一種碳纖維擴展設備及擴展方法與流程

本發明涉及碳纖維束的加工設備領域，具體涉及碳纖維的擴展設備。

背景技術：

隨著航空航天、風電、新型汽車等高科技制造業的發展與成熟，相關的材料應用技術例如碳纖維材料技術也隨之取得了長足的進步和廣泛的應用。在實際應用中，由于大絲束碳纖維，如48K、60K以至于360K、480K等的價格要比小絲束的便宜很多，大絲束售價只有小絲束的50％-60％，所以更容易為生產者所接受，但是由于大絲束碳纖維存在隨著纖維束根數增多而發生纖維的曲折、扭結的現象，且樹脂基體不容易浸潤到大絲束纖維束內部，單絲間容易產生孔隙，且容易造成纖維相和樹脂相的富集與分離等缺陷，同時會隨絲束直徑增加，在復合材料成型過程中出現纖維屈曲及鋪層角度錯位的可能性也在增加，從而使復合材料強度、剛度受影響，力學性能降低、分散性大，不能滿足結構設計的要求，無法發揮碳纖維增強材料高性能優勢，因此突破低成本大絲束碳纖維發揮高性能優勢關鍵技術就是開發大絲束碳纖維展開技術。

碳纖維原絲的擴展方式常規的都是采用熱碾壓法，發明專利——一種碳纖維束的擴展裝置(201410366783.5)介紹了一種碳纖維束的擴展裝置，包括預熱區、若干擴展區和整理區，所述預熱區和整理區分布在擴展區的兩側，所述預熱區和擴展區內間隔分布有凸輥和凹輥，所述整理區內設有若干平輥；所述凸輥、凹輥和平輥內均設有加熱機構；所述預熱區的左側和整理區的右側分別設有牽引輥組一和牽引輥組二，所述牽引輥組一和牽引輥組二均連接有電機。本發明碳纖維束在不斷經過凸輥的擴展和凹輥的收縮過程中獲得在寬度上的加寬，直至變薄。擴展后的碳纖維束寬而薄，為均勻的纖維單向片；但是該方法展纖的碳纖維力學性能下降較大，并且容易對纖維絲束造成磨損，嚴重影響了碳纖維的使用，同時該類方法速度較慢，效率較低。

發明專利——一種用于擴展纖維束的設備及其工藝方法(201510417018.6)，介紹了一種用于擴展纖維束的設備，其特征在于：包括開卷裝置，擴展槽系統，牽引及烘干裝置及收卷裝置；所述開卷裝置包括阻尼控制器，張力監測裝置及不少于兩根的卷軸；所述擴展槽系統包括液槽、吊升架及若干個超聲發射頭。將碳纖維束導入裝有超聲波發生器與化學溶液的容器內，通過對超聲波頻率范圍、溶液類型與濃度、碳纖維束在溶液中的牽伸速度的控制，使碳纖維束變得更輕薄；但是碳纖維原絲表面附著一層水性上漿劑，在超聲波擴展的過程中，超聲介質在振蕩的過程中會破壞原絲表面的上漿劑，經過檢測，使用一段時間的超聲介質，其中含有大量的上漿劑，證明不論超聲介質是何種物質，都會在超聲的過程中，對上漿劑產生溶解破壞，缺失了上漿劑的碳纖維原絲，由于表面極為光滑，在浸漬樹脂的過程中，不容易與樹脂復合。

為了克服上述擴展過程中出現的上漿劑破壞和絲束斷裂的問題，本發明提供了一種新的擴展設備和方法，經過高溫蒸汽噴淋，使得上漿劑軟化，然后進行高壓吹掃，達到碳纖維擴展的目的。

技術實現要素：

針對上述問題，本發明的目的提供一種新的碳纖維擴展設備及擴展方法，采用氣流吹掃和蒸汽噴淋結合，通過高頻振動，達到將碳纖維原絲擴展的目的。

本發明解決上述技術問題所采用的技術方案是：一種碳纖維擴展設備，其特征在于：包括開卷絲軸、糾偏裝置、擴展裝置、牽引轉軸和收卷裝置；

所述開卷絲軸通過機械臂與伺服電機連接；

所述糾偏裝置包括若干托架輪，每個托架輪之前設有光感測距器；

所述擴展裝置包括設置在磁懸浮平臺上的氣流吹掃箱體，所述氣流吹掃箱體內設有一塊帶有若干微氣孔的吹掃板。

進一步，所述開卷絲軸的兩端通過卡爪型機械臂固定連接，所述機械臂的一端與伺服電機固定連接，通過伺服電機驅動機械臂轉動，機械臂的轉動范圍為360°。當原絲束發生偏轉或者扭曲時，將信號傳遞給伺服電機，通過伺服電機反方向旋轉，將原絲束糾偏；同時伺服電機的旋轉方向為±360°，保證原絲束偏轉后的回正。

