CN208872726U - 一种碳纤维上浆剂评测装置 - Google Patents

Abstract

一种碳纤维上浆剂评测装置，包括壳体、运输机构、加热装置和上浆机构，所述壳体上设有出口、惰性气体入口以及能承受高温的密封门，所述运输机构依次包括碳纤维退绕装置、多个展纱辊和碳纤维收卷装置，所述加热装置包括加热管，所述退绕装置、展纱辊和所述加热装置均置于所述壳体内部，所述上浆机构和所述收卷装置置于所述壳体外部，所述上浆机构依次包括表面处理装置、上浆装置和干燥装置，所述碳纤维通过所述展纱辊经所述出口连接所述上浆机构，并经所述上浆机构连接至所述收卷装置。本实用新型是一种碳纤维去浆和上浆装置，用于碳纤维上浆剂的纤维上浆效果测试，该装置能够保证在同一锭纤维条件下，进行不同上浆剂的上浆效果评价。

Description

一种碳纤维上浆剂评测装置

技术领域

本实用新型涉及一种复合材料技术领域，是一种碳纤维去浆、上浆装置，用于同一种碳纤维条件下，不同上浆剂及上浆量的评测，具体涉及一种碳纤维上浆剂评测装置。

背景技术

碳纤维是一种碳元素含量高达90%以上的综合性能优异的纤维状材料。碳纤维的制备是在一定条件下将有机纤维进行碳化的过程，将含碳的有机化合物在惰性气体氛围中进行加热，当温度升高到数千摄氏度的时候，非碳元素将会被驱逐出有机物而消失，这样有机物中的碳元素含量将逐渐增大并最终形成碳纤维，碳纤维拥有致密相连的碳原子结构。碳纤维由于具有强度高、模量大、抗腐蚀性强、耐疲劳程度高、比重小、耐高温等优于其他纤维类增强材料的特质，而被广泛应用于生产生活中的众多领域。

碳纤维中高含量的碳元素决定了其表面惰性大的特点，因此与基体树脂浸润结合性差，故在生产时需要进行表面处理来提高纤维的表面活性。而碳纤维与石英纤维类似，均具有脆性大的特点，在生产过程中受到拉伸、摩擦等力的作用时容易发生纤维的断裂及毛丝量增加的现象，导致碳纤维整体强度降低，并影响碳纤维后续成束及编织工序的进行，而且在复合材料成型阶段毛丝的存在会使树脂难于完全浸润碳纤维，不可避免地会在复合材料内部形成一些较小的孔隙，使用时会收集湿气进而在温度的控制外界温度的影响下发生凝结或产生蒸汽，会严重地损坏复合材料的结构，极大地削弱复合材料的力学性能和耐老化性。另外，工作环境也可能由于毛丝的存在而遭受破坏，危害工作人员的身体健康。因此，上浆过程成为碳纤维生产中不可或缺的重要工序。

上浆就好比给碳纤维穿了一层薄薄的保护衣，有利于将碳纤维粘合集束起来，提高与树脂复合时的整体强度，并可有效地降低碳纤维发生断裂及出现毛丝的概率。根据相似相容原理，碳纤维上浆剂中主体树脂往往与基体树脂是相同的，经上浆后的碳纤维容易被基体树脂充分浸润，从而在碳纤维与树脂基体间形成良好的过渡界面区域，使碳纤维增强复合材料的综合性能得到最大限度的发挥。目前，针对满足各种使用需求的碳纤维增强体及树脂基体的研究已经十分完备，但实际制备的复合材料的各项指标均远小于理论水平，断裂等破坏行为往往发生在复合材料界面处。因此，对复合材料界面的研究对于挖掘其隐含的巨大潜力具有重大意义。

纤维增强复合材料的界面处于纤维与树脂接触的过渡区域，在二者之间起着传递载荷等纽带桥梁的作用，界面结合效果直接影响复合材料整体效能的发挥。界面结合效果越优，越有助于载荷经由界面传递给高强高模的碳纤维增强体，从而发挥出复合材料预期的各项性能指标。同样地，处于碳纤维与基体界面区域的上浆剂涂层对于碳纤维增强复合材料综合性能的发挥起着十分重要的作用。

