碳纖維墊片及其結合方法與流程

2023-04-28 04:19:24 1

本發明涉及一種碳纖維墊片，尤其涉及一種含有非連續性碳纖維的碳纖維墊片及其結合方法。
背景技術：
：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，或組件轉動所需套設的一轉動墊片等等。釣魚卷線器中的轉動墊片即是範例之一，現有的釣魚卷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，因此該轉動墊片的耐磨耗性、自潤性、耐高溫性均有極高的要求。現階段傳統用於釣魚卷線器或其他類似用途的墊片，主要為金屬基或復材基兩種，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；復材基轉動墊片則為使用多層連續纖維織布迭合形成，如圖8所示，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。技術實現要素：為了解決上述技術問題，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。本發明提供一種碳纖維墊片，其包含以多個纖維束交錯編織而成的一碳纖維布，每個該纖維束由多個非連續纖維形成。其中，碳纖維墊片是以至少兩個的碳纖維布層迭而成，相鄰的兩個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的纖維間，該碳纖維墊片的外表面至少局部未滲有或未含浸該接著材。其中，該碳纖維布的碳化率介於10％～95％之間。其中，該接著材含浸於該碳纖維墊片間的含浸率介於40％～80％。其中，該接著材為熱塑型樹脂或熱固型樹脂，該非連續纖維為聚丙烯腈纖維碳化形成。其中，該熱塑型樹脂為聚酯類或聚碸類樹脂，該熱固型樹脂為環氧樹酯系列或酚醛系列樹脂。其中，兩該碳纖維布進一步與一支撐材形成一層迭結構，兩該碳纖維布設於該層迭結構的外側。其中，支撐材是該碳纖維布、薄纖布、玄武巖布或玻璃纖維布的任一或其組合。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)取至少兩個碳纖維布，該碳纖維布是以多個纖維束交錯編織而成，每個該纖維束由多個非連續纖維形成；(2)施予特定厚度的一接著材於該碳纖維布間并迭合；以及(3)將迭合後的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的纖維間，該碳纖維墊片的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以膜片迭層、塗布或噴灑的方式施於該碳纖維墊片上；迭合後的該碳纖維布及該接著材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.本發明的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、非連續纖維外露的型態，使本發明在使用時，可具有相較於現有技術更佳的自潤、耐磨耗的技術功效。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.本發明不同碳化率的該碳纖維墊片可廣泛應用於各領域當中，例如高碳化率的碳纖維墊片可應用於汽車變速箱、釣魚卷線器等齒輪需要高速傳動的機構中，而中等碳化率的碳纖維墊片可應用於食品級機械等齒輪轉速需求較低的機器中，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，而較低碳化率的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。附圖說明圖1為本發明碳纖維墊片的sem圖；圖2為本發明碳纖維墊片的sem圖；圖3為本發明碳纖維墊片剖面的sem圖；圖4為本發明碳纖維墊片剖面的sem圖；圖5為本發明第二較佳實施的示意圖；圖6為本發明各樣品在400℃下測得的tga測試結果；圖7為本發明各樣品在500℃下測得的tga測試結果；圖8為現有連續碳纖維編織而成的碳纖維墊片示意圖。符號說明：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支撐材具體實施方式為能詳細了解本發明的技術特徵及實用功效，並可依照說明書的內容來實施，進一步以如圖式所示的較佳實施例，詳細說明如下。本發明包含由多個纖維束111交錯編織而成的一碳纖維布11，每個該纖維束111由多個非連續纖維1111形成。較佳地，該多個經緯交錯編織的該纖維束111以經緯方向上下交錯編織而成，如圖1～圖4的電子顯微鏡(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)取多個非碳化的非連續纖維予以捻合、抱合成束、成線；該非連續纖維可以是聚丙烯腈系列纖維。(2)將成束的該非碳化的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，該非碳化纖維布的編織方法不限定，但較佳以無梭編 織形式，例如平織，由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的阻斷傳導效果，大幅降低使用破壞的問題。(3)將該非碳化纖維布以400℃～3500℃的溫度範圍碳化，形成一碳纖維布11，較佳地，該碳纖維布11的碳化率介於10％～95％。如圖3～圖4所示，本發明第一較佳實施例以上述製造方法所製得的該碳纖維布11兩兩迭合所形成的層迭結構，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。