大丝束碳纤维应用及展纱设备研究进展

侯传礼

(哈尔滨玻璃钢研究院，哈尔滨 150036)

大丝束碳纤维应用及展纱设备研究进展

侯传礼

(哈尔滨玻璃钢研究院，哈尔滨 150036)

大丝束碳纤维应用是碳纤维复合材料发展的关键。本文主要介绍了大丝束碳纤维在各领域应用前景；美国卓尔泰克公司(ZOLTEK)为解决大丝束碳纤维展开困难、纤维浸润均匀性差、纤维到产品较低的强度传递和较差的产品外观而进行的设备改进；国内针对大丝束碳纤维应用的展纱设备、树脂体系等方面研究进展。

大丝束碳纤维；展纱；应用；缠绕机

1 引 言

降低成本是复合材料发展的关键，是提高复合材料用量的重要一环，低成本大丝束碳纤维的应用是发展低成本复合材料技术研究的重要内容。每束碳纤维数大于48 000(48 K)根的称之为大丝束碳纤维。美国卓尔泰克公司的大丝束碳纤维PANEX35的拉伸强度和拉伸模量都超过日本东丽公司小丝束T300，而它的价格相对较低。

表1 PANEX35大丝束与小丝束T300性能比较[1]

但大丝束碳纤维应用存在很多技术问题。相对于小丝束而言，大丝束纤维聚积，展纱效果不好，纱片难以均匀浸润，纱片厚度和质量很难达到产品结构设计的要求；在展纱过程中经常出现纱毛，导致乱纱和断纱，影响生产效率和产品外观，材料性能得不到有效转换，产品性能不稳定。解决这些问题从两方面入手，一是改进展纱浸润设备，使大丝束碳纤维本身充分展开，利于浸润和成型；二是从浸渍树脂体系上进行研究，改善体系粘度和大丝束碳纤维相容性，使大丝束碳纤维得到更好的浸润。

2 大丝束碳纤维的应用

大丝束碳纤维在土木工程、能源、汽车和航空等领域的应用前景广阔。

土木工程领域：碳纤维增强混凝土不但可以提高强度和刚度，而且有耐腐蚀、质量轻、适型性好等优点。中国作为最大的建筑市场，新建房屋和桥梁上将应用大量大丝束碳纤维来增强。大量经过岁月的侵袭房屋和高强度使用的桥梁需要碳纤维重新补强加固。

体育用品领域：钓鱼杆，羽毛球拍，滑雪板，高尔夫球杆等体育用品应用的碳纤维67%是大丝束。随着大丝束价格的降低和性能的提高，此基础上还会有所增长。

能源领域：随着风机叶片长度加大，玻璃纤维在大型复合材料叶片上逐渐显现性能不足，采用大丝束碳纤维制作叶片不仅能够满足陆上风机强度和刚度等力学性能要求，它的轻量化，耐腐蚀也成为海上风能叶片的需要。国外已经展开对大丝束碳纤维风机叶片的研究，中国大丝束碳纤维应用风电叶片远落后于世界水平。

工业领域：从近年国内申请的专利可以看出大丝束碳纤维在高压气瓶应用显著增加。中复连众复合材料集团有限公司采用大丝束碳纤维缠绕制作一种呼吸用高压气瓶，成本比小丝束降低了14%左右[2]。江苏久维压力容器制造有限公司采用产品级的具有较好浸润效果的大丝束碳纤维采用缠绕方法制作了复合高压气瓶，提高了碳纤维缠绕层的承载强度[3]。中材科技(苏州)有限公司解决了大丝束碳纤维在缠绕工艺中遇到的浸胶工艺、纤维展纱宽度诸多难点问题，将其成功地应用于压力容器的制造，实现大丝束碳纤维的高效生产，降低产品的成本[4]。

航空航天领域：在国内传统的航天产品上主要采用的小丝束碳纤维，不过从经济上讲以抗静电和电磁屏蔽为目的产品采用大丝束碳纤维更合理。航空方面，世界上最大飞机欧洲空客A380质量22%的部件由碳纤维复合材料制造，并且采用了先进的自动铺带(ATL)技术；美国波音B787使用碳纤维复合材料的质量比例高达50%[5]；中国商飞C919第一阶段采用10%～15%的碳纤维复合材料[6]，第二阶段将采用23%～25%的碳纤维复合材料。碳纤维复合材料在大型商用客机的大量使用，必然带动低成本大丝束碳纤维的应用发展。

