大絲束碳纖維應(yīng)用及展紗設(shè)備研究進(jìn)展

侯傳禮

(哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱 150036)

大絲束碳纖維應(yīng)用及展紗設(shè)備研究進(jìn)展

侯傳禮

(哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱 150036)

大絲束碳纖維應(yīng)用是碳纖維復(fù)合材料發(fā)展的關(guān)鍵。本文主要介紹了大絲束碳纖維在各領(lǐng)域應(yīng)用前景；美國卓爾泰克公司(ZOLTEK)為解決大絲束碳纖維展開困難、纖維浸潤均勻性差、纖維到產(chǎn)品較低的強(qiáng)度傳遞和較差的產(chǎn)品外觀而進(jìn)行的設(shè)備改進(jìn)；國內(nèi)針對(duì)大絲束碳纖維應(yīng)用的展紗設(shè)備、樹脂體系等方面研究進(jìn)展。

大絲束碳纖維；展紗；應(yīng)用；纏繞機(jī)

1 引 言

降低成本是復(fù)合材料發(fā)展的關(guān)鍵，是提高復(fù)合材料用量的重要一環(huán)，低成本大絲束碳纖維的應(yīng)用是發(fā)展低成本復(fù)合材料技術(shù)研究的重要內(nèi)容。每束碳纖維數(shù)大于48 000(48 K)根的稱之為大絲束碳纖維。美國卓爾泰克公司的大絲束碳纖維PANEX35的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量都超過日本東麗公司小絲束T300，而它的價(jià)格相對(duì)較低。

表1 PANEX35大絲束與小絲束T300性能比較[1]

但大絲束碳纖維應(yīng)用存在很多技術(shù)問題。相對(duì)于小絲束而言，大絲束纖維聚積，展紗效果不好，紗片難以均勻浸潤，紗片厚度和質(zhì)量很難達(dá)到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求；在展紗過程中經(jīng)常出現(xiàn)紗毛，導(dǎo)致亂紗和斷紗，影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品外觀，材料性能得不到有效轉(zhuǎn)換，產(chǎn)品性能不穩(wěn)定。解決這些問題從兩方面入手，一是改進(jìn)展紗浸潤設(shè)備，使大絲束碳纖維本身充分展開，利于浸潤和成型；二是從浸漬樹脂體系上進(jìn)行研究，改善體系粘度和大絲束碳纖維相容性，使大絲束碳纖維得到更好的浸潤。

2 大絲束碳纖維的應(yīng)用

大絲束碳纖維在土木工程、能源、汽車和航空等領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。

土木工程領(lǐng)域：碳纖維增強(qiáng)混凝土不但可以提高強(qiáng)度和剛度，而且有耐腐蝕、質(zhì)量輕、適型性好等優(yōu)點(diǎn)。中國作為最大的建筑市場，新建房屋和橋梁上將應(yīng)用大量大絲束碳纖維來增強(qiáng)。大量經(jīng)過歲月的侵襲房屋和高強(qiáng)度使用的橋梁需要碳纖維重新補(bǔ)強(qiáng)加固。

體育用品領(lǐng)域：釣魚桿，羽毛球拍，滑雪板，高爾夫球桿等體育用品應(yīng)用的碳纖維67%是大絲束。隨著大絲束價(jià)格的降低和性能的提高，此基礎(chǔ)上還會(huì)有所增長。

能源領(lǐng)域：隨著風(fēng)機(jī)葉片長度加大，玻璃纖維在大型復(fù)合材料葉片上逐漸顯現(xiàn)性能不足，采用大絲束碳纖維制作葉片不僅能夠滿足陸上風(fēng)機(jī)強(qiáng)度和剛度等力學(xué)性能要求，它的輕量化，耐腐蝕也成為海上風(fēng)能葉片的需要。國外已經(jīng)展開對(duì)大絲束碳纖維風(fēng)機(jī)葉片的研究，中國大絲束碳纖維應(yīng)用風(fēng)電葉片遠(yuǎn)落后于世界水平。

工業(yè)領(lǐng)域：從近年國內(nèi)申請(qǐng)的專利可以看出大絲束碳纖維在高壓氣瓶應(yīng)用顯著增加。中復(fù)連眾復(fù)合材料集團(tuán)有限公司采用大絲束碳纖維纏繞制作一種呼吸用高壓氣瓶，成本比小絲束降低了14%左右[2]。江蘇久維壓力容器制造有限公司采用產(chǎn)品級(jí)的具有較好浸潤效果的大絲束碳纖維采用纏繞方法制作了復(fù)合高壓氣瓶，提高了碳纖維纏繞層的承載強(qiáng)度[3]。中材科技(蘇州)有限公司解決了大絲束碳纖維在纏繞工藝中遇到的浸膠工藝、纖維展紗寬度諸多難點(diǎn)問題，將其成功地應(yīng)用于壓力容器的制造，實(shí)現(xiàn)大絲束碳纖維的高效生產(chǎn)，降低產(chǎn)品的成本[4]。

