CN114836898A - 一种针刺碳纤维网毡及其制备方法与应用 - Google Patents

一种针刺碳纤维网毡及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及纺织技术领域，尤其涉及一种针刺碳纤维网毡及其制备方法与应用。本发明的针刺碳纤维网毡由碳纤维经挂纱、短切后经改性处理、开松、成网、预针刺成面密度为15～500g/m2的针刺碳纤维网毡。为保证气流成网的均匀性，本发明通过在开松处理后增设定时定量投料环节，并通过对投料精度的控制，保证了输入成网环节的碳纤维投料量的均匀性和稳定性。此外，本发明还对开松机的刺辊或锡林的针布的布针方式进行了改进，即沿开松机轴向呈螺旋排布，在提高对纤维梳理能力的同时，大大减弱了对纤维的握持力，有效地减少了纤维的损伤，进而实现了纤维的均匀、低损伤柔性分散。采用本发明的方法制得的针刺碳纤维网毡应用在针刺预制体中时可得到高致密度、整体均匀的针刺预制体。

Description

一种针刺碳纤维网毡及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及纺织技术技术领域，尤其涉及一种针刺碳纤维网毡及其制备方法与应用。
背景技术
碳纤维具有高强度、高模量、优异的热学性能，由其制成的碳纤维网毡是制备针刺预制体的核心材料之一，其单位面积质量和均匀性直接影响到预制体面内均匀性和Z向渗透纤维含量及分布。
目前碳纤维网毡的成网工艺主要分为梳理成网和气流成网两种。其中，气流成网的原理为：纤维经开松混合后，喂入高速回转的锡林或刺辊，进一步梳理成单纤维，在锡林或刺辊的离心力和气流联合作用下，纤维从锯齿上脱落，靠气流输送，凝聚在成网帘(或尘笼)上，形成纤网。气流成网加工时，纤维良好的单纤维状态及其在气流中均匀分布是获得优质纤网的首要条件。然而，气流成网中使用的气流输送纤维管道通常很短，而气流的速度很高(大于15m/s)，纤维在管道逗留时间很短，而且气流主要对纤维起输送、扩散作用，对纤维量的均匀分布调节作用非常弱。另外，后道往往不配置铺网系统，难以通过薄纤网铺叠来弥补质量均匀度的差异。因此，喂入气流成网机的纤维层均匀与否，对纤网均匀度有着直接的、决定性影响，所以严格控制并改善喂入纤维层的均匀度是获得气流成网均匀性的首要途径。
现有的气流成网的制备工艺流程如图1所示，碳纤维经挂纱、短切后定量投料开松、成网、预针刺后进行收卷。然而将短切纤维定量开松后直接成网，往往因开松过程中碳纤维的损失量不同而导致前后喂入的纤维层的质量无法保证稳定一致，从而破坏碳纤维气流成网的均匀性。
此外，现有的开松机械，其锡林或刺辊所采用的金属针布的布针方式为矩阵式结构(如图3所示)，这样的设计带来的问题是：如果针布上同一排钩齿之间的隔距小了，会加大对纤维的握持力而导致纤维损伤加大；反之，同一排钩齿之间的隔距稍大，虽然减小了梳理时对纤维的损伤，但钩齿密度低，梳理效果不理想，影响成网的均匀性。
因此，有必要对针刺碳纤维网毡的制备方法进行改进，以实现纤维的均匀、低损伤柔性分散，从而得到质量均一、稳定的碳纤维网毡，进而制得具有高致密度、整体均匀的针刺预制体。
发明内容
本发明的目的在于提供一种针刺碳纤维网毡的制备方法，现在开松后增设定时定量投料控制技术以保证输入成网阶段的纤维量的均匀性和稳定性，同时通过对开松机的刺辊或锡林的金属针布的布针方式进行改进，实现了纤维的均匀、低损伤柔性分散，最终获得了质量稳定、均一的针刺碳纤维网毡，同时本发明还提供了由上述针刺碳纤维网毡所制成的针刺预制体。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明的第一个方面提供了一种针刺碳纤维网毡的制备方法，包括如下步骤：
S1将碳纤维经挂纱、短切后进行改性处理并收集备用；