交通领域：近年来随着汽车和高速铁路快速发展，碳纤维复合材料高比模量、高比强度正好满足其轻量化、安全性和耐腐蚀的要求。生产商正努力拓展大丝束碳纤维在汽车领域的应用，德国SGL集团和宝马公司合作[7-8]，将大丝束碳纤维成功应用全电动宝马i3汽车的整个乘员舱结构。如果碳纤维汽车价格得到消费者的认可，大丝束碳纤维的需求将迎来高峰。

3 展纱设备的研究进展

48K大丝束相当于4束12K小丝束“粘”在一起，像绳子一样有强大的“侧向韧劲”，往往会抑制丝束延展成平带，不利于结构铺层和浸润，制备的复合材料很容易产生纤维扭曲和缺陷。

国内外针对大丝束碳纤维产业化应用的预浸设备和缠绕设备进行了设计和改造，目前研究大丝束碳纤维展开的主要方法有机械法和声波法。

在大丝束碳纤维缠绕应用方面，美国卓尔泰克公司所属的Entec公司对现有缠绕机展纱浸润过程进行了系统的研究，用最低成本解决方案使现有缠绕机能够很好的使用低成本大丝束碳纤维，消除了顾客的顾虑。

团队从缠绕机的纤维纱架、浸前展纱、浸润胶槽和绕丝头等几个部分系统进行了研究和测试。首先让纱架上纱团轴平行于缠绕工件轴，然后通过抛光辊和“D”型环收集纤维减少乱纱，并在纱架上安装了风扇和过滤器减小纱毛到达胶槽的机会。在纱架和胶槽之间，让纤维分别通过镀铬抛光后的一对静态“凹凸辊”或一对静态角辊进行拓展；更积极的方法是增加拓展辊、捏合辊和振动辊。通过对比发现，对于标准的PANEX35纤维不需要太多的硬件，最简单的意味着最好，静态角辊展纱效果最好(图1)。在纤维浸润环节，Entec公司将传统的浸浴、刮刀辊浴和单丝注入系统进行了工艺上的对比，发现稍微改动的浸浴和刮刀辊浴都能很好的将纤维浸渍并控制含胶量。由于传统的“梳子”会使展开的纤维重新集束，所以整个过程弃用了小丝束用的“梳子”。缠绕到工件上的最后环节是绕丝嘴，Entec公司针对不同设备给出2个方案。对于三轴缠绕机采用静态同心“D”型环组合(图2)比较合适，纱片可以在张力的作用下在环之间相互转换和移动并能更好的控制纱片宽度。对于需要绕丝头根据缠绕角度而转动三轴以上缠绕机，弧形辊和导丝辊(图3)的组合比较合适。

图1 展纱角辊和振动辊组合

在国内，罗云烽等[10]人使用自制大丝束碳纤维薄层化装置对SIGRAFIL C30 T050 EPY(50 K)大丝束碳纤维进行薄层化效果、渗透特性和复合材料性能进行了研究。研究结果表明，在展纱异形辊的作用下50 K碳纤维从6 mm分散到了28 mm，厚度从0.4 mm薄层化至0.085 mm；渗透率降低为原来的0.47倍，渗透均匀性有明显提高；薄层化后大丝束碳纤维增强复合材料内部缺陷更少或更小，纤维-树脂分布均匀性提高；复合材料弯曲模量和弯曲强度均有提高，且性能分散性更小。

天津海天长丰科技开发有限公司发明的大丝束碳纤维薄层化处理装置利用花轴带动大丝束作上下交替振动将移动的大丝束薄层化[11]。

图2 同心“D”型环组合绕丝嘴

图3 弧形辊和导丝辊组合绕丝嘴[9]

常州市润源经编机械有限公司发明的结构简单、成本低廉的大丝束碳纤维扩展装置，利用相切设置的加热辊筒拓展大丝束碳纤维。拓展后的碳纤维制成的制品厚度小、纤维利用率高，使碳纤维的优良性能得到了充分发挥[12]。

