CN114159990A - 一种用于物料中碳纤维分散的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于物料中碳纤维分散的装置及方法,该装置包括纤维输送装置、分散仓、给料装置、混合仓;分散仓分别与纤维输送装置、给料装置连通,分散仓与给料装置分别与混合仓连通;分散仓连接有用于使分散仓内纤维带电的第一静电发生器,给料装置连接有使物料带电的第二静电发生器,第一静电发生器与第二静电发生器产生的电荷相互吸引。本发明通过静电分散碳纤维,碳纤维分散效果好、工艺简单,价格低廉、对碳纤维损伤小,且与碳纤维表面改性、添加外加剂等其他分散手段无冲突。适用于碳纤维或其他纤维与粉体及流体等具体材料混合,进而得到均匀分散或预分散在基体中的碳纤维。

Description

一种用于物料中碳纤维分散的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种纤维分散装置及方法,尤其涉及一种用于物料中碳纤维分散的装置及方法。
背景技术
碳纤维(carbonfiber,简称CF)是一种具有高强、高模、低比重等优异性能的新型纤维材料,其在航空航天、土木工程、军事等领域都有着广泛的应用。目前,碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合,制成结构材料,但碳纤维特殊的表面性质导致其在各类基体中均难以均匀分散,从而大大限制了碳纤维优异性能的发挥。
现有的改进碳纤维分散问题的方法主要有:碳纤维表面改性、高速剪切分散、添加分散剂等等。其中,碳纤维表面改性虽然效果较好,但其工艺复杂,价格高昂;高速剪切分散对碳纤维损伤太大;添加分散剂则效果有限。因此,寻找一种无损、简单、高效的碳纤维分散方法具有良好的应用前景。
静电分散是通过给物体荷上同一极性的静电荷,利用荷电之间的库伦排斥力对物体有效的分散。这种分散方法简单、高效、环保且对分散物质无损伤,采用静电分散碳纤维后可大大提高碳纤维利用率,并保证其优异的性能在复合制备过程中不受损失,从而带来可观的经济效益。但是目前,静电分散在碳纤维制品方面的应用尚未被报道。
发明内容
发明目的:本发明的目的是提供一种分散效果好、对碳纤维损伤小的用于物料中碳纤维分散的装置;
本发明的第二个目的是提供一种用于物料中碳纤维分散的方法。
技术方案:本发明所述的用于物料中碳纤维分散的装置,包括纤维输送装置、分散仓、给料装置、混合仓;所述分散仓分别与纤维输送装置、给料装置连通,所述分散仓与给料装置分别与混合仓连通;所述分散仓连接有用于使分散仓内纤维带电的第一静电发生器,所述给料装置连接有使物料带电的第二静电发生器,所述第一静电发生器与第二静电发生器产生的电荷相互吸引。
其中,所述分散仓包括仓体,设于仓体内可转动的轴承,所述轴承上向外呈辐射状设有导体,所述第一静电发生器与轴承连接使导体带电。
其中,所述分散仓内设有用于防止未分散碳纤维排出的阻挡部件。
其中,所述纤维输送装置连接有用于对纤维预分散的预分散装置。
其中,所述预分散装置包括空气压缩机、与空气压缩机连接的干燥装置;所述干燥装置用于对空气压缩机出口空气进行干燥。
其中,所述纤维输送装置包括腔体,腔体出口处设有控制纤维输出量的控制阀。
其中,内部设有金属层,所述第二静电发生器与金属层连接。
一种利用上述用于物料中碳纤维分散的装置分散碳纤维的方法,包括以下步骤:
(A)将碳纤维加入纤维输送装置,将物料加入给料装置,打开空气压缩机;
(B)将第一静电发生器、第二静电发生器通电,开启纤维输送装置和给料装置开关,在混合仓得到在物料中混合均匀的碳纤维。
其中,步骤(A)之前,将碳纤维在200-300℃真空干燥3-4h后加入纤维输送装置。
其中,步骤(A)中,将空气压缩机的压力调节为0.5-0.8MPa。
