用于分散碳纤维束的导纱棒及其应用的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于分散碳纤维束的导纱棒及其应用。所述导纱棒的形状为半圆弧形，由分散棒和集束棒组成，二者沿水平方向间隔配置，或沿垂直方向高低配置；所述分散棒和集束棒总数最少应不少于4根，其中分散棒的外圆半径为R1,集束棒的内圆半径为R2，R1>R2，且R1/R2=1.5-2.0;碳纤维束与导纱棒间的夹角为30°?60°。导纱棒的接触表面为圆弧型、梯型或V型。本发明通过设计特定结构的用于分散碳纤维束的导纱棒，很好解决了碳纤维束和热塑性树脂的浸渍问题，成功制得高性能的碳纤维增强热塑性树脂复合材料，其具有优异的拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量等力学性能，在航空航天、汽车、通讯、机械电子电器等领域具有广阔的应用前景。
【专利说明】用于分散碳纤维束的导纱棒及其应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及碳纤维复合材料【技术领域】，具体涉及一种用于分散碳纤维束的导纱棒及其应用，特别是将所述导纱棒用于制备高纤维含量高性能的碳纤维增强热塑性树脂复合材料。
【背景技术】
[0002]与热固性树脂基碳纤维复合材料相比，热塑性树脂基碳纤维复合材料具有冲击韧性高、成型周期短、预浸料对存放无特殊要求、制品极易回收再加工、能够实现快速、无污染、自动化连续生产等优点。因此，热塑性树脂基碳纤维复合材料在很大程度上解决了热固性树脂基碳纤维复合材料所固有的断裂韧性差、环境适应性差、加工周期长、生产环境差、难以回收再利用等缺点，为高分子碳纤维复合材料的发展提供了新的途径。
[0003]但是热塑性树脂的熔融粘度一般都比较高，因此在加工过程中不利于碳纤维的分散和基体树脂的浸溃。采用传统的纤维增强复合材料加工方法无法充分实现碳纤维在热塑性树脂基体中的均匀分布和树脂基体对碳纤维的完全浸溃。现有文献报道了几种碳纤维增强热塑性树脂复合材料的制备方法，如短纤维填充法、织物涂覆法、薄膜熔融法等，它们虽然都不同程度地提高了制品的抗冲击韧性和延伸率，但仍然存在碳纤维和热塑性树脂之间不能均匀分布，无法完全实现热塑性树脂对碳纤维的充分浸溃。
【发明内容】
[0004]针对现有技术存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题在于一种用于分散碳纤维束的导纱棒及其应用，特别是将所述导纱棒用于制备高纤维含量高性能的碳纤维增强热塑性树脂复合材料，从而实现热塑性树脂对碳纤维的充分浸溃。
[0005]本发明所述的用于分散碳纤维束的导纱棒，其结构及与连续碳纤维束的配置如图1所示。所述的导纱棒的形状为半圆弧形，由分散棒和集束棒组成，其中分散棒和集束棒交错配置，其配置位置，根据具体情况可以沿水平方向间隔配置，也可沿垂直方向高低配置。当碳纤维束和分散棒的外圆周接触通过时，纤维被开纤分散开来，当碳纤维束和集束棒的内圆周接触通过时，纤维被集束收拢。
[0006]所述导纱棒的数量需要多根配置，根据碳纤维束的状态调节其数量，分散棒和集束棒的数量最少应不少于4根，从而达到使纤维束开松分散的目的。
[0007]关于导纱棒的圆弧形状和尺寸:
[0008]设分散棒的外圆半径为Rl，集束棒的内圆半径为R2，则两者应满足R1>R2的关系，这是实现本发明的重要特征之一。如图1所示，连续碳纤维束从分散棒的外圆侧通过，再沿集束棒的内圆侧通过，通过这样圆弧形状和曲线的交替变化，使纤维之间产生相互移动从而实现树脂对纤维的浸溃。在本发明中，R1/R2的范围在1.5-2.0之间，超出此范围则达不到好的浸溃效果。
[0009]导纱棒的尺寸和配置间距:
[0010]导纱棒的尺寸大小和彼此之间(即分散帮和集束棒)的距离没有特别限定，可根据制造设备的大小进行确定，使碳纤维束与导纱棒之间的夹角在30°?60°之间。
[0011]导纱棒的横断面结构:
[0012]导纱棒的横断面结构形态也是本发明的重要特征之一。为了调节纤维束与导纱棒表面之间的接触状态，特意将导纱棒的接触表面部分设计成曲线形式，如图2所示的圆弧型，梯型、V型等，从而使纤维束在行进过程中实现多点接触，以达到更好地浸溃效果。当然了，本发明的导纱棒的接触表面部分外形但不限于图2构造。
