分离纤维丝束的方法与流程

本公开涉及一种分离纤维丝束(例如，碳纤维丝束)的方法。

背景技术：

对于车辆制造商来说，提高燃料经济性是重要目标。提高燃料经济性的期望可能是由燃料费用、排放标准(例如，对于二氧化碳)、增加行驶里程或其它原因驱使的。提高燃料经济性的一种方法是使用轻质材料以减轻车辆重量。碳纤维是具有良好机械性能的低密度材料。目前，碳纤维通常用于诸如航空航天、风能、体育用品和高端车辆的应用中。这些应用通常用量较少并且与用量大的车辆相比售价较高。在汽车工业中，将碳纤维应用到用量大的非豪华车辆具有挑战。

挑战之一在于开发一种用于大量生产的低成本加工工艺。板材成型复合(SMC)工艺已经用于制造诸如行李舱盖、引擎罩、保险杠等的玻璃纤维增强部件。然而，由于物理性能不同，同样的SMC工艺可能不适用于碳纤维。与玻璃纤维相比，碳纤维在直径上会更小(例如，小两倍)，这会使碳纤维丝束难以分离。此外，可被涂覆在碳纤维表面上的胶料会使碳纤维趋向于聚集。

技术实现要素：

在至少一个实施例中，提供一种纤维丝束，所述纤维丝束包括相邻的长丝和覆盖相邻的长丝的至少一部分的聚合物涂层。所述聚合物涂层可包括聚合物，所述聚合物被构造为沿着大体平行于相邻的长丝的方向收缩并沿着大体垂直于相邻的长丝的方向扩大。所述收缩和扩大可独立于相邻的长丝。

在一个实施例中，所述聚合物被构造为在暴露于热源时沿着平行于相邻的长丝的方向收缩并沿着垂直于相邻的长丝的方向扩大。在另一个实施例中，所述聚合物被构造为在暴露于UV光源时沿着平行于相邻的长丝的方向收缩并沿着垂直于相邻的长丝的方向扩大。

所述长丝可以是碳纤维长丝。在一个实施例中，纤维丝束是具有1mm至100mm的长度的纤维丝束段。所述聚合物可包括聚苯乙烯、耐冲击聚苯乙烯和高弹体的共混物。在一个实施例中，所述聚合物被构造为在聚合物暴露于能量源时沿大体垂直于相邻的长丝的方向扩大至少25％，使得纤维丝束的直径扩大至少25％。在另一个实施例中，所述聚合物被构造为在聚合物暴露于能量源时沿大体垂直于相邻的长丝的方向扩大使得在相邻的长丝之间形成间隙。所述聚合物可直接接触相邻长丝的一部分。

在至少一个实施例中，提供一种分离纤维丝束中的长丝的方法。所述方法可包括：利用聚合物涂覆多个长丝的至少一部分，将长丝捆扎成纤维丝束；以及将纤维丝束暴露于能量源以使聚合物沿着大体平行于长丝的方向收缩并使聚合物沿着大体垂直于长丝的方向扩大。

多个长丝可以是碳纤维长丝。在一个实施例中，能量源是热源。热源可将纤维丝束加热至50℃至250℃的温度。在另一个实施例中，能量源是UV光源。所述方法还可包括将纤维丝束切割为多个纤维丝束段，并且所述暴露步骤可包括将纤维丝束段暴露于能量源。

在一个实施例中，所述方法可包括将纤维丝束切割为多个纤维丝束段并且使纤维丝束段掉落在接收表面上。所述暴露的步骤可包括在掉落步骤的至少一部分期间将纤维丝束段暴露于能量源。在一个实施例中，所述接收表面可以是其上涂覆有树脂的承载膜。所述方法还可包括形成包括纤维丝束段的板材成型复合工艺。

在至少一个实施例中，提供一种板材成型复合部件。板材成型复合部件可包括第一承载膜、与第一承载膜间隔开的第二承载膜以及设置在第一承载膜和第二承载膜之间的多个纤维丝束段。每个段可包括通过多个间隔开的聚合物部分连接的多个间隔开的长丝。树脂可设置在第一承载膜和第二承载膜之间以及形成在聚合物部分之间的间隙内。在一个实施例中，多个间隔开的长丝是碳纤维长丝。

