[发明专利]用于分散碳纤维束的导纱棒及其应用

说明书

技术领域

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

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。

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渍。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渍。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渍。

发明内容

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渍。

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。

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。

关于导纱棒的圆弧形状和尺寸：

设分散棒的外圆半径为R1，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渍。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渍效果。

导纱棒的尺寸和配置间距：

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。

导纱棒的横断面结构：

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，以达到更好地浸渍效果。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。

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所示的树脂浸渍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、树脂浸渍槽、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渍槽中。

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：

将施加了一定张力的连续状的碳纤维束1引出，经过引导罗拉2进入树脂浸渍槽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渍槽3中，使整个树脂浸渍槽被熔融树脂注满。在树脂浸渍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渍，达到实现高性能的碳纤维增强热塑性复合材料的目的。被热塑性树脂浸渍后的碳纤维束从树脂浸渍槽中引出，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。

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。

碳纤维束：