一种碳纤维在线表面处理及浸胶装置及制备方法与流程

1.本发明属于碳纤维增强预浸料制备技术领域，涉及一种碳纤维在线表面处理及浸胶装置及制备方法。


背景技术：

2.未来先进高速航天装备的飞行马赫数不断提高，赋予其快速反应、强突防和高生存能力，可以有效地打击高机动目标和时间敏感目标，在未来战争中作用十分重要。随着航天飞行器飞行速度、飞行时长以及距离的不断增加，其在稠密大气层飞行时，表面需要经受严苛的气动加热和大过载的复杂服役环境，其中弹翼、尾舱、过渡段等重要结构部段，表面温度高达350℃以上。随着飞行器外表面温度的增加以及结构效率要求的提升，对结构件的承载、防隔热性能以及轻量化提出了更为苛刻的要求。传统的环氧复合材料、双马复合材料已无法满足其结构需求，急需发展聚酰亚胺复合材料作为主承力构件。
3.然而，作为主承力构件应用的碳纤维聚酰亚胺复合材料，因碳纤维表面上浆剂与聚酰亚胺复合材料固化温度的不匹配导致复合材料界面强度不佳，一定程度上影响其承载效率。故国内外学者自20世纪90年代开始，先后开展了碳纤维表面处理对聚酰亚胺复合材料性能的影响，研究表明，碳纤维表面处理可以一定程度上改善复合材料的界面特性，尤其是热氧老化稳定性。然而，碳纤维表面处理过程中，会对纤维造成一定的损伤，从而影响最终复合材料综合性能的发挥。因此，为了进一步提升聚酰亚胺复合材料的承载效率，急需对碳纤维表面进行处理，解决因上浆剂耐温不高带来的复合材料界面强度不佳的问题。同时，降低纤维的损伤，最大程度发挥复合材料的承载能力。


技术实现要素：

4.本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种碳纤维在线表面处理及浸胶装置及制备方法，采用模块化设计思路，通过去浆单元、上浆单元、浸胶单元和收卷单元实现碳纤维的表面处理及树脂浸渍的一体化，从而降低碳纤维由于表面处理过程的多次收放卷带来的损伤，改善碳纤维增强聚酰亚胺复合材料界面结合强度的同时，复合材料仍保持良好的综合力学性能，为聚酰亚胺复合材料在主承力构件上的应用奠定了基础。
5.本发明公开了一种碳纤维在线表面处理及浸胶装置，包括：控制和驱动单元、去浆单元、上浆单元、浸胶单元、收卷单元和主机架，其中：去浆单元、上浆单元、浸胶单元、收卷单元顺序安装在主机架上；
6.去浆单元，通过溶剂将碳纤维表面上浆剂去除；
7.上浆单元，在去除上浆剂的碳纤维表面再次涂覆高温上浆剂；
8.浸胶单元，对上浆后的碳纤维进行聚酰亚胺树脂浸渍；
9.收卷单元，包括滚筒，根据控制和驱动单元的控制信号，将浸渍树脂后的碳纤维进行均匀排布，获得碳纤维增强聚酰亚胺湿法预浸料；
10.控制和驱动单元，对收卷单元进行控制，控制碳纤维纱线张力、预浸料幅宽、加热
温度以及滚筒转速。
11.进一步地，在上述装置中，所述控制和驱动单元，包括参数控制界面、伺服驱动器；其中，通过所述参数控制界面对滚筒转速、滚筒横向移动速度、纱线张力、加热温度和预浸料幅宽进行参数设定，伺服驱动器根据设定参数驱动滚筒转动。
