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CN108883587B - 碳纤维片状模塑料的制造方法和设备 - Google Patents

碳纤维片状模塑料的制造方法和设备 Download PDF

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CN108883587B CN201780020614.8A CN201780020614A CN108883587B CN 108883587 B CN108883587 B CN 108883587B CN 201780020614 A CN201780020614 A CN 201780020614A CN 108883587 B CN108883587 B CN 108883587B
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Abstract

提供了制造碳纤维片状模塑料的方法，所述方法包括：使用上浆剂对碳纤维进行上浆处理；将经上浆处理的碳纤维切成片；将碳纤维的所述片喷洒在涂覆于第一载体片材的表面上的第一树脂上；以及将涂覆在第二载体片材上的第二树脂和所述第一树脂的表面合并在一起，其中所述上浆剂、所述第一树脂和所述第二树脂包含相同的化合物。

Description

碳纤维片状模塑料的制造方法和设备
技术领域
以下说明书涉及用于制造碳纤维片状模塑料的方法和设备，并且更特别地，涉及可以改善碳纤维与树脂之间的粘合性和分散性的用于制造碳纤维片状模塑料的方法和设备。
背景技术
纤维增强塑料(Fiber reinforced plastics，FRP)是指通过用树脂浸渍增强材料(例如纤维)来增强以提高机械强度、耐热性、拉伸强度和抗冲击性的塑料，以及FRP的类型包括块状模塑料(bulk molding compound)、片状模塑料(sheet molding compound)等。
片状模塑料可以在室温和大气压下模塑，对来自酸、碱、盐、溶剂、海水等的腐蚀具有强的抗性，并且强度、耐热性和耐腐蚀性也优异，因此其被广泛用作半永久性元件以用于各种工业部门工艺(industrial sector process)。
特别是使用碳纤维作为增强纤维的碳纤维片状模塑料的使用正在日益增加，原因是与其他增强纤维相比，碳纤维具有重量轻和刚度高的特性。
然而，通常，碳纤维具有低的与用作片状模塑料的树脂的不饱和聚酯或乙烯基酯树脂的粘合性，使得它们的特性未充分表现并且其均匀分布是困难的，并且由于碳纤维由数千至数万股聚集形成，因此难以切割碳纤维。
因此，需要开发用于将碳纤维更有效地应用于片状模塑料的制造方法或制造设备。
发明内容
技术问题
本发明的目的是提供用于制造碳纤维片状模塑料的方法和设备，其能够改善碳纤维与树脂之间的粘合性和分散性并具有优异的机械物理特性。
技术方案
在一个总的方面中，提供了制造碳纤维片状模塑料的方法，所述方法包括：使用上浆剂对碳纤维进行上浆处理；将经上浆处理的碳纤维切成片；将碳纤维的片喷洒在涂覆于第一载体片材的表面上的第一树脂上；以及将涂覆在第二载体片材上的第二树脂和第一树脂的表面合并在一起，其中上浆剂、第一树脂和第二树脂包含相同的化合物。
上浆剂、第一树脂和第二树脂可包含乙烯基酯、不饱和聚酯和环氧树脂中至少一者。
上浆处理可在这样的状态下进行：其中碳纤维被扩展为其原始宽度的 1.2倍至5倍宽。
在碳纤维的上浆处理中，基于碳纤维的总重量，可以用量为1重量％至10重量％的上浆剂涂覆碳纤维。
在另一个总的方面中，提供了用于制造碳纤维片状模塑料的设备，所述设备包括：纤维预处理部分，其对碳纤维进行上浆处理；和片材制造部分，其使用通过纤维预处理部分预处理的碳纤维制造片材，其中纤维预处理部分依次包括用以供给碳纤维的纤维辊、包含上浆剂的储槽、和用以切割碳纤维的切割装置，片材制造部分包括用以供给载体片材的片材辊和包含待涂覆在载体片材的表面上的树脂的树脂涂覆部分，并且上浆剂和所述树脂包含相同的化合物。
储槽可包括复数个辊，并且复数个辊可沿储槽的深度方向一个在另一个上方垂直地交替布置。
纤维预处理部分和片材制造部分可各自包括干燥炉。
有益效果
如上所述，根据本发明的实施方案的用于制造碳纤维片状模塑料的方法和设备，可以提高碳纤维片状模塑料的碳纤维与树脂之间的粘合力和分散性。其他特征和方面将由以下详细描述、附图显而易见。
