CN110527117B - 一种碳纤维增强模塑料的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种碳纤维增强模塑料的制造方法，属于复合材料工业的原料制造技术领域。所述方法依序包括以下步骤：a.碳纤维的分纱碾平；b.碳纤维的活化处理；c.碳纤维烘干；d.干燥后的小丝束碳纤维在超声耦联池涂敷耦联涂层；e.碳纤维二次烘干；f.碳纤维和树脂的复合。
Description
技术领域
本发明提出了一种碳纤维增强模塑料的制造方法，属于复合材料工业的原料制造技术领域。
背景技术
复合材料一般由基体和增强相组成，机械结构中常用的复合材料是纤维增强树脂基复合材料，其基体为各种类型的树脂，其增强相为各种类型的纤维。复合材料在固化之前，树脂是液态或者半液态的；复合材料在一定温度和压力下固化形成复合材料产品之后，树脂变为固态的。模塑料是复合材料的一种形式，是为了适应复合材料模压工艺而出现的，是增强纤维、树脂、增稠剂和其他添加剂混合在一起形成的，模塑料的产品状态类似于软面团或者软面片，其中的树脂由于增稠剂的作用而呈现半液态。模塑料可以在常温下保存较长时间，便于模压操作的分割、称量和入模，是复合材料工业界常用的一种原料形式。长期以来，玻璃纤维增强模塑料在工业界得到了大量应用。
碳纤维的性能优于玻璃纤维，近年来，随着碳纤维制造技术的普及，碳纤维的应用日益广泛，碳纤维增强模塑料的制造和使用也得到了复合材料工业界的关注，以期获得性能更好的复合材料产品。但是，到目前为止，相关厂家在试制碳纤维增强模塑料时，仍然采用了原来制造玻璃纤维模塑料的工艺设备和方法，只是用碳纤维替换了玻璃纤维。玻璃纤维增强模塑料的制造方法的主要特点是玻璃纤维纱线不经过处理而直接进入与树脂的复合工艺。按这种方法制造出来的碳纤维增强模塑料性能很差，这是由于碳纤维的特性造成了碳纤维在模塑料中的浸润性和分散性不好，这也是碳纤维增强模塑料制造行业尚未解决的难题，性能稳定可靠的碳纤维增强模塑料的规模化生产在复合材料工业界还是一个重大的空白。
碳纤维单丝的直径一般是7微米左右，实际生产的商品化碳纤维是几千到几万根碳纤维单丝组成的丝束，一束碳纤维再绕成特定重量的一卷。一束碳纤维含有24000根以下碳纤维单丝的，称为小丝束碳纤维；一束碳纤维含有24000根以上碳纤维单丝的，称为大丝束碳纤维。碳纤维单丝组成丝束时，丝束整体像编麻绳一样有扭转的称为加捻丝束，丝束整体没有扭转的称为无捻丝束。
碳纤维单丝的微观表面是光滑的，碳纤维单丝由于表面力的作用而倾向于聚集在一起。
碳纤维与树脂复合在一起形成复合材料时，要求碳纤维在树脂中有良好的分散性和浸润性。良好的分散性就是要求碳纤维尽量以单丝形式或者小丝束形式在树脂基体内均匀分布，而不是以大丝束形式分布在树脂基体内。良好的浸润性，就是要求树脂在固化之前能均匀贴合在纤维表面并形成良好的结合界面。良好的分散性和浸润性，是复合材料性能优良的基础。
为了改善树脂和纤维之间的浸润性并提高界面性能，可以在复合材料中添加适当的耦联剂，耦联剂是一种高分子材料，可以提高两种材料之间的界面结合力。
此外，长期以来，传统的复合材料模塑料一般采用不饱和聚酯树脂，其环保性能和韧性都比较差。环保性能不好，是指在制造环节有苯乙烯挥发，苯乙烯是一种对健康有害的挥发性物质，对操作人员和环境有不良影响。另外，由于树脂的韧性不高，采用传统模塑料制造的复合材料产品一般要避免开孔和机械连接，这给很多后期加工带来了不便。
发明内容
本发明提出了一种碳纤维增强模塑料的制造方法，可以解决碳纤维在模塑料中的分散性和浸润性不好的问题，还可以提高模塑料产品的环保性能和韧性。
如图1所示，上述方法依序包括以下步骤：
a.碳纤维的分纱碾平，大丝束的无捻碳纤维纱线通过分纱碾平设备变成平铺的包含几十个单丝的小丝束碳纤维纱线；