航空航天領(lǐng)域：在國內(nèi)傳統(tǒng)的航天產(chǎn)品上主要采用的小絲束碳纖維，不過從經(jīng)濟(jì)上講以抗靜電和電磁屏蔽為目的產(chǎn)品采用大絲束碳纖維更合理。航空方面，世界上最大飛機(jī)歐洲空客A380質(zhì)量22%的部件由碳纖維復(fù)合材料制造，并且采用了先進(jìn)的自動(dòng)鋪帶(ATL)技術(shù)；美國波音B787使用碳纖維復(fù)合材料的質(zhì)量比例高達(dá)50%[5]；中國商飛C919第一階段采用10%～15%的碳纖維復(fù)合材料[6]，第二階段將采用23%～25%的碳纖維復(fù)合材料。碳纖維復(fù)合材料在大型商用客機(jī)的大量使用，必然帶動(dòng)低成本大絲束碳纖維的應(yīng)用發(fā)展。

交通領(lǐng)域：近年來隨著汽車和高速鐵路快速發(fā)展，碳纖維復(fù)合材料高比模量、高比強(qiáng)度正好滿足其輕量化、安全性和耐腐蝕的要求。生產(chǎn)商正努力拓展大絲束碳纖維在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，德國SGL集團(tuán)和寶馬公司合作[7-8]，將大絲束碳纖維成功應(yīng)用全電動(dòng)寶馬i3汽車的整個(gè)乘員艙結(jié)構(gòu)。如果碳纖維汽車價(jià)格得到消費(fèi)者的認(rèn)可，大絲束碳纖維的需求將迎來高峰。

3 展紗設(shè)備的研究進(jìn)展

48K大絲束相當(dāng)于4束12K小絲束“粘”在一起，像繩子一樣有強(qiáng)大的“側(cè)向韌勁”，往往會(huì)抑制絲束延展成平帶，不利于結(jié)構(gòu)鋪層和浸潤，制備的復(fù)合材料很容易產(chǎn)生纖維扭曲和缺陷。

國內(nèi)外針對(duì)大絲束碳纖維產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的預(yù)浸設(shè)備和纏繞設(shè)備進(jìn)行了設(shè)計(jì)和改造，目前研究大絲束碳纖維展開的主要方法有機(jī)械法和聲波法。

在大絲束碳纖維纏繞應(yīng)用方面，美國卓爾泰克公司所屬的Entec公司對(duì)現(xiàn)有纏繞機(jī)展紗浸潤過程進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，用最低成本解決方案使現(xiàn)有纏繞機(jī)能夠很好的使用低成本大絲束碳纖維，消除了顧客的顧慮。

團(tuán)隊(duì)從纏繞機(jī)的纖維紗架、浸前展紗、浸潤膠槽和繞絲頭等幾個(gè)部分系統(tǒng)進(jìn)行了研究和測(cè)試。首先讓紗架上紗團(tuán)軸平行于纏繞工件軸，然后通過拋光輥和“D”型環(huán)收集纖維減少亂紗，并在紗架上安裝了風(fēng)扇和過濾器減小紗毛到達(dá)膠槽的機(jī)會(huì)。在紗架和膠槽之間，讓纖維分別通過鍍鉻拋光后的一對(duì)靜態(tài)“凹凸輥”或一對(duì)靜態(tài)角輥進(jìn)行拓展；更積極的方法是增加拓展輥、捏合輥和振動(dòng)輥。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的PANEX35纖維不需要太多的硬件，最簡單的意味著最好，靜態(tài)角輥展紗效果最好(圖1)。在纖維浸潤環(huán)節(jié)，Entec公司將傳統(tǒng)的浸浴、刮刀輥浴和單絲注入系統(tǒng)進(jìn)行了工藝上的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)稍微改動(dòng)的浸浴和刮刀輥浴都能很好的將纖維浸漬并控制含膠量。由于傳統(tǒng)的“梳子”會(huì)使展開的纖維重新集束，所以整個(gè)過程棄用了小絲束用的“梳子”。纏繞到工件上的最后環(huán)節(jié)是繞絲嘴，Entec公司針對(duì)不同設(shè)備給出2個(gè)方案。對(duì)于三軸纏繞機(jī)采用靜態(tài)同心“D”型環(huán)組合(圖2)比較合適，紗片可以在張力的作用下在環(huán)之間相互轉(zhuǎn)換和移動(dòng)并能更好的控制紗片寬度。對(duì)于需要繞絲頭根據(jù)纏繞角度而轉(zhuǎn)動(dòng)三軸以上纏繞機(jī)，弧形輥和導(dǎo)絲輥(圖3)的組合比較合適。

