一种短切再生碳纤维高度取向装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及碳纤维增强树脂基复合材料废弃物的回收与再利用领域，具体涉及一种短切再生碳纤维高度取向装置及其使用方法。

背景技术

碳纤维增强树脂基复合材料因其高强度、弹性模量高、重量轻、耐腐蚀、抗疲劳等优异性能被广泛的应用于航空航天、交通运输业、海洋、体育器材与医疗器材以及新能源等领域。随着应用领域的扩大，碳纤维增强树脂基复合材料废弃物也越来越多，这些废弃物经处理后得到的再生碳纤维同样具有优异的性能，用于制备再生碳纤维增强复合材料。

再生碳纤维大多是蓬松、分散以及杂乱无章的状态，具有高度的各向异性，制备再生碳纤维增强复合材料传统方法主要采用将短纤维直接加入树脂等基体材料当中，利用注塑等工艺手段获得再生碳纤维增强复合材料。但这些方法获得的复合材料其再生碳纤维含量相对较低，再生碳纤维分散及取向均匀性相对较差，严重影响了再生碳纤维增强复合材料的综合性能。为了弥补传统方法的不足，通过单独使再生碳纤维取向制备再生碳纤维取向毡，再与树脂等基体复合获得再生碳纤维增强复合材料越来越受到人们的广泛关注。

目前，制备再生碳纤维取向毡的方法主要包括磁场取向法、电场取向法、气动取向法以及湿法取向法。磁场取向法要求再生碳纤维具有良好的磁性能，通过此方法得到的再生碳纤维毡取向程度低、装置复杂。同样地，电场取向法要求碳纤维具有良好的电性能，与磁场取向法类似，通过此方法得到的再生碳纤维取向程度低及成本高。通过气动取向法得到的再生碳纤维取向度更低。湿法取向法得到了再生碳纤维取向毡，取向程度相对较高。公开号为CN107447370B的中国专利申请公开了一种利用渐缩螺旋流道实现短切纤维连续取向的装置，该装置结构复杂。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种短切再生碳纤维高度取向装置及其使用方法，旨在通过简便装置获得取向度高、质量好的再生碳纤维毡。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种短切再生碳纤维高度取向装置，包括送料单元、取向单元以及加热单元；所述送料单元的导管插入所述取向单元的取向喷头内孔，所述加热单元的铝块通过螺栓与所述取向单元的移动平台固定连接。

进一步地，所述取向单元包括固定座、第二丝杆、第二丝杆螺母、Z轴运动滑轨、联轴器、第二电机、移动平台、控制面板、Y轴运动滑轨、蝶形老虎夹、X轴运动滑轨、取向喷头、支架，所述第二丝杆通过所述固定座安装于所述支架上，所述第二丝杆螺母安装在所述第二丝杆上，所述第二电机通过所述联轴器连接所述第二丝杆，所述控制面板连接所述第二电机，所述X轴运动滑轨与所述第二丝杆螺母固连，所述X轴滑轨设置有所述蝶形老虎夹，所述蝶形老虎夹夹持所述取向喷头可沿着所述X轴运动滑轨左右滑动，所述支架设置有Z轴运动滑轨和Y轴运动滑轨，所述X轴运动滑轨可沿着Z轴运动滑轨上下滑动，所述Y轴运动滑轨设置有所述移动平台所述移动平台可沿着所述Y轴运动滑轨前后滑动。

进一步地，所述第二丝杆直径为6mm-12mm，所述导管内径为4mm-8mm，所述取向喷头的高度为20mm-60mm、渐缩的角度为8°-25°、出料口的狭缝宽度为1mm-2mm、出料口的长度为8mm-20mm。

进一步地，所述加热单元包括温控箱、铝块、电热管、热电偶，所述铝块通过螺栓与所述取向单元的移动平台固定连接，所述电热管内置于所述铝块内部，所述热电偶的感温端内置于所述铝块内部，所述温控箱分别与所述电热管与热电偶电连。

