用於分散碳纖維束的導紗棒及其應用的製作方法

2023-09-21 10:49:30 3

用於分散碳纖維束的導紗棒及其應用的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種用於分散碳纖維束的導紗棒及其應用。所述導紗棒的形狀為半圓弧形，由分散棒和集束棒組成，二者沿水平方向間隔配置，或沿垂直方向高低配置；所述分散棒和集束棒總數最少應不少於4根，其中分散棒的外圓半徑為R1,集束棒的內圓半徑為R2，R1>R2，且R1/R2=1.5-2.0;碳纖維束與導紗棒間的夾角為30°?60°。導紗棒的接觸表面為圓弧型、梯型或V型。本發明通過設計特定結構的用於分散碳纖維束的導紗棒，很好解決了碳纖維束和熱塑性樹脂的浸漬問題，成功製得高性能的碳纖維增強熱塑性樹脂複合材料，其具有優異的拉伸強度、彎曲強度和彎曲模量等力學性能，在航空航天、汽車、通訊、機械電子電器等領域具有廣闊的應用前景。
【專利說明】用於分散碳纖維束的導紗棒及其應用

【技術領域】
[0001]本發明涉及碳纖維複合材料【技術領域】，具體涉及一種用於分散碳纖維束的導紗棒及其應用，特別是將所述導紗棒用於製備高纖維含量高性能的碳纖維增強熱塑性樹脂複合材料。

【背景技術】
[0002]與熱固性樹脂基碳纖維複合材料相比，熱塑性樹脂基碳纖維複合材料具有衝擊韌性高、成型周期短、預浸料對存放無特殊要求、製品極易回收再加工、能夠實現快速、無汙染、自動化連續生產等優點。因此，熱塑性樹脂基碳纖維複合材料在很大程度上解決了熱固性樹脂基碳纖維複合材料所固有的斷裂韌性差、環境適應性差、加工周期長、生產環境差、難以回收再利用等缺點，為高分子碳纖維複合材料的發展提供了新的途徑。
[0003]但是熱塑性樹脂的熔融粘度一般都比較高，因此在加工過程中不利於碳纖維的分散和基體樹脂的浸潰。採用傳統的纖維增強複合材料加工方法無法充分實現碳纖維在熱塑性樹脂基體中的均勻分布和樹脂基體對碳纖維的完全浸潰。現有文獻報導了幾種碳纖維增強熱塑性樹脂複合材料的製備方法，如短纖維填充法、織物塗覆法、薄膜熔融法等，它們雖然都不同程度地提高了製品的抗衝擊韌性和延伸率，但仍然存在碳纖維和熱塑性樹脂之間不能均勻分布，無法完全實現熱塑性樹脂對碳纖維的充分浸潰。