附图说明
图1为根据本发明的一个实施方案的用于制造碳纤维片状模塑料的设备的截面图。
图2为根据本发明的一个实施方案制造的碳纤维片状模塑料的截面图。
图3示出根据本发明的实施例(A)和比较例(B)制造的碳纤维片状模塑料的截面的扫描电子显微镜(SEM)照片。
具体实施方式
下文中，将通过实施例和比较例详细地描述本发明的结构和效果。然而，本实施例旨在进一步举例说明本发明，并且本发明的范围不限于所述实施例。
实施例
使用图1所示本发明的碳纤维片状模塑料制造设备制备碳纤维片状模塑料。
在这种情况下，使用已经经历上浆处理的碳纤维，并且通过以相同方式施用乙烯基酯来制备上浆剂和树脂。此外，涂覆在碳纤维上的上浆剂的量为碳纤维的5重量％，并且将经切割的碳纤维的长度设定为2英寸。
比较例
以与实施例中相同的方式制备碳纤维片状模塑料，不同之处在于不使碳纤维通过纤维预处理部分并且不进行进一步上浆处理。
实验例
(1)粘合性测量
通过层间剪切强度和截面扫描电子显微镜(SEM)照相术确定根据实施例和比较例制备的各个碳纤维片状模塑料的树脂与碳纤维之间的界面粘合性。
(2)机械物理特性测量
测量挠曲强度和夏比冲击强度作为根据实施例和比较例制备的各个碳纤维片状模塑料的机械物理特性，其中根据JIS K6911测量挠曲强度，并且根据JIS K7077测量夏比冲击强度。
(3)碳纤维分散性测量
为了测量通过包含在根据实施例和比较例制备的碳纤维片状模塑料中的碳纤维的预处理所获得的碳纤维分散性，将碳纤维片状模塑料切成尺寸为50cm×50cm，将经切割的碳纤维片状模塑料的表面如下所示分成9 部分，并测量各个部分的碳纤维体积含量。
(1) (2) (3)
(4) (5) (6)
(7) (8) (9)
结果示于表1、表2和图3中。
表1
Figure BDA0001813593970000041
表2
实施例(重量％) 比较例(重量％)
(1) 31.3 28.9
(2) 30.1 26.9
(3) 31.9 27.2
(4) 30.9 29.9
(5) 29.9 31.6
(6) 31.2 27.8
(7) 31.6 29.1
(8) 30.1 28.1
(9) 31.2 27.8
平均 30.9 28.6
偏差 0.7 1.5
首先，如表1和图3所示，可以确定与根据比较例的碳纤维片状模塑料相比，根据实施例的碳纤维片状模塑料具有改善的在碳纤维与树脂之间的粘合性，并因此机械物理特性是优异的。
此外，如表2所示，可以确定与根据比较例的碳纤维片状模塑料相比，根据实施例的碳纤维片状模塑料的各个部分的碳纤维含量分布均匀。
发明实施方式
下文中，将参照附图详细地描述本发明的实施方案以便由本领域普通技术人员容易地实践。应当理解，本发明不应被解释为限于本文所陈述的实施方案并且可以以许多不同的形式具体化。
为清楚起见，将省略对公知部件的任何冗余描述，并且相同的附图标记在整个说明书中是指相同的元件。
为了便于描述，附图中元件的尺寸和厚度可被放大。换言之，由于为了便于描述，任意地举例说明附图中组件的尺寸和厚度，所以以下实施方案不限于此。在附图中，厚度被放大以使各个层和区域清楚，并且一些层和区域的厚度被放大以便于描述。
在本说明书中，除非有明确相反的描述，否则词语“包含/包括”应被理解为暗指包括所述要素但不排除任何其他要素。
下文中，将参照图1详细地描述根据本发明的实施方案的用于制造碳纤维片状模塑料的方法和设备。
图1为根据本发明的一个实施方案的用于制造碳纤维片状模塑料的设备的截面图。
参照图1，根据本发明的一个实施方案的用于制造碳纤维片状模塑料的设备包括纤维预处理部分1000和片材制造部分2000。
首先，将详细地描述纤维预处理部分1000。
根据本发明的一个实施方案的纤维预处理部分1000配置成用以对待包含在碳纤维片状模塑料中的碳纤维13上浆(sizing)，并且可以包括其上卷绕有碳纤维13的纤维辊10、包含上浆剂50的储槽100、第一干燥炉 200、和用以切割经上浆处理的碳纤维15的切割装置300。
为了便于举例说明，图1仅示出一个其上卷绕有碳纤维13的纤维辊 10，但是可以设置复数个纤维辊10。
卷绕在纤维辊10上的碳纤维13可以是已经经历多于一次上浆处理以将其丝聚集成股(strand)的碳纤维13。
可以将卷绕在纤维辊10上的碳纤维13供给至包含用于上浆处理的上浆剂50的储槽100中，并且可以使其经历上浆处理。
