TW201520386A - 連續性纖維絲束之處理設備及方法 - Google Patents

Abstract

本發明係一種連續性纖維絲束之處理設備，其包括退漿單元、展開與分散單元以及定型單元，該退漿單元係利用流體清洗方式使該纖維絲束退漿，該展開與分散單元包括交替設置的圓棒及張力制動羅拉以及張力制動器，該圓棒和張力制動羅拉係控制該纖維絲束與相鄰圓棒之間的接觸角度，該張力制動器係連接於各張力制動羅拉以調整各張力制動羅拉轉動時產生的張力，該定型單元係令該纖維絲束再上漿後乾燥。利用上述處理設備處理的纖維絲束具有降低且均勻的纖維分布密度，且有穩定且一致的纖維絲束幅寬，故能用於直接與熱可塑性塑膠製成熱可塑性複合材料或各種複合材料產品。

Description

連續性纖維絲束之處理設備及方法

本發明係關於一種連續性纖維絲束之處理方法，尤其是一種能夠降低纖維分布密度，並使纖維分布密度均勻，且獲得穩定且一致的纖維絲束幅寬之纖維絲束的方法。

本發明係關於一種連續性纖維絲束之處理設備，可使用於上述處理方法中，以達到更佳之效果。

所謂的纖維補強樹脂複合材料(fiber reinforced plastic composite)係以樹脂作為基材，而纖維作為補強材料的複合材料，常用的纖維補強樹脂複合材料包括玻璃纖維、碳纖維、硼纖維及克維拉(Kevlar)纖維等複合材料，例如，玻璃鋼(FRP)浴缸是最常見的玻璃纖維複合材料之應用，而碳纖維因其比重小，剛性與強度高，可取代金屬用於要求高剛性及輕量化兼顧之產品上，例如碳纖維網球拍、高爾夫球桿、腳踏車等，皆為常見的碳纖維複合材料，而且台灣曾是上述碳纖維產品於全世界生產量第一的國家；另外，由波音公司生產且被稱為夢幻飛機(dreamliner)的波音787(B787)，因要求續航力、節能與舒適感，是有始以來碳纖複合材料使用重量最大、比例最高及最著名的例子。

碳纖維環氧樹脂複合材料，為碳纖維應用於航太工業或運動器材最多之複合材料，具有連續性長纖維特性之複合材料製程為其最主 要的工法，其中使用碳纖維含浸環氧樹脂液之預浸步驟，能使樹脂分佈均勻且纖維充分浸潤，含浸工法可製成重量輕且高強度與高模數之碳纖維複合材料，以此法製成之碳纖維複合材料常用於取代金屬而達到減輕重量之效果。

製造碳纖維之原料主要有聚丙烯腈系、瀝青系及嫘縈系三種，其中以聚丙烯腈系具有高強度與低成本特性，其為最重要與產能也最大，因此以聚丙烯腈樹脂為原料的碳纖維，利用溶劑溶液之濕式紡絲法能將樹脂紡成很細之纖維(一般稱原絲)，其製程與成份與一般所熟知用於製作人造羊毛或地毯之壓克力棉相同，聚丙烯腈原絲再經1000至2000℃高溫氧化及碳化後，將成分中非碳之元素除去而形成具有含碳純度99%以上高強度、高模數之碳纖維，由於碳纖維之原絲，或碳化製程是以單位時間之產出長度(米/小時)當產能依據，當捲取機構數量固定時，生產小絲束規格之碳纖維，例如3K(1K等於1仟根)碳纖維，每一捲取機構單位時間產出之碳纖維重量為1公斤，則生產12K碳纖維之重量可達4倍(即4公斤)，此意味生產3K碳纖維之製程成本比12K高近4倍，若能生產24K或48K之大絲束碳纖維，製程成本將更低。聚丙烯腈原絲於抽絲時，是聚丙烯腈聚物溶液經過紡嘴至紡絲液固化而成絲狀物，12K原絲即為由12000個紡孔紡出之單絲纖維，經冷卻及後加工並集束成12K碳纖維，大於12K之24K，48K或80K之碳纖維稱為大絲束碳纖維。

大量工業化用於環氧樹脂含浸之碳纖維以12K為主，以纖維含浸樹脂液後呈具單方向纖維排列之半固化材料稱為單方向預浸料(unidirectional prepreg)，其具有不沾手又容易作積層之優點，為目前製造高性能碳纖維複合材料之重要二次加工品。預浸料之品質取決於纖維含浸樹脂，其必需能夠充分使纖維含浸而均勻分散或分佈於纖維中，而且樹脂要充分含浸，必須於樹脂黏度極低下進行含浸步驟，否 則樹脂無法滲入絲束間。現有之工法包括藉由添加溶劑使樹脂黏度降低的溶劑法，以及藉由加熱方式使樹脂黏度降低的熱熔膠法兩種，其中溶劑法成本低，但不具環保性，而熱熔膠法雖然成本高，但具環保性，且能得高品質之預浸料，為目前市場上主流的含浸工法。纖維是否能均勻分散或分佈取決於碳纖維需分散之纖維密度、分散工法及碳纖維之品質穩定性。

以環氧樹脂為基材之碳纖維複材料，因環氧樹屬熱固性塑膠，無法回收(recycle)再製造，而近年來因碳纖維的應用已逐漸擴至民生用途，如電子產品及汽車產業等，無法回收再製的問題迫使業者轉而開發熱塑性塑膠之碳纖維複合材料。一般泛用級之熱塑性塑膠，例如尼龍(Nylon)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚碳酯(PC)及聚丙烯(PP)等。然而，因熱塑性塑膠熔融時之黏度無法如環氧樹脂般具有很好的纖維滲透性，也無法以適當的溶劑使黏度降低，因此無法將環氧樹脂熱固性塑膠的含浸工法應用於熱塑性塑膠之碳纖維預浸料。故，單方向碳纖維熱可塑性複材預浸料為現今碳纖維產業急於研發之技術。

