國產碳纖維編織工藝的探討

周恒香 顧良娥 尚武林 張斯緯

（連云港神鷹碳纖維自行車有限責任公司，江蘇連云港 222000）

碳纖維具有比強度高、比模量大、耐高溫、耐腐蝕、導熱導電性好、熱膨脹系數(shù)小、X射線穿透性能好等優(yōu)點，同時兼具碳材料的固有特性及紡織纖維柔軟可編織性，因此自被發(fā)明以來即被認為是復合增強材料的首選。以碳纖維為增強體的樹脂、碳、陶瓷或金屬基復合材料，既可作為結構材料承載負荷，又可作為功能材料滿足燒蝕防熱等功能性要求，目前碳纖維復合材料已被廣泛應用于航空航天、工業(yè)、體育休閑、醫(yī)療器械及土木建筑等領域[1]。

由于碳纖維模量高、彎曲性能差及易脆斷的特點，除電熱絲、功能服裝等少數(shù)領域被直接應用外，大部分碳纖維都被作為復合材料的增強體。而碳纖維復合材料中又有60～70%是通過碳纖維首先制備成預浸料實現(xiàn)的[2]，可見碳纖維預浸料在碳纖維應用中占有非常重要的地位。碳纖維預浸料是用樹脂基體在嚴格控制的條件下浸漬連續(xù)碳纖維纖維或織物，制成樹脂基體與增強體的組合物，是其復合材料的基礎，它的一些性質將直接帶入復合材料中，復合材料的性能在很大程度上取決于預浸料的性能[3]。因此，碳纖維預浸料對其復合材料的應用及發(fā)展具有重要意義。根據樹脂基體的不同碳纖維預浸料可分為熱固性預浸料及熱塑性預浸料兩種，前者發(fā)展歷史較久，方法比較成熟；后者制造技術發(fā)展較晚，因樹脂熔點高、熔融粘度大，沒有適當?shù)牡腿埸c溶劑可溶，目前大都處于研究階段。

作為預浸料的重要種類之一，碳纖維編織預浸料較單向預浸料工藝流程長，附加值更大，市場銷售價格普遍是單向預浸料數(shù)倍，尤其是采用12K碳纖維制備的20mm展寬的方格編織預浸布更是價格昂貴。目前3K平紋、斜紋、緞紋編織預浸布由于其美觀、規(guī)整的紋絡結構，已被廣泛應用各種碳纖維制品的外觀，受到人們的喜歡。但是由于碳纖維固有的質脆及摩擦系數(shù)大等特點，碳纖維相對滌綸等傳統(tǒng)纖維編織起來較困難，普通的織機不能直接用于碳纖維的織造。又由于國產碳纖維規(guī)模化較晚，在質量上同進口碳纖維有一定差異，在織造過程中容易起毛、易粘連、易斷頭等問題，給國產碳纖維織造工藝提出了更高的要求。近年來，學者們通過實踐和試驗方法反復研究高模量紗線的編織性能，已得知紗線本身的性能（摩擦性能，抗彎剛度和脆性等）和編織工藝參數(shù)（彎紗深度，牽拉力等）是影響高模量紗線編織性能的兩類主要因素[4]。因此本課題針對國產碳纖維的特性從工藝參數(shù)角度重點闡述張力大小及均勻性對碳纖維編織布后道應用的影響，并從紗架及張力控制系統(tǒng)兩方面提出解決方案，對國產碳纖維編織工藝及設備的改進具有重要意義。

2 國產碳纖維織造的生產實踐

經過長期的國產碳纖維織造生產實踐發(fā)現(xiàn)，在用國產碳纖維生產碳纖維編織布時，生產工藝要盡可能短、碳纖維通過的路徑要光滑、徑向張力施加方法要適當，織機速度要低、操作巡回要正確。為了解決傳統(tǒng)工藝不適合碳纖維織布的問題，可借鑒簾子布生產工藝，去掉絡筒、整經、（漿紗）工序，在織機后面加筒子架，碳纖維經筒子架退繞后直接進入張力控制系統(tǒng)進行織造。如圖1所示為改造后的織機示意圖，采用這樣的工藝流程后，織造效率、產品質量及降低碳纖維損耗等都有很大改善。