【發明內容】

[0004]針對現有技術存在的缺陷，本發明所要解決的技術問題在於一種用於分散碳纖維束的導紗棒及其應用，特別是將所述導紗棒用於製備高纖維含量高性能的碳纖維增強熱塑性樹脂複合材料，從而實現熱塑性樹脂對碳纖維的充分浸潰。
[0005]本發明所述的用於分散碳纖維束的導紗棒，其結構及與連續碳纖維束的配置如圖1所示。所述的導紗棒的形狀為半圓弧形，由分散棒和集束棒組成，其中分散棒和集束棒交錯配置，其配置位置，根據具體情況可以沿水平方向間隔配置，也可沿垂直方向高低配置。當碳纖維束和分散棒的外圓周接觸通過時，纖維被開纖分散開來，當碳纖維束和集束棒的內圓周接觸通過時，纖維被集束收攏。
[0006]所述導紗棒的數量需要多根配置，根據碳纖維束的狀態調節其數量，分散棒和集束棒的數量最少應不少於4根，從而達到使纖維束開松分散的目的。
[0007]關於導紗棒的圓弧形狀和尺寸:
[0008]設分散棒的外圓半徑為Rl，集束棒的內圓半徑為R2，則兩者應滿足R1>R2的關係，這是實現本發明的重要特徵之一。如圖1所示，連續碳纖維束從分散棒的外圓側通過，再沿集束棒的內圓側通過，通過這樣圓弧形狀和曲線的交替變化，使纖維之間產生相互移動從而實現樹脂對纖維的浸潰。在本發明中，R1/R2的範圍在1.5-2.0之間，超出此範圍則達不到好的浸潰效果。
[0009]導紗棒的尺寸和配置間距:
[0010]導紗棒的尺寸大小和彼此之間(即分散幫和集束棒)的距離沒有特別限定，可根據製造設備的大小進行確定，使碳纖維束與導紗棒之間的夾角在30°?60°之間。
[0011]導紗棒的橫斷面結構:
[0012]導紗棒的橫斷面結構形態也是本發明的重要特徵之一。為了調節纖維束與導紗棒表面之間的接觸狀態，特意將導紗棒的接觸表面部分設計成曲線形式，如圖2所示的圓弧型，梯型、V型等，從而使纖維束在行進過程中實現多點接觸，以達到更好地浸潰效果。當然了，本發明的導紗棒的接觸表面部分外形但不限於圖2構造。
[0013]本發明的導紗棒可用於製備高纖維含量高性能的碳纖維增強熱塑性樹脂複合材料，即將所述導紗棒應用於如圖3所示的設備中，具體而言，即在圖3所示的樹脂浸潰槽中設有多個本發明特定形狀的導紗棒。在該圖3中，從左至右，依次為碳纖維束、引導羅拉、樹脂浸潰槽、冷卻槽、導出羅拉和切粒機，通過碳纖維束將它們依次連接起來。另外，所述設備還包括擠出機，使得熱塑性樹脂經過擠出機加熱熔融後被注入樹脂浸潰槽中。
[0014]所述的碳纖維增強熱塑性樹脂複合材料的製備方法，具體包括以下步驟:
[0015]將施加了一定張力的連續狀的碳纖維束I引出，經過引導羅拉2進入樹脂浸潰槽3，同時熱塑性樹脂經過擠出機4加熱熔融後被注入樹脂浸潰槽3中，使整個樹脂浸潰槽被熔融樹脂注滿。在樹脂浸潰槽中安裝有多個特定形狀的導紗棒5，碳纖維束在和導紗棒接觸過程中通過摩擦得到開松分散，使熔融樹脂能夠進入到纖維束內部，從而解決了熱塑性樹脂對碳纖維的充分浸潰，達到實現高性能的碳纖維增強熱塑性複合材料的目的。被熱塑性樹脂浸潰後的碳纖維束從樹脂浸潰槽中弓I出，經過冷卻槽6冷卻後由導出羅拉7引出，再送入切粒機8中切斷，即得到碳纖維增強的熱塑性樹脂料粒。
[0016]按照上述本發明方法得到的碳纖維增強的熱塑性樹脂料粒，根據不同的碳纖維和樹脂的比例可實現不同的纖維含量。其中碳纖維含量一般在20%?50%之間為宜。
[0017]碳纖維束:
[0018]本發明方法適用於目前市場上所售的一般類型的連續碳纖維束，碳纖維束的單絲直徑為7?10 μ m，纖維束中的纖維根數為6000?24000根，碳纖維的拉伸強度在3000?6000Mpa 之間。
[0019]熱塑性樹脂:
[0020]本發明方法適用的熱塑性樹脂包括PP、PA6、PA66、PC及ABS等一般常用的熱塑性樹脂。
[0021]有益效果:
[0022]本發明通過設計特定形狀的用於分散碳纖維束的導紗棒，將其應用於碳纖維增強熱塑性樹脂複合材料的製備，很好解決了碳纖維束和熱塑性樹脂的浸潰問題，從而成功製得一種含有高纖維含量的碳纖維熱塑性樹脂母料和高性能的碳纖維增強熱塑性樹脂基的複合材料。經性能檢測，該複合材料具有優異的拉伸強度、彎曲強度和彎曲模量等力學性能，在航空航天、汽車、通訊、機械電子電器等領域具有廣闊的應用前景。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為本發明的導紗棒的結構及與連續碳碳纖維束的配置示意圖。
[0024]圖2為本發明的導紗棒的幾種橫斷面結構形態示意圖。
[0025]圖3為本發明的碳纖維熱塑性樹脂複合材料的製備裝置結構示意圖。