前述一般泛用級之熱可塑性塑膠因熔融時之黏度高，導致樹脂很難完全滲入絲束之纖維間隙，無法充填成具低空孔且樹脂分佈均勻的纖維補強塑膠。若要克服此問題，必須將樹脂黏度降低或使纖維分散得更易滲透。關於前者，雖然目前已有具有低黏度特性的航太高溫級樹脂，但其價格非常昂貴，非一般泛用級之價格可比擬，所以要符合民生工業可使用之階段仍有一段距離，因此發展後者-「使纖維分散得更易滲透」勢必較符合現階段之課題。

將較大碳纖維絲束(如12K，24K，48K及80K)於寬方向單纖分佈密度降低之方法可稱為纖絲束「展開與分散方法」，應用於傳統熱固性塑膠預浸料含浸法，或已發表之專利文獻如下：

1.傳統工法：

1-1熱固性塑膠熱熔膠法：主要藉助於導絲時之張力及與羅拉(roller)之摩擦力使絲束展開，並藉由纖維含浸時之羅拉擠壓樹脂帶動纖維往兩側流動，使得單纖分佈密度降低。如前述所言，其單纖分佈密度降低之50%為其極限制(12K碳纖維之分佈密度由15.75根單纖重疊降至7.87根)，需有樹脂帶動增加密度降低的幅度並減少纖維斷裂。

1-2溶劑法：僅藉助於導絲時之張力及與羅拉之摩擦力使絲束展開，因此摩擦力使絲束之幅寬變寬，也導致有大量之纖維斷裂且幅寬不一纖維分佈不均勻。

2.日本特許出願公開號(JP Patent No.)昭56-43435：將大絲束碳纖維以金屬圓棒藉由張力與摩擦力方式，於樹脂液中將絲束寬度變大與單纖分佈密度降低，由於樹脂液有潤滑作用，故可減少纖維斷裂，輔以圓棒之橫向振動可增加絲束寬度。因主要是靠張力及摩擦力作用，所以若纖維絲束出絲時之張力不穩定，將使絲束展開後之幅寬不穩定。

3.JP Patent No.平3-31823：碳纖維多絲束藉由具有多個羅拉圓棒之擴幅裝置，輔以軸向方向上振動，羅拉以錯位方式配置，並使纖維絲束呈30度到90度之出入角度，其缺點在於纖維絲束出絲時之張力不穩定，將使絲束展開後之幅寬不穩定且易造成大量之纖維斷裂。

4.JP Patent No.平1-282362：以超音波於纖維絲束方向振動，輔以高壓力之氣體，使絲束寬度變大與降低單纖分佈密度，其缺點為因纖維絲束向前之張力易使擴幅效果降低，因此無法利用於製作較大擴幅。

5.JP Patent No.昭57-77342：於纖維絲束行進方向之垂直方向，以氣體或液體之流體運動產生纖維絲束分散力量，促使絲束之幅 寬變大，並降低單纖分佈密度，其缺點為因纖維絲束向前之張力易使擴幅效果降降低，因此無法利用於製作較大擴幅，且幅寬難以穩定控制。

6.JP Patent No.昭52-151362：於纖維絲束行進方向之垂直方向，以噴出氣體或液體之流體力量分散纖維絲束，促使絲束之幅寬變大並降低單纖分佈密度，其缺點為纖維絲束向前之張力易使擴幅效果降低，因此無法利用於製作較大擴幅，且幅寬難以穩定控制，纖維易被吹亂。

7.US 2,244,203：其係利用一系列星形羅拉，靠打擊及振動作用而將纖維絲束擴幅，該星形羅拉另裝設有可撓曲性圓棍。

8.US 4,959,895：其係使用藉由共鳴器產生振動作用之數個羅拉而將纖維絲束擴幅，羅拉以上下交替配置及振動接觸，具有張力及剪力作用，將纖維集束劑進行破壞以達到展紗擴纖之功效。

9.US 3,704,485：其係使纖維絲束於鬆弛狀態下以聲波脈衝產生的空氣振動作用，而達到纖維絲束分散擴幅的效果。

10.CA 2,045,784：其係於音箱上方設置數對上下呈Z字交替之羅拉，並藉由聲波脈衝空氣產生振動作用以及Z字交替之路徑張力作用，而達到纖維絲束分散擴幅的效果。

11.JP Patent No.特開平7-145556：以在水中之超音波發振器產生振動，使碳纖維織物產生開纖作用。

12.US 6,094,791：此為Toray纖維絲束開纖製成預浸品之專利，其裝置特徵為(a)具有於軸向可振動之至少一個(數個)羅拉，(b)使用無振動之羅拉壓住振動羅拉向下輸出之纖纖束，(c)纖維絲束接觸非振動羅拉之長度至少為接觸振動羅拉之長度的2倍，另以50-180℃加熱軟化纖維絲束之集束劑，使纖維絲束易於被開纖。

