大絲束碳纖維應用及展紗設備研究進展

侯傳禮

(哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱 150036)

大絲束碳纖維應用及展紗設備研究進展

侯傳禮

(哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱 150036)

大絲束碳纖維應用是碳纖維復合材料發展的關鍵。本文主要介紹了大絲束碳纖維在各領域應用前景；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、纖維到產品較低的強度傳遞和較差的產品外觀而進行的設備改進；國內針對大絲束碳纖維應用的展紗設備、樹脂體系等方面研究進展。

大絲束碳纖維；展紗；應用；纏繞機

1 引 言

降低成本是復合材料發展的關鍵，是提高復合材料用量的重要一環，低成本大絲束碳纖維的應用是發展低成本復合材料技術研究的重要內容。每束碳纖維數大于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的拉伸強度和拉伸模量都超過日本東麗公司小絲束T300，而它的價格相對較低。

表1 PANEX35大絲束與小絲束T300性能比較[1]

但大絲束碳纖維應用存在很多技術問題。相對于小絲束而言，大絲束纖維聚積，展紗效果不好，紗片難以均勻浸潤，紗片厚度和質量很難達到產品結構設計的要求；在展紗過程中經常出現紗毛，導致亂紗和斷紗，影響生產效率和產品外觀，材料性能得不到有效轉換，產品性能不穩定。解決這些問題從兩方面入手，一是改進展紗浸潤設備，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 大絲束碳纖維的應用

大絲束碳纖維在土木工程、能源、汽車和航空等領域的應用前景廣闊。

土木工程領域：碳纖維增強混凝土不但可以提高強度和剛度，而且有耐腐蝕、質量輕、適型性好等優點。中國作為最大的建筑市場，新建房屋和橋梁上將應用大量大絲束碳纖維來增強。大量經過歲月的侵襲房屋和高強度使用的橋梁需要碳纖維重新補強加固。

體育用品領域：釣魚桿，羽毛球拍，滑雪板，高爾夫球桿等體育用品應用的碳纖維67%是大絲束。隨著大絲束價格的降低和性能的提高，此基礎上還會有所增長。

能源領域：隨著風機葉片長度加大，玻璃纖維在大型復合材料葉片上逐漸顯現性能不足，采用大絲束碳纖維制作葉片不僅能夠滿足陸上風機強度和剛度等力學性能要求，它的輕量化，耐腐蝕也成為海上風能葉片的需要。國外已經展開對大絲束碳纖維風機葉片的研究，中國大絲束碳纖維應用風電葉片遠落后于世界水平。

工業領域：從近年國內申請的專利可以看出大絲束碳纖維在高壓氣瓶應用顯著增加。中復連眾復合材料集團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品級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合高壓氣瓶，提高了碳纖維纏繞層的承載強度[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問題，將其成功地應用于壓力容器的制造，實現大絲束碳纖維的高效生產，降低產品的成本[4]。

航空航天領域：在國內傳統的航天產品上主要采用的小絲束碳纖維，不過從經濟上講以抗靜電和電磁屏蔽為目的產品采用大絲束碳纖維更合理。航空方面，世界上最大飛機歐洲空客A380質量22%的部件由碳纖維復合材料制造，并且采用了先進的自動鋪帶(ATL)技術；美國波音B787使用碳纖維復合材料的質量比例高達50%[5]；中國商飛C919第一階段采用10%～15%的碳纖維復合材料[6]，第二階段將采用23%～25%的碳纖維復合材料。碳纖維復合材料在大型商用客機的大量使用，必然帶動低成本大絲束碳纖維的應用發展。

交通領域：近年來隨著汽車和高速鐵路快速發展，碳纖維復合材料高比模量、高比強度正好滿足其輕量化、安全性和耐腐蝕的要求。生產商正努力拓展大絲束碳纖維在汽車領域的應用，德國SGL集團和寶馬公司合作[7-8]，將大絲束碳纖維成功應用全電動寶馬i3汽車的整個乘員艙結構。如果碳纖維汽車價格得到消費者的認可，大絲束碳纖維的需求將迎來高峰。

3 展紗設備的研究進展

48K大絲束相當于4束12K小絲束“粘”在一起，像繩子一樣有強大的“側向韌勁”，往往會抑制絲束延展成平帶，不利于結構鋪層和浸潤，制備的復合材料很容易產生纖維扭曲和缺陷。