附图说明

图1是碳纤维丝束的示例；

图2是根据实施例的利用聚合物涂覆多个长丝(filament，或“丝”)的过程的示意图；

图3是根据实施例的包括涂覆有聚合物的长丝的纤维丝束的示意图；

图4是根据实施例的用于分离纤维丝束的长丝的系统的示意图；

图5是根据实施例的包括涂覆有聚合物的长丝的纤维丝束响应于暴露到能量源而分离的示意图；

图6是根据实施例的用于分离纤维丝束的长丝的方法的流程图。

具体实施方式

根据需要，在此公开了本发明的详细的实施例；然而，应理解，公开的实施例仅为本发明的示例，其可以以各种和替代形式实施。附图不一定按比例绘制；可放大或缩小一些特征以显示特定部件的细节。所以，此处所公开的具体结构和功能细节不应解释为是限制性的，而仅为教导本领域技术人员以多种形式使用本发明的代表性基础。

如在背景技术中描述的，用于制造玻璃纤维增强部件的SMC工艺可能不适用于生产碳纤维增强部件。碳纤维束在SMC工艺中会导致一些问题。例如，在成型期间，对于树脂来说会难以浸透(例如，完全浸渍)碳纤维并且纤维不会很好地流动。由于这些问题，碳纤维增强SMC部件尚未满足所需的机械性能。一种改善碳纤维SMC工艺中碳纤维分离的经济且有效的方法可改善最终部件的性能。

图1中示出了部分分离的碳纤维丝束10的示例。碳丝束是形成更大股的一束单个碳纤维长丝或股12。碳丝束可以编织在一起成为衣服或织物。碳丝束可通过尺寸限定或分类，例如，3k、6k、12k、24k、36k、48k或更高，其中，k表示一千长丝。例如，12k碳丝束可包括12000个碳长丝。碳丝束可具有各种尺寸并且所选择的尺寸可取决于应用。长丝的直径还可以依据期望的性能或应用而变化。例如，长丝的直径可在1微米至25微米之间或在其中的子区间(例如，5微米至15微米或5微米至10微米)内变化。

碳纤维和碳纤维丝束的生产在本领域中是已知的，将不再详细描述。通常，碳纤维丝束的生产包括聚合、纺丝、氧化、碳化和表面处理的步骤。然而，存在多种方法来生产碳纤维丝束，任何方法可适合于本公开。聚合通常包括将聚合的原料(例如，前体)转化为能够形成纤维的材料。一般而言，纤维可通过由丙烯腈制成的聚丙烯腈(PAN)形成，然而，纤维还可由诸如人造丝或沥青基前体的其它前体形成。前体可以是粉末状形式并可以溶解在 溶剂(例如，有机溶剂或水溶剂)中，以形成浆料。

纤维可通过纺丝(例如，湿纺)形成。浆料可浸入在凝结剂中，并通过具有与期望的丝束的长丝计数匹配的多个孔的喷丝头或套管中的孔喷出。湿纺纤维可被洗涤、干燥并拉伸。虽然湿纺是形成碳纤维的一种方法，但是也可以使用本领域已知的其它方法。在干燥之后，纤维可被缠绕在例如线筒上。

然后，可被缠绕或卷绕的纤维在氧化步骤过程中可被插入或送入通过一个或更多个烘炉。氧化温度的范围可从大约200℃至300℃。该过程会使聚合物链交联并增加密度。在氧化之后，氧化的纤维可含有大约50％至65％的碳分子以及诸如氢元素、氮元素和氧元素以形成平衡。

在碳化步骤中，纤维被再次但在惰性或无氧的气氛中加热，没有氧气，非碳分子从纤维去除。碳化步骤可包括在一个或更多个温度(例如，第一低温和第二高温)下加热。例如，温度的范围可从700℃至1500℃。在整个生产过程中，纤维可保持处于拉伸状态。在碳化过程中，发生碳分子的结晶并且成品纤维可具有90％以上的碳。

在碳化之后，纤维可接受表面处理和/或称为胶料(sizing)的涂层。表面处理可包括将纤维拉伸通过包含溶液的电化学或电解槽，以蚀刻每个长丝的表面或使每个长丝的表面变粗糙。然后，涂层(通常称为胶料)可涂覆到纤维。胶料是为了在处理和加工过程中保护碳纤维使得纤维表面不被刮擦或损坏。在涂覆胶料并且已经干燥之后，纤维丝束通常被捆扎或卷绕(例如，在线筒上)用于后续使用。