13.WO 2005/002819 A2：其裝置特徵為(a)有一纖維絲束供絲 單元及一張力穩定裝置，纖維絲束出絲後經過一緊張及鬆弛交替之張力波動控制，(b)利用流體流動分散器，使鬆弛之纖維絲束因流體阻力弱化纖維間的接著，且因流體流動向下使纖維絲束向下彎曲，帶動纖維絲束擴纖作用及降低分佈密度，流體分散裝置可重複設置數個，(c)一張力可變設備可作為緊張及鬆弛交替之張力波動的控制，(d)流體流動分散器可設置浮動控制橋，其為中間凸出之圓柱形狀。

14.CN 1766196：其纖維絲束之擴纖裝置，特徵在於利用在圓周方向上相互平行地配設多個輥的驅動裝置，以驅動旋轉的輥籠，在施加張力狀態下，將纖維絲束纏繞在輥籠的周圍，當纖維絲束藉由和輥之間的摩擦進行擴纖，上述多個輥籠在蕊材周圍安裝自由伸縮之彈性管，該彈性管兩端連接到以可調節相對於輥籠之旋轉軸傾斜角的方式被安裝的端板上，輥籠浸漬在pH值為4-10的鹼金屬離子水中具更佳擴纖效果。

15.CN 1766197：其係揭露一種纖維絲束之擴纖裝置，特徵在於纖維絲束流送部具有限制纖維絲束流送位置的位置限制輥，該位置限制輥具有凸曲面部，且在該凸起面部上設置限制纖維絲束的擴纖寬度的一對凸緣，限制輥被支撐於可搖擺之臂的前端部上，可因纖維絲束偏移改變傾斜角位置，使纖維絲束返回中央。

16.CN 101680136：其係利用至少一個中凸彎曲之散佈棱作纖維絲束之擴幅散佈。

綜觀上述專利文獻所述之擴纖、展紗或將纖維絲束之纖維分佈密度降低之方法，不外乎以圓棒(或輥)進行張力法的分散、或以流體之流向力進行分散、或以振動之分散力進行纖維的分散。其中，圓棒之張力摩擦分散法具有很好的分散作用，但因纖維與圓棒表面摩擦使纖維大量斷裂，纖維絲束拉出時之張力無法穩定，分散後之纖維絲束寬度不一，無法得到單一纖維絲束寬度一致之高品質產品，僅能用於 傳統熱固性高纖維分佈密度之預浸產品；流體分散法或振動分散法於已知的專利技術中，大部份都是作為張力分散法的輔助方法，無法作為低纖維分佈密度製程之主要工法，若要得到分散後纖維絲束寬度一致的產品，必需有其他的輔助裝置作限制寬度化或作調整。對於要製造單一纖維絲束纖維分佈密低且均一之產品技術，大部份已知技術並沒有完整地提出可行之方法，因此業界仍在找尋一種可以應用於熱可塑性單方向預浸布的生產技術。

有鑑於此，本發明之目的係在於提供纖維絲束進行降低纖維分佈密度之擴纖(或展紗)的整體性解決方案，進而得到低纖維分佈密度之纖維絲束，使其所製成之產品具有高品質，即穩定且一致的纖維絲束幅寬以及均勻的纖維分佈密度。

為達上述目的，本發明提供一種連續性纖維絲束之處理設備，其包括：退漿單元，其包括清洗該纖維絲束的裝置；展開與分散單元，其包括一或多根圓棒、一或多個張力制動羅拉以及張力制動器，該圓棒和該張力制動羅拉係彼此相鄰設置，其中該圓棒係固定且無法轉動，而該張力制動羅拉係可移動且可轉動，使得該張力制動羅拉與相鄰之圓棒之間的距離為可調整，該張力制動器係連接於各張力制動羅拉，以調整各張力制動羅拉轉動時產生的張力；以及定型單元，其包括再上漿裝置以及乾燥裝置。

本發明亦提供一種連續性纖維絲束之處理方法，其包括使用上述處理設備進行以下步驟：提供纖維絲束；使用上述退漿單元使該纖維絲束以流體清洗方式退漿； 將退漿後之纖維絲束以上述展開與分散單元處理；以及將展開並分散後之纖維絲束送入上述定型單元中，並以該再上漿裝置使該纖維絲束再上漿，之後以該乾燥裝置使該纖維絲束乾燥而予以定型。

除非文中有另外說明，於本說明書中(尤其是在後述專利申請範圍中)，所使用之「一」、「該」及類似用語應理解為包含單數及複數形式。另，為明確起見，圖式中可能誇示各元件及區域的尺寸，而未按照實際比例繪示。