進一步，所述糾偏裝置的外殼為可視的規則箱體，包括至少兩個以上的托架輪，所述光感測距器設置在托架輪的上游一側，若干托架輪的排列方式為直線型、之字型或者任意其他形狀。原絲束的寬度固定，通過光感測距器來檢測原絲束的寬度，用以標記絲束是否發生扭曲或者偏轉，當光感測距器檢測到絲束的寬度小于設定值，通過控制器內的換算，得出絲束扭曲的方向和角度，將信號傳輸給伺服電機，通過伺服電機控制開卷絲軸向反方向轉動，使得絲束恢復原位；當發生一次絲束扭曲后，第二個光感測距器檢測到絲束再次發生扭曲，將信號傳輸給伺服電機，通過伺服電機控制開卷絲軸向反方向轉動兩倍；絲束繼續前進過程中經過第三個光感測距器是，如果再次檢測到絲束扭曲，將發生警報，整個擴展設備停止工作，采用人工糾偏。同時，光感測距器不僅限于上述的三個，也可以是更多個，并且光感測距器的排布方式，可以根據設備的安裝場地和要求決定，并不僅限于本發明提到的排列方式；同時也可以根據安裝要求將整個糾偏裝置設置在封閉的箱體內，預留觀察窗或者箱體采用透明玻璃或者樹脂材料，使得整個絲束的行程在可視的范圍內呈現。光感測距器的檢測距離可以根據絲束的型號調整，比如12K的原絲，絲束寬度為6.5mm，如果光感信號檢測到小于5mm，那么意味著發生了絲束扭曲或者偏轉。

進一步，所述擴展裝置為規則的箱體，吹掃板位于擴展裝置的中部，沿水平方向將擴展裝置分割為上下兩個腔室，分別為蒸汽噴淋腔和高壓腔，所述擴展裝置的兩端分別為入絲孔和出絲孔，吹掃板連接入絲孔和出絲孔的兩端設置為倒角狀，所述擴展裝置的箱體四角設有四個錨固點，所述錨固點與磁懸浮平臺分別通有相反電荷，形成電磁懸浮。

進一步，所述微氣孔的橫截面為錐形，微氣孔的內徑為0.4-0.6mm，相鄰微氣孔之間的間隔距離為0.4-0.6mm。

進一步，所述蒸汽噴淋腔的頂部設有若干蒸汽噴淋孔，蒸汽噴淋溫度為100-110℃。

進一步，所述高壓腔與空氣壓縮機連通，高壓腔內的氣壓為0.4-0.8MPa。

本發明采用的擴展裝置結合了氣流吹掃、蒸汽加熱和磁懸浮震動設計而成，碳纖維原絲束由入絲孔進入擴展裝置，若干原絲束平鋪在吹掃板上，吹掃板的上方腔體為蒸汽噴淋腔，通過若干蒸汽噴淋孔向原絲束噴淋熱蒸汽，蒸汽的溫度控制在100-110℃，原絲束表面的上漿劑的軟化溫度為90-100℃，進入擴展裝置的碳纖維原絲束在熱蒸汽的包裹下，表面的上漿劑逐漸軟化，使得絲束內的原絲之間的粘結作用力降低，然后高壓腔內通入的壓縮空氣，經過微氣孔不斷吹向原絲束，同時整個擴展裝置置于磁懸浮平臺上，磁懸浮平臺通入交流電，通過變頻器控制交流頻率擴展裝置不斷橫向震動，經過微氣孔的氣流在擴展裝置左右震動的情況下左右移動，使得氣流形成左右移動的吹掃情況，經過軟化的原絲束在氣流的吹掃作用下，絲束的單根原絲逐漸分散擴展；隨著原絲束在牽引裝置的牽引作用下，不斷經過擴展裝置，被熱蒸汽軟化和氣流吹掃，達到絲束擴展的目的。