S2将步骤S1改性处理后的碳纤维定量投料至开松机进行开松处理并收集备用；
S3将步骤S2开松后的碳纤维定时定量投料至成网设备成网，再经预针刺定型后收卷，即得本发明所述的针刺碳纤维网毡。
进一步地，步骤S1所述的碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维、预氧化碳纤维、沥青基碳纤维中的一种或两种以上混合使用。
更进一步地，所述的碳纤维的规格为3K、6K、12K、24K或48K碳纤维；优选为12K碳纤维。
进一步地，步骤S1所述的碳纤维经短切后的长度为20～90mm；优选为50～75mm。
进一步地，步骤S2所述的改性处理为蒸汽或化学改性处理。
进一步地，步骤S2所述的定量投料是指根据针刺碳纤维网毡的面密度计算而得的成网所需的碳纤维量以及开松过程碳纤维的损失量的总和进行投料。
进一步地，步骤S2所述的开松机的刺辊或锡林的针布为金属针布，所述金属针布的布针方式为：沿开松机辊轴方向，呈螺旋排布。
进一步地，步骤S3所述的定时定量投料是指根据针刺碳纤维网毡的面密度计算而得的成网所需的碳纤维量以1g/次的投料精度每次间隔20-30s进行投料。
本发明的第二个方面还提供了由上述制备方法制得的针刺碳纤维网毡，其面密度为15-500g/m2。
本发明的第三个方面提供了一种由上述针刺碳纤维网毡所制成的针刺预制体，所述针刺预制体是由所述针刺碳纤维网毡与单层碳纤维编织布交替叠合逐层针刺制成。
进一步地，所述碳纤维编织布的面密度为70-360g/m2，材质为聚丙烯腈基碳纤维无纬布、预氧化碳纤维无纬布、沥青基碳纤维无纬布中的一种或两种以上混合使用；所述碳纤维编织布的各层呈旋转交错铺设。
进一步地，所述针刺预制体最外面面层为针刺碳纤维网毡。
进一步地，所述碳纤维编织布的厚度为0.3-0.8mm，所述针刺碳纤维网毡的厚度为0.1-0.4mm；且所述碳纤维编织布的厚度大于针刺碳纤维网毡的厚度。
更进一步地，所述碳纤维编织布的体积重量百分比为65-90％。
进一步地，所述针刺预制体的层间密度为12-20层/cm，针刺密度为20-35针/cm2，体积密度为0.4-0.8g/cm3。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、针对以往投料工序将短切纤维称量后直接投料导致气流成网的均匀性难以保证的问题，本发明增加了开松处理后定时定量投料的环节，并通过投料精度的控制有效地保证了输入成网阶段的碳纤维量的均匀性和稳定性，从而为得到质量均一、稳定的碳纤维网毡提供了重要保证；
2、本发明对开松机的刺辊或锡林的金属针布的布针方式进行了改进，相较于现有的矩阵式布针方式，本发明的螺旋式布针方式的钩齿密度更高，大大提高了对纤维的梳理能力，而与此同时，处于同一排的钩齿之间的隔距不需要缩小，甚至可以更大，从而大大减弱了对纤维的握持力，有效地减少了纤维的损伤，进而实现了纤维的均匀、低损伤柔性分散；
3、由本发明的制备方法制得的碳纤维网毡质量均一、稳定，应用在针刺预制体中时可得到高致密度、整体均匀的针刺预制体。
附图说明
图1为现有技术中的气流成网的制备工艺流程图；
图2为本发明实施例中的气流成网的制备工艺流程图；
图3为现有技术中锡林或刺辊的金属针布的布针方式示意图；
图4为本发明实施例中锡林或刺辊的金属针布的布针方式示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
本发明的一种针刺碳纤维网毡的制备方法，如图2所示，包括如下步骤：
S1将碳纤维经挂纱、短切后进行改性处理并收集备用；
S2将步骤S1改性处理后的碳纤维定量投料至开松机进行开松处理并收集备用；
S3将步骤S2开松后的碳纤维定时定量投料至成网设备成网，再经预针刺定型后收卷，即得本发明所述的针刺碳纤维网毡。