为了形成碳纤维增强SMC组件，将碳纤维丝束(例如，成品丝束)分开或分离为单个长丝会是有益的。这可改善长丝的浸透性，从而改善SMC部件的性能(例如，载荷传递)。以前的分离丝束的方法已经包括了物理分离纤维长丝的机械方法。这些方法在工艺期间中会损坏纤维表面，并且通常仅将大的纤维丝束分为相对较小的纤维丝束。

参照图2至图5，示出了用于分开或分离纤维丝束的方法的实施例。此外，描述了用于分离纤维丝束的系统以及通过分离的纤维丝束形成的部件的实施例。虽然实施例可利用碳丝束作为示例来描述，但是其它类型的纤维丝束也可用于所述方法、系统和部件，并且在此想到这种运用。例如，可使用玻璃纤维丝束、陶瓷纤维丝束、聚合物纤维丝束等。

参照图2，多个单独的长丝12可被聚合物14涂覆以形成涂覆的长丝16。 长丝12可以以任何适合的方式被聚合物14涂覆。例如，如图2中所示，长丝12可经过聚合物14的槽18。对长丝12进行涂覆的其它示例可包括将长丝12浸渍或浸入聚合物14中或将聚合物14喷射到长丝12上。长丝12可在捆扎成丝束100之前涂覆聚合物14(例如，长丝12之间仍然分开有间隙)。在一个实施例中，长丝12可在长丝12由前体(例如，PAN)形成之后但在被捆扎缠绕在辊上或线筒上用于储存并稍后使用之前涂覆聚合物14。例如，长丝12可在碳化步骤之后被聚合物14涂覆。长丝12可在纤维生产过程中的表面处理和/或上浆步骤之前或之后被聚合物14涂覆。在一个实施例中，聚合物14可取代标准的胶料涂层。

参照图3，示出了包括涂覆的长丝16的纤维丝束100。为了简单起见，仅示出了两个长丝12，每个长丝12涂覆有聚合物14。然而，纤维丝束100可在其中具有任意适当数量的长丝12，例如，3000(3k)、6000(6k)、12000(12k)、24000(24k)、36000(36k)、48000(48k)或任意其它数量的长丝12。在一个实施例中，纤维丝束100可具有12000至48000个长丝。虽然示出了具有被聚合物14完全涂覆的长丝12的涂覆的长丝16，但是涂层可以是不连续的，使得长丝12的一部分没有涂覆聚合物14。此外，每个长丝12可涂覆聚合物14或一些长丝可不涂覆。涂覆的程度可以(例如，每个长丝的涂覆的百分比和涂覆的长丝数量的百分比)取决于涂覆工艺。例如，如果长丝12经过槽，随着在槽中停留时间越长(例如，更大的槽或更慢的牵引速度)，涂覆的程度会增加。如果长丝12浸入槽中(例如，静止地)，则涂覆的程度可取决于浸入的时间。因此，至少一部分长丝12可涂覆有聚合物14，并且被涂覆的每个长丝12可至少部分地涂覆有聚合物14。

在至少一个实施例中，聚合物14在暴露于一个或更多个条件或刺激时可改变其形状。这些聚合物可被称为刺激响应聚合物或“智能聚合物”，并在暴露于刺激(例如，温度、光、湿度、PH或电场或磁场)时可作出反应以改变它们的形状。通过改变它们的形状而对刺激作出反应的聚合物可被称为形状记忆聚合物。在至少一个实施例中，聚合物14可被构造为在暴露于诸如上述那些刺激时长度收缩或缩短以及厚度扩大或增加。例如，刺激可以是诸如热或光的能量源。长度可定义为与长丝12平行的方向，厚度可定义为与长丝12垂直的方向(例如，径向方向)。在一个实施例中，能量源可以是热。在另一个实施例中，能量源可以是特定频率的光(例如，紫外(UV)光)。