由于擴展裝置設置在磁懸浮平臺上，使得擴展裝置的震動頻率可以通過通入的交流頻率控制，震動頻率可以達到超聲級別，同時蒸汽包裹的氛圍又不至于使得上漿劑的脫落。

進一步，所述高壓腔與空氣壓縮機之間設有除油過濾裝置，用于將壓縮空氣中的油性物質除去。油性物質對原絲束表面的上漿劑有一定損傷。

一種碳纖維擴展方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)將多錠絲束盤依此安裝在開卷絲軸上；

(2)將絲束分別從開卷絲軸引出，分別繞過對應的光感測距器和托架輪；

(3)絲束進入擴展裝置，絲束平鋪經過吹掃板；

(4)經過擴展的絲束經過牽引裝置并接入收卷裝置；

(5)完成上述連接后進行開機運行，通過光感測距器檢測每一條絲束的寬度，當發生絲束偏轉后，信號傳輸給開卷絲軸上的伺服電機，通過伺服電機轉動使絲束恢復原位；

(6)吹掃板上方蒸汽噴淋腔開啟蒸汽噴淋，下方高壓腔進行氣流吹掃；同時擴展裝置開始磁懸浮震蕩。

本發明的優點在于：

1、擴展裝置采用磁懸浮平臺，可以經過變頻器控制擴展裝置的高頻振動，實現震動頻率覆蓋50HZ-300HZ，跟任何機械震動相比，本發明的震動方式頻率大大提高，并且不受設備的影響；

2、擴展裝置內的吹掃板上設有若干微氣孔，高壓氣體經過微氣孔向碳纖維原絲束進行氣流吹掃，吹掃板上形成若干吹掃氣柱，對平鋪在吹掃板上的原絲束進行快速吹掃，上方的噴淋孔不斷的噴出熱蒸汽，使得原絲束表面的上漿劑軟化，在氣流吹掃的作用下，絲束不斷分散擴展，該擴展方式對原絲束幾乎沒有傷害，同時上漿劑不會脫落，保證絲束的完整，不會產生斷裂；

3、采用通過光感測距器檢測每一條絲束的寬度，當發生絲束偏轉后，信號傳輸給開卷絲軸上的伺服電機，通過伺服電機轉動使絲束恢復原位，避免了絲束在前進時發生扭曲或者偏轉。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明具體實施方式或現有技術中的技術方案，下面將對具體實施方式或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施方式，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明的立體結構圖。

其中：1、開卷絲軸 2、糾偏裝置 3、擴展裝置 4、牽引轉軸 5、收卷裝置；

101、機械臂 102、伺服電機

201、托架輪 202、光感測距器

301、磁懸浮平臺 302、氣流吹掃箱體 303、微氣孔 304、吹掃板 305、蒸汽噴淋腔 306、高壓腔 307、入絲孔 308、出絲孔 309、錨固點 310、蒸汽噴淋孔 311、空氣壓縮機 312、除油過濾裝置

具體實施方式

下面將結合附圖對本發明的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

在本發明的描述中，需要說明的是，術語“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語“第一”、“第二”、“第三”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

如圖所示的一種碳纖維擴展設備，其特征在于：包括開卷絲軸1、糾偏裝置2、擴展裝置3、牽引轉軸4和收卷裝置5；

所述開卷絲軸1通過機械臂101與伺服電機102連接；

所述糾偏裝置2包括若干托架輪201，每個托架輪201之前設有光感測距器202；

所述擴展裝置3包括設置在磁懸浮平臺301上的氣流吹掃箱體302，所述氣流吹掃箱體302內設有一塊帶有若干微氣孔303的吹掃板304。

進一步，所述開卷絲軸1的兩端通過卡爪型機械臂101固定連接，所述機械臂101的一端與伺服電機102固定連接，通過伺服電機102驅動機械臂101轉動，機械臂101的轉動范圍為360°。當原絲束發生偏轉或者扭曲時，將信號傳遞給伺服電機102，通過伺服電機102反方向旋轉，將原絲束糾偏；同時伺服電機102的旋轉方向為±360°，保證原絲束偏轉后的回正。

進一步，所述糾偏裝置2的外殼為可視的規則箱體，包括至少兩個以上的托架輪201，所述光感測距器202設置在托架輪201的上游一側，若干托架輪201的排列方式為直線型、之字型或者任意其他形狀。原絲束的寬度固定，通過光感測距器202來檢測原絲束的寬度，用以標記絲束是否發生扭曲或者偏轉，當光感測距器202檢測到絲束的寬度小于設定值，通過控制器內的換算，得出絲束扭曲的方向和角度，將信號傳輸給伺服電機102，通過伺服電機102控制開卷絲軸1向反方向轉動，使得絲束恢復原位；當發生一次絲束扭曲后，第二個光感測距器202檢測到絲束再次發生扭曲，將信號傳輸給伺服電機102，通過伺服電機102控制開卷絲軸1向反方向轉動兩倍；絲束繼續前進過程中經過第三個光感測距器202是，如果再次檢測到絲束扭曲，將發生警報，整個擴展設備停止工作，采用人工糾偏。同時，光感測距器202不僅限于上述的三個，也可以是更多個，并且光感測距器202的排布方式，可以根據設備的安裝場地和要求決定，并不僅限于本發明提到的排列方式；同時也可以根據安裝要求將整個糾偏裝置2設置在封閉的箱體內，預留觀察窗或者箱體采用透明玻璃或者樹脂材料，使得整個絲束的行程在可視的范圍內呈現。光感測距器202的檢測距離可以根據絲束的型號調整，比如12K的原絲，絲束寬度為6.5mm，如果光感信號檢測到小于5mm，那么意味著發生了絲束扭曲或者偏轉。