請參看圖1，本發明之一種連續性纖維絲束之處理設備，其依照纖維絲束的行進方向包括：供絲單元1；其依照纖維絲束F的行進方向設有固定裝置11、導絲羅拉12以及導絲孔13，其中該固定裝置11具有張力控制器；退漿單元2，其包括至少二導絲羅拉組21/22、張力調整羅拉23以及至少二噴灑裝置24，該等導絲羅拉組21/22分別設置於該退漿單元2的進料口與出料口，各導絲羅拉組21/22包括上羅拉及下羅拉，該張力調整羅拉23係設置於分別位在進料口與出料口的導絲羅拉組21/22之間，而該噴灑裝置24則係設置於該等導絲羅拉組21/22與該張力調整羅拉23之間，各噴灑裝置24具有輸出流體的噴嘴25，該流體可為液體或蒸氣形式的水或有機溶劑；展開與分散單元3，其設有裝有溶液32的溶液槽31、至少三根圓棒33a，33b，33c、至少二個張力制動羅拉34a，34b及34c以及張力制動器35，該溶液32可為水或加入界面活性劑，該等圓棒33a，33b，33c和該等張力制動羅拉34a，34b及34c係交替設置，其中該等圓棒33a，33b，33c係固定且無法轉動地設置在該溶液32之液面上或部分浸入溶液32中，而該等張力制動羅拉34a，34b及34c係可移動且可轉 動地設置在該溶液32之液面下，使得該張力制動羅拉34a，34b及34c與相鄰之圓棒33a，33b，33c之間的距離為可調整，使得該纖維絲束F與相鄰圓棒33a，33b及33c之間的接觸角度為大於90度並小於180度，較佳為105度至165度之間，該張力制動器35係連接於各張力制動羅拉34a，34b及34c，以調整各張力制動羅拉34a，34b及34c轉動時產生的張力；定型單元4，其包括再上漿裝置40、乾燥裝置50、至少二加壓導絲羅拉組44a/44b以及導絲滾輪組44c，該再上漿裝置40包括裝有定型液42之再上漿槽41以及上漿羅拉43，該定型液42為水溶性之壓克力樹脂、環氧樹脂或聚脲酯樹脂或者非水溶性之溶劑型熱可塑性粉體或單體溶液，該上漿羅拉43係設置該再上漿槽41內，且至少部分浸於該定型液42中；該乾燥裝置50包括熱源以及大型輥筒51/52，該熱源可為烤箱、熱板、紅外線加熱器或黃金燈管等，該大型輥筒51/52係設置於該熱源可照射之範圍內，且其外徑為50cm以上，較佳的是60至80cm；該等加壓導絲羅拉組44a/44b係設置於該定型單元4之進料口以及該再上漿裝置40及該乾燥裝置50之間，各加壓導絲羅拉組44a/44b包括上羅拉及下羅拉，該導絲滾輪組44c包括上羅拉及下羅拉，其係設置於該定型單元4之出料口，以將定型後之纖維絲束F傳送至下一單元；以及捲取單元6，其包括滾筒，以令定型後之纖維絲束F捲製成纖維絲束絲卷7。

其中，該纖維絲束包括用以製作纖維補強樹脂複合材料的碳纖維、玻璃纖維、克維拉(Kevlar)纖維、玄武岩纖維、芳香族聚醯胺纖維等；較佳的纖維絲束為碳纖維。

本發明亦提供一種連續性纖維絲束之處理方法，其包括以下步驟： 供絲步驟：其係提供纖維絲束，較佳的是使用上述供絲單元提供纖維絲束；退漿步驟：將該纖維絲束以流體清洗方式退漿，該流體包括液體或蒸氣形式之水或有機溶劑，該流體清洗方式為以噴出式的流體清洗、以非噴出式的流動流體浸泡清洗、直接沖洗的方式、或以非噴出式在退漿槽內以具有渦流產生裝置之渦流水流清洗，較佳的是使用上述退漿單元使該纖維絲束退漿或以非噴出式在退漿槽內以具有渦流產生裝置之渦流水流清洗；展開與分散步驟：將退漿後之纖維絲束展開與分散，較佳的是使用上述展開與分散單元處理該纖維絲束；定型步驟：將該纖維絲束再上漿，而後乾燥予以定型，較佳的是將展開並分散後之纖維絲束送入上述定型單元中，並以該再上漿裝置使該纖維絲束再上漿，之後以該乾燥裝置使該纖維絲束乾燥而予以定型；以及捲取步驟：將定型後之纖維絲束捲製成纖維絲束絲卷，較佳的是使用上述捲取單元將定型後之纖維絲束捲製成纖維絲束絲卷。

本發明較佳地係以上述連續性纖維絲束之處理設備進行。

連續性纖維絲束：

本發明以碳纖維為例，碳纖維碳化後之12K碳纖維絲束，成品之寬度約為5.333mm(5333μm)，纖維分佈密度為12000根除以5333μm，相當於1μm寬有2.250根碳纖維單纖，又單纖細度(直徑)約為7μm，因此理論上有15.75根單纖重疊，12K碳纖絲束之理論厚度為110.25μm(7μm x 15.75=110.25μm)。

退漿：

以熱熔膠法12K碳纖維(每公尺長0.8克重)之環氧樹脂預浸料而言，製成每平方公尺150.0克之預浸料，相當於碳纖維絲束未有被擴 大之纖維分佈密度，15.75根單纖重疊，即由187.5條12K碳纖維絲束組成1公尺寬，換算每米平方重量=0.8克/公尺x187.5=150.0克/平方公尺。實際上，12K碳纖維絲束可被作成125克/平方公尺，100克/平方公尺，75克/平方公尺之預浸料，纖維分佈密度各被分散為13.125、10.5與7.875根單纖重疊，換算成單絲束寬度為6.4mm，8.0及10.666mm，以12K碳纖維要製作更低之纖維密度預浸料相當困難，例如50克/平方公尺，纖維分佈密度5.25根，單絲束寬度16.0mm.30克/平方公尺，纖維分佈密度3.15根，單絲束寬度26.67mm，若無特殊之技術，絕對無法得到均勻之分散密度。

以12K之碳纖維絲束而言，從抽絲到碳化完成之製程中，纖維從模數及強度很低的原絲，到最終成品具有很高的模數及強度，高模數會使得纖維變得很脆，任何摩擦、扭曲或彎折都會使纖維斷裂，因此碳纖維絲束成卷前都會作集束或表面潤滑加工的上漿工程，上漿的目的就是方便碳纖維於複合材料製程加工時，減少碳纖維斷裂及易於樹脂滲透及結合，上漿工程為碳纖維製程中的關鍵技術之一。通常碳纖維之上漿率低於3%，上漿率愈低纖維愈易於後加工時被分散，上漿率愈高則纖纖耐磨性愈佳，纖維愈不易斷裂，控制碳纖維於後加工易於被分散又不易斷裂，乃上漿劑之技術所在。