b.碳纤维的活化处理，平铺的小丝束碳纤维纱线在超声活化池内进行表面处理，所述超声活化池是一个容纳了活化处理剂溶液的封闭容器，所述超声活化池的外部有超声波发生器；
c.碳纤维烘干，活化处理后的碳纤维在烘箱内进行干燥处理，所述烘箱的工作温度为100～150℃；
d.干燥后的小丝束碳纤维在超声耦联池涂敷耦联涂层，所述超声耦联池是容纳了耦联涂层溶液的封闭容器，所述耦联涂层溶液含有耦联剂，所述超声耦联池外部有超声波发生器；
e.碳纤维二次烘干，涂敷了耦联涂层溶液的碳纤维经过烘箱，碳纤维表面的耦联涂层得到充分干燥，所述烘箱的工作温度为100～150℃；
f.碳纤维和树脂的复合，涂敷了耦联涂层的干燥碳纤维在复合设备内与树脂均匀复合后得到碳纤维增强模塑料。
如图1所示，上述方法的步骤b和步骤d中，碳纤维的前进路线经过滚轮发生转弯时，转弯角度不超过90度。较小的转弯角度可以减小碳纤维在运动过程中的张力，因而可以减少碳纤维的损伤，还可以减少传动设备的功率，降低能耗。
如图1所示，上述方法的步骤d中，涂敷了耦联涂层的小丝束碳纤维穿过间隙滚轮的间隙后离开超声耦联池，所述间隙为0.5～1.5毫米。涂敷了耦联涂层溶液的碳纤维经过一对滚轮的间隙时，可以去除多余的溶液，并且由于滚轮间隙的挤压作用，可以确保更多的碳纤维单丝表面涂敷上耦联涂层。间隙滚轮的挤压还可以继续保持小丝束碳纤维的平铺状态。
在上述方法的步骤f中，所述树脂包括聚氨酯。聚氨酯树脂是近年来出现的一种新型复合材料基体，除了具有良好的性能之外，更重要的是在生产过程中没有苯乙烯等有害物质的挥发；同时，采用聚氨酯树脂的复合材料产品具有非常好的韧性，还可以对产品实施合理的开孔和机械连接操作。目前，在复合材料模塑料制造行业，还没有把聚氨酯树脂作为基体使用。
在上述方法的步骤a中，比较粗而且密集的大丝束无捻碳纤维纱线经过分纱碾平设备后，变成平铺的小丝束碳纤维，这样一来，在后续的活化和涂敷过程中，可以确保更多的碳纤维单丝表面可以得到活化和涂敷。
在上述方法的步骤b中，在超声波作用下，活化剂溶液和小丝束碳纤维能够产生不规律的震动，这种震动使得碳纤维单丝能够彼此分离并与活化剂溶液充分接触从而得到充分的表面活化处理。碳纤维单丝经过活化处理后，微观表面会变得粗糙，增加了单丝的表面积，从而增加了与树脂的浸润效果。活化处理后的碳纤维单丝，其力学性能会损失15％左右，但是由于其浸润性的改善，复合材料的整体力学性能反而提高了30％以上。
在上述方法的步骤d中，活化后的碳纤维经过烘干后进入耦联涂层池，同时继续保持平铺和小丝束状态，在耦联涂层池内，大部分碳纤维单丝的表面会涂敷一层耦联剂涂层，这种耦联剂涂层可以增加提高碳纤维单丝与树脂的结合力，并且可以防止碳纤维单丝再次聚集成大丝束碳纤维。
附图说明
图1是符合本发明方法的一个生产流水线示意图。
图2是图1中的A向局部俯视图。
图3是图1中的B向局部俯视图。
图4是图1中的C向局部俯视图。
具体实施方式
选用48K的T700无捻纱，T700是碳纤维的一种型号，48K的含义是一束纱线里含有48000根碳纤维单丝，如图1中的101，纱线101通过分纱碾平设备102之后，得到平铺的小丝束碳纤维纱线103，在纱线103中一束纱线含有的碳纤维单丝数量少于100根。所述的分纱碾平设备102是一种商业化的通用设备，可以在市场上采购或者在相关厂家定制。纱线101的数量与产能和产品的规格有关，本实施例选用了3股纱线101。按本发明的方法具体生产时，可以按实际需要，确定纱线101的数量。
