TWI565599B

TWI565599B - 碳纖維墊片及其結合方法

Info

Publication number: TWI565599B
Application number: TW105110329A
Authority: TW
Inventors: 鄭益慶; 賴俊翰; 宋柏震; 吳昌謀; 賴玟佑; 林柏均
Original assignee: 昱程科技股份有限公司
Priority date: 2016-03-31
Filing date: 2016-03-31
Publication date: 2017-01-11
Also published as: TW201733789A

Description

碳纖維墊片及其結合方法

一種碳纖維墊片，特別是一種含有非連續性碳纖維之碳纖維墊片。

墊片對於許多的機械結構而言，是不可或缺的必要零件，例如用於鎖合緊固、防止鬆脫的金屬墊片、平墊片，又如用於迫緊防漏的彈簧墊圈/片，或元件轉動所需套設的一轉動墊片等等均是。釣魚捲線器中的轉動墊片即是範例之一，現有的釣魚捲線器所使用的墊片因使用過程中，該轉動墊片須承受極高的高速轉動摩擦、或者甚至可能需要輔助制動，因此該轉動墊片之耐磨耗性、自潤性、耐高溫性均有極高的要求。現階段傳統用於釣魚捲線器或其他類似用途的墊片，主要為金屬基或複材基兩種，金屬基有其熱傳導相對較優異的優勢，但是在與其他零件使用配合上可能產生金屬熱脹冷縮等新的問題；複材基轉動墊片則為使用多層連續纖維織布疊合形成，請參考圖8，連續的纖維容易因為使用過程中因為局部纖維斷裂，使得整體編織結構連帶鬆脫或脫層，以致減少使用壽命。

為了解決上述，本發明開發一種碳纖維墊片，其含有利用非連續的碳纖維編織而成的碳纖維墊片，當碳纖維墊片的非連續碳纖維局部磨損斷裂時，不會影響其他碳纖維造成結構鬆脫或脫層，以增加使用效期。

本發明是一種碳纖維墊片，其包含以複數個纖維束交錯編織而成的一碳纖維布，每個該纖維束係由複數個非連續纖維形成。

其中，兩個或兩個以上之該碳纖維布間設有一接著材，該接著材局部滲入或含浸於該碳纖維布之纖維間，該碳纖維墊片之外表面至少局部未滲有或未含浸該接著材。

其中，該碳纖維布之碳化率介於10%~95%之間。

其中，該接著材含浸於該碳纖維墊片間之含浸率介於40%～80%。

其中，該接著材為熱塑型樹脂或熱固型樹脂，該非連續碳纖維為聚丙烯腈系纖維碳化形成。

其中，該熱塑型樹脂係聚酯類或聚碸類樹脂，該熱固型樹脂係環氧樹酯系列或酚醛系列樹脂。

其中，兩該碳纖維墊片進一步與一支撐材形成一層疊結構，兩該碳纖維片設於該層疊結構之外側。

其中，支撐材是該碳纖維墊片、薄纖布、玄武岩布或玻璃纖維布之任一或其組合。

本發明進一步提供一種碳纖維墊片的結合方法，其步驟包含：(1)取兩個或兩個以上之碳纖維布，該碳纖維布係以複數個纖維束交錯編織而成，每個該纖維束係由複數個非連續纖維形成；(2)施予特定厚度之一接著材於該碳纖維布間並疊合；以及(3)將疊合後之該碳纖維布及該接著材結合形成該碳纖維墊片，該接著材局部滲入或含浸於該碳纖維布之纖維間，該碳纖維墊片之外表面至少局部未滲有或未含浸該接著材。

上述該碳纖維墊片的結合方法，進一步包含該接著材係以膜片疊層、塗佈或噴灑之方式施於該碳纖維墊片上；疊合後之該碳纖維布及該接著材係以熱壓方式結合形成該碳纖維墊片。

透過上述說明可知，本發明具有以下優點：

1.本發明之碳纖維墊片除了具有耐高溫、耐疲勞及高耐候的優點外，設於最外層的該碳纖維墊片維持短纖維、非連續纖維外露之型態，使本發明於使用時，可具有相較於現有技術更佳的自潤、耐磨耗之技術功效。