进一步地，所述铝块的长度为100mm-300mm，宽度为100mm-300mm，高度为10mm-20mm，加热温度为0℃-400℃。

进一步地，所述送料单元包括的导管、一字连接板、铝棒、铝棒螺母、压板、活塞杆、储料筒、卡扣夹、铝棒固定座、丝杆支撑座、第一丝杆、第一丝杆螺母、支架、丝杆固定座、联轴器、电机安装座、减速器、第一电机。所述一字连接板通过螺栓与所述支架固定连接，所述铝棒通过所述铝棒固定座安装于所述一字连接板与所述支架上，所述第一丝杆通过所述丝杆支撑座与所述丝杆固定座安装于所述一字连接板与所述支架上，所述压板通过所述铝棒螺母与所述第一丝杆螺母安装于对应的所述铝棒与所述第一丝杆上，所压板与所述活塞杆固连，所述活塞杆内置于所述储料筒中，所述储料筒通过所述卡口夹安装于所述支架上，所述第一电机通过所述电机安装座安装于所述支架上，所述减速机与所述第一电机直连，所述减速机通过所述联轴器连接所述第一丝杆。

进一步地，所述第一丝杆的直径为6mm-12mm、导程1mm-4mm、长度为300mm-500mm，所述铝棒的直径为6mm-12mm，所述储料筒(24)长度为150mm-200mm、内径为30mm-40mm，所述第一电机转速为10r/min-30r/min。

一种短切再生碳纤维高度取向装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤a：制备分散液：将去离子水与羟乙基纤维素加入烧杯中，先通过顶置搅拌器进行搅拌，再将超声波发生器的变幅杆放入溶液中进行振动；

步骤b：制备悬浮液：将再生碳纤维加入所述分散液中，先通过所述顶置搅拌器进行搅拌，再将超声波发生器的变幅杆放入溶液中进行振动；

步骤c：将制备好的再生碳纤维悬浮液加入至所述储料筒中，启动所述温控箱，对所述铝块进行加热；

步骤d：启动所述第一电机致使与所述压板固连的所述活塞杆下行，所述储料筒中的再生碳纤维悬浮液受压经所述导管流向取向单元；

步骤e：通过所述控制面板控制所述取向喷头按照设定的切片路径进行移动，所述再生碳纤维悬浮液经所述取向喷头沉积至所述铝块表面，获得再生碳纤维高度取向毡。

进一步地，所述羟乙基纤维素与所述去离子水的质量体积比为8g/L-16g/L，所述顶置搅拌器的搅拌桨转速为300r/min-500r/min，时间为10min-30min，所述超声波发生器的超声波频率为20khz-50khz、功率为400W-800W，时间为10min-30min。

进一步地，所述再生碳纤维长度为0.2mm-10mm，所述再生碳纤维与所述分散液的质量体积比为3g/L-6g/L，所述顶置搅拌器的搅拌桨转速为500r/min-1000r/min，时间为10min-30min，所述超声波发生器的超声波频率为20khz-25khz、功率为600W-1000W，时间为10min-30min。

本发明的有益效果是：

1、本发明基于湿法取向技术提出了一种短切再生碳纤维高度取向装置及其使用方法。取向喷头沿着零件每一截面轮廓运动，再生碳纤维悬浮液经取向喷头受剪切力作用完成取向，并通过取向喷头挤出至铝块表面，再生碳纤维悬浮液中水分受热蒸发，每完成一层成型，取向喷头便上升一层高度，进行下一层的挤出堆叠，如此反复，逐层沉积成型，从而获得高取向度的再生碳纤维毡。

2、本发明通过机械搅拌与超声波振动配合分散制备再生碳纤维悬浮液，提升了再生碳纤维在分散液中的分散效果，提高再生碳纤维取向度。

3、本发明装置及其使用方法具有环保、结构简单、操作方便等特点。

附图说明

图1是本发明装置整体结构示意图。

图2是本发明装置送料单元结构示意图。

图3是本发明装置取向喷头示意图。

图4是本发明装置及其使用方法操作流程图。

图1中标号：1-丝杆固定座、2-第二丝杆、3-第二丝杆螺母、4-Z轴运动滑轨、5-联轴器、6-第二电机、7-移动平台、8-控制面板、9-Y轴运动滑轨、10-导管、11-蝶形老虎夹、12-X轴运动滑轨、13-取向喷头、14-温控箱、15-铝块、16-电热管、17-热电偶、18-支架。

图2中标号：19-一字连接板、20-铝棒、21-铝棒螺母、22-压板、23-活塞杆、24-储料筒、25-卡扣夹、26-铝棒固定座、27-丝杆支撑座、28-第一丝杆、29-第一丝杆螺母、30-支架、31-丝杆固定座、32-联轴器、33-电机安装座、34-减速器、35-第一电机。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