因此，若要將纖維絲束進行纖維分散，首先必須將漿料去除或降至最低，以利纖維被分散。故，本發明之方法含有將漿料去除的步驟或降低濃度之裝置，稱為退漿單元。

該退漿單元之特徵係設有可噴出流體之噴灑裝置，藉著噴出流體方式使得纖維絲束之漿料去除或至少降低漿料含量，此流體可為液體或蒸氣形式的水或有機溶劑，該有機溶劑可為酮類、烷類等，酮類如常用之丙酮或甲乙酮等，烷類如二氯甲烷或三氯甲烷等，若利用非噴出式的流動流體浸泡或沖洗方式，亦有相同之功效。為了得到穩定 的纖維絲束寬度，在纖維絲束退卷(unwinding)拉出之固定裝置上，設有可調整張力之控制器以利絲束送出時之穩定性。

展開及分散：

纖維絲束經過退漿步驟後，纖維絲束變得更易被分散，所以此時將纖維絲束進行展開及分散之步驟，使得纖維絲束的纖維密度降低，本案提供一種「展開與分散單元」，其係利用多根圓棒與張力制動羅拉組合之張力分散法，其特徵為在纖維絲束之展開分散過程中，於該裝置中加入如水或添加有界面之水的溶液，使得纖維絲束在該溶液的浸潤下展開與分散，本案所提供之展開與分散單元的特徵亦在於圓棒與張力制動羅拉之排列及數量配置，其中該圓棒數量至少有3個，該張力羅拉數量至少有2個，而圓棒與張力制動羅拉以交替方式配置，其中該圓棒為不轉動之固定式裝置，而該張力制動羅拉不限制為轉動或固定，該張力制動羅拉之特徵為具有可向上或向下移動以調整與相鄰圓棒之距離，以作為控制纖維絲束與相鄰圓棒接觸角度的方法，當纖維絲束與固定不轉動之圓棒接觸角度愈大，則摩擦力愈大，相對於纖維絲束受到之正向力則愈大，而纖維絲束受到如同被往下壓之力量愈大，則纖維絲束將會往幅寬之兩側移動，致使纖維絲束被分散使幅寬變大，纖維分佈密度變小。該張力制動羅拉之張力為可調整的，當張力調大時，纖維絲束與羅拉表面之摩擦力愈大，纖維絲束就愈易被展開與分散。

纖維絲束與相鄰圓棒之間的接觸角度是在本發明設備開機稼動前進行調整，而張力制動羅拉的張力調整則是在本發明設備稼動時所進行，其中前者(即接觸角度調整)為纖維絲束展開與分散的主要控制因子，後者(張力制動羅拉之張力調整)則為輔助調整。藉由上述二者的調整，可以使纖維絲束展開與分散後獲得穩定之幅寬及均勻的纖維分佈密度。

圓棒與張力制動羅拉的數量愈多，則愈易穩定且漸進地將纖維絲展開、分散。纖維絲束展開後，由於絲束受到往前之張力，使展開後之絲束很容易又縮回原來之絲束寬度，為了防止絲束寬度回復原來之寬度，於展開圓棒之後，可設置一組上下羅拉彼此接觸且自由轉動之加壓導絲羅拉組，藉由上羅拉之壓力阻止纖維絲束展開後回復原來之寬度。

定型：

由於本發明之目的係在於將纖維絲束展開並分散以得到纖維分佈密度很低但均勻且幅寬穩定的纖維絲束，進而可將此絲束很容易地與熱可塑性塑膠結合，而製成纖維複合材料。因此當絲束展開後，必須於後續各種加工製程中能保持此穩定之寬度。為了有利於後續加工，本發明尚提供定型步驟或「定型單元」，此步驟/裝置包含再上漿步驟/裝置及乾燥步驟/裝置。

該再上漿裝置有再上漿槽及上漿羅拉，纖維絲束展開分散後，經過再上漿槽，使其含浸於稀薄的定型液中，而後輸送至該乾燥裝置中，經過大型輥筒表面，使纖維絲束乾燥以固定幅寬。

幅寬被固定後的纖維絲束最後還可利用捲取單元捲取成類似膠卷之纖維絲束絲卷。纖維絲束絲卷可用於直接與熱可塑性塑膠含浸成預浸帶，該預浸帶可以纒繞法製成熱可塑性複合材料，或以編織成織物的方式應用於各種複合材料產品。

上述定型液可為水溶性或非水溶性溶液，若為單純之定型再上漿率以5%以下為較佳，水溶性定型液可為水溶性環氧樹脂、水溶性壓克力樹脂、或水溶性聚脲酯樹脂；非水溶性定型液通常以有機溶劑作為溶劑，以溶解特定之熱固性樹脂，一方面作為纖維表面之界面處理劑，另一方面則作為定型劑使用。水溶性定型液也會考慮作為使纖維易於與塑膠結合之界面處理劑使用。

上述定型液的選擇可根據後續形成複合材料時，與該纖維絲束結合的塑膠材料種類而定，因為定型液會影響該纖維絲束與塑膠材料之間的界面結合，因此，若欲製造高品質之複合材料，就必須選擇正確的定型液。