在本发明中，步骤S1所述的碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维、预氧化碳纤维、沥青基碳纤维中的一种或两种以上混合使用；所述的碳纤维的规格为3K、6K、12K、24K或48K碳纤维；优选为12K碳纤维。
在本发明中，步骤S1所述的碳纤维经短切后的长度为20～90mm；优选为50～75mm。
在本发明中，步骤S2所述的改性处理为蒸汽或化学改性处理。
在本发明中，步骤S2所述的定量投料是指根据针刺碳纤维网毡的面密度计算而得的成网所需的碳纤维量以及开松过程碳纤维的损失量的总和进行投料。
在本发明中，步骤S2所述的开松机的刺辊或锡林的针布为金属针布，所述金属针布的布针方式为：沿开松机辊轴方向，呈螺旋排布，如图4所示。图3所示为现有的矩阵式布针方式。两种布针方式相较而言，本发明的布针方式钩齿密度更高，大大提高了对纤维的梳理能力，而与此同时，处于同一排的钩齿之间的隔距不需要缩小，甚至可以更大，从而大大减弱了对纤维的握持力，有效地减少了纤维的损伤。
在本发明中，步骤3所述的定时定量投料是指根据针刺碳纤维网毡的面密度计算而得的成网所需的碳纤维量以1g/次的投料精度每次间隔20-30s进行投料。
在本发明中，步骤3所述的针刺碳纤维网毡的面密度为15-500g/m2。
本发明还提供了一种由上述针刺碳纤维网毡所制成的针刺预制体，所述针刺预制体是由所述针刺碳纤维网毡与单层碳纤维编织布交替叠合逐层针刺制成。
其中，所述碳纤维编织布的面密度为70-360g/m2，材质为聚丙烯腈基碳纤维无纬布、预氧化碳纤维无纬布、沥青基碳纤维无纬布中的一种或两种以上混合使用；所述碳纤维编织布的各层呈旋转交错铺设。
所述针刺预制体最外面面层为针刺碳纤维网毡。
所述碳纤维编织布的厚度为0.3-0.8mm，所述针刺碳纤维网毡的厚度为0.1-0.4mm；且所述碳纤维编织布的厚度大于针刺碳纤维网毡的厚度。
所述碳纤维编织布的体积重量百分比为65-90％。
所述针刺预制体的层间密度为12-20层/cm，针刺密度为20-35针/cm2，体积密度为0.4-0.8g/cm3。
为了进一步说明本发明的技术方案，本发明分别以3K、6K、12K碳纤维制备针刺碳纤维网毡。需要说明的是：实施例1-3完全采用本发明所提供的方法(即图2所示的工艺流程)进行制备，所使用的开松机的刺辊或锡林的针布采用螺旋式布针方式(如图4所示)；对比例1-3采用图1所示的工艺流程进行制备，但对比例1-3所使用的开松机的刺辊或锡林的针布采用与本发明一样的螺旋式布针方式；对比例4则采用图2所示的工艺流程进行制备，所使用的开松机的刺辊或锡林的针布采用图3所示的矩阵式布针方式，具体如下：
实施例1
将规格为3K的聚丙烯腈基碳纤维切成长度为50mm的短纤维，用纺织抗静电剂十八烷基二甲基羟乙基季铵硝酸盐(SN)喷湿表面，放入密闭容器中密封存放20h，使其软化改性，取出10kg投入开松机开松呈90％松散度絮状纤维绒，全部收集后以(120±1)g/次的投料量、±1g/次的投料精度、每隔30s投入成网设备成网，经预针刺定型后收卷，即得实施例1的针刺碳纤维网毡。
实施例2
将规格为6K的聚丙烯腈基碳纤维切成长度为60mm的短纤维，将短纤维置入温室为80℃蒸汽房内，用水蒸汽喷湿，保温密闭4.5h，使其软化改性，取出10kg投入开松机开松呈90％松散度絮状纤维绒，全部收集后以(120±1)g/次的投料量、±1g/次的投料精度、每隔25s投入成网设备成网，经预针刺定型后收卷，即得实施例2的针刺碳纤维网毡。
实施例3
将规格为12K的聚丙烯腈基碳纤维切成长度为75mm短纤维，用纺织抗静电剂十八烷基二甲基羟乙基季铵硝酸盐(SN)喷湿表面，放入密闭容器中密封存放20h，使其软化改性，取出20kg投入开松机开松呈90％松散度的絮状纤维绒，全部收集后以(120±1)g/次的投料量、±1g/次的投料精度、每隔20s投入成网设备成网，经预针刺定型后收卷，即得实施例3的针刺碳纤维网毡。