2.本發明利用非連續的碳纖維編織而成，當局部的碳纖維斷裂磨耗時，不會影響其他部分的非連續纖維，不易造成結構鬆脫或脫層的問題，增加使用效能及時間。

3.本發明不同碳化率之該碳纖維墊片可廣泛應用於各領域當中，例如高碳化率之碳纖維墊片可應用於汽車變速箱、釣魚捲線器等齒輪需要高速傳動之機構中，而中等碳化率之碳纖維墊片可應用於食品級機械等齒輪轉速需求較低之機器中，取代一般齒輪間需添加潤滑油而造成潤滑油殘留於食品中的問題，而較低碳化率之碳纖維墊片則可應用於轉速更低的機械齒輪墊片或是螺瑣之間的一般墊片。

本發明包含由複數個纖維束111交錯編織而成的一碳纖維布11，每個該纖維束111係由複數個非連續纖維1111形成。較佳地，該複數個經緯交錯編織的該纖維束111係以經緯方向上下交錯編織而成，如圖1～圖4之電子顯微鏡（SEM）觀察圖所示。

製造該碳纖維布11的製造方法一較佳實施例步驟如下：

（1）取複數非碳化之非連續纖維予以撚合、抱合成束、成線；該非連續纖維可以是聚丙烯腈系列纖維。

（2）將成束的該非碳化之非連續纖維以各種不同的編織紋路或形式編織成為一非碳化纖維布，該非碳化纖維布之編織方法不限定，但較佳以無梭編織形式，例如平織，藉此降低該非碳化纖維布於形成該碳纖維墊片10後，於使用過程時產生橫向剪切力之阻斷傳導效果，大幅降低使用破壞的問題。

（3）將該非碳化纖維布以400 ^oC～3500 ^oC之溫度範圍碳化，形成一碳纖維布11，較佳地，該碳纖維布11之碳化率介於10％～95％。

請參考圖3～圖4，本發明第一較佳實施例係以上述製造方法所製得的該碳纖維布11兩兩疊合所形成之層疊結構，兩兩該碳纖維布11間利用一接著材20予以固定結合，該接著材20可以是熱塑性樹脂，如聚酯、聚碸等，或亦可為熱固性樹脂，如環氧樹脂、酚醛樹脂等。施作前述該碳纖維布11及該接著材20間的黏著、接著步驟時，可利用熱壓機以介於 45～250公斤/平方公分之壓力及≦350 ^oC的溫度，將該碳纖維布11與特定厚度之片狀支撐材20疊合後熱壓黏合，使該接著材20局部含浸、滲入該碳纖維布11的纖維中，如圖3～圖4所示，並於該接著材20硬化（可為熱硬化、熱固化）後使兩兩該碳纖維布11結合並具備一定強度的結構剛性，減少脫層之問題；前述所謂的特定厚度之片狀該支撐材20，該特定厚度是以該碳纖維布11之厚度、體積百分比及所欲達成之含浸率而控制，例如若欲達到該接著材20半含浸（40％～80%）於該碳纖維布之間，則可施予該碳纖維布40％～80 vt%厚度之接著材，以塗佈(Coating)、噴灑(Spray)或膜片熱壓層疊(Film Stacking)之方式，使該接著材20半含浸於該碳纖維布11的纖維間，以使本實施例設於最外層的該碳纖維布11維持短纖維、非連續纖維外露之型態，使用時，可具有相較於現有技術更佳的自潤、耐磨耗、耐用之技術功效。

在大量連續製造方面，可取成卷的該碳纖維布11與該支撐材20及另一該碳纖維布11，以一卷對卷（roll to roll）貼合之製程方式，產生複層構造之該碳纖維墊片，其中，依據貼合對象的表面特性，可選擇適當如前述的該接著材20。貼合過程較佳配合施予高溫高壓，可更進一步提昇複層構造之該碳纖維布之結構性能。本步驟完成成卷的複層構造之該碳纖維布或連續片狀材料，可進一步以沖壓、裁剪等裁切方式形成該碳纖維墊片10。

本發明第二較佳實施例係兩兩該碳纖維布11之間，除該接著材20外，進一步以碳纖維布、接著材、支撐材、接著材及碳纖維布之順序疊合一支撐材30，由於單一該碳纖維布11的厚度薄，使用時主要擔負與其他機械零組件之潤滑、摩擦功能，該支撐材20則可用於增加該碳纖維布11的厚度及強度。該支撐材30可以是玄武岩、玻璃纖維布、碳纖維布等。本發明形成三層或三層以上之碳纖維墊片結構時，該碳纖維布11係疊合於最外層，其他支撐材30(不限定僅為一層，可多層疊合)則疊合或包覆於內層，形成三明治的結構。