有益效果:本发明与现有技术相比,取得如下显著效果:1、通过静电分散碳纤维,碳纤维分散效果好、工艺简单,价格低廉、对碳纤维损伤小,且与碳纤维表面改性、添加外加剂等其他分散手段无冲突。2、可调节性好、适用性广,可以改变空气压缩机气压大小、纤维输送和给料速度等各项参数,适用于碳纤维或其他纤维与粉体及流体等具体材料混合,进而得到均匀分散或预分散在基体中的碳纤维。3、通过静电分散碳纤维与气流结合,分散效果更优。4、快捷有效,操作方便,可重复使用,易于推广,应用前景广阔。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明作进一步详细描述。
实施例1
如图1所示,本发明提供了一种用于物料中碳纤维分散的装置,具体为分散短切碳纤维的装置,包括空气压缩机1、送风管、气体干燥装置2、压力计3、纤维输送装置4、分散仓、第一静电发生器、第二静电发生器、给料装置和混合仓15。送风管依次连接空气压缩机1出风口、气体干燥装置2、压力计3、纤维输送装置4、分散仓6、给料装置13和混合仓15。送风管材质为工程塑料、橡胶或尼龙。空气压缩机1额定排气压力为0.8MPa。
气体干燥装置2包括可拆解球状外壳和内部干燥剂,其中,可拆解球状外壳上有带拦网的进风口和出风口,拦网可保证干燥剂固定在干燥装置2内,内部干燥剂为活性矿物颗粒干燥剂;拦网为10目不锈钢网。压力计3设于空气压缩机1与纤维输送装置4之间送风管上。
纤维输送装置4包括带盖立方容器、容器下方接口以及控制阀,其中带盖立方容器用于存放短切碳纤维,打开并调节控制阀可将碳纤维从容器通过下方接口按一定速率输送到送风管内。
分散仓6为绝缘分散仓,包括球形容器、球形容器中心固定有轴承11,轴承11上向外呈辐射状焊接有导体10,本实施例为等间隔分布的不锈钢针。球形容器上设有进料口和出料口,进料口及出料口与送风管之间的连接处设有不锈钢箍圈5,不锈钢箍圈5可使送风管与球形容器紧密相连。出料口处设有阻挡部件9,本实施例的阻挡部件9为纤维拦网,以防未分散纤维团排出;纤维拦网为方孔不锈钢网,孔径边长为4mm;球形容器和纤维拦网材质为塑料、尼龙或陶瓷。分散仓连接有第一静电发生器8,第一静电发生器8为外接负离子发生器,轴承11与不锈钢针可绕轴承中心自由转动,外接负离子发生器用导线7与轴承11相连,通电后可使不锈钢针带负电并电离出大量负离子,当碳纤维从球形容器上的进料口进入分散仓后,接触带负电的不锈钢针以及吸附电离出的负离子从而带上同种电荷,加上气流的作用,纤维可在分散后通过纤维拦网从球形容器上的出料口排出。
给料装置13包括Y型加料斗,Y型加料斗外部为绝缘塑料层,内部含有金属薄层12,给料装置13连接有第二静电发生器14,本实施例的第二静电发生器14为外接正离子发生器,正离子发生器与金属薄层12用导线连接;正离子发生器通电后,当物料接触金属薄层12并带上正电后从Y型加料斗进入送风管与分散后带负电的碳纤维接触,二者相互吸引并充分结合。
混合仓15为装配式桶装状容器,分散后的短切纤维与物料在送风管相互吸引并充分结合后送入混合仓15内。
实施例2
一种分散短切碳纤维的方法,具体如下:
(1)将短切碳纤维于300℃真空干燥3h后加入纤维输送装置4;将水泥加入给料装置13;打开空气压缩机1并调至压力计3为0.8MPa;
(2)将负离子发生器和正离子发生器通电,开启纤维输送装置4和给料装置13开关,待纤维在分散仓6分散后于给料装置13下方送风管内与水泥混合,最后在混合仓15得到在水泥中混合均匀的短切碳纤维。
从水泥与碳纤维混合物的不同位置取出10份每份质量为50g的纤维水泥混合物,用水和60目的细筛除去水泥,将碳纤维烘干后称重,由分散系数大小衡量纤维分散性,分散系数按下式计算:
Figure BDA0003390744970000041
式中
Figure BDA0003390744970000042