12.进一步地，在上述装置中，所述去浆单元，包括纱架、导向辊和溶剂槽；其中，纱架用于安装碳纤维，导向辊用于牵引碳纤维的走向，溶剂槽用于盛放碳纤维表面处理用溶剂，各部件按照使用顺序连接在主机架上，使用过程中，安装于纱架上的碳纤维纱线经导向辊牵引引入溶剂槽中进行碳纤维表面溶剂处理。
13.进一步地，在上述装置中，所述上浆单元，包括导向辊、上浆剂槽和烘干单元；其中，导向辊用于碳纤维纱牵引，上浆剂槽用于盛放高温上浆剂，烘干单元用于去除碳纤维纱表面涂覆高温上浆剂后残存的溶剂；导向辊、上浆剂槽和烘干单元按照使用顺序连接在主机架上；使用过程中，经溶剂槽处理后的碳纤维纱线经导向辊牵引引入上浆剂槽中进行高温上浆剂的涂覆，涂覆后的碳纤维纱线经导向辊继续牵引经过烘干单元进行纤维表面烘干处理。
14.进一步地，在上述装置中，所述上浆单元采用的高温上浆剂为低固含量的聚酰亚胺溶液，固含量为3wt％～6wt％。
15.进一步地，在上述装置中，所述烘干单元采用辐射加热方式。
16.进一步地，在上述装置中，所述浸胶单元，包括导向辊、驱动辊、压辊以及浸胶槽；其中，导向辊用于碳纤维纱线牵引，驱动辊由主机驱动带动碳纤维纱线前进，压辊用于挤压碳纤维纱线，去除多余的胶液，浸胶槽用于盛放浸渍用胶液；导向辊、驱动辊、压辊依次连接在主机架上，压辊安装在浸胶槽的槽底，浸胶槽与主机架连接。
17.进一步地，在上述装置中，所述收卷单元，还包括压纸装置和装置基座；其中，压纸装置用于固定预浸料中的离型纸，滚筒用于碳纤维纱线排布，压纸装置和滚筒分别连接在装置基座上。
18.进一步地，在上述装置中，所述浸胶单元选用的浸胶树脂为pmr型聚酰亚胺树脂溶液；所述去浆单元去浆所用溶剂为丙酮，所述碳纤维为t300级碳纤维、t700级碳纤维或t800级碳纤维，纤维丝束为3k、6k或者12k。
19.本发明公开了一种碳纤维预浸料制备方法，采用一种碳纤维在线表面处理及浸胶装置，包括：
20.将碳纤维置于去浆单元的纱架上；
21.将碳纤维引入装有去浆溶剂的溶剂槽中；
22.将去浆后的碳纤维引入装有上浆溶剂上浆槽中；
23.对上浆后的碳纤维进行烘干后引入浸胶单元的装有树脂溶液的浸胶槽中；
24.将浸渍过树脂溶液的碳纤维纱线一端固定在收卷单元的滚筒一侧，固定纱线前，用离型纸覆盖滚筒表面；
25.进行参数设置；
26.根据设置的参数，在离型纸表面进行碳纤维纱线的均布收卷排制，制成碳纤维预浸料。
27.本发明与现有技术相比有益效果为：
28.(1)本发明采用模块设计方法，实现了碳纤维在线处理、再上浆以及浸胶工艺的一体化，并可按需选用功能模块，实现不同的功能需求；
29.(2)本发明采用在线去浆和再上浆的连续化处理方式，同时辅助原位辐射加热方法，实现了碳纤维再上浆后高沸点溶剂的有效去除，有利于后续复合材料成型质量的有效控制。
30.(3)本发明采用碳纤维表面处理及其树脂浸渍一体化设计，实现了聚酰亚胺预浸料制备过程中碳纤维上浆剂的在线处理，一方面降低了碳纤维的损伤程度，一方面提高了制备效率。
附图说明
31.图1为本发明碳纤维在线表面处理及浸胶装置示意图。
具体实施方式
32.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