以下為本發明於耐磨、自潤、優異熱傳導且可快速散熱的效能驗證。請參考下表1以及表2，其為本發明透過上述製造方法所製得之各樣品表列。【表1】 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="_0001"><TBODY><tr><td> 樣品代號 </td><td> 碳化溫度(<sup>o</sup>C) </td><td> 厚度(mm) </td><td> 基重(g/m<sup>2</sup>) </td><td> 經密(/inch) </td></tr><tr><td> CF-1001-T </td><td> ~1085 </td><td> 0.6 </td><td> 260 </td><td> 46 </td></tr><tr><td> CF-1003-T </td><td> ~1075 </td><td> 0.48 </td><td> 150 </td><td> 50 </td></tr><tr><td> CF-1001-Z </td><td> 1080~1090 </td><td> 0.55 </td><td> 300 </td><td> 46 </td></tr><tr><td> CF-1003-Z </td><td> 10708050~1090 </td><td> 0.48 </td><td> 170 </td><td> 50 </td></tr></TBODY></TABLE>【表2】 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 樣品代號 </td><td> 緯密(/inch) </td><td> 層疊數 </td><td> 熱傳導係數(W/cm∙<sup>o</sup>C) </td></tr><tr><td> CF-1001-T </td><td> 28 </td><td> 5 </td><td> 4.98 </td></tr><tr><td> CF-1003-T </td><td> 28 </td><td> 3 </td><td> 4.54 </td></tr><tr><td> CF-1001-Z </td><td> 28 </td><td> 5 </td><td> 4.64 </td></tr><tr><td> CF-1003-Z </td><td> 28 </td><td> 3 </td><td> 4.47 </td></tr></TBODY></TABLE>

本發明各樣品的熱傳導係數皆約為5(W/cm∙ ^oC)，可知各樣品於摩擦所產生的高溫下，可具有快速的散熱效能，以避免高溫聚集過久而產生的機械或纖維損耗。請參考圖6～圖7，其係為表1及表2中各樣品於400 ^oC及500 ^oC下所測得的熱重分析（TGA Q500）測試結果，於溫度400 ^oC時測得各樣品的重量損失率(%/小時)小於3%，而於溫度500 ^oC時各樣品的重量損失率(%/小時)小於18%，可證實本發明各樣品於高溫下品質穩定，不易產生結構或纖維損壞之問題。

請參考下表3，本發明各樣品以ASTM D1894、ASTM D3884及ASTM D648測試標準所測得之靜、動摩擦係數、耐磨耗測試及耐熱形變溫度測試結果，由靜、動摩擦係數結果來看，本發明之非連續的碳纖維編織結構，可具有自潤的效果。再由耐磨耗及熱變形溫度的測試結果可知，本發明利用非連續纖維所製得之碳纖維墊片10具有優異的耐高溫及耐磨耗的優異表現。【表3】 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="_0002"><TBODY><tr><td> 樣品代號 </td><td> 靜摩擦係數 </td><td> 動摩擦係數 </td><td> 耐磨耗(g) </td><td> 熱變形溫度(<sup>o</sup>C) </td></tr><tr><td> CF-1001-T </td><td> 0.41 </td><td> 0.41 </td><td> 0.3318 </td><td> 157.0 </td></tr><tr><td> CF-1003-T </td><td> 0.27 </td><td> 0.27 </td><td> 0.0468 </td><td> 161.1 </td></tr><tr><td> CF-1001-Z </td><td> 0.27 </td><td> 0.27 </td><td> 0.1521 </td><td> 172.6 </td></tr><tr><td> CF-1003-Z </td><td> 0.41 </td><td> 0.41 </td><td> 0.2568 </td><td> 157.8 </td></tr></TBODY></TABLE>

由上述各測試結果可知，本發明利用非連續碳纖維編織而成的結構，除了具有自潤、耐摩擦、耐高溫且耐磨耗的特性外，當局部的碳纖維斷裂磨耗時，斷裂的碳纖維不會影響其他部分的纖維編織結構，不易造成碳纖維墊片整體結構鬆脫或脫層的問題，達到增加使用效能及時間的效果。