根据国内外关于碳纤维上浆方面的研究，综合碳纤维上浆的原因，总结碳纤维上浆的主要目的有以下几个方面：

一，具有集束功能，类似于粘合剂，使碳纤维聚集在一起，改善工艺性能，便于加工；

二，类似于偶联剂，在碳纤维与基体树脂之间引入适当的界面层，促使纤维和树脂之间化学结合，持久粘结，提高复合材料的界面性能；

三，起到润滑剂的作用，即上浆剂在碳纤维表面形成浆膜，保护碳纤维，减少纤维与纤维、纤维与机件之间的摩擦，减少毛丝的产生，保持碳纤维的机械性能，提高耐磨性能，保持其强度和可加工性；

四，起到隔绝空气的作用，纤维碳纤维在上浆前要经过表面处理，增强其表面活性，但是增强后的活性表面容易吸附空气中的灰尘与水分，浆膜可以有效的使活性表面与空气隔绝，保持纤维表面活性；

五，纤维补强的作用，碳纤维单丝强度基本分布服Weibull统计分布，上浆可以在一定程度上弥补纤维表面的缺陷，使得碳纤维强度较上浆前有所提高，Weibull分布的分散性减小，起到一定的补强作用。

最后，相当于润湿剂，改善碳纤维的浸润性能，便于树脂浸渍，减少复合材料的制备时间，提高产品质量。

因此，碳纤维上浆剂对碳纤维生产应用至关重要，评价一款上浆剂最好的方法是上浆到指定的碳纤维上后再评价综合性能。但是，在纤维实际生产过程中，影响碳纤维上浆因素较多，如聚合、纺丝、预氧化、碳化、表面处理、干燥等，为尽可能的排除这些因素的影响，本装置采用同一锭碳纤维进行先去浆，再上浆实验，进而评测不同的上浆剂的上浆效果，也可以通过控制上浆量，评价上浆量对碳纤维的影响。

因此解决这一类的问题显得尤为重要，此技术是在对碳纤维上浆过程中予以考虑并解决的问题。

实用新型内容

为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本实用新型的技术方案，下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案做进一步的描述。

本实用新型的技术解决方案是：一种碳纤维上浆剂评测装置，包括壳体、运输机构、加热装置和上浆机构，所述壳体上设有出口、惰性气体入口以及能承受高温的密封门，所述运输机构依次包括碳纤维退绕装置、多个展纱辊和碳纤维收卷装置，所述加热装置包括加热管，所述退绕装置、展纱辊和所述加热装置均置于所述壳体内部，所述上浆机构和所述收卷装置置于所述壳体外部，所述上浆机构依次包括表面处理装置、上浆装置和干燥装置，所述碳纤维通过所述展纱辊经所述出口连接所述上浆机构，并经所述上浆机构连接至所述收卷装置。

本实用新型的进一步改进在于：多个展纱辊包括依次连接的第一展纱辊、第二展纱辊和第三展纱辊，所述退绕装置和所述第一展纱辊之间设有瓷眼，所述加热管设置在所述第一展纱辊和所述第二展纱辊之间，所述第三展纱辊和所述出口设置在同一水平线上。

本实用新型的进一步改进在于：所述第三展纱辊和所述上浆机构之间设有第四展纱辊，所述第四展纱辊设置在所述壳体外，和所述出口设置在同一水平线上。

本实用新型的进一步改进在于：所述加热装置还包括控制加热管的温控装置，所述温控装置通过线路连接电源。

加热管要求温度可以控制在常温～1000℃调节，直径控制在40～60mm区间，可根据需要上浆的纤维丝束进行扩大或缩小两端端口。设置温控装置，要求能够显示与控制加热管温度，精度控制在±1℃。