經展開與分散的纖維絲束再上漿後，即使在烘烤乾燥之過程中，仍然會因纖維絲束向前拉之張力影響，導致展開後之絲束寬度變小，或呈不穩定之變化，所以若使用傳統之烤箱烘烤方式，在纖維絲束烘烤過程中並無提供握持力或固定的裝置，因此無法確保纖維絲束之幅寬不會產生不穩定之變化。為了克服此不利品質之生產方式，本發明提供可穩定纖維絲束之乾燥裝置，其特徵係使用大型輥筒表面輸送纖維絲束向前進，而該纖維絲束再上漿後被導入該大型輥筒，並服貼於大型輥筒表面，當大型輥筒轉動時，纖維絲束被向前輸送，此時於大型輥筒之周圍或內部提供熱源，使纖維絲束被輸送前進之同時被烘烤乾燥，由於纖維絲束服貼於大型輥筒表面進行乾燥且同時前進，所以纖維絲束在烘烤過程中並無前進張力，使得纖維絲束幅寬不會變小或呈不穩定之變化。以本發明之12K碳纖維作幅寬16mm展開與分散生產，或24K碳纖維作幅寬26mm展開與分散生產，其公差可控制在+/-1mm以內，符合後續加工之品質的要求。

實例：

本發明連續性纖維絲束之處理設備的具體實施方式，請再請參看圖1所示，供絲單元1係將纖維絲束F固定於固定裝置11，該固定裝置11具有固定的張力控制器，可使得該纖維絲束F被拉出時保持固定且穩定的張力，而後該纖維絲束F經由導絲羅拉12及導絲孔13而輸出供絲單元1時，可以避免該纖維絲束F不穩定地被拉出或產生張力不穩定狀態。

為確保纖維絲束F進入或離開退漿單元2之時有穩定的張力以及固 定的纖維絲束F寬度，於該退漿單元2的進料口和出料口各設有一對導絲羅拉21/22，該等導絲羅拉組21/22係分別設置於該退漿單元2的進料口與出料口，該進料口係接受由該供絲單元1之導絲孔13而來的纖維絲束F，而該出料口則係將纖維絲束F傳送出該退漿單元2，並前往後展開與分散單元3。纖維絲束F於絲束製造過程中，難免會有捲取時之張力變化，因此須於此退漿單元2中設置張力調整羅拉23，張力調整為大時，可以增加絲束之展開或分散，反之張力小時不易被展開或分散。退漿單元2主要設有2個或以上之噴灑裝置24，其上有噴嘴25，可藉由輸入流體及供壓使噴嘴25噴出流體26，該流體26可為液體或蒸氣形式的水或有機溶劑，由於纖維絲束F之集束劑通常為水溶性，因此使用水則成本較低，但蒸氣具有較高之溫度，因此退漿之效果較好。當纖維絲束F經過退漿單元2後，其附著於纖維絲束F表面之集束劑漿料大部份都可洗去。

而後，纖維絲束F進入展開與分散單元3時，將易於被分散及展開。本發明之展開與分散單元3，主要設置有至少三根圓棒33a，33b及33c與至少二個張力制動羅拉34a，34b及34c，每一圓棒為無法轉動而固定之裝置，而該張力制動羅拉34a，34b及34c則可調整，以控制與相鄰之圓棒33a，33b及33c之距離，如34b與33b及33c之距離，以便使33b及33c與纖維絲束F之接觸角度變大或變小(請參看圖2及圖3)，相同之情形如34c與33b及33c，該張力制動羅拉34a，34b及34c被設計與相鄰圓棒33a，33b及33c之距離漸進變大，以便使圓棒33a，33b及33c與纖維絲束F之間所呈之接觸角度逐漸變大，較佳的是在105度至165度之間，此種逐漸加大接觸角度之目的在於逐漸加大纖維絲束F被展開與分散之張力。其中圓棒33a，33b及33c與張力制動羅拉34a，34b及34c之外徑尺寸為10-60mm，圓棒33a，33b及33c的較佳外徑尺寸為具有20-40mm。張力制動羅拉34a，34b及34c的較佳外徑尺寸為 具有25-45mm。

該張力制動羅拉34a，34b及34c連接張力制動器35，可線上調整該張力制動羅拉34a，34b及34c之張力，當張力調大時，纖維絲束F與該張力制動羅拉34a，34b及34c表面之摩擦力愈大，纖維絲束F愈易被展開與分散。如果該張力制動羅拉34a，34b及34c不受纖維絲束F前進之張力轉動而靜止時，其作用與圓棒33a，33b及33c之功能相同，纖維絲束F與相鄰圓棒33a，33b及33c之間的接觸角度是在本發明設備開機稼動前進行調整，而該張力制動羅拉34a，34b及34c的張力調整則是在本發明設備稼動時所進行。纖維絲束F之張力變大時，可以迫使纖維絲束F與不具轉動之圓棒33a，33b及33c，產生摩擦力，因表面摩擦力作用對纖維絲束F產生正向力，等同給予該纖維絲束F一種擠壓之力量，纖維絲束F被擠壓後，無法往下流動或變形，導致纖維絲束F往幅寬方向，即兩側方向流動，此種力學作用使纖維絲束F展開或分散，張力愈大，則纖維絲束F被分散的愈寬，纖維分佈密度就愈小，以1200根(12k)碳纖維絲束而言，未被展開或分散前之纖維絲束寬度約為5.3mm，經本發明設備分散與展開後可至幅寬16mm，以一根單纖之直徑7μm計算，意味原本之纖維絲束有15.75根纖維重疊，經過該展開與分散單元3後，其纖維僅有5.25根重疊。為了減少纖維絲束F因摩擦力因素發生嚴重的纖維斷裂，所以本發明特別將展開與分散作用設置在溶液32中進行，溶液32可為水，或加入少許之界面活性劑增加潤滑作用防止纖維斷裂。圓棒33a，33b及33c組之設置位置以全部沒入溶液32為最佳，或可調整接觸角度之圓棒33a，33b及33c沒入溶液32中，而固定圓棒33a，33b及33c在液面上亦有相似之效果。為了展開與分散後之纖維絲束F寬度，不會再縮回去而使幅寬變小，故於該展開與分散單元3以及定型單元4之交界處設置二對加壓導絲羅拉組44a，該等加壓導絲羅拉組44a可自由受張力牽引而轉動，上羅拉施予 一定壓力以確保纖維絲束F之幅寬不變小。