進一步，所述擴展裝置3為規則的箱體，吹掃板304位于擴展裝置3的中部，沿水平方向將擴展裝置3分割為上下兩個腔室，分別為蒸汽噴淋腔305和高壓腔306，所述擴展裝置3的兩端分別為入絲孔307和出絲孔308，吹掃板304連接入絲孔307和出絲孔308的兩端設置為倒角狀，所述擴展裝置3的箱體四角設有四個錨固點309，所述錨固點309與磁懸浮平臺301分別通有相反電荷，形成電磁懸浮。錨固點的底端為一個金屬片，通入電荷，而整個氣流擴展箱體為絕緣箱體。

進一步，所述微氣孔303的橫截面為錐形，微氣孔303的內徑為0.4-0.6mm，相鄰微氣孔303之間的間隔距離為0.4-0.6mm。

進一步，所述蒸汽噴淋腔305的頂部設有若干蒸汽噴淋孔310，蒸汽噴淋溫度為100-110℃。若干噴淋蒸汽孔連接一個蒸汽輸送管路，通過蒸汽發生器供給熱蒸汽。

進一步，所述高壓腔306與空氣壓縮機311連通，高壓腔306內的氣壓為0.4-0.8MPa。

本發明采用的擴展裝置3結合了氣流吹掃、蒸汽加熱和磁懸浮震動設計而成，碳纖維原絲束由入絲孔307進入擴展裝置3，若干原絲束平鋪在吹掃板304上，吹掃板304的上方腔體為蒸汽噴淋腔305，通過若干蒸汽噴淋孔310向原絲束噴淋熱蒸汽，蒸汽的溫度控制在100-110℃，原絲束表面的上漿劑的軟化溫度為90-100℃，進入擴展裝置3的碳纖維原絲束在熱蒸汽的包裹下，表面的上漿劑逐漸軟化，使得絲束內的原絲之間的作用力降低，然后高壓腔306內通入的壓縮空氣，經過微氣孔303不斷吹向原絲束，同時整個擴展裝置3置于磁懸浮平臺301上，磁懸浮平臺301通入交流電，通過變頻器控制交流頻率擴展裝置3不斷橫向震動，經過微氣孔303的氣流在擴展裝置3左右震動的情況下左右移動，使得氣流形成左右移動的吹掃情況，經過軟化的原絲束在氣流的吹掃作用下，絲束的單根原絲逐漸分散擴展；隨著原絲束在牽引裝置的牽引作用下，不斷經過擴展裝置3，被熱蒸汽軟化和氣流吹掃，達到絲束擴展的目的。

由于擴展裝置3設置在磁懸浮平臺301上，使得擴展裝置3的震動頻率可以通過通入的交流頻率控制，震動頻率可以達到超聲級別，同時蒸汽包裹的氛圍又不至于使得上漿劑的脫落。

進一步，所述高壓腔306與空氣壓縮機311之間設有除油過濾裝置312，用于將壓縮空氣中的油性物質除去。油性物質對原絲束表面的上漿劑有一定損傷。

一種碳纖維擴展方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)將多錠絲束盤依此安裝在開卷絲軸1上；

(2)將絲束分別從開卷絲軸1引出，分別繞過對應的光感測距器202和托架輪201；

(3)絲束進入擴展裝置3，絲束平鋪經過吹掃板304；

(4)經過擴展的絲束經過牽引裝置并接入收卷裝置5；

(5)完成上述連接后進行開機運行，通過光感測距器202檢測每一條絲束的寬度，當發生絲束偏轉后，信號傳輸給開卷絲軸1上的伺服電機102，通過伺服電機102轉動使絲束恢復原位；

(6)吹掃板304上方蒸汽噴淋腔305開啟蒸汽噴淋，下方高壓腔306進行氣流吹掃；同時擴展裝置3開始磁懸浮震蕩。

最后應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的范圍。