储槽100可以包括：上浆剂50，用于卷绕在纤维辊10上的碳纤维13 的上浆处理；和复数个辊110a、110b和110c，用以通过扩展碳纤维的股 (strand)而使上浆剂50容易地浸渍在碳纤维13的丝之间。
复数个辊110a、110b和110c可以沿储槽100的深度方向一个在另一个上方垂直地交替布置。
为了便于说明，图1示出安置成相对较低的第一辊100a和第三辊100c 与安置成在第一辊100a和第三辊100c之间相对较高的第二辊100b，但是在该过程中可以根据需要进一步设置另外的辊。
储槽100中的上浆剂50可以包含与在后面将描述的碳纤维片状模塑料的制造中使用的树脂相同的树脂。
上浆剂50可包含乙烯基酯、不饱和聚酯和环氧树脂中至少一者。
可以进行碳纤维13在储槽100中的上浆处理，使得碳纤维13为供给至储槽100的碳纤维13的宽度的1.2倍至5倍宽，由此上浆剂50可以均匀地浸渍在碳纤维13的丝之间。
当将碳纤维13扩展为小于碳纤维13的原始宽度的1.2倍时，上浆剂 50可能难以均匀地浸渍在碳纤维13的丝之间；而当将碳纤维13扩展为大于原始宽度的5倍时，碳纤维13的拉伸强度增加且碳纤维13可能受损，这可能导致物理特性劣化或工艺中的问题。
基于碳纤维13的总重量，在碳纤维13的上浆处理期间涂覆在碳纤维 13上的上浆剂50的量可为1重量％至10重量％。
这是因为当以小于1重量％涂覆上浆剂50时，对碳纤维片状模塑料的树脂的粘合性或碳纤维片状模塑料的切割效率难以提高；而当以大于 10重量％的量涂覆上浆剂50时，难以干燥经涂覆的上浆剂50且经干燥的碳纤维15可能由于其柔性劣化而破裂。
涂覆有储槽100中的上浆剂50的碳纤维13可以在通过第一干燥炉 200时被干燥。
已经通过第一干燥炉200的经上浆的碳纤维15可被转移至切割装置 300并被切成适用于碳纤维片状模塑料的制造工艺的尺寸，然后碳纤维15 的片可被供给至片材制造部分2000。
在这种情况下，可将碳纤维15切成长度为1cm至10cm。
下文中，将详细地描述片材制造部分2000。
根据本发明的一个实施方案的片材制造部分2000包括：第一片材辊 20，用以供给第一载体片材23；第一树脂涂覆部分25，用以将第一树脂 27涂覆在第一载体片材23的表面上；第二片材辊30，用以供给第二载体片材33；第二树脂涂覆部分35，用以将第二树脂37涂覆在第二载体片材 33的表面上；第二干燥炉400；和回收槽500，用以回收所制造的碳纤维片状模塑料50。
卷绕在第一片材辊20上的第一载体片材23可在通过第一树脂涂覆部分25时在其表面上被涂覆第一树脂27，然后经涂覆的第一载体片材23 可被供给至片材制造部分2000。
在切割装置300中切割的碳纤维17可被喷洒在涂覆有第一树脂27的第一载体片材23上并浸入第一树脂27中。
然后，卷绕在第二片材辊30上的第二载体片材33可在通过第二树脂涂覆部分35时在其表面上被涂覆第二树脂37，并且经涂覆的第二载体片材33可被供给至片材制造部分2000。
在这种情况下，可供给第一树脂27和第二树脂37以使其彼此面对并合并在一起，并且第一树脂27和第二树脂37可为相同树脂或不同树脂。
第一树脂27和第二树脂37可包含与上述上浆剂50相同的化合物，并且可包含乙烯基酯、不饱和聚酯和环氧树脂中至少一者。
如图2所示，其中第一载体片材23和第二载体片材33一个在另一个上方地结合在一起的片材45可以以这样的方式形成：使经切割的碳纤维 17浸入第一载体片材23与第二载体片材33之间的第一树脂27和第二树脂37中。
片材45可被转移至第二干燥炉400并被干燥。
根据需要，第二干燥炉400还可包括用于压制片材45的结构，例如带420。
片材45可以在第二干燥炉400中被干燥至半硬化状态，并且可以通过在第二干燥炉400中的干燥过程制造碳纤维片状模塑料50并将其储存在回收槽500中。
根据上述根据本发明的实施方案的用于制造碳纤维片状模塑料的方法和设备，可以改善碳纤维与树脂之间的粘合性和分散性并实现优异的机械物理特性。
以上已经描述了一些实施例。然而，应理解，可以进行各种修改。例如，如果所描述的技术以不同的顺序进行和/或如果所描述的系统、构造、装置或回路中的组件以不同的方式组合和/或被其他组件或其等同物替换或补充，则可以实现合适的结果。因此，其他实现方案在所附权利要求书的范围内。