对比例1
将规格为3K的聚丙烯腈基碳纤维切成长度为50mm的短纤维，用纺织抗静电剂十八烷基二甲基羟乙基季铵硝酸盐(SN)喷湿表面，放入密闭容器中密封存放20h，使其软化改性，取出10kg，以(120±1)g/次的投料量、5g/次的投料精度、每隔30s投入开松机开松呈90％松散度絮状纤维绒后直接投入成网设备成网，经预针刺定型后收卷，即得对比例1的针刺碳纤维网毡。
对比例2
将规格为6K的聚丙烯腈基碳纤维切成长度为60mm的短纤维，将短纤维置入温室为80℃蒸汽房内，用水蒸汽喷湿，保温密闭4.5h，使其软化改性，取出10kg，以(120±1)g/次的投料量、5g/次的投料精度、每隔25s投入开松机开松呈90％松散度絮状纤维绒后直接投入成网设备成网，经预针刺定型后收卷，即得对比例2的针刺碳纤维网毡。
对比例3
将规格为12K的聚丙烯腈基碳纤维切成长度为75mm短纤维，用纺织抗静电剂十八烷基二甲基羟乙基季铵硝酸盐(SN)喷湿表面，放入密闭容器中密封存放20h，使其软化改性，取出20kg，以(120±1)g/次的投料量、5g/次的投料精度、每隔20s投入开松机开松呈90％松散度絮状纤维绒后直接投入成网设备成网，经预针刺定型后收卷，即得对比例3的针刺碳纤维网毡。
对比例4
相较于实施例3的区别仅在于：所采用的开松机的针布的布针方式为矩阵式布针方式，其余均同实施例3。
针刺碳纤维网毡的面密度测试
将实施例1-3以及对比例1-3所制得的针刺碳纤维网毡，在网毡头尾段50cm处、中间25m处各取5个样，分成试验组1-10，参照中华人民共和国国家标准GB/T 9914.3-2013/ISO 3374：2000《增强制品试验方法第3部分：单位面积质量的测定》，在相同条件下进行面密度测试，测试结果如下表1所示：
表1
Figure BDA0003676651850000071
Figure BDA0003676651850000081
从表1可知，采用本发明所提供的制备方法所制得的针刺碳纤维网毡的面密度波动值(CV值)远低于现有工艺的面密度波动值，表明本发明所提供的制备方法提高了网毡的均匀性和稳定性。
针刺碳纤维网毡的拉伸强度测试
从实施例3和对比例4所制得针刺碳纤维网毡中各随机切取20份45g/m2的试样，分成试验组1-20，参照中华人民共和国国家标准GB/T24218.3-2010《纺织品非织造布试验方法第3部分：断裂强力和断裂伸长率的测定(条样法)》，在相同的参数条件下进行拉伸强度测试，测试结果如下表2所示：
表2
Figure BDA0003676651850000082
Figure BDA0003676651850000091
从表2可以看出，在其他条件不变的情况下，采用本发明所设计的螺旋式布针方式的开松机，能有效减少纤维的损伤，从而实现纤维的均匀、低损伤柔性分散。
实施例4
将实施例1所制成的针刺碳纤维网毡与面密度为240g/m2的聚丙烯腈基碳纤维无纬布逐层交替铺设，并使上下面层为针刺碳纤维网毡，控制层间密度为18层/cm，针刺碳纤维网毡与聚丙烯腈基碳纤维无纬布的厚度分别为0.16mm、0.38mm，针刺密度为20针/cm2，得体积密度为0.62g/cm3，长纤维含量为65％的针刺预制体。
实施例5
将实施例2所制成的针刺碳纤维网毡与面密度为240g/m2的聚丙烯腈基碳纤维无纬布逐层交替铺设，并使上下面层为针刺碳纤维网毡，控制层间密度为20层/cm，针刺碳纤维网毡与聚丙烯腈基碳纤维无纬布的厚度分别为0.18mm、0.52mm，针刺密度为30针/cm2，得体积密度为0.48g/cm3，长纤维含量为70％的针刺预制体。
实施例6