33.本实施例提供了一种碳纤维在线表面处理及浸胶装置，包括：控制和驱动单元、去浆单元、上浆单元、浸胶单元、收卷单元和主机架，其中：去浆单元、上浆单元、浸胶单元、收卷单元顺序安装在主机架上；
34.去浆单元，通过溶剂将碳纤维表面上浆剂去除；
35.上浆单元，在去除上浆剂的碳纤维表面再次涂覆高温上浆剂；
36.浸胶单元，对上浆后的碳纤维进行聚酰亚胺树脂浸渍；
37.收卷单元，包括滚筒，根据控制和驱动单元的控制信号，将浸渍树脂后的碳纤维进行均匀排布，获得碳纤维增强聚酰亚胺湿法预浸料；
38.控制和驱动单元，对收卷单元进行控制，控制碳纤维纱线张力、预浸料幅宽、加热温度以及滚筒转速。
39.本实施例中的一种碳纤维在线表面处理及浸胶装置，可根据实际需求选用不同的模块组合实现不同碳纤维处理状态的聚酰亚胺预浸料的制备。
40.优选地，控制和驱动单元，包括参数控制界面、伺服驱动器；其中，通过参数控制界面对滚筒转速、滚筒横向移动速度、纱线张力、加热温度和预浸料幅宽进行参数设定，伺服驱动器根据设定参数驱动滚筒转动。
41.优选地，去浆单元，包括纱架、导向辊和溶剂槽；其中，纱架用于安装碳纤维，导向辊用于牵引碳纤维的走向，溶剂槽用于盛放碳纤维表面处理用溶剂，各部件按照使用顺序连接在主机架上，使用过程中，安装于纱架上的碳纤维纱线经导向辊牵引引入溶剂槽中进行碳纤维表面溶剂处理。
42.优选地，上浆单元，包括导向辊、上浆剂槽和烘干单元；其中，导向辊用于碳纤维纱牵引，上浆剂槽用于盛放高温上浆剂，烘干单元用于去除碳纤维纱表面涂覆高温上浆剂后残存的溶剂；导向辊、上浆剂槽和烘干单元按照使用顺序连接在主机架上；使用过程中，经溶剂槽处理后的碳纤维纱线经导向辊牵引引入上浆剂槽中进行高温上浆剂的涂覆，涂覆后的碳纤维纱线经导向辊继续牵引经过烘干单元进行纤维表面烘干处理。
43.优选地，上浆单元采用的高温上浆剂为低固含量的聚酰亚胺溶液，固含量为3wt％
～6wt％。
44.优选地，烘干单元采用辐射加热方式。
45.优选地，浸胶单元，包括导向辊、驱动辊、压辊以及浸胶槽；其中，导向辊用于碳纤维纱线牵引，驱动辊由主机驱动带动碳纤维纱线前进，压辊用于挤压碳纤维纱线，去除多余的胶液，浸胶槽用于盛放浸渍用胶液；导向辊、驱动辊、压辊依次连接在主机架上，压辊安装在浸胶槽的槽底，浸胶槽与主机架连接。
46.优选地，收卷单元，还包括压纸装置和装置基座；其中，压纸装置用于固定预浸料中的离型纸，滚筒用于碳纤维纱线排布，压纸装置和滚筒分别连接在装置基座上。
47.优选地，浸胶单元选用的浸胶树脂为pmr型聚酰亚胺树脂溶液；去浆单元去浆所用溶剂为丙酮，碳纤维为t300级碳纤维、t700级碳纤维或t800级碳纤维，纤维丝束为3k、6k或者12k。
48.本实施例提供了一种碳纤维预浸料制备方法，采用一种碳纤维在线表面处理及浸胶装置，包括：
49.将碳纤维置于去浆单元的纱架上；
50.将碳纤维引入装有去浆溶剂的溶剂槽中；
51.将去浆后的碳纤维引入装有上浆溶剂上浆槽中；
52.对上浆后的碳纤维进行烘干后引入浸胶单元的装有树脂溶液的浸胶槽中；
53.将浸渍过树脂溶液的碳纤维纱线一端固定在收卷单元的滚筒一侧，固定纱线前，用离型纸覆盖滚筒表面；
54.进行参数设置；
