CN111118669A - 一种大张力缠绕用耐磨损碳纤维的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大张力缠绕用耐磨损碳纤维的制备方法，该纤维高耐磨性通过减少表面沟槽、提高断裂伸长率和提高上浆剂集束性方法获得，使制得的12K碳纤维可承受于100N/束以上张力的缠绕成型工艺，使制得的耐磨性碳纤维复丝拉伸强度4900MPa以上，拉伸模量230GPa以上，断裂伸长率在2.1％以上。

Description

一种大张力缠绕用耐磨损碳纤维的制备方法
技术领域
本发明涉及一种大张力缠绕用耐磨损碳纤维的制备方法，具体涉及碳纤维制备领域。
背景技术
当前随着复合材料应用的快速发展，碳纤维复合材料应用领域越来越广，在国防军工、一般工业等领域有着不可替代的作用。缠绕是复合材料中的重要成型方法之一，在承受高内压和高离心力等结构上大量使用。在缠绕过程中，纤维在较大张力下在导辊、缠绕头等位置经历苛刻的摩擦，对纤维的耐磨损性能要求较高。碳纤维是无机纤维，脆性大，在缠绕是磨损严重，力学性能下降明显，一是产生毛丝多，影响缠绕连续性，一是性能损失大，复合材料性能差。随着超高压力容器、超高速旋转等装备的发展，对碳纤维缠绕性能要求越来越高，普通纤维已经很难满足使用要求。
发明内容
本发明目的在于公开一种大张力缠绕用耐磨损碳纤维的制备方法。
实现本发明目的提供技术方案如下：
一种大张力缠绕用耐磨损碳纤维的制备方法。该纤维高耐磨性通过减少表面沟槽、提高断裂伸长率和提高上浆剂集束性方法获得，使制得的12K碳纤维可承受于100N/束以上张力的缠绕成型工艺，使制得的耐磨性碳纤维复丝拉伸强度4900MPa以上，拉伸模量230GPa以上，断裂伸长率在2.1％以上。
具体如下：首先干喷湿纺碳纤维，制得原丝纤度1.0-1.2dtex，单丝强度≥8cN/dtex；
再进行预氧化和碳化处理后，制得拉伸强度≥4900MPa，拉伸模量≥230GPa，断裂伸长率≥2.1％，线密度800g/km的高强度12K碳纤维，束纱钩结强力#≥400N；毛丝量≤5mg；
其中为了提高碳纤维集束性，采用高集束性上浆剂；上浆剂相对于碳纤维质量比为含量1.0-1.5％。
进一步的，干喷湿纺碳纤维表面光滑，截面为圆形。纤维极限缠绕张力与纤维抗弯折能力有关，纤维在缠绕过程中，会经过反复的转变方向和滑动摩擦，对纤维抗弯折性能要求较高。抗弯折性能好的纤维，在大缠绕张力的转向和滑动过程中，纤维磨损少，力学性能损失少。干喷释放碳纤维比湿纺碳纤维具有更好的抗弯折性能，模量提高因引起抗弯折性能下降，断裂伸长率高的纤维，抗弯折能力好。
进一步的，上浆剂为环氧性上浆剂，环氧树脂具有优异的机械性能，在碳纤维表面易于形成机械性能良好，分布均匀的保护层。
环氧上浆剂的环氧值与纤维集束性有明显关系，环氧值越高，纤维集束性越高；采用环氧值在500以上的上浆剂。
进一步的，上浆剂质量比为为1.1-1.3％。上浆剂含量对丝束集束性和缠绕耐磨具有明显影响，上浆剂含量提高，增加了丝束保护性能，减少了缠绕过程中丝束的磨损。但上浆剂含量过高，影响丝束浸润性，缠绕复合材料中树脂浸润不良，导致复合材料性能下降。且丝束硬挺度过高，纤维易折断。
进一步的，上浆剂烘干采用一级接触式干燥及二级热风干燥，接触干燥效率高，可在数秒内使丝束含水降至1％以下，然后丝束经1min左右热风干燥，丝束含水降至0.1％以下；接触式干燥温度在110-140℃间；热风干燥温度在150-200℃间，丝束含水小于0.1％。优选的，干燥温度在120-130℃间，热风干燥温度在180-190℃间。除上浆剂含量外，上浆剂烘干温度对碳纤维集束性也有明显影响，烘干温度过低，纤维含有明显水分，一是造成卷绕丝束粘连，不易退纱；另外，丝束含水会造成复合材料性能下降。烘干温度过高，上浆剂产生类固化现象，丝束变硬，影响后续树脂浸润。
