增加碳纤维丝束的长丝计数

技术领域

本发明总体上涉及由碳长丝组成的碳纤维丝束。更具体地，本发明涉及通过将一根或多根其它碳纤维丝束直接物理地引入丝束中来增加任何给定碳纤维丝束的长丝计数的方法。

背景技术

复合材料包括纤维增强结构和树脂基体作为两个主要成分。复合材料通常具有相当高的强度重量比。因此，复合材料被用于航空工业中，其中复合结构的高强度和相对轻的重量尤为重要。

碳纤维是复合材料常用的纤维增强材料。碳纤维通常作为复丝纱提供，该复丝纱通常被称为“丝束”。碳纤维丝束通常包含1,000至50,000根单丝。可商购的碳纤维丝束包含例如约3000根长丝(3K)、6000根长丝(6K)、12000根(12K)长丝或24000根(24K)长丝。单根碳长丝的线性重量通常在每米0.02至0.5毫克的范围内。

碳纤维丝束的线性重量取决于长丝的数量、其线性重量以及任何涂层或其它丝束处理的重量。Hex

碳纤维丝束中的长丝不会以与传统纱线相同的方式加捻。相反，碳纤维丝束中的长丝基本上彼此平行。因此，碳纤维丝束倾向于具有平坦的带状截面形状。碳长丝相互缠结，以为丝束提供一些的内聚性，因此可以在一定程度上进行处理和加工而不会散落。碳纤维丝束的内聚性通常通过确定丝束的“铺展性”来测量。丝束评估测试机可商购获得，其用于确定许多碳纤维丝束的性能，包括铺展性。例如，可以从Textechno H.Stein GmbH&Co.KG(Moenchengladbach,德国)以商品名ROVINGTEST购得丝束评估测试机。丝束评估测试机或设备在纺织工业中很常见。

在典型的丝束评估试验机中，通过将丝束置于预定的张力下并使其在一系列的铺展杆上方通过，来确定铺展性。丝束的宽度在铺展杆(W1)之前测量，以及在铺展杆(W2)之后立即测量。丝束的铺展性等于W2/W1。碳纤维丝束的典型的铺展性值(W2/W1)在1.2至2.2左右，其取决于长丝计数、长丝线性重量、长丝类型、长丝缠结程度和成型后的处理，例如上浆或其它涂层的施用。

碳长丝是相对脆弱的。因此，碳长丝在碳纤维丝束的生产和随后的处理过程中易于损坏。丝束起绒或起绒性是指碳纤维丝束表面上可能出现的断裂长丝和绒毛。用于测量存在于碳纤维丝束表面上的起绒量的测试设备是可商购的。起绒量表示为起绒计数或起绒值。用于测量碳纤维丝束的起绒计数的示例性测试设备是可从Lenzing InstrumentsGmbH&Co.KG(Gampem,奥地利)获得的FRAY VIEW纱线缺陷可视化设备。FRAY VIEW设备使用光学传感器和高分辨率数码相机测量起绒计数。

碳纤维丝束的起绒计数将取决于许多因素而变化，所述因素包括丝束的加工和处理方式、长丝计数、长丝线性重量、长丝的类型和成型后的处理，例如上浆或其它涂层的施用。通常，期望碳纤维丝束具有尽可能低的起绒计数。但是，在某些情况下，需要一定程度的长丝断裂。例如，碳纤维丝束中的断裂长丝已用于增加碳纤维复合材料层压制品的Z方向的电导率。在这些情况下，对起绒计数进行测量和监控，以确保碳纤维丝束具有所需的长丝断裂水平。

发明内容

根据本发明，通过将第二碳纤维丝束与第一碳纤维丝束物理组合以形成组合丝束，来增加第一碳纤维丝束的长丝计数。已经发现，可以将两根碳纤维丝束物理地组合，以提供内聚的组合丝束，该组合丝束表现出与第一和第二丝束的铺展性接近的铺展性。进一步发现，可在不过度增加第一或第二丝束中存在的受损长丝的数量的情况下，形成这种组合丝束。

本发明基于一种用于增加碳纤维丝束的长丝计数以形成组合丝束的方法，其中第一丝束由第一碳长丝组成并具有第一丝束宽度，使该第一丝束进入铺展/并合区，在该铺展/并合区，使该第一丝束经受第一气体流以形成铺展的第一丝束。第二丝束由第二碳长丝组成并具有第二丝束宽度，使该第二丝束也进入铺展/并合区，在该铺展/并合区，使该第二丝束中经受第一气体流以形成铺展的第二丝束。