請參考下表4，本發明樣品編號CF-1001-Z以不同碳化溫度達成不同碳化率之元素分析表。本發明以較低溫度碳化之碳纖維墊片，可具有更多的官能基以利與該接著材等樹脂類的材質結合(bonding)，達到不易脫層的優異結果。【表4】 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="_0003"><TBODY><tr><td> 樣品代號 </td><td> 碳化溫度 <sup>o</sup>C </td><td> 碳化率 </td><td> 氮含量 N% </td><td> 碳含量 C% </td><td> 氫含量 H% </td></tr><tr><td> CF-1001-Z </td><td> 1080~1090 </td><td> 85 </td><td> 6.604 </td><td> 84.505 </td><td> 1.056 </td></tr><tr><td> CF-1001-Z </td><td> 850 </td><td> 70 </td><td> 12.808 </td><td> 69.986 </td><td> 1.768 </td></tr></TBODY></TABLE>

本發明不同碳化率的該碳纖維墊片，應用領域廣泛，例如高碳化率（60%～90%）之碳纖維墊片可應用於汽車變速箱、釣魚捲線器等機械齒輪需要高速轉動之機構中，而中等碳化率(30%～60%)之碳纖維墊片可應用於食品級機械等齒輪轉速需求較低之機器中，取代一般添加潤滑油而造成潤滑油殘留於食品中的問題，而較低碳化率(10%～30%)之碳纖維墊片，除了可降低碳化的成本外，更可應用於轉速更低的機械齒輪墊片或是螺瑣之間的一般墊片。

10‧‧‧碳纖維墊片
11‧‧‧碳纖維布
111‧‧‧纖維束
1111‧‧‧非連續纖維
20‧‧‧接著材
30‧‧‧支撐材

圖1為碳纖維墊片之SEM圖。圖2為碳纖維墊片之SEM圖。圖3為碳纖維墊片剖面之SEM圖。圖4為碳纖維墊片剖面之SEM圖。圖5為本發明第二較佳實施之示意圖。圖6為本發明各樣品於400 ^oC下測得之TGA測試結果。圖7為本發明各樣品於500 ^oC下測得之TGA測試結果。圖8為既有連續碳纖維編織而成的碳纖維墊片示意圖。

111‧‧‧纖維束

1111‧‧‧非連續纖維

Claims

一種碳纖維墊片，其包含以複數個纖維束交錯編織而成的一碳纖維布，每個該纖維束係由複數個非連續纖維形成。
如申請專利範圍第1項之碳纖維墊片，兩個或兩個以上之該碳纖維布間設有一接著材，該接著材局部滲入或含浸於該碳纖維布之纖維間，該碳纖維墊片之外表面至少局部未滲有或未含浸該接著材。
如申請專利範圍第1或2項的碳纖維墊片，該碳纖維布之碳化率介於10%~95%之間。
如申請專利範圍第1或2項之該碳纖維墊片，該接著材含浸於該碳纖維墊片間之含浸率介於40%～80%。
如申請專利範圍第4項的碳纖維墊片，該接著材為熱塑型樹脂或熱固型樹脂，該非連續碳纖維為聚丙烯腈系纖維碳化形成。
如申請專利範圍第5項的碳纖維墊片，該熱塑型樹脂係聚酯類或聚碸類樹脂，該熱固型樹脂係環氧樹酯系列或酚醛系列樹脂。
如申請專利範圍第2項的碳纖維墊片，兩該碳纖維墊片進一步與一支撐材形成一層疊結構，兩該碳纖維片設於該層疊結構之外側。
如申請專利範圍第7項的碳纖維墊片，該支撐材是該碳纖維墊片、薄纖布、玄武岩布或玻璃纖維布之任一或其組合。
一種碳纖維墊片的結合方法，其步驟包含： (1) 取兩個或兩個以上之碳纖維布，該碳纖維布係以複數個纖維束交錯編織而成，每個該纖維束係由複數個非連續纖維形成； (2) 施予特定厚度之一接著材於該碳纖維布間並疊合；以及 (3) 將疊合後之該碳纖維布及該接著材結合形成該碳纖維墊片，該接著材局部滲入或含浸於該碳纖維布之纖維間，該碳纖維墊片之外表面至少局部未滲有或未含浸該接著材。
如申請專利範圍第9項之該碳纖維墊片的結合方法，該接著材係以膜片疊層、塗佈或噴灑之方式施於該碳纖維墊片上；疊合後之該碳纖維布及該接著材係以熱壓方式結合形成該碳纖維墊片。