大丝束碳纤维拉挤复合材料工艺研究

张 彬 钱 坤

（江南大学纺织服装学院，江苏无锡 214122）

［科　技］



大丝束碳纤维拉挤复合材料工艺研究

张 彬 钱 坤

（江南大学纺织服装学院，江苏无锡 214122）

摘 要本文主要介绍了大丝束碳纤维的概念，并从碳纤维拉挤杆复合工艺，特别是预成型、固化温度、拉挤速度等对连续拉挤碳纤维复合材料的性能影响方面进行了探讨。

关键词大丝束碳纤维；拉挤；加强杆；复合材料

投稿日期：2016-02-28

0 前言

碳纤维复合材料作为国家战略性新型材料一直广受关注，从军工到民用，渗透到我们生活中的各个角落。根据日本东丽的碳纤维分级来说，碳纤维分为T300～T1000不等，越往上碳纤维等级越高。其中每个等级又分为1K、3K、6K、12K、24K、48K、60K、80K，K代表1000，也就是说1k代表每一束碳纤维中有1000根单丝，80k代表每一束碳纤维中有80000根单丝。

一般来说，12k以下被统称为小丝束碳纤维，又被称作“航空航天级”碳纤维，12k以上被成为大丝束碳纤维，或者是工业级碳纤维。本文所介绍的拉挤复合材料由于尺寸较大，故而选择大丝束碳纤维。

1 工艺路线

复合材料拉挤工艺过程如图1所示。所使用的设备主要包括碳纤维供给装置、树脂浸渍槽、预成型装置、加热成型模口、拉拔装置，切割装置等［1］。

2 引纱与浸胶

置于轴架上的连续碳纤维通过导向和排列装置

引出， 送至树脂浸溃单元， 导向装置的设计要求是使碳纤维从轴架到口模保持平直， 对所有纤维束施加的力相等， 避免因纤维束间张力的变化导致拉挤制品扭曲变形。

浸渍操作中， 首先在树脂浸渍槽中精确地量入热固性树脂和固化剂等， 将树脂、固化剂与脱模剂按一定质量比混合， 搅拌均匀注入树脂浸渍槽［2］。一般树脂厂家都会给出指导性的配比，其中少量的内脱模剂必不可少，防止在热固成型过程中堵塞模具。

在整个浸渍过程中，纤维浸润要完全，不应存在干纤维，干纤维的存在会导致拉挤物产生缺陷，控制碳纤维浸润程度的一个重要工艺参数是树脂体系的粘度，该粘度成为初始粘度，其大小不仅与树脂本身有关，而且与添加剂、温度有关。除了初始粘度以外，碳纤维浸润效果还与浸润时间、浸润时树脂的温度和浸渍槽中碳纤维的工作状态有关，一般来说，给定了初始粘度，碳纤维工作状态正常，浸渍时间越长，树脂温度升高，均可以改善纤维浸润程度。

在这一过程中，还要注意以下几点：

（1）由于大丝束碳纤维中每束碳纤维较多，要时刻注意树脂对碳纤维单丝的浸润情况，不仅碳纤维丝束表面要有较好的浸润，还要保证碳纤维丝束内部也都能够浸润充分，否则会造成内部缺陷，影响最终产品的性能。

（2）树脂的粘度要保持在一定的范围，室内温度要控制好，如果天气温度过低的话，可以考虑胶槽加温，以保证树脂能够随着碳纤维顺利地进入模具口，不会被挤出来，也不会堵塞。

3 加热固化

一般来说，拉挤过程分为三个加热区域。首先是预热区，作用是为下一区域反应做准备；其次是凝胶区，在这个区域中，树脂发生固化交联并产生相变，从粘稠态转变为凝胶态；最后是恒温区，防止温度骤变使得复合材料产生裂纹［3］。

口模区域的温度控制关系到拉挤生产速率和制品的质量。温度控制的关键是使物料固化速率与型材牵引速度一致，同时，还要保证加热均匀，物料各处固化速率尽量一致。口模处通常采用板式或筒式接触加热器。目前的高频预热和高频固化解决了快速固化的问题对于不同类型的树脂，三个区域的温度各不相同，总体来说，其中的规律为依次增大。另一方面，针对不同尺寸的复合材料，三个区域的温度也有所变化，比如尺寸大，较厚的拉挤杆件，固化温度要高于树脂的固化温度，因为温度是从复合材料的表面向内传递，这样才能使得里面的树脂完全固化，和碳纤维很好地结合在一起。

4 牵引

拉挤成型通常使用夹持牵引装置，该装置有两副内部形状与制件相匹配的家具，拉挤物处于夹具中间，夹具靠压缩空气上下启闭，该夹具安装在支撑座 上，液压油缸驱动夹持装置作往复运动，为了不损伤拉挤物的表面，夹具与拉挤物接触常衬以聚氨酯材料。

牵引装置所禅城的线速度与模具温度和树脂体系配合，以保证模具内部有良好的固化反应。生产不用的产品，应选择不同的牵引速度，因此，要求牵引装置速度可以调节。

5 后固化

拉挤工艺的控制还应该考虑后固化的问题，对于大型制件尤为重要。因此不论连续成型加工中速度多慢，也很难产生像间歇生产那样的固化状态。拉挤成型后期固化简单方式是安装一个加热固化室，而更多采用的是在一个分离的加热室，用来后固化，保证固化程度。

6 结语

本文针对碳纤维拉挤复合材料的工艺方面做了一定的阐述，分别指出了工艺路线、引纱与浸胶、固化加热等三方面的关键点，为之后的碳纤维拉挤复合材料提供了一定的参考价值。

参考文献：

［1］ 张 芳. 碳纤维热固性塑料拉挤成型工艺探讨［J］. 塑料工业. 1995年， （5）∶ 18-21.

［2］ 薛承瑾. 耐高温碳纤维拉挤复合材料连续抽油杆的制备和性能研究［J］. 北京化工大学学报. 2003年， 30（4）∶56-59.

［3］ 王秋玲，等. 新型导线用碳纤维复合材料的拉挤成型工艺技术研究［J］. 工程塑料应用. 2010， 38（2）∶ 33-35.

［科技］

Study on the Technology of Large Tow Pultruded CFrP

ZHANG Bin QIAN kun
（Jiangnan University Textile Garment Institute， Jiangsu Wuxi 214122 ，China）

AbstractThis article mainly introduces the concept of large tow carbon fiber， and the composite technology of carbon fiber pultrusion stiffener， especially the effects of pre forming， curing temperature and extrusion speed on the properties of pultruded CFRP are discussed.

Key wordslarge tow carbon fiber； pultrusion； stiffener； CFRP

中图分类号：TQ327.3

文献标识码：A

作者简介：张 彬（1984-），女，中级工程师，硕士学位在读，主要研究方向：纺织复合材料。