前言

       20世紀(jì)90年代中期以后，世界碳纖維發(fā)展的最大特點(diǎn)是大絲束(48K 以上)碳纖維獲得重大突破， 由于其具有價(jià)格低、來(lái)源容易、性能好(相當(dāng)于T300)等優(yōu)點(diǎn)，利用大絲束碳纖維代替小絲束碳纖維制造的體育用品如釣魚(yú)竿、高爾夫球桿等也應(yīng)運(yùn)而生， 大絲束碳纖維制備預(yù)浸料技術(shù)也取得很大進(jìn)展? 。據(jù)報(bào)道引 ，美國(guó)的Aldila公司、SP公司、Zoltek公司和德國(guó)的SGL公司先后制出了與小絲束碳纖維外觀質(zhì)量相當(dāng)?shù)?8K以上碳纖維預(yù)浸料， 用于制造釣魚(yú)竿、高爾夫球桿等，并已實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)。隨著大絲束碳纖維制造技術(shù)的不斷改進(jìn)和產(chǎn)量的不斷提高，其價(jià)格將進(jìn)一步降低，市場(chǎng)應(yīng)用前景十分看好。

       當(dāng)前， 國(guó)內(nèi)大多數(shù)釣魚(yú)竿、高爾夫球桿等生產(chǎn)廠家一般仍使用12K碳纖維預(yù)浸料。國(guó)產(chǎn)大絲束碳纖維預(yù)浸料的研制起步較晚， 目前還處于實(shí)驗(yàn)室階段， 尚未進(jìn)入規(guī)?；a(chǎn)。北京航空材料研究院和浙江嘉興中寶碳纖維有限公司是國(guó)內(nèi)較早合作開(kāi)發(fā)研制此種預(yù)浸料的單位， 并已取得了階段性成果。

      首先根據(jù)大絲束碳纖維的自身特點(diǎn)，北京航空材料研究院有針對(duì)性地研制成功一種粘度適中，流動(dòng)性好，特別適于浸漬大絲束碳纖維的中溫固化改性環(huán)氧樹(shù)脂體系BP2003； 另外，對(duì)現(xiàn)有的熱熔預(yù)浸設(shè)備進(jìn)行了局部改造， 專門(mén)設(shè)計(jì)加工了大絲束碳纖維展開(kāi)裝置， 以保證大絲束碳纖維能夠充分均勻展開(kāi)，達(dá)到所需的寬度。

       利用熱熔法制備大絲束碳纖維預(yù)浸料， 首先要制造一定寬度的均勻平整的樹(shù)脂膠膜，然后用所制膠膜在一定溫度、壓力下與一定數(shù)量的大絲束碳纖維進(jìn)行復(fù)合預(yù)浸， 最終制備出符合要求的大絲束碳纖維預(yù)浸料。

       本文結(jié)合釣魚(yú)竿用60K 碳纖維預(yù)浸料的研制過(guò)程，對(duì)影響大絲束碳纖維預(yù)浸料質(zhì)量的幾個(gè)主要因素進(jìn)行討論。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1．1 主要原材料