Claims (5)

1.一种制造碳纤维片状模塑料的方法，所述方法包括：
使用上浆剂对碳纤维进行上浆处理；
将经上浆处理的碳纤维干燥并切成片；
将碳纤维的所述片喷洒在涂覆于第一载体片材的表面上的第一树脂上；以及
将涂覆在第二载体片材上的第二树脂和所述第一树脂的表面合并在一起，
其中所述上浆剂、所述第一树脂和所述第二树脂包含相同的化合物；
其中所述上浆处理在这样的状态下进行：其中所述碳纤维被扩展为其原始宽度的1.2倍至5倍宽；
其中在所述碳纤维的所述上浆处理中，基于所述碳纤维的总重量，用量为1重量％至10重量％的所述上浆剂涂覆所述碳纤维。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述上浆剂、所述第一树脂和所述第二树脂包含乙烯基酯、不饱和聚酯和环氧树脂中至少一者。
3.一种用于制造碳纤维片状模塑料的设备，所述设备包括：
纤维预处理部分，其对碳纤维进行上浆处理；和
片材制造部分，其使用通过所述纤维预处理部分预处理的碳纤维制造片材，
其中所述纤维预处理部分依次包括用以供给所述碳纤维的纤维辊、包含上浆剂的储槽、以及用以切割所述碳纤维的切割装置，
所述片材制造部分包括用以供给载体片材的片材辊和包含待涂覆在所述载体片材的表面上的树脂的树脂涂覆部分，以及
所述上浆剂和所述树脂包含相同的化合物；
其中所述储槽包括复数个辊，并且所述复数个辊沿所述储槽的深度方向一个在另一个上方垂直地交替布置；
其中所述纤维预处理部分包括干燥炉。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述上浆剂和所述树脂包含乙烯基酯、不饱和聚酯和环氧树脂中至少一者。
5.根据权利要求3所述的设备，其中所述片材制造部分包括干燥炉。
CN201780020614.8A 2017-02-08 2017-10-26 碳纤维片状模塑料的制造方法和设备 Active CN108883587B (zh)

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