CN113607533B - 一种碳纤维复丝测试样条的制备装置及制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及碳纤维复丝测试技术领域，尤其涉及一种碳纤维复丝测试样条的制备装置及制备工艺，其装置包括：恒张力放卷组件、无捻定位组件；缓冲装置、展纤组件、张力传感器、浸胶槽、若干个挤胶轮、收绕装置和PLC控制器，采用恒张力放卷组件将纱筒上的碳纤维丝束进行退绕，并采用收绕装置对碳纤维进行收绕，在收绕过程中，通过张力传感器进行张力检测，PLC控制器接收并显示张力传感器的张力信号，并按照接收到的张力信号控制纱筒的转速，达到恒张力放卷，保证碳纤维丝束在收绕过程中张力一致，保证了拉伸性能测试的准确性，而且相较于常规手段，本发明的自动化程度高，具备实用性。

Description

一种碳纤维复丝测试样条的制备装置及制备工艺

技术领域

本发明涉及碳纤维复丝测试技术领域，尤其涉及一种碳纤维复丝测试样条的制备装置及制备工艺。

背景技术

碳纤维由于具有高强、高模、耐腐蚀、低密度、高导电系数等优异性能，加之生产成本大幅下降，已被广泛的应用于航空航天，大功率风力发电机械，汽车工业，体育用品，海洋耐腐蚀材料等军事或民事领域，特别是高性能碳纤维，是国防工业中不可或缺的战略性材料。

在研发和生产的过程中都需要对碳纤维的力学性能进行检测，碳纤维力学性能测试的内容主要包括：拉伸强度、拉伸弹性模量、断裂、伸长率、体密度、线密度等。拉伸性能是评价碳纤维性能的重要力学性能指标，也是目前碳纤维生产厂家和应用单位最为常见的材料性能考核指标。碳纤维复丝的拉伸方法在国标GBT3362-2017进行了一定的规范，国标中规定每束纤维需制样条10根，要求浸胶后的纤维在挂丝架上“拉直绷紧”，但没有张力及制样装置的明确介绍。在实际操作过程中，为了实现浸胶后纤维的“拉直绷紧”，碳纤维各生产厂家所用的制样装置也各有特点，比如针对大规模测试所用的钢框架，先将纤维缠绕在钢架上再进行浸胶，此方法无法保证纤维浸胶期间及浸胶后的张力，还有厂家使用带弹簧的架子，一束纤维往复10次，但缠绕架子时的张力仍是受到人为因素的影响，导致样条间张力不均。面对用户对于碳纤维复丝性能及稳定性的要求日益严苛，确保碳纤维复丝拉伸样条制样过程中的恒张力显得至关重要。

鉴于上述问题的存在，本设计人基于从事此类产品工程应用多年丰富的实务经验及专业知识，积极加以研究创新，以期创设一种碳纤维复丝测试样条的制备装置及制备工艺，使其更具有实用性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种碳纤维复丝测试样条的制备装置及制备工艺，从而解决背景技术中的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种碳纤维复丝测试样条的制备装置，包括：

恒张力放卷组件，进一步包括纱筒和纱筒驱动组件，所述纱筒用于存储碳纤维丝束，所述纱筒驱动组件与所述纱筒连接并驱动所述纱筒转动，从而使纱筒上的碳纤维丝束放出；

无捻定位组件，进一步包括两根相邻的定位柱，从所述纱筒上放出的碳纤维丝束从两个定位柱之间穿过；

缓冲装置，进一步包括位置固定的第一纱辊和摆动的第二纱辊，所述第一纱辊的两端分别转动连接有摆杆，所述第二纱辊转动连接于所述摆杆的一端，所述第二纱辊跟随碳纤维丝束张力大小而产生摆动，所述摆杆的另一端还连接有拉力组件，所述拉力组件用于限制所述摆杆转动所需力的大小；

