国产碳纤维编织工艺的探讨

2015-04-09周恒香顾良娥尚武林张斯纬

纺织报告 2015年12期

周恒香顾良娥尚武林张斯纬

（连云港神鹰碳纤维自行车有限责任公司，江苏连云港 222000）

碳纤维具有比强度高、比模量大、耐高温、耐腐蚀、导热导电性好、热膨胀系数小、X射线穿透性能好等优点，同时兼具碳材料的固有特性及纺织纤维柔软可编织性，因此自被发明以来即被认为是复合增强材料的首选。以碳纤维为增强体的树脂、碳、陶瓷或金属基复合材料，既可作为结构材料承载负荷，又可作为功能材料满足烧蚀防热等功能性要求，目前碳纤维复合材料已被广泛应用于航空航天、工业、体育休闲、医疗器械及土木建筑等领域[1]。

由于碳纤维模量高、弯曲性能差及易脆断的特点，除电热丝、功能服装等少数领域被直接应用外，大部分碳纤维都被作为复合材料的增强体。而碳纤维复合材料中又有60～70%是通过碳纤维首先制备成预浸料实现的[2]，可见碳纤维预浸料在碳纤维应用中占有非常重要的地位。碳纤维预浸料是用树脂基体在严格控制的条件下浸渍连续碳纤维纤维或织物，制成树脂基体与增强体的组合物，是其复合材料的基础，它的一些性质将直接带入复合材料中，复合材料的性能在很大程度上取决于预浸料的性能[3]。因此，碳纤维预浸料对其复合材料的应用及发展具有重要意义。根据树脂基体的不同碳纤维预浸料可分为热固性预浸料及热塑性预浸料两种，前者发展历史较久，方法比较成熟；后者制造技术发展较晚，因树脂熔点高、熔融粘度大，没有适当的低熔点溶剂可溶，目前大都处于研究阶段。

作为预浸料的重要种类之一，碳纤维编织预浸料较单向预浸料工艺流程长，附加值更大，市场销售价格普遍是单向预浸料数倍，尤其是采用12K碳纤维制备的20mm展宽的方格编织预浸布更是价格昂贵。目前3K平纹、斜纹、缎纹编织预浸布由于其美观、规整的纹络结构，已被广泛应用各种碳纤维制品的外观，受到人们的喜欢。但是由于碳纤维固有的质脆及摩擦系数大等特点，碳纤维相对涤纶等传统纤维编织起来较困难，普通的织机不能直接用于碳纤维的织造。又由于国产碳纤维规模化较晚，在质量上同进口碳纤维有一定差异，在织造过程中容易起毛、易粘连、易断头等问题，给国产碳纤维织造工艺提出了更高的要求。近年来，学者们通过实践和试验方法反复研究高模量纱线的编织性能，已得知纱线本身的性能（摩擦性能，抗弯刚度和脆性等）和编织工艺参数（弯纱深度，牵拉力等）是影响高模量纱线编织性能的两类主要因素[4]。因此本课题针对国产碳纤维的特性从工艺参数角度重点阐述张力大小及均匀性对碳纤维编织布后道应用的影响，并从纱架及张力控制系统两方面提出解决方案，对国产碳纤维编织工艺及设备的改进具有重要意义。

2 国产碳纤维织造的生产实践

经过长期的国产碳纤维织造生产实践发现，在用国产碳纤维生产碳纤维编织布时，生产工艺要尽可能短、碳纤维通过的路径要光滑、径向张力施加方法要适当，织机速度要低、操作巡回要正确。为了解决传统工艺不适合碳纤维织布的问题，可借鉴帘子布生产工艺，去掉络筒、整经、（浆纱）工序，在织机后面加筒子架，碳纤维经筒子架退绕后直接进入张力控制系统进行织造。如图1所示为改造后的织机示意图，采用这样的工艺流程后，织造效率、产品质量及降低碳纤维损耗等都有很大改善。