进一步的，丝束硬挺度选择在10-17cm，优选的，丝束硬挺度选择在13-15cm。
碳纤维耐磨性和抗弯折性能对缠绕复合材料的性能有重要影响。
本发明相对于现有技术相比具有显著优点为：
1、本发明制得的12K碳纤维可承受于100N/束以上张力的缠绕成型工艺，使制得的耐磨性碳纤维复丝拉伸强度4900MPa以上，拉伸模量230GPa以上，断裂伸长率在2.1％以上
2、本发明通过减少表面沟槽、提高断裂伸长率和提高上浆剂集束性方法获得碳纤维耐磨性和抗弯折性能好的纤维，对缠绕复合材料的性能有具有很大的提高。
附图说明
图1为打结强度样品示意图。
图2为钩结强度样品示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明
本发明采用干喷湿纺碳纤维。根据成型工艺不同，PAN级碳纤维主要分为湿纺碳纤维和干喷湿纺碳纤维。湿纺碳纤维表面有沟槽，截面一般呈腰子型或椭圆形，碳纤维拉伸强度一般在3000-5500MPa间，断裂伸长率在1.5-2.1％间。干喷湿纺碳纤维表面光滑，截面为圆形，相对易于制备高强度碳纤维，拉伸强度一般为4500-7000MPa，断裂伸长率一般为1.7-2.2％，在强度和断裂伸长率上具有明显优势。具有更好的耐磨性，可承受更高的缠绕张力。
如下表所示可知湿纺碳纤维和干喷湿纺碳纤维区别
Figure BDA0002346766460000031
湿纺碳纤维抗弯折和耐磨损性差，丝束可承受的缠绕张力小，12K丝束的极限缠绕张力在50N以下，复合材料中的最大体积含量最大在65％以下，缠绕复合材料中纤维强度发挥率在75％以下。与之相比，干喷湿纺12K碳纤维的极限缠绕张力可达100N以上，复合材料中的纤维最大体积含量可达75％，缠绕复合材料中纤维强度发挥率可达90％。NOL拉伸强度在3000MPa以上。
本发明采用的上浆剂为环氧性上浆剂，环氧树脂具有优异的机械性能，在碳纤维表面易于形成机械性能良好，分布均匀的保护层。
环氧上浆剂的环氧值与纤维集束性有明显关系，环氧值越高，纤维集束性越高；采用环氧值在500以上的上浆剂。
硬挺度是评价纤维集束性的重要指标，硬挺度高，集束性好，纤维摩擦系数低，纤维磨损小。但硬挺度过高，纤维抗弯折性能变差，单丝已折断，且影响后续复合材料成型时的树脂浸润。
比较例1：湿纺12K碳纤维，拉伸强度4781MPa，拉伸模量236GPa，断裂伸长率2.0％，上浆剂含量1.01％，丝束硬挺度7cm，耐磨性17mg。NOL拉伸强度2130、纤维体积含量62％、强度利用率72％。
比较例2：干喷湿纺12K碳纤维，拉伸强度5081MPa，拉伸模量232GPa，断裂伸长率2.2％，上浆剂含量1.02％，丝束硬挺度10cm，耐磨性4mg。NOL拉伸强度2910、纤维体积含量72％、强度利用率80％。
实施例1
干喷湿纺12K碳纤维，拉伸强度5463MPa，拉伸模量233GPa，断裂伸长率2.3％，上浆剂含量1.02％，丝束硬挺度11cm，耐磨性2mg。NOL拉伸强度3180、纤维体积含量72％、强度利用率81％。
实施例2
干喷湿纺12K碳纤维，拉伸强度5428MPa，拉伸模量232GPa，断裂伸长率2.3％，上浆剂含量1.26％，丝束硬挺度16cm，耐磨性1mg。NOL拉伸强度3320、纤维体积含量72％、强度利用率85％。