上海晋飞日精复合材料有限公司发明了低成本高性能大丝束碳纤维展开装置。利用超声波扩纤法对大丝束碳纤维在预展纱装置和主展纱装置上2次展纱，能有效将大丝束纤维展开[13]。

蓝星(北京)化工机械有限公司发明超声波胶槽、大丝束碳纤维制造复合芯线的设备及方法。通过过调整胶槽外的超声波的强度和作用时间使大丝束碳纤维物理开纤，达到理想的浸润效果[14]。

4 浸渍树脂体系研究

大丝束碳纤维应用除了要求对展纱浸渍设备改造外，对树脂的粘度和相容性也提出了更高的要求。

刘宝峰等[15]研究的5222B浸渍大丝束碳纤维用高温固化树脂体系黏性适中，流动性可控；用热熔法工艺浸渍48 K碳纤维制作的预浸料符合要求；5222B/48K制作的复合材料与5222/T300对比性能相当，并在面内剪切和层间剪切强度上有所提高。

王亮[16]研究的聚芳醚酮改性环氧树脂体系较好的解决了与大丝束碳纤维相容性问题；用热熔法制作的改性环氧树脂体系/大丝束碳纤维预浸料与原环氧树脂体系/小丝束碳纤维预浸料单层压制厚度相同；改性环氧树脂体系/大丝束碳纤维复合材料的横向拉伸强度得到了较大的提升。

5 结 语

综上所述，适合大丝束碳纤维产业化应用的预浸和缠绕设备取得了重要的进展，随着大丝束碳纤维性能的不断提高和价格的下降，低成本大丝束碳纤维必能得到更广泛应用。

[1] 赵稼祥.美国卓尔泰克_ZOLTEK_公司碳纤维现状与进展[J].纤维复合材料,2003(3):52-55.

[2] 彭周岗.一种呼吸用高压气瓶的生产方法[P].中国:200510038781,2005-09-28.

[3] 阎泳,单曙光,宋佑涛,等.一种工业级大丝束碳纤维复合高压气瓶的生产方法[P].中国:201310281185,2014-01-22.

[4] 吴锋,肖文刚,匡欢,等.一种使用大丝束碳纤维制造压力容器的方法[P].中国:201010210095,2010-12-08.

[5] 林德春,潘鼎,高健,等.碳纤维复合材料在航空航天领域的应用[J].玻璃钢,2007(1):21-23.

[6] 罗益锋,罗晰旻.碳纤维及复合材料的最新市场发展及前景[J].纺织导报,2013(11):42-44.

[7] 宝马汽车将量产碳纤维强化塑料零部件[J].纤维复合材料，2010，27(3)：31.

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[9] Sara Black.Filament winding with large tow carbon fiber[J].High-performance Composites,2005(5):60-63.

[10] 罗云烽,孙永春,段跃新,等.薄层化大丝束碳纤维复合材料性能研究[J].航空制造技术,2010(20):75-78.

[11] 高殿斌.大丝束碳纤维薄层化处理装置[P].中国:201120327024,2012-05-23.

[12] 王占洪,黄骏.一种大丝束碳纤维扩展装置[P].中国:200920282868,2012-04-11.

[13] 李炜,李蓓蓓,朱家强,等.一种低成本高性能大丝束碳纤维展开装置[P].中国:201410028060,2014-04-30.

[14] 孟秀青,孙晓光,张静,等.超声波胶槽、大丝束碳纤维制造复合芯线的设备及方法[P].中国:201010223752,2011-01-19.

[15] 刘宝峰,李佩兰,李峰,等.浸渍大丝束碳纤维用高温固化树脂体系研究[C]//第十三届全国复合材料学术会议论文集,2004:373-380.

[16] 王亮.聚芳醚酮改性环氧树脂体系大丝束碳纤维复合材料性能研究[D].南昌：南昌大学硕士学位论文,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)

侯传礼(1979-)，男，黑龙江人，本科，高级工程师。研究方向：树脂基复合材料设计与工艺。E-mail：hcl0727@sina.com.