55.根据设置的参数，在离型纸表面进行碳纤维纱线的均布收卷排制，制成碳纤维预浸料。
56.实施例1
57.将mt300碳纤维置于去浆单元的纱架上，纤维通过导向辊引入溶剂槽中，溶剂槽中倒入适量丙酮，保证碳纤维可以完全浸入丙酮溶剂中，随后将纤维通过上浆单元的导向辊引入上浆槽中，上浆槽中倒入3wt％固含量的spi聚酰亚胺溶液,经烘干立柱后引入浸胶单元的浸胶槽中，浸胶槽选用906聚酰亚胺树脂溶液。经过浸胶槽后将浸渍完树脂的碳纤维纱线一端固定在收卷单元的滚筒一侧，固定纱线前，滚筒表面用离型纸覆盖。在离型纸表面进行碳纤维纱线的均布收卷排制。排制过程中纱线张力控制为5n，滚筒转速设置为4r/min，横线移动速度为4.94mm/min，幅宽为800mm，烘干温度设置为150℃。排制到800mm宽度后，平行于幅宽方向将预浸料切断，得到一定长度的预浸料，并于室温将预浸料晾置24h～48h，待预浸料表面不粘手后在其表面覆盖薄膜，获得预浸料。采用该预浸料制备的聚酰亚胺复合材料的层间剪切强度为120mpa，0
°
拉伸强度为1700mpa。
58.实施例2
59.将mt700碳纤维置于去浆单元的纱架上，纤维通过导向辊引入溶剂槽中，溶剂槽中倒入适量丙酮，保证碳纤维可以完全浸入丙酮溶剂中，随后将纤维通过上浆单元的导向辊引入上浆槽中，上浆槽中倒入3wt％固含量的spi聚酰亚胺溶液,经烘干立柱后引入浸胶单元的浸胶槽中，浸胶槽选用906聚酰亚胺树脂溶液。经过浸胶槽后将浸渍完树脂的碳纤维纱线一端固定在收卷单元的滚筒一侧，固定纱线前，滚筒表面用离型纸覆盖。在离型纸表面进
行碳纤维纱线的均布收卷排制。排制过程中纱线张力控制为5n，滚筒转速设置为4r/min，横线移动速度为4.94mm/min，幅宽为800mm，烘干温度设置为150℃。排制到800mm宽度后，平行于幅宽方向将预浸料切断，得到一定长度的预浸料，并于室温将预浸料晾置24h～48h，待预浸料表面不粘手后在其表面覆盖薄膜，获得预浸料。采用该预浸料制备的聚酰亚胺复合材料的层间剪切强度为98mpa，0
°
拉伸强度为2000mpa。
60.实施例3
61.将tg800碳纤维置于去浆单元的纱架上，纤维通过导向辊引入溶剂槽中，溶剂槽中倒入适量丙酮，保证碳纤维可以完全浸入丙酮溶剂中，随后将纤维通过上浆单元的导向辊引入上浆槽中，上浆槽中倒入3wt％固含量的spi聚酰亚胺溶液,经烘干立柱后引入浸胶单元的浸胶槽中，浸胶槽选用906聚酰亚胺树脂溶液。经过浸胶槽后将浸渍完树脂的碳纤维纱线一端固定在收卷单元的滚筒一侧，固定纱线前，滚筒表面用离型纸覆盖。在离型纸表面进行碳纤维纱线的均布收卷排制。排制过程中纱线张力控制为5n，滚筒转速设置为4r/min，横线移动速度为4.94mm/min，幅宽为800mm，烘干温度设置为150℃。排制到800mm宽度后，平行于幅宽方向将预浸料切断，得到一定长度的预浸料，并于室温将预浸料晾置24h～48h，待预浸料表面不粘手后在其表面覆盖薄膜，获得预浸料。采用该预浸料制备的聚酰亚胺复合材料的层间剪切强度为105mpa，0
°
拉伸强度为2200mpa。
62.实施例4