[0013]本发明的导纱棒可用于制备高纤维含量高性能的碳纤维增强热塑性树脂复合材料，即将所述导纱棒应用于如图3所示的设备中，具体而言，即在图3所示的树脂浸溃槽中设有多个本发明特定形状的导纱棒。在该图3中，从左至右，依次为碳纤维束、引导罗拉、树脂浸溃槽、冷却槽、导出罗拉和切粒机，通过碳纤维束将它们依次连接起来。另外，所述设备还包括挤出机，使得热塑性树脂经过挤出机加热熔融后被注入树脂浸溃槽中。
[0014]所述的碳纤维增强热塑性树脂复合材料的制备方法，具体包括以下步骤:
[0015]将施加了一定张力的连续状的碳纤维束I引出，经过引导罗拉2进入树脂浸溃槽3，同时热塑性树脂经过挤出机4加热熔融后被注入树脂浸溃槽3中，使整个树脂浸溃槽被熔融树脂注满。在树脂浸溃槽中安装有多个特定形状的导纱棒5，碳纤维束在和导纱棒接触过程中通过摩擦得到开松分散，使熔融树脂能够进入到纤维束内部，从而解决了热塑性树脂对碳纤维的充分浸溃，达到实现高性能的碳纤维增强热塑性复合材料的目的。被热塑性树脂浸溃后的碳纤维束从树脂浸溃槽中弓I出，经过冷却槽6冷却后由导出罗拉7引出，再送入切粒机8中切断，即得到碳纤维增强的热塑性树脂料粒。
[0016]按照上述本发明方法得到的碳纤维增强的热塑性树脂料粒，根据不同的碳纤维和树脂的比例可实现不同的纤维含量。其中碳纤维含量一般在20%?50%之间为宜。
[0017]碳纤维束:
[0018]本发明方法适用于目前市场上所售的一般类型的连续碳纤维束，碳纤维束的单丝直径为7?10 μ m，纤维束中的纤维根数为6000?24000根，碳纤维的拉伸强度在3000?6000Mpa 之间。
[0019]热塑性树脂:
[0020]本发明方法适用的热塑性树脂包括PP、PA6、PA66、PC及ABS等一般常用的热塑性树脂。
[0021]有益效果:
[0022]本发明通过设计特定形状的用于分散碳纤维束的导纱棒，将其应用于碳纤维增强热塑性树脂复合材料的制备，很好解决了碳纤维束和热塑性树脂的浸溃问题，从而成功制得一种含有高纤维含量的碳纤维热塑性树脂母料和高性能的碳纤维增强热塑性树脂基的复合材料。经性能检测，该复合材料具有优异的拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量等力学性能，在航空航天、汽车、通讯、机械电子电器等领域具有广阔的应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为本发明的导纱棒的结构及与连续碳碳纤维束的配置示意图。
[0024]图2为本发明的导纱棒的几种横断面结构形态示意图。
[0025]图3为本发明的碳纤维热塑性树脂复合材料的制备装置结构示意图。
【具体实施方式】
[0026]以下结合具体实施例进一步详细描述本发明的技术方案，但所述实施例不限制本发明的保护范围。应当说明的是，以下实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。
[0027]实施例1
[0028]图1为本发明的导纱棒的结构及与连续碳纤维束的配置示意图，所述的导纱棒的形状为半圆弧形，纤维束I与导纱棒之间的夹角为30°?60°。导纱棒由分散棒9和集束棒10组成，二者交错配置，根据具体情况可以沿水平方向间隔配置，也可沿垂直方向高低配置。分散棒9的外圆半径为Rl，集束棒10的内圆半径为R2，其中R1>R2，R1/R2 = 1.5-2.0。
[0029]图2为本发明的导纱棒的几种横断面结构形态示意图，可以是圆弧型，梯型、V型等，从而使纤维束在行进过程中实现多点接触，以达到更好地浸溃效果。
[0030]图3为本发明的碳纤维热塑性树脂复合材料的制备装置结构示意图，包括引导罗拉
2、树脂浸溃槽3、冷却槽6、导出罗拉7和切粒机8，通过碳纤维束I将它们依次连接起来。所述树脂浸溃槽3中设有多个特定形状的导纱棒5。另外，所述装置还包括挤出机，热塑性树脂经过挤出机4加热熔融后被注入树脂浸溃槽3中，从而进一步制备碳纤维热塑性树脂复合材料。
[0031]实施例2?7
[0032]按照图3所示的制备装置，使用的连续碳纤维束是日本东丽公司的T300产品(平均纤维直径7 μ m,丝束的纤维根数12000根，拉伸强度3530Mpa)，热塑性树脂分别选择PA66、PA6、PP、PC和ABS，依据表I中设定的工艺条件，分别制备碳纤维增强热塑性树脂复合料粒，得到的各种复合材料料粒的力学性能如表2所示，表3为未添加纤维束的热塑性树脂的力学性能数据。
[0033]表I
[0034]
I实施例2 I实施例3 I实施例4 I实施例5 I实施例6 I实施例7导纱棒直径(nun)252525252525
分散棒圆弧半径Rl (mm)~ 758075757575
集束棒圆弧半径R2 (mm)~ 504050505050