施作上述該碳纖維布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/平方公分的壓力及≦350℃的溫度，將該碳纖維布11與特定厚度的片狀支撐材20迭合後熱壓黏合，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結合併具備一定強度的結構剛性，減少脫層的問題；上述所謂的特定厚度的片狀該支撐材20，該特定厚度是以該碳纖維布11的厚度、體積百分比及所欲達成的含浸率而控制，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％～80vt％厚度的接著材，以塗布(coating)、噴灑(spray)或膜片熱壓層迭(filmstacking)的方式，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、非連續纖維外露的型態，使用時，可具有相較於現有技術更佳的自潤、耐磨耗、耐用的技術功效。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(rolltoroll)貼合的製程方式，產生復層構造的該碳纖維墊片，其中，依據貼合對象的表面特性，可選擇適當如上述的該接著材20。貼合過程較佳配合施予高溫高壓，可更進一步提升復層構造的該碳纖維布的結構性能。本步驟完成成卷的復層構造的該碳纖維布或連續片狀材料，可進一步以衝壓、裁剪等裁切方式形成該碳纖維墊片10。如圖5所示，本發明第二較佳實施例兩兩該碳纖維布11之間，除該接著材20外，進一步以碳纖維布、接著材、支撐材、接著材及碳纖維布的順序迭合一支撐材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的潤滑、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可以是玄武巖、玻璃纖維布、碳纖維布等。本發明形成三層或三層以上的碳纖維墊片結構時，該碳纖維布11迭合於最外層，其他支撐材30(不限定僅為一層，可多層迭合)則迭合或包覆於內層，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的各樣品表列。表1樣品代號碳化溫度(℃)厚度(mm)基重(g/m2)經密(/inch)cf-1001-t～10850.626046cf-1003-t～10750.4815050cf-1001-z1080～10900.5530046cf-1003-z1070～10900.4817050表2樣品代號緯密(/inch)層迭數熱傳導係數(w/cm·℃)cf-1001-t2854.98cf-1003-t2834.54cf-1001-z2854.64cf-1003-z2834.47本發明各樣品的熱傳導係數皆約為5(w/cm·℃)，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。如圖6～圖7所示，其為表1及表2中各樣品於400℃及500℃下所測得的熱重分析(tgaq500)測試結果，於溫度400℃時測得各樣品的重量損失率(％/小時)小於3％，而於溫度500℃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質量穩定，不易產生結構或纖維損壞的問題。請參考下表3，本發明各樣品以astmd1894、astmd3884及astmd648測試標準所測得的靜、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，本發明的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 續纖維所製得的碳纖維墊片10具有優異的耐高溫及耐磨耗的優異表現。表3樣品代號靜摩擦係數動摩擦係數耐磨耗(g)熱變形溫度(℃)cf-1001-t0.410.410.3318157.0cf-1003-t0.270.270.0468161.1cf-1001-z0.270.270.1521172.6cf-1003-z0.410.410.2568157.8由上述各測試結果可知，本發明利用非連續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的元素分析表。本發明以較低溫度碳化的碳纖維墊片，可具有更多的官能基以利於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樣品代號碳化溫度℃碳化率氮含量n％碳含量c％氫含量h％cf-1001-z1080～1090856.60484.5051.056cf-1001-z8507012.80869.9861.768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％)的碳纖維墊片可應用於汽車變速箱、釣魚卷線器等機械齒輪需要高速轉動的機構中，而中等碳化率(30％～60％)的碳纖維墊片可應用於食品級機械等齒輪轉速需求較低的機器中，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％)的碳纖維墊片，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。以上僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。當前第1頁12