0.5个/m 的捻的工序；将上述加捻的碳纤维束导入施胶剂中，使用带沟槽的辊成型， 并干燥，使碳纤维束集束，所述施胶剂为聚酰胺树脂和聚乙烯(PVA)醇1： 1的混合物，施胶剂的质量分数为0.5％；将步骤二中的碳纤维束切割为规 定长度，单丝的直径为3μm，即可。
实施例二
一种碳纤维短切纤维束，包含120,000根的碳纤维构成的单丝、单丝集 束的质量分数10％的施胶剂的碳纤维短切纤维束，所述施胶剂为聚酰胺树 脂和聚乙烯(PVA)醇的混合物，其截面的长径(Dmax)与短径(Dmin)之比(Dmax/Dmin)为2.8，沿纤维方向的长度(L)为10mm，短切纤维束的沿纤维 方向的长度(L)与短切纤维束的短径(Dmin)之比(L/Dmin)为3以下，休止角 为25度，单丝的直径为15μm，束残存率为98％。
按照以下步骤进行：
加捻工序：对单丝数为120,000根的无捻的碳纤维束加50个/m的捻的工 序；将上述加捻的碳纤维束导入施胶剂中，使用带沟槽的辊成型，并干燥， 使碳纤维束集束，所述施胶剂为聚酰胺树脂和聚乙烯(PVA)醇3：1的混合 物，施胶剂的质量分数为30％；将所得的碳纤维束切割为规定长度，单丝 的直径为15μm。
实施例三
一种碳纤维短切纤维束，包含80,000根的碳纤维构成的单丝、单丝集 束的质量分数5％的施胶剂的碳纤维短切纤维束，所述施胶剂为聚酰胺树 脂和聚乙烯(PVA)醇的混合物，其截面的长径(Dmax)与短径(Dmin)之比 (Dmax/Dmin)为1.4，沿纤维方向的长度(L)为3～10mm，短切纤维束的沿纤 维方向的长度(L)与短切纤维束的短径(Dmin)之比(L/Dmin)为4.5，休止角 为20度，单丝的直径为9μm，束残存率为80％。
按照以下步骤进行
加捻工序：对单丝数为30,000～120,000根的无捻的碳纤维束加20个/m 的捻的工序；将上述加捻的碳纤维束导入施胶剂中，使用带沟槽的辊成型， 并干燥，使碳纤维束集束，所述施胶剂为聚酰胺树脂和聚乙烯(PVA)醇2： 1的混合物，施胶剂的质量分数为15％；将步骤二中的碳纤维束切割为规 定长度，单丝的直径为9μm。
以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例 而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修 饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (9)

1.一种碳纤维短切纤维束，包含30,000～120,000根的碳纤维构成的单丝、将上述单丝集束的质量分数1～10％的施胶剂的碳纤维短切纤维束，其特征在于，所述施胶剂为聚酰胺树脂和聚乙烯(PVA)醇的混合物，其截面的长径(Dmax)与短径(Dmin)之比(Dmax/Dmin)为1.0～2.8，沿纤维方向的长度(L)为3～10mm，短切纤维束的沿纤维方向的长度(L)与短切纤维束的短径(Dmin)之比(L/Dmin)为4.5以下，休止角为10～25度，单丝的直径为3～15μm，束残存率为70％～98％。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维短切纤维束，其特征在于，所述聚酰胺树脂和聚乙烯(PVA)醇的混合物中，聚酰胺树脂和聚乙烯(PVA)醇的比例为1～3。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维短切纤维束，其特征在于：堆积密度为200～700g/L。
4.根据权利要求1所述的一种碳纤维短切纤维束，其特征在于：所述短切纤维束的平均直径为1～10mm。
5.根据权利要求1所述的一种碳纤维短切纤维束的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：加捻工序：对单丝数为30,000～120,000根的无捻的碳纤维束加0.5～50个/m的捻的工序；
步骤二：将上述加捻的碳纤维束导入施胶剂中，使用带沟槽的辊成型，并干燥，使碳纤维束集束；
步骤三：将步骤二中的碳纤维束切割为规定长度，单丝的直径为3～15μm。
6.根据权利要求5所述的一种碳纤维短切纤维束的制备方法，其特征在于，所述施胶剂为聚酰胺树脂和聚乙烯(PVA)醇的混合物，所述施胶剂的质量分数为0.5～30％。
7.根据权利要求5所述的一种碳纤维短切纤维束的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：加捻工序：对单丝数为30,000～120,000根的无捻的碳纤维束加0.5个/m的捻的工序；
步骤二：将上述加捻的碳纤维束导入施胶剂中，使用带沟槽的辊成型，并干燥，使碳纤维束集束，所述施胶剂为聚酰胺树脂和聚乙烯(PVA)醇1：1的混合物，施胶剂的质量分数为0.5％；
步骤三：将步骤二中的碳纤维束切割为规定长度，单丝的直径为3μm。
8.根据权利要求5所述的一种碳纤维短切纤维束的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：加捻工序：对单丝数为30,000～120,000根的无捻的碳纤维束加20个/m的捻的工序；
步骤二：将上述加捻的碳纤维束导入施胶剂中，使用带沟槽的辊成型，并干燥，使碳纤维束集束，所述施胶剂为聚酰胺树脂和聚乙烯(PVA)醇2：1的混合物，施胶剂的质量分数为15％；
步骤三：将步骤二中的碳纤维束切割为规定长度，单丝的直径为9μm。
9.根据权利要求5所述的一种碳纤维短切纤维束的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：加捻工序：对单丝数为30,000～120,000根的无捻的碳纤维束加50个/m的捻的工序；
步骤二：将上述加捻的碳纤维束导入施胶剂中，使用带沟槽的辊成型，并干燥，使碳纤维束集束，所述施胶剂为聚酰胺树脂和聚乙烯(PVA)醇3：1的混合物，施胶剂的质量分数为30％；
步骤三：将步骤二中的碳纤维束切割为规定长度，单丝的直径为15μm。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20200417

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