R1/R2ΤΓδ ?70 ΤΓδΤΓδ ΤΓδ ΤΓδ
热塑性树脂ΡΑ66 ΡΑ66 ΡΑ6PPABS PC
碳纤维T300 T300 T300 T300 T300 T300
[0035]表 2
[0036]
I实施例2 I实施例3 I实施例4 I实施例5 I实施例6 I实施例7
拉伸强度(MPa)27033026060150200
弯曲强度(MPa)?70493350105180294
弯曲模量(GPa)167236.515.911.5ΤΓ217.4
缺口冲击强度(KJ/m2)~121813101215
碳纤维含量(％)205020252030
树脂浸渍率(重量％) 999596999793
[0037]表3
[0038]
I比较例2I比较例4I比较例5~I比较例6 I比较例7
拉伸强度(MPa)6558223560
弯曲强度(MPa)Tl68446080
弯曲模量(GPa)Τ~8ΤΓδΤ7--7--λ
缺口冲击强度(KJ/m2)ΤΓδ1Tl08ΓδδΓθ
热塑性树脂ΡΑ66/100ΡΑ6/100PP/100ABS/100PC/100
碳纤维含量(％)00000
[0039]复合材料性能评价:
[0040](I)碳纤维含量
[0041]将复合材料料粒放入硫酸溶液中，待树脂成分完全溶解后，根据重量变化率求得。
[0042](2)树脂浸溃率
[0043]对制成的复合材料料粒进行分割，检出没有被树脂浸溃的干燥纤维并称取其重量，根据下式进行求解。
[0044]树脂浸溃率(重量％) =10-Wdf/ (ffp X Wf)
[0045]其中:Wdf为料粒中没有被树脂浸溃的干燥纤维重量，Wp为料粒的总重量，Wf为碳纤维含量。
[0046](3)拉伸强度
[0047]将实验所得料粒用注塑机制成标准试样，依据试验标准GB/T1040-2006进行测定。
[0048](4)弯曲强度和弯曲模量
[0049]将实验所得料粒用注塑机制成标准试样，依据试验标准GB/T9341-2008进行测定。
[0050](5)缺口冲击强度
[0051]将实验所得料粒用注塑机制成标准试样，依据试验标准GB/T1843-2008进行测定。
[0052]从上述表2、表3的测试结果可以看出，利用本发明方法制成的碳纤维增强热塑性树脂复合材料，能够实现热塑性树脂对碳纤维的充分浸溃，具有优异的机械性能(远高于未添加碳纤维的空白热塑性树脂)，其制品在航空航天、汽车、通讯、机械电子电器等领域具有广阔的应用前景。
【权利要求】
1.一种用于分散碳纤维束的导纱棒，其特征在于，所述导纱棒的形状为半圆弧形，由分散棒和集束棒组成，二者沿水平方向间隔配置，或沿垂直方向高低配置。
2.根据权利要求1所述的导纱棒，其特征在于，所述分散棒和集束棒总数最少不少于4根。
3.根据权利要求1所述的导纱棒，其特征在于，所述分散棒的外圆半径为R1，集束棒的内圆半径为R2, R1>R2。
4.根据权利要求3所述的导纱棒，其特征在于，R1/R2= 1.5-2.0。
5.根据权利要求1所述的导纱棒，其特征在于，所述碳纤维束与导纱棒间的夹角为30。?60°。
6.根据权利要求1所述的导纱棒，其特征在于，所述导纱棒的接触表面为圆弧型、梯型或V型。
7.一种碳纤维增强热塑性树脂复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 将施加了张力的连续状的碳纤维束引出，经过引导罗拉进入树脂浸溃槽，同时热塑性树脂经过挤出机加热熔融后被注入树脂浸溃槽中，使整个树脂浸溃槽被熔融树脂注满；碳纤维束通过与设在树脂浸溃槽中的多个导纱棒接触过程中通过摩擦得到开松分散，使熔融树脂进入到纤维束内部；最后将被热塑性树脂浸溃后的碳纤维束从树脂浸溃槽中引出，经过冷却槽冷却后由导出罗拉引出，再送入切粒机中切断，即得到碳纤维增强的热塑性树脂料粒复合材料。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的碳纤维束，其单丝直径为7?10 μ m,纤维根数为6000?24000根，碳纤维的拉伸强度为3000?6000Mpa。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的热塑性树脂包括PP、PA6、PA66、PC或 ABS。
【文档编号】B29C70/54GK104210118SQ201310211967
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2013年5月30日 优先权日:2013年5月30日
【发明者】李芳丽, 张万虎 申请人:李芳丽, 张万虎