       (1)增強(qiáng)材料。60K碳纖維， 線密度為3．47m，無(wú)捻，德國(guó)產(chǎn)。

       (2)樹(shù)脂基體。BP2003中溫(125~C)固化改性環(huán)氧樹(shù)脂體系， 黃白色粘稠體， 北京航材院自制。

       (3)主要輔助材料。脫模紙， 紙筒芯等。

1．2 設(shè)備和儀器

      (1)熱熔預(yù)浸機(jī)(含膠膜機(jī))，幅寬1 200mm，國(guó)產(chǎn)。

      (2)Instron萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，美國(guó)進(jìn)口。

      (3)電子天平， 感量0．001g。

      (4)取樣板，尺寸(1OOmm XlOOmm)+O．1mm。

1．3 試驗(yàn)方法

      (1)預(yù)浸料外觀， 目測(cè)。

      (2)預(yù)浸料樹(shù)脂含量或面密度中纖維質(zhì)量含量，按GB7192—1982進(jìn)行。

      (3)彎曲強(qiáng)度、模量，按GB3357-1982進(jìn)行。

      (4)層間剪切強(qiáng)度，按GB3356-1982進(jìn)行。

1．4 大絲束碳纖維預(yù)浸料制備


       (1)膠膜的制備。將配制好的BP2003樹(shù)脂基體倒入熱熔膠膜機(jī)膠槽內(nèi)，調(diào)整工藝參數(shù)， 將樹(shù)脂均勻地轉(zhuǎn)移到脫模紙上，使所制的膠膜連續(xù)、均勻、平整，面密度為37±3g／m 。

       (2)大絲束預(yù)浸料的制備。將足夠數(shù)量的紗筒置于設(shè)備紗架上，將纖維束從紗筒上引出后，按一定順序使纖維束先后經(jīng)過(guò)篦子、打散裝置、展平裝置、分絲裝置、預(yù)熱平臺(tái)， 進(jìn)入復(fù)合預(yù)浸區(qū)，選擇合適的溫度、壓力和纖維張力等參數(shù)，與上下膠膜進(jìn)行復(fù)合浸漬，制得的預(yù)浸料最后卷取在紙筒芯上。

2 結(jié)果與討論

       在樹(shù)脂基體和纖維一定的情況下， 制備了300mm 寬的釣魚(yú)竿用的面密度為120g／m 的60K碳纖維預(yù)浸料， 并考查了預(yù)浸溫度、壓力和運(yùn)行速度對(duì)大絲束碳纖維預(yù)浸料樹(shù)脂含量的影響。

2．1 浸漬溫度對(duì)大絲束碳纖維浸透性的影響

       隨著浸漬溫度升高，膠膜粘度降低，容易滲透到纖維中去， 在一定壓力下，使預(yù)浸料中的樹(shù)脂分布均勻，從而保證預(yù)浸料表面的均勻性。用BP2003膠膜把60K 碳纖維展平、浸透，制成面密度為190±10g／m 的預(yù)浸料(面密度中含纖維質(zhì)量為120g／m ) ，必須選擇一個(gè)最佳的浸漬溫度，才能達(dá)到上述目的， 在其余預(yù)浸工藝參數(shù)不變的情況下，考查了預(yù)浸輥面溫度對(duì)大絲束碳纖維浸透性和擴(kuò)展性的影響， 結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 溫度對(duì)預(yù)浸料浸透性的影響

 由表1可見(jiàn)，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，纖維的浸透性主要依賴于預(yù)浸溫度，提高預(yù)浸溫度，有利于纖維浸透。但溫度過(guò)高，又因?yàn)闃?shù)脂流動(dòng)性太大，會(huì)將兩端的纖維沖跑，從而造成預(yù)浸料中纖維質(zhì)量分布不均勻， 因此，選擇一個(gè)既能保證浸透性又能保證纖維充分展開(kāi)的預(yù)浸溫度是制備預(yù)浸料的關(guān)鍵。

2．2 預(yù)浸壓力對(duì)大絲束碳纖維浸透性的影響

       在其它參數(shù)不變的情況下， 壓力對(duì)預(yù)浸料碳纖維浸透性的影響是顯而易見(jiàn)的(見(jiàn)表2) 。由表2結(jié)果可見(jiàn)，在相同溫度下， 隨著預(yù)浸輥壓力加大，膠膜所受的剪切力增大，樹(shù)脂更容易向纖維中滲透擴(kuò)散，而使樹(shù)脂均勻分布，表面平整。但是壓力過(guò)大，容易壓傷纖維， 同時(shí)由于擠壓壓力過(guò)大， 促使樹(shù)脂向輥的兩端流失，使兩端纖維在流動(dòng)樹(shù)脂推動(dòng)下被沖散，造成樹(shù)脂含量偏低。