63.将tg800碳纤维置于去浆单元的纱架上，纤维通过导向辊引入溶剂槽中，溶剂槽中倒入适量丙酮，保证碳纤维可以完全浸入丙酮溶剂中，碳纤维经去浆槽后直接经烘干通道引入浸胶单元的浸胶槽中，浸胶槽选用906聚酰亚胺树脂溶液。经过浸胶槽后将浸渍完树脂的碳纤维纱线一端固定在收卷单元的滚筒一侧，固定纱线前，滚筒表面用离型纸覆盖。在离型纸表面进行碳纤维纱线的均布收卷排制。排制过程中纱线张力控制为5n，滚筒转速设置为4r/min，横线移动速度为4.94mm/min，幅宽为800mm。排制到800mm宽度后，平行于幅宽方向将预浸料切断，得到一定长度的预浸料，并于室温将预浸料晾置24h～48h，待预浸料表面不粘手后在其表面覆盖薄膜，获得预浸料。采用该预浸料制备的聚酰亚胺复合材料的层间剪切强度为100mpa，0
°
拉伸强度为2300mpa。
64.实施例5
65.将tg800碳纤维置于去浆单元的纱架上，纤维直接引入浸胶单元的浸胶槽中，浸胶槽选用906聚酰亚胺树脂溶液。经过浸胶槽后将浸渍完树脂的碳纤维纱线一端固定在收卷单元的滚筒一侧，固定纱线前，滚筒表面用离型纸覆盖。在离型纸表面进行碳纤维纱线的均布收卷排制。排制过程中纱线张力控制为5n，滚筒转速设置为4r/min，横线移动速度为4.94mm/min，幅宽为800mm。排制到800mm宽度后，平行于幅宽方向将预浸料切断，得到一定长度的预浸料，并于室温将预浸料晾置24h～48h，待预浸料表面不粘手后在其表面覆盖薄膜，获得预浸料。采用该预浸料制备的聚酰亚胺复合材料的层间剪切强度为90mpa，0
°
拉伸强度为2350mpa。
66.尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
67.本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

技术特征：
1.一种碳纤维在线表面处理及浸胶装置，其特征在于，包括：控制和驱动单元、去浆单元、上浆单元、浸胶单元、收卷单元和主机架，其中：去浆单元、上浆单元、浸胶单元、收卷单元顺序安装在主机架上；去浆单元，通过溶剂将碳纤维表面上浆剂去除；上浆单元，在去除上浆剂的碳纤维表面再次涂覆高温上浆剂；浸胶单元，对上浆后的碳纤维进行聚酰亚胺树脂浸渍；收卷单元，包括滚筒，根据控制和驱动单元的控制信号，将浸渍树脂后的碳纤维进行均匀排布，获得碳纤维增强聚酰亚胺湿法预浸料；控制和驱动单元，对收卷单元进行控制，控制碳纤维纱线张力、预浸料幅宽、加热温度以及滚筒转速。2.根据权利要求1所述的一种碳纤维在线表面处理及浸胶装置，其特征在于：所述控制和驱动单元，包括参数控制界面、伺服驱动器；其中，通过所述参数控制界面对滚筒转速、滚筒横向移动速度、纱线张力、加热温度和预浸料幅宽进行参数设定，伺服驱动器根据设定参数驱动滚筒转动。3.根据权利要求1所述的一种碳纤维在线表面处理及浸胶装置，其特征在于：所述去浆单元，包括纱架、导向辊和溶剂槽；其中，纱架用于安装碳纤维，导向辊用于牵引碳纤维的走向，溶剂槽用于盛放碳纤维表面处理用溶剂，各部件按照使用顺序连接在主机架上，使用过程中，安装于纱架上的碳纤维纱线经导向辊牵引引入溶剂槽中进行碳纤维表面溶剂处理。4.