本發明為了有利於後段之含浸加工(即為了能使纖維絲束F在複合材料製程中與熱可塑性塑膠充分含浸)，因此有必要將已展開與分散之纖維絲束F固定，以確保後段之製程能達到穩定且均勻之含浸品質，故本發明使用定型單元4，使纖維絲束F之幅寬固定。該定型單元4包括再上槳裝置40與乾燥裝置50，纖維絲束F展開分散後經過再上槳裝置40，即經過再上漿槽41，藉由上漿羅拉43使纖維絲束F在前進的同時含浸於定型液42中，而後再經由二對加壓導絲羅拉組44b，將多餘之定型液42擠出。此定型液42一般之上漿率係控制在5%以下即有很好的定型效果，配合後段熱可塑性塑膠含浸，具有良好的接著界面，該定型液42可選擇水溶性之壓克力樹脂、環氧樹脂或聚脲酯樹脂等，端視能否與後段之塑膠接著；亦可採用非水溶性之溶劑型熱可塑性粉體或單體溶液當定型液42使用。纖維絲束F經定型液42含浸後，須使纖維絲束F經過該乾燥裝置50，以熱烘烤方式將溶劑揮發乾燥，該乾燥裝置50包括有熱源供應之烤箱、熱板、紅外線加熱器或黃金燈管等，該熱源使溶劑揮發即能使纖維絲束F乾燥而固定幅寬。為確保纖維絲束F之幅寬不再變化，本發明係使用大型輥筒51/52表面輸送纖維絲束F前進(請附加參看圖4)，即已含定型液42之纖維絲束F被導入且服貼於該大型輥筒51/52之表面，當大型輥筒51/52轉動時，纖維絲束F被向前輸送，並於大型輥筒51或52之周圍，以如電熱管加熱或內部蒸氣等提供熱源的方式，使纖維絲束F在往前輸送的同時被烘烤乾燥，因纖維絲束F服貼於大型輥筒51/52之表面乾燥與同時前進，纖維絲束F烘烤過程無前進張力，纖維絲束F幅寬不會變小或呈不穩定之變化。其中大型輥筒51/52之外徑為50cm以上，較佳的是60至80cm。

最後已乾燥之纖維絲束F經一捲取單元6，將已展開且分散之纖維絲束F捲製成如同膠卷般之絲捲7。該纖維絲束絲卷7可用於直接與熱 可塑性塑膠含浸成預浸帶，預浸帶可利用纒繞法製成熱可塑性複合材料。絲卷7或預浸帶也可以用織造方式織成2D之織物，此熱可塑預浸織物以疊層方式製成的複合材料具有高性能熱可塑複合材料之特性。

F‧‧‧纖維絲束

1‧‧‧供絲單元

2‧‧‧退漿單元

3‧‧‧展開與分散單元

4‧‧‧定型單元

5‧‧‧乾燥裝置

6‧‧‧捲取單元

7‧‧‧絲捲

11‧‧‧固定裝置

12‧‧‧導絲羅拉

13‧‧‧導絲孔

21，22‧‧‧導絲羅拉組

23‧‧‧張力調整羅拉

24‧‧‧噴灑裝置

25‧‧‧噴嘴

31‧‧‧溶液槽

32‧‧‧溶液

33a，33b，33c‧‧‧圓棒

34a，34b，34c‧‧‧張力制動羅拉

40‧‧‧再上漿裝置

41‧‧‧再上漿槽

42‧‧‧定型液

43‧‧‧上漿羅拉

44a，44b‧‧‧加壓導絲羅拉組

44c‧‧‧導絲滾輪組

51，52‧‧‧大型輥筒

圖1係本發明連續性纖維絲束之處理設備之示意圖。

圖2係本發明展開與分散單元中之圓棒及張力制動羅拉呈較小接觸角的示意圖。

圖3係本發明展開與分散單元中之圓棒及張力制動羅拉呈較大接觸角的示意圖。

圖4係本發明定型單元中之大型輥筒輸送纖維絲束的示意圖。

F‧‧‧纖維絲束

1‧‧‧供絲單元

2‧‧‧退漿單元

3‧‧‧展開與分散單元

4‧‧‧定型單元

5‧‧‧乾燥裝置

6‧‧‧捲取單元

7‧‧‧絲捲

11‧‧‧固定裝置

12‧‧‧導絲羅拉

13‧‧‧導絲孔

21，22‧‧‧導絲羅拉組

23‧‧‧張力調整羅拉

24‧‧‧噴灑裝置

25‧‧‧噴嘴

31‧‧‧溶液槽

32‧‧‧溶液

33a，33b，33c‧‧‧圓棒

34a，34b，34c‧‧‧張力制動羅拉

40‧‧‧再上漿裝置

41‧‧‧再上漿槽

42‧‧‧定型液

43‧‧‧上漿羅拉

44a，44b‧‧‧加壓導絲羅拉組

44c‧‧‧導絲滾輪組

51，52‧‧‧大型輥筒

Claims (20)