2．3 大絲束碳纖維纖維張力對(duì)預(yù)浸料展開(kāi)性的影響

      為了制備出沒(méi)有縫隙的符合要求的大絲束碳纖維預(yù)浸料， 碳纖維從篦子引出后， 首先要通過(guò)展平輥、分絲裝置等， 使其充分展開(kāi)至一定寬度。纖維張力太大， 纖維束展開(kāi)不完全， 樹(shù)脂不能擴(kuò)展到每根纖維絲中，使其完全浸潤(rùn)， 導(dǎo)致部分纖維未被樹(shù)脂完全浸透； 纖維張力過(guò)小， 雖然有利于樹(shù)脂擴(kuò)展浸透， 但會(huì)出現(xiàn)纖維變曲現(xiàn)象，嚴(yán)重影響預(yù)浸料的外觀和性能。因此，在制造預(yù)浸料的過(guò)程中， 要及時(shí)調(diào)整纖維張力， 張力大小的選擇原則是既保證大絲碳纖維展開(kāi)、拉直， 又能保證樹(shù)脂完全浸透纖維。

2．4 運(yùn)行速度對(duì)預(yù)浸料浸透性影響

      膠膜運(yùn)行速度與纖維浸透性的關(guān)系實(shí)際上即是纖維浸漬接觸時(shí)間和浸透性的關(guān)系。要使膠膜在一定溫度下充分熔融流動(dòng)，需要足夠的時(shí)間， 另外， 隨著預(yù)浸料面密度中纖維質(zhì)量含量和大絲束纖維展開(kāi)程度的不同，所需要的浸漬時(shí)間也各有差異。為此， 考查了面密度為120g／m~的預(yù)浸料運(yùn)行速率對(duì)纖維浸透性的影響。結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 預(yù)浸壓力的影響


表3 運(yùn)行速率對(duì)纖維浸透性的影響

      由表3可見(jiàn)，在預(yù)浸溫度、壓力不變的情況下，運(yùn)行速率小， 纖維浸透性好： 運(yùn)行速率大，纖維浸透性差， 因?yàn)樗俣瓤?，?shù)脂與纖維接觸時(shí)間短，流動(dòng)樹(shù)脂未能與纖維充分地接觸、浸漬，從而導(dǎo)致浸透性差， 因此， 纖維運(yùn)行速率不宜太快，在保證浸透纖維的前提下，才能增加纖維運(yùn)行速率，提高生產(chǎn)效率。

3 大絲束預(yù)浸料典型力學(xué)性能

      用所制的面密度為120±5g／m2、樹(shù)脂含量為38±3％ 的60K 大絲束碳纖維預(yù)浸料，通過(guò)模壓法制備厚度為2mm±0．2mm 復(fù)合材料層壓板， 固化溫度為120℃ ±5"C， 固化時(shí)間為1．5h，層壓板的纖維體積含量為58％ 一62％ 。其主要力學(xué)性能典型值見(jiàn)表4。

表4 主要力學(xué)性能的典型值

4 釣魚(yú)竿試制

       用BP2003／60K 大絲束碳纖維預(yù)浸料到漁具廠進(jìn)行了漁竿制造工藝試驗(yàn)， 并試制了兩段魚(yú)竿。

      工藝試驗(yàn)結(jié)果表明：所研制的60K碳纖維預(yù)浸料外觀平整、粘性適中， 符合釣魚(yú)竿的搓管工藝要求。

5 結(jié)論

       (1)利用進(jìn)口的60K 大絲束碳纖維和自行研制的BP2003中溫固化的樹(shù)脂基體， 可以制出面密度中纖維質(zhì)量含量為120±5g／m 的符合釣魚(yú)竿要求的預(yù)浸料， 該預(yù)浸料外觀平整，無(wú)干紗，無(wú)縫隙。    

       (2)預(yù)浸溫度、纖維張力、預(yù)浸壓力和運(yùn)行速率等是影響大絲束碳纖維預(yù)浸料質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

       (3)用所研制的60K 大絲束碳纖維預(yù)浸料試制成功了兩段釣魚(yú)竿，預(yù)浸料滿足搓管工藝要求。

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