【具體實施方式】
[0026]以下結合具體實施例進一步詳細描述本發明的技術方案，但所述實施例不限制本發明的保護範圍。應當說明的是，以下實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍中。
[0027]實施例1
[0028]圖1為本發明的導紗棒的結構及與連續碳纖維束的配置示意圖，所述的導紗棒的形狀為半圓弧形，纖維束I與導紗棒之間的夾角為30°?60°。導紗棒由分散棒9和集束棒10組成，二者交錯配置，根據具體情況可以沿水平方向間隔配置，也可沿垂直方向高低配置。分散棒9的外圓半徑為Rl，集束棒10的內圓半徑為R2，其中R1>R2，R1/R2 = 1.5-2.0。
[0029]圖2為本發明的導紗棒的幾種橫斷面結構形態示意圖，可以是圓弧型，梯型、V型等，從而使纖維束在行進過程中實現多點接觸，以達到更好地浸潰效果。
[0030]圖3為本發明的碳纖維熱塑性樹脂複合材料的製備裝置結構示意圖，包括引導羅拉
2、樹脂浸潰槽3、冷卻槽6、導出羅拉7和切粒機8，通過碳纖維束I將它們依次連接起來。所述樹脂浸潰槽3中設有多個特定形狀的導紗棒5。另外，所述裝置還包括擠出機，熱塑性樹脂經過擠出機4加熱熔融後被注入樹脂浸潰槽3中，從而進一步製備碳纖維熱塑性樹脂複合材料。
[0031]實施例2?7
[0032]按照圖3所示的製備裝置，使用的連續碳纖維束是日本東麗公司的T300產品(平均纖維直徑7 μ m,絲束的纖維根數12000根，拉伸強度3530Mpa)，熱塑性樹脂分別選擇PA66、PA6、PP、PC和ABS，依據表I中設定的工藝條件，分別製備碳纖維增強熱塑性樹脂複合料粒，得到的各種複合材料料粒的力學性能如表2所示，表3為未添加纖維束的熱塑性樹脂的力學性能數據。
[0033]表I
[0034]