为分散系数,Mi为第i份分离出的碳纤维质量,
Figure BDA0003390744970000043
为10份碳纤维质量平均值。
按上述方法实施5次分别得到的分散系数为10.6%、12.9%、15.3%、11.5%和20.1%。
对比例1
在实施例2的基础上与实施例2不同的是:未将负离子发生器8和正离子发生器14通电。
按上述方法实施5次分别得到的分散系数为30.5%、42.3%、55.2%、36.8%和48.3%。
对比例2
在实施例2的基础上与实施例2不同的是:打开空气压缩机1并调至压力计3为0.1MPa。
按上述方法实施5次分别得到的分散系数为44.0%、46.8%、70.3%、69.3%和55.6%。
对比例3
在实施例2的基础上与实施例2不同的是:
将短切碳纤维于300℃真空干燥3h后直接与水泥混合搅拌,经5次试验并按实施例2中分散系数计算方法分别得到分散系数为66.20%、78.5%、70.6%、68.3%和50.7%。
由此可见,利用静电和气流对碳纤维进行分散,行之有效。静电和气流分散碳纤维方法,可提高碳纤维在基体材料中的均匀性,实现其高效利用,从而提高碳纤维复合材料的相关性能,带来可观的效益。

Claims (10)

1.一种用于物料中碳纤维分散的装置,其特征在于,包括纤维输送装置(4)、分散仓(6)、给料装置(13)、混合仓(15);所述分散仓(6)分别与纤维输送装置(4)、给料装置(13)连通,所述分散仓(6)与给料装置(13)分别与混合仓(15)连通;所述分散仓(6)连接有用于使分散仓(6)内纤维带电的第一静电发生器(8),所述给料装置(13)连接有使物料带电的第二静电发生器(14),所述第一静电发生器(8)与第二静电发生器(14)产生的电荷相互吸引。
2.根据权利要求1所述的用于物料中碳纤维分散的装置,其特征在于,所述分散仓(6)包括仓体,设于仓体内可转动的轴承(11),所述轴承(11)上向外呈辐射状设有导体(10),所述第一静电发生器(8)与轴承(11)连接使导体(10)带电。
3.根据权利要求1所述的用于物料中碳纤维分散的装置,其特征在于,所述分散仓(6)内设有用于防止未分散碳纤维排出的阻挡部件(9)。
4.根据权利要求1所述的用于物料中碳纤维分散的装置,其特征在于,所述纤维输送装置(4)连接有用于对纤维预分散的预分散装置。
5.根据权利要求1所述的用于物料中碳纤维分散的装置,其特征在于,所述预分散装置包括空气压缩机(1)、与压缩机连接的干燥装置(2)。
6.根据权利要求1所述的用于物料中碳纤维分散的装置,其特征在于,所述纤维输送装置(4)包括腔体,腔体出口处设有控制纤维输出量的控制阀。
7.根据权利要求1所述的用于物料中碳纤维分散的装置,其特征在于,所述给料装置(13)包括加料斗,所述加料斗外部为绝缘塑料层,内部设有金属层,所述第二静电发生器(14)与金属层连接。
8.一种利用权利要求1所述用于物料中碳纤维分散的装置分散碳纤维的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(A)将碳纤维加入纤维输送装置(4),将物料加入给料装置(13),打开空气压缩机(1);
(B)将第一静电发生器(8)、第二静电发生器(14)通电,开启纤维输送装置(4)和给料装置(13)开关,在混合仓(15)得到在物料中混合均匀的碳纤维。
9.根据权利要求8所述的分散碳纤维的方法,其特征在于,步骤(A)之前,将碳纤维在200-300℃真空干燥3-4h后加入纤维输送装置(4)。
10.根据权利要求8所述的分散碳纤维的方法,其特征在于,步骤(A)中,将空气压缩机(1)的压力调节为0.5-0.8MPa。
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