本实用新型的进一步改进在于：所述惰性气体入口处设有控制惰性气体流速的阀门。

在惰性气体入口处设置阀门，可控制惰性气体的流速大小。

本实用新型的进一步改进在于：所述出口为扁平状，所述出口处设有可调节出口大小的密封滑盖。

本实用新型的进一步改进在于：所述惰性气体入口和所述出口分别设置在所述壳体对角线的两端。

针对以上装置，本实用新型提供了一种碳纤维上浆剂评测装置的评测方法，包含如下具体步骤：

（1）开启密封门，选取合适的一锭碳纤维上锭，固定在碳纤维退绕装置上，所述碳纤维经所述瓷眼依次连接第一展纱辊，加热管，第二展纱辊，第三展纱辊，出口，第四展纱辊，表面处理装置，上浆装置、干燥装置，最后在纤维收卷装置上收卷，所述纤维在穿插过程中，不能打卷；

（2）关闭密封门，在惰性气体入口处通入惰性气体，在出口处检测惰性气体是否流出，同时检测壳体是否存在漏气现象，确保壳体无气体泄漏；

（3）通入惰性气体5-15min后，开启加热管，根据实际需要通过温控装置调节设定温度，确保纤维表面上浆剂去除干净；

（4）待温度达到设定温度时，开启表面处理装置；

（5）在上浆装置中添加所需要验证的上浆剂或者根据需要进行不同固定含量的上浆剂上浆量进行实验；

（6）开启干燥装置，根据上浆剂的特性设定碳纤维上浆剂的干燥温度区间，确保碳纤维完全干燥，最后通过碳纤维收卷装置对碳纤维进行收卷；

（7）收卷完待测上浆剂上浆碳纤维后，关闭收卷装置和上浆装置，清洗上浆装置，更换上浆剂，进行另一种上浆剂上浆，或者更换另一种固定含量的同款上浆剂；

（8）重新开启收卷装置和上浆装置，设定新的干燥温度区间，收卷新换上浆剂上浆纤维；

（9）碳纤维工艺性能测量，将两种不同上浆剂上浆后纤维的悬垂值、展纱性、毛丝量、上浆量等性能进行对比评测。

本实用新型的进一步改进在于：所述惰性气体为氮气。

本实用新型的进一步改进在于：所述加热管的直径为40-60mm，所述加热管的调节温度控制在20-1000℃。

本实用新型提供的一种碳纤维上浆剂评测装置，先在惰性气体下高温去除碳纤维表面上浆剂，再进行表面处理后上浆干燥，进行纤维性能测试，进而评价碳纤维上浆剂。

本实用新型的突出特点在于：本实用新型是一种碳纤维去浆和上浆装置，用于碳纤维上浆剂的纤维上浆效果测试，该装置能够保证在同一锭纤维条件下，进行不同上浆剂的上浆效果评价。排除在碳纤维生产线上进行上浆效果评测的众多影响因素，节约了碳纤维上浆剂的评价成本，不需要复杂的生产装置即可制备出不同上浆剂的碳纤维，该装置亦可进行不同上浆量上浆实验。

附图说明

图1所示为本实用新型结构示意图；

其中，1-壳体，2-出口，3-氮气入口，4-密封门，5-退绕装置，6-收卷装置，7-加热管，8-温控装置，9-表面处理装置，10-上浆装置，11-干燥装置，12-第一展纱辊，13-第二展纱辊，14-第三展纱辊，15-瓷眼，16-第四展纱辊，17-阀门，18-密封滑盖。

具体实施方式

为了加深对本实用新型的理解，下面将结合附图和实施例对本实用新型做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本实用新型，并不对本实用新型的保护范围构成限定。

如图1所示，本实施例提供一种碳纤维上浆剂评测装置，包括壳体1、运输机构、加热装置和上浆机构，所述壳体1上设有出口2、氮气入口3以及能承受高温的密封门4，所述运输机构依次包括碳纤维退绕装置5、多个展纱辊和碳纤维收卷装置6，所述加热装置包括加热管7和控制加热管的温控装置8，所述温控装置8通过电源线18接地。所述退绕装置5、展纱辊和所述加热装置均置于所述壳体1内部，所述上浆机构和所述收卷装置6置于所述壳体1外部，所述上浆机构依次包括表面处理装置9、上浆装置10和干燥装置11，多个展纱辊包括依次连接的第一展纱辊12、第二展纱辊13和第三展纱辊14。