展纤组件，对碳纤维丝束进行展纤操作；

张力传感器，检测碳纤维丝束的张力；

浸胶槽，为开口朝上的槽体结构，内部盛放有胶液，对进入的碳纤维丝束进行浸胶；

若干个挤胶轮，对浸渍过胶液的碳纤维丝束进行挤胶，挤出多余胶液，同时对碳纤维丝束宽度进行缩幅；

收绕装置，进一步包括十字收纱架和收绕驱动组件，所述收绕驱动组件驱动所述十字收纱架匀速转动，使碳纤维丝束缠绕在所述十字收纱架上；

PLC控制器，用于接收并显示所述张力传感器的张力信号，并按照接收到的信号调节所述纱筒的转速。

进一步地，所述拉力组件包括弹簧、第一连接杆和第二连接杆，所述第一连接杆一端与所述摆杆转动连接、另一端与所述弹簧一端固定连接，所述弹簧另一端与所述第二连接杆一端固定连接，所述第二连接杆另一端固定到机架上。

进一步地，所述摆杆为分段式结构，包括第一杆段和第二杆段，所述第一杆段与所述第二杆段呈钝角连接，所述第一杆段中间设置有供所述第一纱辊穿过的转孔。

进一步地，所述浸胶槽内部设置有相对称的两胶辊，进入到所述浸胶槽内的碳纤维丝束在两个所述胶辊之间来回多次缠绕后再离开所述浸胶槽。

进一步地，所述挤胶轮表面开设有多道环槽，所述环槽的横截面为弧形。

进一步地，所述收绕装置底部设置有直线模组，所述收绕装置通过直线模组驱动可沿直线运动，使碳纤维丝束螺旋等距缠绕到所述十字收纱架上。

进一步地，所述十字收纱架包括两个相互垂直的框架，其中一个所述框架的最外侧设置有用于固定碳纤维丝束的固定压片，所述固定压片通过固定螺丝与所述框架连接，碳纤维丝束穿过所述固定压片与所述框架之间的间隙并被压住。

进一步地，所述收绕装置前还设置有挤胶板，所述挤胶板上等距排布有若干个供碳纤维丝束穿过的圆孔，经过挤胶处理后的碳纤维丝束穿过所述圆孔进行定型。

进一步地，所述PLC控制器包括显示屏和多个控制旋钮。

一种碳纤维复丝测试样条的制备工艺，包括如下步骤：

S1：对纱筒上的碳纤维丝束进行退绕，并牵拉退绕下来的碳纤维丝束；

S2：对退绕下来的碳纤维丝束依次进行无捻定位、缓冲操作、展纤操作、张力检测、浸胶操作以及挤胶操作，最后将碳纤维丝束收绕到十字收纱架上，并采用固定压片固定住碳纤维丝束端头；

S3：采用恒张力放卷组件对纱筒上的碳纤维丝束进行退绕，并通过张力传感器检测信号来控制纱筒的退绕速度，来保持碳纤维丝束恒张力状态，同时十字收纱架动力驱动下恒速转动对碳纤维丝束进行收绕；

S4：待收绕完成后，恒张力状态下的碳纤维丝束用固定压片固定在十字收纱架后剪断，进行接下来处理。

本发明的有益效果为：本发明制备的碳纤维复丝测试样条，在对碳纤维丝束整个收绕过程均是恒张力状态，同时，收绕完成后的碳纤维丝束由于采用固定压片固定住端部，进而使十字收纱架上的碳纤维丝束保持带张力绷紧的状态，保证了拉伸性能测试的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中碳纤维复丝测试样条的制备装置的结构示意图；

图2为图1中A处放大图；

图3为图1中B处放大图；

图4为本发明实施例中碳纤维复丝测试样条的制备装置的主视图；

图5为图4中C处放大图；

图6为本发明实施例中挤胶轮的结构示意图；

图7为本发明实施例中十字收纱架的结构示意图；

图8为图7中D处放大图。

附图标记：1、恒张力放卷组件；2、纱筒；3、纱筒驱动组件；4、定位柱；5、第一纱辊；6、第二纱辊；7、摆杆；8、拉力组件；9、展纤组件；10、张力传感器；11、浸胶槽；12、挤胶轮；13、十字收纱架；14、收绕驱动组件；15、PLC控制器；16、弹簧；17、第一连接杆；18、第二连接杆；19、第一杆段；20、第二杆段；21、胶辊；22、环槽；23、直线模组；24、固定压片；25、固定螺丝；26、挤胶板；27、显示屏；28、控制旋钮。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一 个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元 件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用 的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目 的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术 领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术 语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的 术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例一