实施例3
干喷湿纺12K碳纤维，拉伸强度5346MPa，拉伸模量231GPa，断裂伸长率2.3％，上浆剂含量1.42％，丝束硬挺度18cm，耐磨性4mg。NOL拉伸强度3080、纤维体积含量74％、强度利用率78％。
实施例4
干喷湿纺12K碳纤维，拉伸强度5451MPa，拉伸模量234GPa，断裂伸长率2.3％，上浆剂含量0.82％，丝束硬挺度8cm，耐磨性7mg。NOL拉伸强度2960、纤维体积含量67％、强度利用率81％。
实施例5
干喷湿纺12K碳纤维，拉伸强度5421MPa，拉伸模量233GPa，断裂伸长率2.3％，上浆剂含量1.32％，丝束硬挺度14cm，耐磨性1mg。NOL拉伸强度3370、纤维体积含量75％、强度利用率83％。
实施例6
干喷湿纺12K碳纤维，拉伸强度5421MPa，拉伸模量233GPa，断裂伸长率2.3％，上浆剂含量1.32％，丝束硬挺度14cm，耐磨性1mg。NOL拉伸强度3180、纤维体积含量63％、强度利用率93％。

Claims (10)

1.一种大张力缠绕用耐磨损碳纤维的制备方法，其特征在于，该纤维高耐磨性通过减少表面沟槽、提高断裂伸长率和提高上浆剂集束性方法获得，使制得的12K碳纤维可承受于100N/束以上张力的缠绕成型工艺，使制得的耐磨性碳纤维复丝拉伸强度4900MPa以上，拉伸模量230GPa以上，断裂伸长率在2.1％以上。
2.根据权利要求1所述的大张力缠绕用耐磨损碳纤维的制备方法，其特征在于，具体如下：首先干喷湿纺碳纤维，制得原丝纤度1.0-1.2dtex，单丝强度≥8cN/dtex；
再进行预氧化和碳化处理后，制得拉伸强度≥4900MPa，拉伸模量≥230GPa，断裂伸长率≥2.1％，线密度800g/km的高强度12K碳纤维，束纱钩结强力#≥400N；毛丝量≤5mg；
其中为了提高碳纤维集束性，采用高集束性上浆剂；上浆剂相对于碳纤维的质量比为1.0-1.5％。
3.根据权利要求2所述的大张力缠绕用耐磨损碳纤维的制备方法，其特征在于，干喷湿纺碳纤维表面光滑，截面为圆形。
4.根据权利要求2所述的大张力缠绕用耐磨损碳纤维的制备方法，其特征在于，上浆剂为环氧性上浆剂，环氧树脂具有优异的机械性能，在碳纤维表面易于形成机械性能良好，分布均匀的保护层。
5.根据权利要求4所述的大张力缠绕用耐磨损碳纤维的制备方法，其特征在于，环氧上浆剂的环氧值与纤维集束性有明显关系，环氧值越高，纤维集束性越高；采用环氧值在500以上的上浆剂。
6.根据权利要求2所述的大张力缠绕用耐磨损碳纤维的制备方法，其特征在于，上浆剂质量比为1.1-1.3％。
7.根据权利要求2所述的大张力缠绕用耐磨损碳纤维的制备方法，其特征在于，上浆剂烘干采用一级接触式干燥及二级热风干燥，接触干燥效率高，可在数秒内使丝束含水降至1％以下，然后丝束经1min左右热风干燥，丝束含水降至0.1％以下；接触式干燥温度在110-140℃间；热风干燥温度在150-200℃间，丝束含水小于0.1％。
8.根据权利要求7所述的大张力缠绕用耐磨损碳纤维的制备方法，其特征在于，干燥温度在120-130℃间，热风干燥温度在180-190℃间。
9.根据权利要求2所述的大张力缠绕用耐磨损碳纤维的制备方法，其特征在于，丝束硬挺度选择在10-17cm。
10.根据权利要求9所述的大张力缠绕用耐磨损碳纤维的制备方法，其特征在于，丝束硬挺度选择在13-15cm。
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