所述退绕装置5和所述第一展纱辊12之间设有瓷眼15，用于固定纤维丝束，所述加热管7设置在所述第一展纱辊12和所述第二展纱辊13之间，所述第三展纱辊14和所述出口2设置在同一水平线上，所述第三展纱辊14和所述表面处理装置9之间设有第四展纱辊16，所述第四展纱辊设置在所述壳体外，和所述出口2设置在同一水平线上，所述碳纤维束丝通过所述第三展纱辊经所述出口2连接所述第四展纱辊16运输至所述上浆机构，经所述表面处理装置9、上浆装置10和干燥装置11，最终经所述收卷装置进行收卷。

所述氮气入口3和所述出口2分别设置在所述壳体1对角线的两端，所述氮气入口处3设有控制氮气流速的阀门17。氮气和碳纤维共用一个出口2，所述出口2为扁平状，所述出口2处设有可调节出口大小的密封滑盖18。

针对以上装置，进行以下实验：

实施例1：

具体包括以下步骤：

1.开启密封门4，选取HF10A-12K碳纤维上锭，固定在碳纤维退绕装置5上，纤维依次经瓷眼15，第一展纱辊12，加热管7，第二展纱辊13，第三展纱辊14，碳纤维与氮气出口2，第四展纱辊16，表面处理装置9，上浆装置10，干燥装置11，最后在纤维收卷装置6上收卷，要求纤维在穿插过程中，不能打卷。

2.关闭密封门4，在氮气入口3处通入氮气，在纤维与氮气出口2处检测氮气是否流出，同时检测壳体1是否存在漏气现象，确保壳体1无气体泄漏。

3.通入氮气10min后，开启加热管7，通过温控装置8，设定温度800℃，确保纤维表面上浆剂去除干净。

4.待温度升至800℃时，开启表面处理装置9对其进行表面处理。

5.在上浆装置10中添加稀释后的实验1#上浆剂，上浆剂稀释后固含为2.5%。

6.开启干燥装置11，设定干燥温度在100—150℃范围内（不同干燥区域内对应不同的干燥温度），确保纤维完全干燥，同时保证上浆剂不被破坏。

7.开启纤维收卷装置6进行收卷。

8.收卷完待测上浆剂上浆纤维后，关闭收卷装置6和上浆装置10，清洗上浆装置10，更换实验2#上浆剂，上浆剂稀释后固含为2.5%。

9.重新开启收卷装置6和上浆装置10，设定干燥温度80-150℃区间，收卷新换上浆剂上浆纤维。

10.纤维工艺性能测量，对比2种不同上浆剂上浆后纤维的悬垂值、展纱性、毛丝 量、上浆量等性能，测试结果如下表

上浆剂	悬垂值（cm）	展纱前幅宽(cm)	展纱后幅宽（cm）	毛丝量（mg/m）	上浆量（%）	耐磨次数（次）
							实验1#浆	6.2	0.73	1.09	0.03	1.01	333
实验2#浆	8.5	0.62	0.85	0.01	1.03	441

从上表结果看出实验2#浆比实验1#浆更好的性能，通过该装置，结合纤维性能测试，能够直接评价一款上浆剂的性能。

实施例2

1.开启密封门4，选取HF10A-12K碳纤维上锭，固定在碳纤维退绕装置5上，纤维依次经瓷眼15，第一展纱辊12，加热管7，第二展纱辊13，第三展纱辊14，碳纤维与氮气出口2，第四展纱辊16，表面处理装置9，上浆装置10，干燥装置11，最后在纤维收卷装置6上收卷，要求纤维在穿插过程中，不能打卷。