本发明提出了一种短切再生碳纤维高度取向装置及其使用方法，包括送料单元、取向单元以及加热单元。如图1所示，送料单元Ⅰ的导管10插入取向单元Ⅱ的取向喷头13内孔，加热单元Ⅲ的铝块15通过螺栓与取向单元Ⅱ的移动平台7固定连接。送料单元主要包括储料筒与电机，储料筒用于存放再生碳纤维悬浮液，通过电机将储料筒中再生碳纤维悬浮液输送至取向单元；取向单元中的导管连接送料单元的储料筒，悬浮液经取向喷头完成对再生碳纤维的取向；加热单元用于蒸发再生碳纤维悬浮液中的水分；通过顶置搅拌器与超声波制备再生碳纤维悬浮液并放入储料筒中，铝块加热至设定温度，再生碳纤维悬浮液取向喷头沉积至铝块表面，待水分蒸发完全后获得再生碳纤维取向毡。

如图2所示，送料单元Ⅰ的一字连接板19通过螺栓与支架30固定连接，铝棒20通过铝棒固定座26安装于一字连接板19与支架30上，第一丝杆28通过丝杆支撑座27与丝杆固定座31安装于一字连接板19与支架30上，压板22分别通过铝棒螺母21与第一丝杆螺母29安装于铝棒20与第一丝杆28上，压板22与活塞杆23固连，活塞杆23内置于储料筒24中，储料筒24通过卡口夹25安装于支架30上，第一电机35通过电机安装座33安装于支架30上，减速机34与第一电机35直连，减速机34通过联轴器32连接第一丝杆28。第一丝杆28直径为12mm、导程4mm、长度为500mm，铝棒20直径为12mm，第一电机35转速为15r/min。

取向单元Ⅱ包括第二丝杆2通过固定座1安装于支架18上，第二丝杆螺母3安装在第二丝杆2上，第二电机6通过联轴器5连接第二丝杆2，控制面板8连接第二电机6，所述X轴运动滑轨12与第二丝杆螺母3固连，X轴滑轨12设置有蝶形老虎夹11，蝶形老虎夹11夹持取向喷头13可沿着X轴运动滑轨左右滑动，支架18设置有Z轴运动滑轨4和Y轴运动滑轨9，X轴运动滑轨12可沿着Z轴运动滑轨4上下滑动，Y轴运动滑轨9设置有移动平台7，移动平台7可沿着所述Y轴运动滑轨9前后滑动。第二丝杆2直径为6mm，导程为2mm，导管10内径为6mm；取向喷头13如图3所示，可取其高度为40mm、渐缩角度为12°、出料口狭缝宽度为1mm、出料口狭缝长度为12mm，其中渐缩角度是指取向喷头的斜边与中轴线的角度。

启动加热单元Ⅲ中温控箱14，将铝块15加热至200℃。铝块5长为200mm、宽为200mm、厚度为20mm。加热单元Ⅲ包括温控箱14、铝块15、电热管16、热电偶17，铝块15通过螺栓与取向单元Ⅱ的移动平台7固定连接，电热管16内置于铝块15内部，热电偶17感温端内置于所述铝块15内部，以检测铝块温度；温控箱14分别与电热管16与热电偶17电连。

如图4所示，一种短切再生碳纤维高度取向装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤a：制备分散液：将500ml去离子水与5g羟乙基纤维素加入烧杯中，通过顶置搅拌器搅拌桨进行搅拌，其转速为400r/min，搅拌时间为10min，再将超声波发生器的变幅杆放入溶液中进行振动，设定频率为20khz、功率为500W，分散时间为5min。利用顶置搅拌器配合超声波进行分散，使羟乙基纤维素充分溶于去离子水中，所需时间短。

步骤b：制备悬浮液：将长度为2mm、质量为2g的再生碳纤维加入分散液中，先通过顶置搅拌器的搅拌浆进行搅拌，其转速为700r/min，搅拌时间为10min，再将超声波发生器的变幅杆放入溶液中进行振动，设定频率为20khz、功率为500W，分散时间为5min。利用顶置搅拌器配合超声波进行分散，提升了再生碳纤维在分散液中分散效果，所需时间短。

步骤c：将制备好的再生碳纤维悬浮液加入至送料单元Ⅰ的储料筒24中，储料筒24长度为170mm、内径为36mm。

步骤d：启动第一电机35致使与压板22固连的活塞杆23下行，储料筒24中的再生碳纤维悬浮液受压经导管10流向取向单元Ⅱ。

步骤e：通过控制面板8控制取向喷头13按照设定的切片路径进行移动，再生碳纤维悬浮液经取向喷头13沉积至所述铝块15表面，悬浮液中的水分受热蒸发，获得再生碳纤维高度取向毡。

需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。