1. 一種連續性纖維絲束之處理設備，其包括：退漿單元，其包括清洗該纖維絲束的裝置；展開與分散單元，其包括一或多個圓棒、一或多個張力制動羅拉以及張力制動器，該圓棒和該張力制動羅拉係彼此相鄰設置，其中該圓棒係固定且無法轉動，而該張力制動羅拉係可移動且可轉動，使得該張力制動羅拉與相鄰之圓棒之間的距離為可調整，該張力制動器係連接於各張力制動羅拉，以調整各張力制動羅拉轉動時產生的張力，藉由調整該張力制動羅拉與圓棒之距離以控制圓棒與纖維絲束之接觸角度；以及定型單元，其包括再上漿裝置以及乾燥裝置。
2. 如請求項1之處理設備，其進一步包括供絲單元，其係設置於該退漿單元之前，該供絲單元依照該纖維絲束的行進方向依序設有固定裝置、導絲羅拉以及導絲孔，其中該固定裝置具有張力控制器。
3. 如請求項1之處理設備，其進一步包括捲取單元，其係設置於該定型單元之後，該捲取單元包括將纖維絲束捲製成纖維絲束絲卷的滾筒。
4. 如請求項2之處理設備，其進一步包括捲取單元，其係設置於該定型單元之後，該捲取單元包括將纖維絲束捲製成纖維絲束絲卷的滾筒。
5. 如請求項1至4中任一項之處理設備，其中該退漿單元中清洗該纖維絲束的裝置包括裝有流體的噴灑裝置，以令該流體由該噴灑裝置噴出而清洗該纖維絲束。
6. 如請求項5之處理設備，其中該退漿單元進一步包括至少二導絲 羅拉組以及張力調整羅拉，該等導絲羅拉組分別設置於該退漿單元的進料口與出料口，各導絲羅拉組包括上羅拉及下羅拉，該張力調整羅拉係設置於分別位在進料口與出料口的導絲羅拉組之間，而該噴灑裝置的數量至少為二，分別設置於該導絲羅拉組與該張力調整羅拉之間。
7. 如請求項1至4中任一項之處理設備，其中該展開與分散單元之圓棒至少為三根，而該張力制動羅拉至少為兩個，該等圓棒和該等張力制動羅拉係交替設置，其中該圓棒與該張力制動羅拉之外徑尺寸為10-60mm。
8. 如請求項7之處理設備，其中該圓棒之外徑尺寸為20-40mm，該張力制動羅拉之外徑尺寸為25-45mm。
9. 如請求項7之處理設備，其中該展開與分散單元進一步包括裝有溶液的溶液槽，其中該等張力制動羅拉係設置於該溶液之液面下，該溶液為水或添加有界面活性劑的水。
10. 如請求項1至4中任一項之處理設備，其中該張力制動輥輪與相鄰之圓棒之間的距離係調整為使得該纖維絲束與相鄰圓棒之間的接觸角度為大於90度並小於180度。
11. 如請求項10之處理設備，其中該張力制動羅拉與相鄰之圓棒之間的距離係調整為使得該纖維絲束與相鄰圓棒之間的接觸角度在105度至165度之間。
12. 如請求項1至4中任一項之處理設備，其中該定型單元之再上漿裝置包括裝有定型液之再上漿槽以及上漿羅拉，該上漿羅拉係設置於該再上漿槽中，且至少部分浸於該定型液中，該乾燥裝置包括令該纖維絲束乾燥之熱源。
13. 如請求項11之處理設備，其中該定型單元進一步包括至少二加壓導絲羅拉組以及導絲滾輪組，其係分別設置於該定型單元之進 料口以及該再上漿裝置及該乾燥裝置之間，各加壓導絲羅拉組包括上羅拉及下羅拉，該導絲滾輪組包括上羅拉及下羅拉，其係設置於該定型單元之出料口，而該定型單元之乾燥裝置進一步包括大型輥筒，其外徑為50cm以上。
14. 如請求項13之處理設備，其中大型輥筒之外徑係在60至80cm之間。
15. 如請求項12之處理設備，其中該定型液為水溶性之壓克力樹脂、環氧樹脂或聚脲酯樹脂或者非水溶性之溶劑型熱可塑性粉體或單體溶液；該熱源為烤箱、熱板、紅外線加熱器或黃金燈管。
16. 如請求項1至4中任一項之處理設備，其中該纖維絲束係選自於由碳纖維、玻璃纖維、克維拉(Kevlar)纖維、玄武岩纖維及芳香族聚醯胺纖維所組成之群。
17. 一種連續性纖維絲束之處理方法，其包括使用請求項1至16中任一項之處理設備進行以下步驟：提供纖維絲束；使用上述退漿單元使該纖維絲束以流體清洗方式退漿；將退漿後之纖維絲束以上述展開與分散單元處理，藉由調整該張力制動羅拉與圓棒之距離以控制圓棒與纖維絲束之接觸角度；以及將展開並分散後之纖維絲束送入上述定型單元中，並以該再上漿裝置使該纖維絲束再上漿，之後以該乾燥裝置使該纖維絲束乾燥而予以定型。
18. 如請求項17之處理方法，其中該提供纖維絲束之步驟係使用上述供絲單元提供纖維絲束。
19. 如請求項17或18之處理方法，其中在該纖維絲束乾燥後進一步 使用上述捲取單元將定型後之纖維絲束捲製成纖維絲束絲卷。
20. 如請求項16之處理方法，其中該退漿步驟係以非噴出式在退漿槽內以具有渦流產生裝置之渦流水流清洗該纖維絲束。