将实施例2所制成的针刺碳纤维网毡与面密度为240g/m2的聚丙烯腈基碳纤维无纬布逐层交替铺设，并使上下面层为针刺碳纤维网毡，控制层间密度为20层/cm，针刺碳纤维网毡与聚丙烯腈基碳纤维无纬布的厚度分别为0.17mm、0.44mm，针刺密度为20针/cm2，得体积密度为0.45g/cm3，长纤维含量为66％的针刺预制体。
综上，采用本发明所提供的一种针刺碳纤维网毡的制备方法，可以制备出质量稳定、均一的针刺碳纤维网毡，由所述针刺碳纤维网毡所制成的针刺预制体具有高致密度，且整体十分均匀。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种针刺碳纤维网毡的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1将碳纤维经挂纱、短切后进行改性处理并收集备用；
S2将步骤S1改性处理后的碳纤维定量投料至开松机进行开松处理并收集备用；
S3将步骤S2开松后的碳纤维定时定量投料至成网设备成网，再经预针刺定型后收卷，即得本发明所述的针刺碳纤维网毡。
2.根据权利要求1所述的一种针刺碳纤维网毡的制备方法，其特征在于，所述的碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维、预氧化碳纤维、沥青基碳纤维中的一种或两种以上混合使用。
3.根据权利要求1或2所述的一种针刺碳纤维网毡的制备方法，其特征在于，所述的碳纤维的规格为3K、6K、12K、24K或48K碳纤维；优选为12K碳纤维。
4.根据权利要求1所述的一种针刺碳纤维网毡的制备方法，其特征在于，步骤S1所述的碳纤维经短切后的长度为20～90mm；优选为50～75mm。
5.根据权利要求1所述的一种针刺碳纤维网毡的制备方法，其特征在于，步骤S2所述的改性处理为蒸汽或化学改性处理。
6.根据权利要求1所述的一种针刺碳纤维网毡的制备方法，其特征在于，步骤S2所述的定量投料是指根据针刺碳纤维网毡的面密度计算而得的成网所需的碳纤维量以及开松过程碳纤维的损失量的总和进行投料。
7.根据权利要求1所述的一种针刺碳纤维网毡的制备方法，其特征在于，步骤S2所述的开松机的刺辊或锡林的针布为金属针布，所述金属针布的布针方式为：沿开松机辊轴方向，呈螺旋排布。
8.根据权利要求1所述的一种针刺碳纤维网毡的制备方法，其特征在于，步骤S3所述的定时定量投料是指根据针刺碳纤维网毡的面密度计算而得的成网所需的碳纤维量以1g/次的投料精度每次间隔20-30S进行投料。
9.一种由权利要求1～8任意一项所述的的一种针刺碳纤维网毡的制备方法制得的针刺碳纤维网毡，其特征在于，所述针刺碳纤维网毡的面密度为15-500g/m2。
10.一种由权利要求9所述的针刺碳纤维网毡所制成的针刺预制体，其特征在于，所述针刺预制体是由所述针刺碳纤维网毡与单层碳纤维编织布交替叠合逐层针刺制成。
11.根据权利要求10所述的针刺预制体，其特征在于，所述碳纤维编织布的面密度为70-360g/m2，材质为聚丙烯腈基碳纤维无纬布、预氧化碳纤维无纬布、沥青基碳纤维无纬布中的一种或两种以上混合使用；所述碳纤维编织布的各层呈旋转交错铺设。
12.根据权利要求10所述的针刺预制体，其特征在于，所述针刺预制体最外面面层为针刺碳纤维网毡。
13.根据权利要求10所述的针刺预制体，其特征在于，所述碳纤维编织布的厚度为0.3-0.8mm，所述针刺碳纤维网毡的厚度为0.1-0.4mm；且所述碳纤维编织布的厚度大于针刺碳纤维网毡的厚度。
14.根据权利要求10、11或13任意一项所述的针刺预制体，其特征在于，所述碳纤维编织布的体积重量百分比为65-90％。
15.根据权利要求10所述的针刺预制体，其特征在于，所述针刺预制体的层间密度为12-20层/cm，针刺密度为20-35针/cm2，体积密度为0.4-0.8g/cm3。
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