如图1至图8所示的碳纤维复丝测试样条的制备装置，包括：

恒张力放卷组件1，进一步包括纱筒2和纱筒驱动组件3，纱筒2用于存储碳纤维丝束，纱筒驱动组件3与纱筒2连接并驱动纱筒2转动，从而使纱筒2上的碳纤维丝束放出；

无捻定位组件，进一步包括两根相邻的定位柱4，从纱筒2上放出的碳纤维丝束从两个定位柱4之间穿过；

缓冲装置，进一步包括位置固定的第一纱辊5和摆动的第二纱辊6，第一纱辊5的两端分别转动连接有摆杆7，第二纱辊6转动连接于摆杆7的一端，第二纱辊6跟随碳纤维丝束张力大小而产生摆动，摆杆7的另一端还连接有拉力组件8，拉力组件8用于限制摆杆7转动所需力的大小；

展纤组件9，对碳纤维丝束进行展纤操作；

张力传感器10，检测碳纤维丝束的张力；

浸胶槽11，为开口朝上的槽体结构，内部盛放有胶液，对进入的碳纤维丝束进行浸胶；

若干个挤胶轮12，对浸渍过胶液的碳纤维丝束进行挤胶，挤出多余胶液，同时对碳纤维丝束宽度进行缩幅；

收绕装置，进一步包括十字收纱架13和收绕驱动组件14，收绕驱动组件14驱动十字收纱架13匀速转动，使碳纤维丝束缠绕在十字收纱架13上；

PLC控制器15，用于接收并显示张力传感器10的张力信号，并按照接收到的信号调节纱筒2的转速。

本发明提供了一种碳纤维复丝测试样条的制备装置，纱筒2上的碳纤维丝束在纱筒驱动组件3的动力驱动下退绕下来，穿过机架上设置的导纱辊，再从两根相邻的定位柱4之间穿过，从而调整碳纤维丝束的行进路径，防止碳纤维丝束走偏，继续向前牵拉依次绕经第一纱辊5的底部和第二纱辊6的顶部，由于碳纤维丝束在传输中张力的存在，从而对第二纱辊6施加一定向下的力，而通过拉力组件8对摆杆7的另一端施加拉力，从而平衡掉碳纤维丝束的张力，而由于纱筒2随着碳纤维丝束退绕半径变小，纱筒2的线速度变小，影响张力的变化，故，设置缓冲装置来增加缓冲效果，防止张力变化过快，接下来，碳纤维丝束穿过展纤组件9，通过多个展纤辊来完成对碳纤维丝束的展纤操作，展纤后的碳纤维丝束通过张力传感器10进行张力检测，并将张力信号传输给PLC控制器15，以便调整纱筒2的转速，保证纱线处于恒张力状态，经过张力检测后的碳纤维丝束进入到浸胶槽11内进行浸胶，浸胶完成后牵出浸胶槽11通过挤胶轮12进行挤胶操作，本发明中通过设置3个挤胶轮12来进行挤胶，挤出多余树脂，并对碳纤维丝束进行缩幅，定型，最后再收绕到十字收纱架13上，将收绕好的碳纤维丝束进行后续晾干、固化、取样、贴加强片制成测试样条，然后参照《ASTMD 4018-17碳纤维浸胶纱测试》规定的实验方法，进行性能测试。

本发明提供的碳纤维复丝测试样条的制备装置，尤其通过张力传感器10来监测碳纤维丝束的张力状况，并将张力值传输给PLC控制器15，通过PLC控制器15来调整纱筒驱动组件3中电机的输出扭矩，从而达到恒张力放卷，为了进一步防止纱线张力变化太快，设置缓冲装置来对碳纤维丝束的传输进行缓冲，保证了碳纤维丝束在收绕过程中张力一致，自动化程度高，解决了目前样条上碳纤维丝束的张力不均的情况。