圖1 展紗角輥和振動(dòng)輥組合

在國內(nèi)，羅云烽等[10]人使用自制大絲束碳纖維薄層化裝置對(duì)SIGRAFIL C30 T050 EPY(50 K)大絲束碳纖維進(jìn)行薄層化效果、滲透特性和復(fù)合材料性能進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，在展紗異形輥的作用下50 K碳纖維從6 mm分散到了28 mm，厚度從0.4 mm薄層化至0.085 mm；滲透率降低為原來的0.47倍，滲透均勻性有明顯提高；薄層化后大絲束碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料內(nèi)部缺陷更少或更小，纖維-樹脂分布均勻性提高；復(fù)合材料彎曲模量和彎曲強(qiáng)度均有提高，且性能分散性更小。

天津海天長豐科技開發(fā)有限公司發(fā)明的大絲束碳纖維薄層化處理裝置利用花軸帶動(dòng)大絲束作上下交替振動(dòng)將移動(dòng)的大絲束薄層化[11]。

圖2 同心“D”型環(huán)組合繞絲嘴

圖3 弧形輥和導(dǎo)絲輥組合繞絲嘴[9]

常州市潤源經(jīng)編機(jī)械有限公司發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的大絲束碳纖維擴(kuò)展裝置，利用相切設(shè)置的加熱輥筒拓展大絲束碳纖維。拓展后的碳纖維制成的制品厚度小、纖維利用率高，使碳纖維的優(yōu)良性能得到了充分發(fā)揮[12]。

上海晉飛日精復(fù)合材料有限公司發(fā)明了低成本高性能大絲束碳纖維展開裝置。利用超聲波擴(kuò)纖法對(duì)大絲束碳纖維在預(yù)展紗裝置和主展紗裝置上2次展紗，能有效將大絲束纖維展開[13]。

藍(lán)星(北京)化工機(jī)械有限公司發(fā)明超聲波膠槽、大絲束碳纖維制造復(fù)合芯線的設(shè)備及方法。通過過調(diào)整膠槽外的超聲波的強(qiáng)度和作用時(shí)間使大絲束碳纖維物理開纖，達(dá)到理想的浸潤效果[14]。

4 浸漬樹脂體系研究

大絲束碳纖維應(yīng)用除了要求對(duì)展紗浸漬設(shè)備改造外，對(duì)樹脂的粘度和相容性也提出了更高的要求。

劉寶峰等[15]研究的5222B浸漬大絲束碳纖維用高溫固化樹脂體系黏性適中，流動(dòng)性可控；用熱熔法工藝浸漬48 K碳纖維制作的預(yù)浸料符合要求；5222B/48K制作的復(fù)合材料與5222/T300對(duì)比性能相當(dāng)，并在面內(nèi)剪切和層間剪切強(qiáng)度上有所提高。

王亮[16]研究的聚芳醚酮改性環(huán)氧樹脂體系較好的解決了與大絲束碳纖維相容性問題；用熱熔法制作的改性環(huán)氧樹脂體系/大絲束碳纖維預(yù)浸料與原環(huán)氧樹脂體系/小絲束碳纖維預(yù)浸料單層壓制厚度相同；改性環(huán)氧樹脂體系/大絲束碳纖維復(fù)合材料的橫向拉伸強(qiáng)度得到了較大的提升。

5 結(jié) 語

綜上所述，適合大絲束碳纖維產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的預(yù)浸和纏繞設(shè)備取得了重要的進(jìn)展，隨著大絲束碳纖維性能的不斷提高和價(jià)格的下降，低成本大絲束碳纖維必能得到更廣泛應(yīng)用。

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Application of Large Tow Carbon Fiber and Progress of Spreading Fiber Equipment

HOU Chuanli

(Harbin FRP Institute,Harbin 150036)

Large tow carbon fiber applications is key to the development of carbon fiber composite material.This paper describes the prospects of large tow fiber in various fields of application fiber.US Zoltek Company (ZOLTEK) changes to filament winding equipment for fiber spead ,fiber wetout,poor fiber-to-part strength translation and poor part aesthetics.The study progress spreading equipment,resin system for large tow carton fiber at home.

large tow carbon fiber; spreading fiber; application; filament winding equipment

2014-11-16)

侯傳禮(1979-)，男，黑龍江人，本科，高級(jí)工程師。研究方向：樹脂基復(fù)合材料設(shè)計(jì)與工藝。E-mail：hcl0727@sina.com.