國內外針對大絲束碳纖維產業化應用的預浸設備和纏繞設備進行了設計和改造，目前研究大絲束碳纖維展開的主要方法有機械法和聲波法。

在大絲束碳纖維纏繞應用方面，美國卓爾泰克公司所屬的Entec公司對現有纏繞機展紗浸潤過程進行了系統的研究，用最低成本解決方案使現有纏繞機能夠很好的使用低成本大絲束碳纖維，消除了顧客的顧慮。

團隊從纏繞機的纖維紗架、浸前展紗、浸潤膠槽和繞絲頭等幾個部分系統進行了研究和測試。首先讓紗架上紗團軸平行于纏繞工件軸，然后通過拋光輥和“D”型環收集纖維減少亂紗，并在紗架上安裝了風扇和過濾器減小紗毛到達膠槽的機會。在紗架和膠槽之間，讓纖維分別通過鍍鉻拋光后的一對靜態“凹凸輥”或一對靜態角輥進行拓展；更積極的方法是增加拓展輥、捏合輥和振動輥。通過對比發現，對于標準的PANEX35纖維不需要太多的硬件，最簡單的意味著最好，靜態角輥展紗效果最好(圖1)。在纖維浸潤環節，Entec公司將傳統的浸浴、刮刀輥浴和單絲注入系統進行了工藝上的對比，發現稍微改動的浸浴和刮刀輥浴都能很好的將纖維浸漬并控制含膠量。由于傳統的“梳子”會使展開的纖維重新集束，所以整個過程棄用了小絲束用的“梳子”。纏繞到工件上的最后環節是繞絲嘴，Entec公司針對不同設備給出2個方案。對于三軸纏繞機采用靜態同心“D”型環組合(圖2)比較合適，紗片可以在張力的作用下在環之間相互轉換和移動并能更好的控制紗片寬度。對于需要繞絲頭根據纏繞角度而轉動三軸以上纏繞機，弧形輥和導絲輥(圖3)的組合比較合適。

圖1 展紗角輥和振動輥組合

在國內，羅云烽等[10]人使用自制大絲束碳纖維薄層化裝置對SIGRAFIL C30 T050 EPY(50 K)大絲束碳纖維進行薄層化效果、滲透特性和復合材料性能進行了研究。研究結果表明，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復合材料內部缺陷更少或更小，纖維-樹脂分布均勻性提高；復合材料彎曲模量和彎曲強度均有提高，且性能分散性更小。

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

圖2 同心“D”型環組合繞絲嘴

圖3 弧形輥和導絲輥組合繞絲嘴[9]

常州市潤源經編機械有限公司發明的結構簡單、成本低廉的大絲束碳纖維擴展裝置，利用相切設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，使碳纖維的優良性能得到了充分發揮[12]。

上海晉飛日精復合材料有限公司發明了低成本高性能大絲束碳纖維展開裝置。利用超聲波擴纖法對大絲束碳纖維在預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]。

藍星(北京)化工機械有限公司發明超聲波膠槽、大絲束碳纖維制造復合芯線的設備及方法。通過過調整膠槽外的超聲波的強度和作用時間使大絲束碳纖維物理開纖，達到理想的浸潤效果[14]。

4 浸漬樹脂體系研究

大絲束碳纖維應用除了要求對展紗浸漬設備改造外，對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，流動性可控；用熱熔法工藝浸漬48 K碳纖維制作的預浸料符合要求；5222B/48K制作的復合材料與5222/T300對比性能相當，并在面內剪切和層間剪切強度上有所提高。

王亮[16]研究的聚芳醚酮改性環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氧樹脂體系/大絲束碳纖維預浸料與原環氧樹脂體系/小絲束碳纖維預浸料單層壓制厚度相同；改性環氧樹脂體系/大絲束碳纖維復合材料的橫向拉伸強度得到了較大的提升。

5 結 語

綜上所述，適合大絲束碳纖維產業化應用的預浸和纏繞設備取得了重要的進展，隨著大絲束碳纖維性能的不斷提高和價格的下降，低成本大絲束碳纖維必能得到更廣泛應用。

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[16] 王亮.聚芳醚酮改性環氧樹脂體系大絲束碳纖維復合材料性能研究[D].南昌：南昌大學碩士學位論文,2007.

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，高級工程師。研究方向：樹脂基復合材料設計與工藝。E-mail：hcl0727@sina.com.