如图2和图5所示，作为上述实施例的优选，拉力组件8包括弹簧16、第一连接杆17和第二连接杆18，第一连接杆17一端与摆杆7转动连接、另一端与弹簧16一端固定连接，弹簧16另一端与第二连接杆18一端固定连接，第二连接杆18另一端固定到机架上，在碳纤维丝束进行传输过程时，碳纤维丝束由于张力的存在会对第二纱辊6施加一个向下的压力，而采用弹簧16对摆杆7的另一端施加一个弹性拉力，正可以平衡掉张力，随着张力变化，弹簧16的弹性拉力也会发生一定的变化，从而起到缓冲作用，本发明中的拉力组件8结构简单，容易实施。

如图2和图5所示，摆杆7为分段式结构，包括第一杆段19和第二杆段20，第一杆段19与第二杆段20呈钝角连接，第一杆段19中间设置有供第一纱辊5穿过的转孔，通过第一杆段19与第二杆段20呈钝角连接可以使第二纱辊6高于第一纱辊5，从而使碳纤维丝束从第二纱辊6上绕过并对第二纱辊6施加向下的力。

如图4所示，浸胶槽11内部设置有相对称的两胶辊21，进入到浸胶槽11内的碳纤维丝束在两个胶辊21之间来回多次缠绕后再离开浸胶槽11，浸胶槽11为长方形凹槽结构，在长方形凹槽长度方向两端分别设置胶辊21，并将进入到浸胶槽11的碳纤维丝束来回多次缠绕两个胶辊21，增加浸胶时长，提高碳纤维丝束的浸渍效果。

如图3和图6所示，为了对碳纤维丝束进行挤胶以及缩幅，将碳纤维丝束依次绕经3个挤胶轮12进行挤胶，挤出多余树脂，并在挤胶轮12表面开设有多道环槽22，环槽22的横截面为弧形对纱线进行缩幅，常用的碳纤维丝束宽度为8mm-20mm，经过环槽22的缩幅处理后，碳纤维丝束横截面逐渐变为圆形，使其更适合测试。

如图1、图4和图7所示，收绕装置底部设置有直线模组23，收绕装置通过直线模组23驱动可沿直线运动，使碳纤维丝束螺旋等距缠绕到十字收纱架13上，随着碳纤维丝束缠绕在十字收纱架13上，直线模组23驱动收绕装置向前或向后移动，促使碳纤维丝束螺旋缠绕到十字收纱架13上，满足测试要求。

如图7和图8所示，十字收纱架13包括两个相互垂直的框架，其中一个框架的最外侧设置有用于固定碳纤维丝束的固定压片24，固定压片24通过固定螺丝25与框架连接，碳纤维丝束穿过固定压片24与框架之间的间隙并被压住，通过固定压片24分别固定缠绕到十字收纱架13上的碳纤维丝束两端部，来保证收绕好的碳纤维丝束保证恒张力状态。

为了促使浸胶后碳纤维丝束缩幅成截面呈圆形的状态，收绕装置前还设置有挤胶板26，挤胶板26上等距排布有若干个供碳纤维丝束穿过的圆孔，经过挤胶处理后的碳纤维丝束穿过圆孔进行定型。

为了方便操控，PLC控制器15包括显示屏27和多个控制旋钮28，显示屏27用于显示张力值，方便设定，控制旋钮28供工作人员操控纱筒2和十字收纱架13的转速。

实施例二

一种碳纤维复丝测试样条的制备工艺，包括如下步骤：

S1：对纱筒上的碳纤维丝束进行退绕，并牵拉退绕下来的碳纤维丝束；

S2：对退绕下来的碳纤维丝束依次进行无捻定位、缓冲操作、展纤操作、张力检测、浸胶操作以及挤胶操作，最后将碳纤维丝束收绕到十字收纱架上，并采用固定压片固定住碳纤维丝束端头；

S3：采用恒张力放卷组件对纱筒上的碳纤维丝束进行退绕，并通过张力传感器检测信号来控制纱筒的退绕速度，来保持碳纤维丝束恒张力状态，同时十字收纱架动力驱动下恒速转动对碳纤维丝束进行收绕；