2.关闭密封门4，在氮气入口3处通入氮气，在纤维与氮气出口2处检测氮气是否流出，同时检测壳体1是否存在漏气现象，确保壳体1无气体泄漏。

3.通入氮气10min后，开启加热管7，通过温控装置8，设定温度800℃，确保纤维表面上浆剂去除干净。

4.待温度升至800℃时，开启[14]表面处理装置。

5.在上浆装置10中添加稀释后的实验1#上浆剂，上浆剂稀释后固含为2.5%。

6.开启干燥装置11，设定干燥温度在100—150℃范围内（不同干燥区域内对应不同的干燥温度），确保纤维完全干燥，同时保证上浆剂不被破坏。

7.开启纤维收卷装置6进行收卷。

8.收卷完待测上浆剂上浆纤维后，关闭收卷装置6和上浆装置10，清洗上浆装置，更换实验1#上浆剂，上浆剂稀释后固含为4.5%。

9.重新开启收卷装置6和上浆装置10，设定干燥温度100-150℃区间，收卷新换上浆剂上浆纤维。

10.纤维工艺性能测量，对比2种不同上浆剂上浆后纤维的悬垂值、展纱性、毛丝 量、上浆量等性能，测试结果如下表

上浆剂	悬垂值（cm）	展纱前幅宽(cm)	展纱后幅宽（cm）	毛丝量（mg/m）	上浆量（%）	耐磨次数（次）
							实验1#浆（2.5%）	6.2	0.73	1.09	0.03	1.01	322
实验1#浆（4.5%）	7.1	0.72	1.02	0.01	1.52	464

从上表结果看出高上浆量增强的上浆剂对碳纤维的保护，通过该装置，结合纤维性能测试，能够评价上浆量对纤维性能的影响。

实施例3

1.开启密封门4，选取T700SC-12K碳纤维上锭，固定在碳纤维退绕装置5上，纤维依次经瓷眼15，第一展纱辊12，加热管7，第二展纱辊13，第三展纱辊14，碳纤维与氮气出口2，第四展纱辊16，表面处理装置9，上浆装置10，干燥装置11，最后在纤维收卷装置6上收卷，要求纤维在穿插过程中，不能打卷。

2.关闭密封门4，在氮气入口3处通入氮气，在纤维与氮气出口2处检测氮气是否流出，同时检测壳体1是否存在漏气现象，确保壳体1无气体泄漏。

3.通入氮气10min后，开启加热管7，通过温控装置8，设定温度800℃，确保纤维表面上浆剂去除干净。

4.待温度升至800℃时，开启[14]表面处理装置。

5.在上浆装置10中添加稀释后的实验3#上浆剂，上浆剂稀释后固含为2.5%。

6.开启干燥装置11，设定干燥温度在80—150℃范围内（不同干燥区域内对应不同的干燥温度），确保纤维完全干燥，同时保证上浆剂不被破坏。

7.开启纤维收卷装置6进行收卷。

8.收卷完待测上浆剂上浆纤维后，关闭收卷装置6和上浆装置10，清洗上浆装置，更换实验5#上浆剂，上浆剂稀释后固含为2.5%。

9.重新开启收卷装置6和上浆装置10，设定干燥温度80-150℃区间，收卷新换上浆剂上浆纤维。

10.纤维工艺性能测量，对比2种不同上浆剂上浆后纤维的悬垂值、展纱性、毛丝 量、上浆量等性能，测试结果如下表

上浆剂	悬垂值（cm）	展纱前幅宽(cm)	展纱后幅宽（cm）	毛丝量（mg/m）	上浆量（%）	耐磨次数（次）
							实验3#浆	8.9	0.81	1.33	0.01	1.11	514
实验5#浆	15.2	0.62	0.71	0.01	1.05	708

从上表结果看出实验5#上浆后纤维过硬，影响了碳纤维的展纱性能，该上浆剂不适用于T70SC-12K同规格碳纤维。通过该装置，结合纤维性能测试，能够直接评价一款上浆剂是否与碳纤维匹配。

实施例4

1.开启密封门4，选取HF40A-12K碳纤维上锭，固定在碳纤维退绕装置5上，纤维依次经瓷眼15，第一展纱辊12，加热管7，第二展纱辊13，第三展纱辊14，碳纤维与氮气出口2，第四展纱辊16，表面处理装置9，上浆装置10，干燥装置11，最后在纤维收卷装置6上收卷，要求纤维在穿插过程中，不能打卷。