可以使用形状上表现出所述变化的任何聚合物14。响应于热而可在长度上收缩和在厚度上扩大的聚合物的非限制性示例可包括聚苯乙烯、耐冲击聚苯乙烯、高弹体或它们的共混物，例如，在第6,897,260号美国专利中描述的那些，该专利公开的内容通过引用全部包含于此。另一个示例可包括具有离子或液晶成分的聚氨酯的物理交联的线性嵌段共聚物、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)和聚环氧乙烷(PEO)、聚苯乙烯和聚(1,4-丁二烯)以及聚(2-甲基-2-恶唑啉)和聚四氢呋喃。也可以使用化学交联的聚氨酯或PEO-PET嵌段共聚物。另一个示例可包括聚醚醚酮(PEEK)。

额外的工艺步骤可使聚合物14的膨胀/收缩增加。例如，可执行诸如热处理、冷却步骤、定向/拉伸步骤和/或退火步骤的额外的步骤。聚合物改变形状的温度或热的量可以根据成分而不同。在一个实施例中，温度可以为50℃至250℃或其任意子区间，例如，80℃至200℃、100℃至150℃或100℃至125℃。聚合物改变形状需要多长时间可以根据成分而不同。聚合物可被加热不超过1秒、长达1秒或长达几秒至几分钟。例如，聚合物可被加热0.1秒至5分钟或其中的任意子区间，例如，0.1秒至3分钟、0.1秒至60秒、0.5秒至45秒、0.5秒至30秒、0.5秒至15秒或1秒至10秒。

在UV光是刺激或能量源的实施例中，可以使用响应于UV光而在形状上表现出变化的任何聚合物(例如，表现出UV光感应刺激的任何聚合物)。这种聚合物可被认为是光活化的形状记忆聚合物(Light activated shape memory polymer，LASMP)。可响应于UV光而可在长度上收缩和在厚度上膨胀的聚合物的非限制性示例可包括含肉桂基团的那些聚合物，例如，肉桂酸或亚肉桂基乙酸、TiO₂-聚苯乙烯形状记忆纳米复合物、Zn(Mebip)₂(NTf₂)₂(通过将2,6-双(N-甲基-苯并咪唑基)-吡啶(Mebip)配位到锌二[双(三氟甲磺酰基)-亚胺](Zn(NTf₂)₂)形成的金属超分子单元)和环氧树脂以及掺有0.1％-3％螺吡喃的EVA膜。聚合物改变形状需要的UV光的具体波长和暴露的持续时间可根据成分而不同。在一个实施例中，波长可以是从100nm至400nm。对于某些UV光活化的聚合物，第一波长可设定聚合物的新的形状，第二波长可使聚合物返回其初始形状。例如，具有肉桂基团的聚合物可使用具有超过260nm的波长的光来设定，然后使用具有小于260nm的波长的光而返回其初始形状。额外的工艺步骤可助于聚合物14的膨胀/收缩，或增大聚合物14的膨胀/收缩。例如，可执行诸如热处理或固化、冷却步骤、定向/拉伸步骤和/ 或退火步骤的额外步骤。

参照图4，示出了用于分离纤维丝束10的系统50。系统50可例如在长丝12已经经过聚合物槽18之后接收包括涂覆的长丝16或多个这样的丝束10的丝束100。包括涂覆的长丝16的丝束100可被系统50以任意适合的方式接收。图4示出了经由辊20接收的丝束100，然而，可使用其它方法，例如，传送机。系统50可包括切割器或切碎器22以将丝束100切割成更短的丝束或段24。更短的段24可具有适合用于复合部件的任意长度。在一个实施例中，段24的长度可以为1mm至100mm或其中的任意子区间。例如，段的长度可以为1mm至75mm、5mm至75mm、1mm至50mm、、10mm至75mm、20mm至60mm、25mm至55mm、1英寸至2英寸或其它子区间。切割器22可以是单独的部件或者可以与辊20合并。切割器22可以是能够切断包括涂覆的长丝16的丝束100的任何装置。切割器22或者切割器材料可根据丝束中的纤维的类型(例如，碳纤维、玻璃纤维、聚合物纤维等)而不同。

