[发明专利]大丝束碳纤维宽展与固化一体化制备技术

说明书

本发明提供了一种大丝束碳纤维宽展与固化一体化制备工艺，包括以下步骤：将碳纤维原丝精准限位，以保证宽展时碳纤维原丝的对中性；精准限位后将碳纤维原丝进行宽展，在对碳纤维原丝宽展完成前对碳纤维原丝添加耦合剂渗润；对渗润后的碳纤维原丝通过牵引经加热辊进行加热固化；收卷；并提供了制备设备。本发明采用异形多辊与角度辊组合宽展‑‑渗润‑‑加热固化一体化工艺，宽展后碳纤维明显变宽变薄排列均匀，有效地解决了大丝束原丝由于宽展效果不好导致渗润性差的问题，并克服了大丝束碳纤维宽展过程中原丝粘连和断纱以及宽展后曲屈和铺层角错位现象。

技术领域

本发明涉及大丝束碳纤维宽展与固化一体化制备技术。

背景技术

碳纤维及其复合材料具有高比强度、高比模量、耐疲劳、耐高温等一系列优异的性能，在国民经济的各个行业对其需求不断增加，应用越来越广。价格是制约碳纤维及其复合材料发展应用的重要因素，生产碳纤维的公司都在致力于降低碳纤维原丝的价格，原丝的价格占碳纤维及其复合材料成本的60％左右。相对于小丝束碳纤维(1K、3K、6K)原丝，大丝束碳纤维(48K以上)原丝具有性能不降低，不影响在一般工业领域中应用，而成本、价格则可大幅降低等优点。但是，大丝束碳纤维原丝在应用上也存在很多需要解决的技术问题，主要体现在：大丝束碳纤维原丝聚集、宽展效果不好导致浸润性差，树脂无法到达丝束内部，碳纤维原丝与树脂分布不均匀，容易产生富树脂层或单丝间产生孔隙等缺陷；丝束直径大在成型过程中容易出现曲屈、铺层角度错位以及厚度不均可能性；大丝束原丝在宽展过程中经常出现粘连和断纱现象。这样会影响碳纤维及复合材料的强度与刚性，材料性能得不到有效转换，导致产品性能不稳定。

目前，大丝束碳纤维宽展技术通过将丝束扩宽，展平，来制造原来只能使用昂贵小丝束碳纤维(如1K、3K)才能制造的复合材料，从而降低碳纤维复合材料的成本。由于大丝束碳纤维是近几年开发成功的材料品种，该类碳纤维的宽展专用设备处于市场空白。传统的牵引法是目前大丝束碳纤维宽展最常用的方法。这种方法主要是通过一组牵引辊，通过控制碳纤维经过牵引辊的张力实现宽展。这种方法的弊端：(1)大丝束碳纤维容易产生损伤、断纱，使纤维性能受损；(2)大丝束碳纤维展宽宽度较小，沿宽度方向厚薄不均匀；(3)宽展后的大丝束碳纤维树脂难以浸润。

发明内容

为解决大丝束碳纤维难以宽展的难题，本发明采用异形多辊与角度辊组合宽展--渗润--加热固化一体化工艺，宽展后碳纤维明显变宽变薄排列均匀，有效地解决了大丝束原丝由于宽展效果不好导致渗润性差的问题；丝束在宽展后无曲屈和铺层角错位现象，使用宽展后碳纤维进行织造时，纤维束在织物中取向直，屈曲少，交织点少，纱线利用率高，织物更轻更薄，从而使复合材料构件具有轻质、高强、高模等特性；通过控制宽展时的张力以及及时加耦合剂进行保护，解决了在宽展过程中原丝出现粘连和断纱现象。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

大丝束碳纤维宽展与固化一体化制备工艺，包括以下步骤：

(1)将碳纤维原丝精准限位，以保证宽展时碳纤维原丝的对中性；

(2)精准限位后将碳纤维原丝进行宽展，具体过程为：依次通过平辊预宽展、一次凸辊宽展、一次凹辊整形、角度辊宽展、二次凸辊宽展、二次凹辊整形、平辊宽展，完成对碳纤维原丝的宽展；

(3)在对碳纤维原丝宽展完成前对碳纤维原丝添加耦合剂渗润；

(4)对渗润后的碳纤维原丝通过牵引经加热辊进行加热固化；

(5)收卷。

优选的，所述步骤(1)中碳纤维原丝精准限位包括预限位、粗限位、精限位、终限位，实现精准限位。

优选的，所述步骤(3)中在二次凹辊整形后，平辊宽展前对碳纤维原丝添加耦合剂进行渗润，所述耦合剂通过导流方式添加到碳纤维原丝上，所述耦合剂在添加到碳纤维原丝上时需要加热，温度为50～80℃。