S4：待收绕完成后，恒张力状态下的碳纤维丝束用固定压片固定在十字收纱架后剪断，进行接下来处理。

采用以上工艺制备的碳纤维复丝测试样条，在对碳纤维丝束整个收绕过程均是恒张力状态，同时，在收绕完成后的碳纤维丝束由于采用固定压片固定住端部，进而使碳纤维丝束保持带张力绷紧的状态，保证了拉伸性能测试的准确性。

本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种碳纤维复丝测试样条的制备装置，其特征在于，包括：

恒张力放卷组件，其包括纱筒和纱筒驱动组件，所述纱筒用于存储碳纤维丝束，所述纱筒驱动组件与所述纱筒连接并驱动所述纱筒转动，从而使纱筒上的碳纤维丝束放出；

无捻定位组件，其包括两根相邻的定位柱，从所述纱筒上放出的碳纤维丝束从两个定位柱之间穿过；

缓冲装置，其包括位置固定的第一纱辊和摆动的第二纱辊，所述第一纱辊的两端分别转动连接有摆杆，所述第二纱辊转动连接于所述摆杆的一端，所述第二纱辊跟随碳纤维丝束张力大小而产生摆动，所述摆杆的另一端还连接有拉力组件，所述拉力组件用于限制所述摆杆转动所需力的大小；

展纤组件，对碳纤维丝束进行展纤操作；

张力传感器，检测碳纤维丝束的张力；

浸胶槽，为开口朝上的槽体结构，内部盛放有胶液，对进入的碳纤维丝束进行浸胶；

若干个挤胶轮，对浸渍过胶液的碳纤维丝束进行挤胶，挤出多余胶液，同时对碳纤维丝束宽度进行缩幅；

收绕装置，其包括十字收纱架和收绕驱动组件，所述收绕驱动组件驱动所述十字收纱架匀速转动，使碳纤维丝束缠绕在所述十字收纱架上；

PLC控制器，用于接收并显示所述张力传感器的张力信号，并按照接收到的信号调节所述纱筒的转速；

所述拉力组件包括弹簧、第一连接杆和第二连接杆，所述第一连接杆一端与所述摆杆转动连接、另一端与所述弹簧一端固定连接，所述弹簧另一端与所述第二连接杆一端固定连接，所述第二连接杆另一端固定到机架上；

所述摆杆为分段式结构，包括第一杆段和第二杆段，所述第一杆段与所述第二杆段呈钝角连接，所述第一杆段中间设置有供所述第一纱辊穿过的转孔，通过所述第一杆段与所述第二杆段呈钝角连接使所述第二纱辊高于所述第一纱辊，使碳纤维丝束从所述第二纱辊上绕过并对第二纱辊施加向下的力。

2.根据权利要求1所述的碳纤维复丝测试样条的制备装置，其特征在于，所述浸胶槽内部设置有相对称的两胶辊，进入到所述浸胶槽内的碳纤维丝束在两个所述胶辊之间来回多次缠绕后再离开所述浸胶槽。

3.根据权利要求1所述的碳纤维复丝测试样条的制备装置，其特征在于，所述挤胶轮表面开设有多道环槽，所述环槽的横截面为弧形。

4.根据权利要求1所述的碳纤维复丝测试样条的制备装置，其特征在于，所述收绕装置底部设置有直线模组，所述收绕装置通过直线模组驱动可沿直线运动，使碳纤维丝束螺旋等距缠绕到所述十字收纱架上。

5.根据权利要求1所述的碳纤维复丝测试样条的制备装置，其特征在于，所述十字收纱架包括两个相互垂直的框架，其中一个所述框架的最外侧设置有用于固定碳纤维丝束的固定压片，所述固定压片通过固定螺丝与所述框架连接，碳纤维丝束穿过所述固定压片与所述框架之间的间隙并被压住。

6.根据权利要求1所述的碳纤维复丝测试样条的制备装置，其特征在于，所述收绕装置前还设置有挤胶板，所述挤胶板上等距排布有若干个供碳纤维丝束穿过的圆孔，经过挤胶处理后的碳纤维丝束穿过所述圆孔进行定型。

7.根据权利要求1所述的碳纤维复丝测试样条的制备装置，其特征在于，所述PLC控制器包括显示屏和多个控制旋钮。

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