根据权利要求1所述的一种碳纤维在线表面处理及浸胶装置，其特征在于：所述上浆单元，包括导向辊、上浆剂槽和烘干单元；其中，导向辊用于碳纤维纱牵引，上浆剂槽用于盛放高温上浆剂，烘干单元用于去除碳纤维纱表面涂覆高温上浆剂后残存的溶剂；导向辊、上浆剂槽和烘干单元按照使用顺序连接在主机架上；使用过程中，经溶剂槽处理后的碳纤维纱线经导向辊牵引引入上浆剂槽中进行高温上浆剂的涂覆，涂覆后的碳纤维纱线经导向辊继续牵引经过烘干单元进行纤维表面烘干处理。5.根据权利要求1所述的一种碳纤维在线表面处理及浸胶装置，其特征在于：所述上浆单元采用的高温上浆剂为低固含量的聚酰亚胺溶液，固含量为3wt％～6wt％。6.根据权利要求4所述的一种碳纤维在线表面处理及浸胶装置，其特征在于：所述烘干单元采用辐射加热方式。7.根据权利要求1所述的一种碳纤维在线表面处理及浸胶装置，其特征在于：所述浸胶单元，包括导向辊、驱动辊、压辊以及浸胶槽；其中，导向辊用于碳纤维纱线牵引，驱动辊由主机驱动带动碳纤维纱线前进，压辊用于挤压碳纤维纱线，去除多余的胶液，浸胶槽用于盛放浸渍用胶液；导向辊、驱动辊、压辊依次连接在主机架上，压辊安装在浸胶槽的槽底，浸胶槽与主机架连接。8.根据权利要求1所述的一种碳纤维在线表面处理及浸胶装置，其特征在于：所述收卷单元，还包括压纸装置和装置基座；其中，压纸装置用于固定预浸料中的离型纸，滚筒用于碳纤维纱线排布，压纸装置和滚筒分别连接在装置基座上。9.根据权利要求1所述的一种碳纤维在线表面处理及浸胶装置，其特征在于：所述浸胶单元选用的浸胶树脂为pmr型聚酰亚胺树脂溶液；所述去浆单元去浆所用溶剂为丙酮，所述碳纤维为t300级碳纤维、t700级碳纤维或t800级碳纤维，纤维丝束为3k、6k或者12k。
10.一种碳纤维预浸料制备方法，其特征在于：采用如权利要求1～9所述的一种碳纤维在线表面处理及浸胶装置，包括：将碳纤维置于去浆单元的纱架上；将碳纤维引入装有去浆溶剂的溶剂槽中；将去浆后的碳纤维引入装有上浆溶剂上浆槽中；对上浆后的碳纤维进行烘干后引入浸胶单元的装有树脂溶液的浸胶槽中；将浸渍过树脂溶液的碳纤维纱线一端固定在收卷单元的滚筒一侧，固定纱线前，用离型纸覆盖滚筒表面；进行参数设置；根据设置的参数，在离型纸表面进行碳纤维纱线的均布收卷排制，制成碳纤维预浸料。

技术总结
本发明涉及一种碳纤维在线表面处理及浸胶装置及制备方法。该装置由碳纤维去浆单元、上浆单元、浸胶单元和收卷单元组成，可用于制备湿法碳纤维增强的聚酰亚胺预浸料，并且在碳纤维浸胶之前，可根据功能需要对碳纤维进行去浆以及再上浆处理。采用该装置可实现碳纤维增强聚酰亚胺预浸料制备过程中，碳纤维表面处理及浸胶功能的一体化，从而解决因商品化碳纤维上浆剂耐温不足导致的复合材料界面结合力差以及碳纤维处理过程中的纤维损伤问题。采用该装置制备的碳纤维增强聚酰亚胺预浸料制得的复合材料表现出更佳的层间剪切性能和综合力学性能。学性能。学性能。


技术研发人员：潘玲英 陈薇 张云鹭 樊孟金 张东霞 赵培晔 吴嘉宁 李学宽 赵伟栋 左小彪 李健芳 王心谨 臧千
受保护的技术使用者：航天材料及工艺研究所
技术研发日：2023.03.27
技术公布日：2023/7/12