圖1 國產碳纖維編織流程示意圖

3 國產碳纖維織布的應用問題及討論

在碳纖維編織布開發(fā)的早期，對紗架及張力控制系統(tǒng)要求不是很高，即使織物經紗的張力不均勻也不會導致在織物收卷時緯紗的扭曲；并且早期的碳纖維編織布大多采用手糊工藝應用，剛編織出的規(guī)整紋絡能被很好地保持到碳纖維制品中。但是從盡可能提高碳纖維強度轉化效率的角度出發(fā)，經紗張力的不均勻性是不利于發(fā)揮全部纖維強度的，不能發(fā)揮纖維對受力的協(xié)同作用，會導致制品的力學性能較低。隨著國產預浸設備的開發(fā)及國內預浸線的增多，碳纖維編織布的直接應用逐漸被預浸料取代。由于干的編織布要經過預浸工藝，那么對織物的性能提出更高要求。經過長期生產實踐發(fā)現(xiàn)，采用圖1所示的織機結構織造出的編織布在進行預浸時緯紗經常出現(xiàn)扭曲等現(xiàn)象，這主要是由于預浸時編織布要經過一系列熱壓輥的擠壓，以便于將樹脂膠膜壓到織物中，在壓輥及收卷輥的共同作用下織物中經紗張力的不均勻性被放大了出來，經紗緊的會一直緊，經紗松的會逐漸被拉緊而產生經紗間的相對位移，又由于碳纖維經紗和緯紗間具有較大的摩擦力，從而導致緯紗隨經紗的相對移動而發(fā)生扭曲。由于編織布預浸后緯紗的扭曲，嚴重影響了織物剛織造出來時的規(guī)整紋絡，破壞織物的美感；從復合材料性能上考慮，扭曲的緯紗也是不利于纖維強度的發(fā)揮的，最終造成編織物預浸料不能作為外觀料使用的嚴重后果。

根據歐拉公式 （T摩擦后張力，T0摩擦前張力，μ摩擦系數(shù)，θ摩擦包角）[4]可知，摩擦前張力，即碳纖維絲束從紗架上退繞時的張力T0經張力控制系統(tǒng)后會被指數(shù)倍的放大，而放大倍數(shù)同纖維與張力輥的摩擦系數(shù)及摩擦包角等呈正相關關系；同時還與張力輥的直徑有關，直徑越大T0對摩擦后張力T的影響越大[5]。因此假如在紗架各紗筒退繞張力不均勻的情況下，再經張力控制系統(tǒng)的放大，編織布中經紗張力的不均勻性將成倍放大，即使在織物剛收卷時沒有明顯表現(xiàn)，但在預浸時就會顯現(xiàn)出來。造成以上問題的原因是圖1所示的紗架及張力控制系統(tǒng)沒有考慮到張力控制的均勻性，早期設備做工較粗糙，紗架紗筒退繞的張力差異較明顯，張力控制系統(tǒng)中的張力輥全為金屬輥，且直徑較小，靠張力輥上下的對壓不能使纖維均勻的受力，往往容易造成編織布兩邊的張力較大而中間的張力較小，甚至導致不能順利的進行織造流程。

4 國產碳纖維織造工藝的改進

為了解決國產碳纖維編織布經紗張力不均勻造成的預浸時緯紗扭曲的問題，除了對圖1所示編織流程示意圖中的紗架進行優(yōu)化外，還要對其張力控制系統(tǒng)進行改良，改良后的流程示意圖如圖2所示。由于碳纖維的摩擦系數(shù)較大及質脆的特點，較小纖維的張力有助于減少毛絲及斷絲，又由于3K碳纖維編織布在織造時的速度非常慢，一般在8-10 m/h，因此可以使紗架部分每一個紗筒都能自由的旋轉，使碳纖維退繞時的纖維張力都盡可能的小而均勻，以避免經紗在經過張力控制系統(tǒng)后張力的不均勻性被放大。

在張力控制部分將原始的金屬對輥擠壓給纖維施加張力方式改為靠改變摩擦包角大小調控纖維張力的方式，同時將提供張力的輥體直徑加大。改良后的張力控制系統(tǒng)能均勻的對每根經紗進行張力調節(jié)，避免了圖1所示的金屬棍對壓造成的兩邊纖維容易被擠壓到而中間懸空的現(xiàn)象；同時此種張力控制系統(tǒng)還可以提供較小的纖維張力，只要能滿足織造對經紗開口進緯的需要，這樣可以最大可能地減少綜框（綜絲）等對纖維的摩擦及拓展經紗的寬度，對織物力學性能的提高有很大幫助。

圖2 改良后國產碳纖維編織流程示意圖

4 結論

經過長期的生產實踐，我們探索了傳統(tǒng)國產碳纖維編織工藝的不足及原因，總結了造成編織布預浸時緯紗扭曲的主要原因是由于經紗的張力不均勻，并對現(xiàn)有織造工藝及設備提出改進的方案，預期能成功解決國產碳纖維編織布預浸的問題，提高國產碳纖維編織預浸布的質量和性能。

[1]馮志海. 關于我國高性能碳纖維需求和發(fā)展的幾點想法[J]. 新材料產業(yè).2010(9):19-20.

[2]張鳳翻. 國產碳纖維規(guī)模化生產及應用值得注意的幾個問題[J]. 高科技纖維與應用.2005,30(6):1-6.

[3]張鳳翻. 復合材料用預浸料[J]. 高科技纖維與應用，1999.24(5):28-32.

[4]趙 敏，楊 昆，劉 松. 碳纖維針織編織性能的研究[C]. 第12屆新型原料在針織及相關行業(yè)的推廣應用技術研討會論文集.2011:155-157.

[5]趙 寬. Dornier劍桿織機送經機構的改造[J]. 上海紡織科技.2012,40(12):9-11.