在包括涂覆的长丝16的丝束100被切割为较短的段24之后，段24可落到下方的接收表面26。接收表面26可以是静止的或者其可以是移动的。例如，表面26可以是传送带。一个或更多个能量源28可被布置为或被构造为随着涂覆的丝束16的段24掉落到接收表面26而向其传递能量。在一个实施例中，能量源28可以是热源。可使用足以使聚合物14的尺寸变化的任何热源(以上所述的)作为热源。非限制性示例可包括红外线加热器、电阻加热器、感应加热器、对流加热器、火焰加热器、开放或连续炉等。在一个实施例中，热源可将段24加热至聚合物14改变形状(例如，长度缩短并且厚度/半径扩大)的温度。例如，段可被加热到50℃至250℃的温度或其任意子区间，例如，80℃至200℃。

在另一个实施例中，能量源28可以是电磁辐射源。如在此使用的，电磁辐射(EM)源可被称为光源，即使EM源不是可见光。在一个实施例中，光源可以是UV光源(例如，具有大约100nm至400nm的波长)。然而，光源可发出能够使聚合物14的尺寸变化的任意类型的光或EM辐射。光源的其它示例可以是X射线、可见光、红外线、γ射线、微波或无线电波。

在至少一个实施例中，可以存在多个能量源28。能量源28可被定位为使得它们以平面(例如，以圆形或方形)围绕正在掉落的段24。或者，能量源28可被竖直地分隔开使得段24在掉落时连续地或间断地接收能量。在另 一个实施例中，能量源28可以围绕正在掉落的段24并竖直地分隔开，例如，形成围绕段的柱(例如，圆柱形或方形)。不管能量源28的构造如何，它们可被构造为向涂覆的段24传递足够的能量(例如，热或光)，使得涂覆在至少一部分长丝12上的聚合物14改变形状(例如，缩短和变厚)，如上所述。

参照图5，示出了涂覆长丝12的聚合物14的形状改变的示意图。当聚合物14接收足够的能量(例如，热或光)时，其长度收缩或者减小(轴向方向)并且厚度(径向方向)扩大或增加。如图5中所示，长度可限定为沿与长丝12平行的方向(例如，图5中的水平方向)，厚度可限定为沿与长丝12垂直的方向(例如，图5中的竖直方向)。由于长度减小，聚合物14可分为更小的、分开的、不连续的部分30。聚合物14分为更小的、更厚的部分30可在长丝之间创建间隙32。

因此，到纤维丝束落到接收表面26(例如，传送带)上时，它可被分为更短的段24，并且段24可被分为单独的长丝12。长丝12可通过聚合物14的部分30彼此连接，但是由于聚合物14的形状的变化而在其间形成间隙32。在一个实施例中，段24可从其初始直径扩大到具有扩大直径的分开的段34。扩大的直径可以是比初始直径大25％或更多，例如，比初始直径至少大50％、100％、150％、200％或更多。间隙32在后续的成型工艺(例如，SMC成型工艺)中可改善长丝12的浸透性。间隙32可通过在长丝12之间创建用于树脂流动的空间而允许树脂或其它液体更好地浸透长丝12。聚合物14的形状的变化也可以例如通过将长丝从聚合物部分30分离而使长丝彼此完全分离。与那些通过聚合物14连接的长丝相比，分开的长丝可具有更大的空间以便于树脂流动，从而极大地改善了浸透性。改善的浸透性可改善复合部件的性能，例如，在基质和纤维之间的载荷传递。

由于从切割器22掉落到接收表面26，所以段24和长丝12在它们掉落在接收表面26上时可随机地定向。这些长丝可被输送到其它系统以使长丝结合为复合部件，例如，纤维增强SMC部件(例如，碳纤维)。在另一个实施例中，接收表面26可形成SMC工艺的一部分。例如，接收表面26是其上涂覆有树脂的承载膜。因此，分离的长丝12可直接掉落到树脂承载膜上，其上涂覆有树脂的第二承载膜可被应用到长丝之上以形成纤维增强SMC材料(例如，碳纤维)。SMC材料可被压紧(例如，通过辊)并储存(例如，在收线辊上)供以后使用。或者，SMC材料可被输送用于即时的或半即时的进一步 加工，例如，成型操作。