纱线103进入超声活化池104，超声活化池104内是碳纤维活化剂溶液106，活化池外部有超声波发生器105。在其他技术领域，有人对碳纤维表面活化技术做过一些研究，所述活化剂溶液可以按已公开的配方配制，也可以通过生产试验获得适当的配方。超声波的作用是让纤维和活化剂充分震动起来，使得每一根碳纤维单丝都可以与活化剂充分接触，以取得良好的表面活化效果。超声波发生器的功率不宜过大，调节到碳纤维能充分震动起来就可以。过大的超声波功率会对碳纤维造成损伤。超声波发生器是成熟的商业化设备，可以在市场采购或者在相关厂家定制。
活化后的小丝束碳纤维纱线进入烘箱107，碳纤维纱线经过干燥处理，可以除去表面附带的液体，以便进行后续的表面处理。烘箱107是一种技术成熟的通用设备，可以在市场上采购或者通过相关厂家定制。烘箱的工作温度一般为100～150℃，在本实施例中，烘箱的工作温度设为120℃。
干燥后的碳纤维进入超声耦联池108，超声耦联池108中是含有耦联剂和其他添加剂的溶液109，所述溶液的配方可以通过生产试验确定，或者通过公开的技术资料确定。超声耦联池的外部有超声波发生器111，通过超声波产生的震动可以使碳纤维与耦联剂溶液充分接触，使更多的碳纤维单丝表面都涂敷上耦联涂层。涂敷了耦联涂层的碳纤维经过间隙滚轮113离开超声耦联池并继续保持平铺状态，间隙滚轮的间隙为1.0毫米。
涂敷了耦联涂层的干燥碳纤维进入烘箱114二次烘干，作用在于使碳纤维表面的耦联涂层固化并防止碳纤维再次聚集成大丝束。
如图1所示，碳纤维的前进路线经过滚轮发生转弯，本实施例中，转弯角度为70度。较小的转弯角度可以减小碳纤维在运动过程中的张力，因而可以减少碳纤维的损伤，还可以减少传动设备的功率，降低能耗。
涂敷了耦联涂层的碳纤维经过干燥进入纤维与树脂的复合设备，经过均匀复合得到碳纤维增强模塑料。此处的复合设备与传统的玻璃纤维增强模塑料的生产设备基本相同，可以在有关厂家定制。复合时可以按要求选用多种类型的树脂，本实施例选用的是聚氨酯，其特点之一是环保性能比较好，在生产过程中没有苯乙烯等有害物质挥发，其特点之二是最终的复合材料产品的韧性比较好，具有更高的抗冲击性能，还可以采取适当的开孔和机械连接操作。
Claims (5)
1.一种碳纤维增强模塑料的制造方法，所述方法依序包括以下步骤：
a.碳纤维的分纱碾平，大丝束的无捻碳纤维纱线（101）通过分纱碾平设备（102）变成平铺的小丝束碳纤维纱线（103），所述小丝束碳纤维纱线（103）中一束纱线的单丝数量不超过100根；
b.碳纤维的活化处理，平铺的小丝束碳纤维纱线在超声活化池内（104）进行表面处理，所述超声活化池（104）是一个容纳了活化处理剂溶液（106）的封闭容器，所述超声活化池的外部有超声波发生器（105）；
c.碳纤维烘干，对活化处理后的碳纤维在烘箱（107）内进行干燥处理；
d.干燥后的小丝束碳纤维在超声耦联池（108）涂敷耦联涂层，所述超声耦联池（108）是容纳了耦联涂层溶液（109）的封闭容器，所述耦联涂层溶液含有耦联剂，所述超声耦联池外部有超声波发生器（111）；
e.碳纤维二次烘干，涂敷了耦联涂层溶液的碳纤维经过烘箱（114），碳纤维表面的耦联涂层得到充分干燥；
f.碳纤维和树脂的复合，涂敷了耦联涂层的碳纤维在复合设备（115）内与树脂均匀复合后得到碳纤维增强模塑料（116）。
2.如权利要求1所述的方法，在步骤b和步骤d中，碳纤维的前进路线经过滚轮（110）发生转弯时，转弯角度（112）不超过90度。
3.如权利要求1所述的方法，在步骤d中，涂敷了耦联涂层的小丝束碳纤维穿过间隙滚轮的间隙后离开超声耦联池，所述间隙为0.5～1.5毫米。
4.如权利要求1所述的方法，在步骤f中，所述树脂包括聚氨酯。
5.如权利要求1所述的方法，在步骤c和步骤e中，所述烘箱的工作温度为100～150℃。
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