I實施例2 I實施例3 I實施例4 I實施例5 I實施例6 I實施例7導紗棒直徑(nun)252525252525
分散棒圓弧半徑Rl (mm)~ 758075757575
集束棒圓弧半徑R2 (mm)~ 504050505050
R1/R2ΤΓδ ?70 ΤΓδΤΓδ ΤΓδ ΤΓδ
熱塑性樹脂ΡΑ66 ΡΑ66 ΡΑ6PPABS PC
碳纖維T300 T300 T300 T300 T300 T300
[0035]表 2
[0036]
I實施例2 I實施例3 I實施例4 I實施例5 I實施例6 I實施例7
拉伸強度(MPa)27033026060150200
彎曲強度(MPa)?70493350105180294
彎曲模量(GPa)167236.515.911.5ΤΓ217.4
缺口衝擊強度(KJ/m2)~121813101215
碳纖維含量(％)205020252030
樹脂浸漬率(重量％) 999596999793
[0037]表3
[0038]
I比較例2I比較例4I比較例5~I比較例6 I比較例7
拉伸強度(MPa)6558223560
彎曲強度(MPa)Tl68446080
彎曲模量(GPa)Τ~8ΤΓδΤ7--7--λ
缺口衝擊強度(KJ/m2)ΤΓδ1Tl08ΓδδΓθ
熱塑性樹脂ΡΑ66/100ΡΑ6/100PP/100ABS/100PC/100
碳纖維含量(％)00000
[0039]複合材料性能評價:
[0040](I)碳纖維含量
[0041]將複合材料料粒放入硫酸溶液中，待樹脂成分完全溶解後，根據重量變化率求得。
[0042](2)樹脂浸潰率
[0043]對製成的複合材料料粒進行分割，檢出沒有被樹脂浸潰的乾燥纖維並稱取其重量，根據下式進行求解。
[0044]樹脂浸潰率(重量％) =10-Wdf/ (ffp X Wf)
[0045]其中:Wdf為料粒中沒有被樹脂浸潰的乾燥纖維重量，Wp為料粒的總重量，Wf為碳纖維含量。
[0046](3)拉伸強度
[0047]將實驗所得料粒用注塑機製成標準試樣，依據試驗標準GB/T1040-2006進行測定。
[0048](4)彎曲強度和彎曲模量
[0049]將實驗所得料粒用注塑機製成標準試樣，依據試驗標準GB/T9341-2008進行測定。
[0050](5)缺口衝擊強度
[0051]將實驗所得料粒用注塑機製成標準試樣，依據試驗標準GB/T1843-2008進行測定。
[0052]從上述表2、表3的測試結果可以看出，利用本發明方法製成的碳纖維增強熱塑性樹脂複合材料，能夠實現熱塑性樹脂對碳纖維的充分浸潰，具有優異的機械性能(遠高於未添加碳纖維的空白熱塑性樹脂)，其製品在航空航天、汽車、通訊、機械電子電器等領域具有廣闊的應用前景。
【權利要求】
1.一種用於分散碳纖維束的導紗棒，其特徵在於，所述導紗棒的形狀為半圓弧形，由分散棒和集束棒組成，二者沿水平方向間隔配置，或沿垂直方向高低配置。
2.根據權利要求1所述的導紗棒，其特徵在於，所述分散棒和集束棒總數最少不少於4根。
3.根據權利要求1所述的導紗棒，其特徵在於，所述分散棒的外圓半徑為R1，集束棒的內圓半徑為R2, R1>R2。
4.根據權利要求3所述的導紗棒，其特徵在於，R1/R2= 1.5-2.0。
5.根據權利要求1所述的導紗棒，其特徵在於，所述碳纖維束與導紗棒間的夾角為30。?60°。
6.根據權利要求1所述的導紗棒，其特徵在於，所述導紗棒的接觸表面為圓弧型、梯型或V型。
7.一種碳纖維增強熱塑性樹脂複合材料的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟: 將施加了張力的連續狀的碳纖維束引出，經過引導羅拉進入樹脂浸潰槽，同時熱塑性樹脂經過擠出機加熱熔融後被注入樹脂浸潰槽中，使整個樹脂浸潰槽被熔融樹脂注滿；碳纖維束通過與設在樹脂浸潰槽中的多個導紗棒接觸過程中通過摩擦得到開松分散，使熔融樹脂進入到纖維束內部；最後將被熱塑性樹脂浸潰後的碳纖維束從樹脂浸潰槽中引出，經過冷卻槽冷卻後由導出羅拉引出，再送入切粒機中切斷，即得到碳纖維增強的熱塑性樹脂料粒複合材料。
8.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述的碳纖維束，其單絲直徑為7?10 μ m,纖維根數為6000?24000根，碳纖維的拉伸強度為3000?6000Mpa。
9.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述的熱塑性樹脂包括PP、PA6、PA66、PC或 ABS。
【文檔編號】B29C70/54GK104210118SQ201310211967
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2013年5月30日 優先權日:2013年5月30日
【發明者】李芳麗, 張萬虎 申請人:李芳麗, 張萬虎