参照图6，示出了描述用于分离纤维丝束的方法的流程图200。如上所述，纤维丝束可以是碳纤维或其它类型的纤维(例如，玻璃、陶瓷、聚合物等)。在步骤202，纤维丝束单个长丝可涂覆有聚合物。如上所述，可通过使长丝经过聚合物槽、通过将长丝浸渍或浸入聚合物中、通过将聚合物喷射到长丝上或通过任意其它合适的方法来进行涂覆。长丝可被完全涂覆，这样丝束中的每个长丝被完全涂覆或大致上完全涂覆。然而，可仅涂覆一部分长丝和/或可仅涂覆每个长丝的一部分。

如上所述，可在长丝被捆扎或卷成最终丝束之前执行步骤202。例如，步骤202可在长丝已经被碳化之后或在胶料被涂覆之前进行。或者，聚合物涂层可替代胶料。因此，在步骤204中，涂覆的长丝可例如通过卷在线轴或线筒上而被捆扎以形成丝束。

在步骤206，包括涂覆的长丝的丝束可被切割或切成较短或较小的段。较短的段可具有适用于复合部件的任意长度。在一个实施例中，段的长度可以为1mm至100mm或者其中的任意子区间。例如，段的长度可以为1mm至75mm、5mm至75mm、1mm至50mm、5mm至50mm或其它子区间。可利用任意适合的工具或设备(例如，旋转切割器或相对的刀片)来执行切割。

在步骤208，涂覆的较短的段可暴露于能量或接收能量以使聚合物涂层长度收缩并且厚度扩大(如上所述)。因此，涂覆的段可独立于长丝来改变它们的形状(例如，聚合物形状的改变不是由于长丝或施加到长丝的诸如拉伸/压缩的任何力或诸如热的能量造成的)。能量可以是热或一种类型的电磁(EM)辐射。能量可通过一种或更多种的能量源(例如，加热器或EM源)提供。可使用任意类型的加热器，例如，红外线加热器、电阻加热器、感应加热器、对流加热器、火焰加热器等。可将段置于加热区(例如，静止炉或连续式炉，例如传送炉)内或将段传送通过加热区来加热所述段。例如，所述段可被加热到50℃至250℃的温度，或其任意子区间，例如，80℃至200℃。如果使用EM辐射，则能量源可以是任意类型的EM辐射源，例如，UV、可见光、X射线、红外线、γ射线、微波或无线电波。在段运动或静止时，能量可被段接收。例如，能量可在段从切割器掉落时被接收，如图4中所示，或者能量可在段在表面上静止时被施加。由于施加能量，在段上涂覆的聚合物可改变形状并且使长丝彼此分离或分开。分离可以是彻底的，使得长丝彼此 完全分离，或者长丝可被连接为丝束段，但在聚合物之间形成多个间隙。

在步骤210，可收集分开的或分离的长丝例如用于纤维增强复合材料。可在移动的表面(例如，传送带)上收集分离的长丝。在一个实施例中，可在其上设置有树脂的承载膜上收集分离的长丝作为板材成型复合工艺的一部分。分离的长丝还可以被收集并储存为以后使用。在步骤212，分离的纤维可用于形成纤维增强复合部件或组件。例如，如上所述，如果长丝被收集在承载膜上作为SMC工艺的一部分，步骤212和步骤210可重叠。

因此，公开了分离纤维丝束的系统和方法的实施例。在不机械地分离纤维丝束的情况下，纤维丝束可被分开或分离为单独的长丝。这可在分离过程中降低长丝的损坏量，从而产生更高质量的长丝。纤维丝束可以是碳纤维丝束，然而，可利用公开的系统和方法分离其它类型的纤维丝束。与机械方法相比，所公开的系统和方法可允许碳丝束更彻底地分离并且可解决特定于碳丝束的一些挑战，例如，碳丝束通常比玻璃纤维和可被涂覆在碳纤维表面上的胶料具有更小的直径。所公开的系统和方法可用于生产任意类型的纤维增强部件，例如，纤维增强SMC部件。在一个实施例中，所述系统和方法可用于形成车辆部件。例如，所述系统和方法可被用于形成行李舱盖、引擎罩、保险杠或其它部件。

虽然以上描述了示例性实施例，但是这些实施例不意在描述本发明的所有可能的形式。更确切地讲，在说明书中使用的词语是描述性的词语而不是限制性的词语，并且应该理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变。此外，可以对各种实现实施例的特征进行组合以形成本发明的进一步的实施例。