2.关闭密封门4，在氮气入口3处通入氮气，在纤维与氮气出口2处检测氮气是否流出，同时检测壳体1是否存在漏气现象，确保壳体1无气体泄漏。

3.通入氮气10min后，开启加热管7，通过温控装置8，设定温度800℃，确保纤维表面上浆剂去除干净。

4.待温度升至800℃时，开启[14]表面处理装置。

5.在上浆装置10中添加稀释后的实验2#上浆剂，上浆剂稀释后固含为2.5%。

6.开启干燥装置11，设定干燥温度在80—150℃范围内（不同干燥区域内对应不同的干燥温度），确保纤维完全干燥，同时保证上浆剂不被破坏。

7.开启纤维收卷装置6进行收卷。

8.收卷完待测上浆剂上浆纤维后，关闭收卷装置6和上浆装置10，清洗上浆装置，更换实验4#上浆剂，上浆剂稀释后固含为2.5%。

9.重新开启收卷装置和上浆装置，设定干燥温度80-150℃区间，收卷新换上浆剂上浆纤维。

10.纤维工艺性能测量，对比2种不同上浆剂上浆后纤维的悬垂值、展纱性、毛丝 量、上浆量等性能，测试结果如下表

上浆剂	悬垂值（cm）	展纱前幅宽(cm)	展纱后幅宽（cm）	毛丝量（mg/m）	上浆量（%）	耐磨次数（次）
							实验2#浆	8.2	0.81	1.02	0.01	1.03	490
实验4#浆	3.6	0.98	1.55	0.11	1.02	102

从上表结果看出实验2#浆比实验4#浆更好的性能，通过该装置，结合纤维性能测试，能够直接评价一款上浆剂的性能。

本行业的技术人员应该了解，本实用新型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实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型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实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种碳纤维上浆剂评测装置，其特征在于：包括壳体、运输机构、加热装置和上浆机构，所述壳体上设有出口、惰性气体入口以及能承受高温的密封门，所述运输机构依次包括碳纤维退绕装置、多个展纱辊和碳纤维收卷装置，所述加热装置包括加热管，所述退绕装置、展纱辊和所述加热装置均置于所述壳体内部，所述上浆机构和所述收卷装置置于所述壳体外部，所述上浆机构依次包括表面处理装置、上浆装置和干燥装置，所述碳纤维通过所述展纱辊经所述出口连接所述上浆机构，并经所述上浆机构连接至所述收卷装置。

2.根据权利要求1所述的一种碳纤维上浆剂评测装置，其特征在于：多个展纱辊包括依次连接的第一展纱辊、第二展纱辊和第三展纱辊，所述退绕装置和所述第一展纱辊之间设有瓷眼，所述加热管设置在所述第一展纱辊和所述第二展纱辊之间，所述第三展纱辊和所述出口设置在同一水平线上。

3.根据权利要求2所述的一种碳纤维上浆剂评测装置，其特征在于：所述第三展纱辊和所述上浆机构之间设有第四展纱辊，所述第四展纱辊设置在所述壳体外，和所述出口设置在同一水平线上。

4.根据权利要求1所述的一种碳纤维上浆剂评测装置，其特征在于：所述加热装置还包括控制加热管的温控装置，所述温控装置通过线路连接电源。

5.根据权利要求1所述的一种碳纤维上浆剂评测装置，其特征在于：所述惰性气体入口处设有控制惰性气体流速的阀门。

6.根据权利要求1所述的一种碳纤维上浆剂评测装置，其特征在于：所述出口为扁平状，所述出口处设有可调节出口大小的密封滑盖。

7.根据权利要求1所述的一种碳纤维上浆剂评测装置，其特征在于：所述惰性气体入口和所述出口分别设置在所述壳体对角线的两端。

8.根据权利要求1所述的一种碳纤维上浆剂评测装置，其特征在于：所述惰性气体为氮气。

9.根据权利要求1所述的一种碳纤维上浆剂评测装置，其特征在于：所述加热管的直径为40-60mm，所述加热管的调节温度控制在20-1000℃。