图1 国产碳纤维编织流程示意图

3 国产碳纤维织布的应用问题及讨论

在碳纤维编织布开发的早期，对纱架及张力控制系统要求不是很高，即使织物经纱的张力不均匀也不会导致在织物收卷时纬纱的扭曲；并且早期的碳纤维编织布大多采用手糊工艺应用，刚编织出的规整纹络能被很好地保持到碳纤维制品中。但是从尽可能提高碳纤维强度转化效率的角度出发，经纱张力的不均匀性是不利于发挥全部纤维强度的，不能发挥纤维对受力的协同作用，会导致制品的力学性能较低。随着国产预浸设备的开发及国内预浸线的增多，碳纤维编织布的直接应用逐渐被预浸料取代。由于干的编织布要经过预浸工艺，那么对织物的性能提出更高要求。经过长期生产实践发现，采用图1所示的织机结构织造出的编织布在进行预浸时纬纱经常出现扭曲等现象，这主要是由于预浸时编织布要经过一系列热压辊的挤压，以便于将树脂胶膜压到织物中，在压辊及收卷辊的共同作用下织物中经纱张力的不均匀性被放大了出来，经纱紧的会一直紧，经纱松的会逐渐被拉紧而产生经纱间的相对位移，又由于碳纤维经纱和纬纱间具有较大的摩擦力，从而导致纬纱随经纱的相对移动而发生扭曲。由于编织布预浸后纬纱的扭曲，严重影响了织物刚织造出来时的规整纹络，破坏织物的美感；从复合材料性能上考虑，扭曲的纬纱也是不利于纤维强度的发挥的，最终造成编织物预浸料不能作为外观料使用的严重后果。

根据欧拉公式（T摩擦后张力，T0摩擦前张力，μ摩擦系数，θ摩擦包角）[4]可知，摩擦前张力，即碳纤维丝束从纱架上退绕时的张力T0经张力控制系统后会被指数倍的放大，而放大倍数同纤维与张力辊的摩擦系数及摩擦包角等呈正相关关系；同时还与张力辊的直径有关，直径越大T0对摩擦后张力T的影响越大[5]。因此假如在纱架各纱筒退绕张力不均匀的情况下，再经张力控制系统的放大，编织布中经纱张力的不均匀性将成倍放大，即使在织物刚收卷时没有明显表现，但在预浸时就会显现出来。造成以上问题的原因是图1所示的纱架及张力控制系统没有考虑到张力控制的均匀性，早期设备做工较粗糙，纱架纱筒退绕的张力差异较明显，张力控制系统中的张力辊全为金属辊，且直径较小，靠张力辊上下的对压不能使纤维均匀的受力，往往容易造成编织布两边的张力较大而中间的张力较小，甚至导致不能顺利的进行织造流程。

4 国产碳纤维织造工艺的改进

为了解决国产碳纤维编织布经纱张力不均匀造成的预浸时纬纱扭曲的问题，除了对图1所示编织流程示意图中的纱架进行优化外，还要对其张力控制系统进行改良，改良后的流程示意图如图2所示。由于碳纤维的摩擦系数较大及质脆的特点，较小纤维的张力有助于减少毛丝及断丝，又由于3K碳纤维编织布在织造时的速度非常慢，一般在8-10 m/h，因此可以使纱架部分每一个纱筒都能自由的旋转，使碳纤维退绕时的纤维张力都尽可能的小而均匀，以避免经纱在经过张力控制系统后张力的不均匀性被放大。

在张力控制部分将原始的金属对辊挤压给纤维施加张力方式改为靠改变摩擦包角大小调控纤维张力的方式，同时将提供张力的辊体直径加大。改良后的张力控制系统能均匀的对每根经纱进行张力调节，避免了图1所示的金属棍对压造成的两边纤维容易被挤压到而中间悬空的现象；同时此种张力控制系统还可以提供较小的纤维张力，只要能满足织造对经纱开口进纬的需要，这样可以最大可能地减少综框（综丝）等对纤维的摩擦及拓展经纱的宽度，对织物力学性能的提高有很大帮助。