作为本发明的特征，使铺展的第一丝束和铺展的第二丝束接触在一起，以形成经接触的铺展的丝束，使该经接触的铺展的丝束在栅格上方通过，从而使得第一和第二丝束彼此接触并与栅格接触。可为第一气体流的一部分的第二气体流通过栅格以提供第一和第二碳长丝的并合，以形成具有缠结丝束宽度的缠结丝束。然后，将缠结丝束形成为组合丝束。

作为本发明的另一个特征，第一和第二丝束包括铺展/并合增效剂，其在铺展/并合区中的铺展之前被施用于丝束上。已发现，铺展/并合增效剂的使用能够获得形成适合的组合丝束所需的长丝铺展、并合和缠结的水平，而不会产生过多的断裂长丝或起绒。

本发明可用于形成组合丝束，其中第一和第二丝束具有相等数量的相同类型的碳长丝。作为附加特征，可通过使用具有不同长丝计数量和/或碳长丝类型的第一和第二丝束来制备具有多种性质的组合丝束，所述性质例如拉伸模量、拉伸强度和线性重量。

本发明不仅涉及增加碳纤维丝束的长丝计数的方法，还涉及根据本发明所制备的组合丝束，其包括单向碳纤维带和编织碳纤维产品。本发明还涉及使用组合丝束制备的未固化的复合材料，例如预浸料。本发明还涉及由未固化的复合材料制备的复合部件。

当结合附图参考以下具体实施方式时，将更好地理解本发明的上述以及许多其它特征和伴随的优点。

附图说明

图1是根据本发明的用于增加碳纤维丝束的长丝计数的示例性方法的局部示意性侧视图。

图2是图1所示出的示例性方法的局部示意性俯视图。

图3是示例性栅格的一部分的侧视图，其示出了在缠结丝束形成期间气体流通过栅格而引起的碳长丝的向下位移。

图4A-4E示出了在方法期间的各个阶段的起始丝束和不同丝束构型的截面图。

图5是在将缠结丝束形成为组合丝束中使用的优选的示例性固结卷轴的详细局部截面图。

图6是示例性混合式组合丝束的一部分的代表性截面图，所述混合式组合丝束包括第一丝束，该第一丝束具有不同于第二丝束中的碳纤维长丝的碳纤维长丝。

具体实施方式

在图1和2中的10处示出了用于执行根据本发明所述的增加碳纤维丝束的长丝计数的方法的优选示例性系统。通过进料辊16，第一丝束12被送入铺展/并合区14(在虚线框中绘出)。铺展/并合区14可为封闭的空间，例如腔室，或者可为其中进行丝束的铺展和并合的开放空间。可使用任何类型的由2,000至50,000根碳长丝组成的碳纤维丝束作为第一丝束12。优选的碳纤维丝束是可商购的，并且其长丝计数为3K(约3,000根长丝)、6K(大约6,000根长丝)或12K(12,000根碳长丝)。

第一丝束12可具有多种拉伸强度和拉伸模量。例如，用作第一丝束12的碳纤维丝束优选具有750至900ksi的拉伸强度、35至45Msi的拉伸模量、1.5至2.5％的破坏应变(strain at failure)、1.6至2.0g/cm

用作第一丝束12的优选的碳纤维丝束是Hex

还优选的较低模量的碳纤维丝束是Hex

图4示出了在系统10内的位置(A)-(E)处的丝束的简化截面图，如图1和图2所指示。第一丝束12在位置(A)处的简化截面图如图4所示。在任何铺展或并合之前的位置(A)处，第一丝束12的宽度T1为1-4mm，优选为1.5-2.5mm。进料辊16包括凹槽18，所述凹槽18被设置为维持期望的T1并提供第一丝束12与第二丝束20的对齐。

第二丝束20可为与第一丝束12相同的碳纤维丝束，或者可为具有不同的长丝计数和具有不同性质的长丝的不同丝束，只要用于第二丝束20的碳纤维丝束具有落入以上概述的适用于第一丝束12的性质的性质。若第一束的长丝计数、拉伸强度、拉伸模量和线性重量分别在第二丝束的长丝计数、拉伸强度、拉伸模量和线性重量的10％以内(优选在5％以内)，则出于本说明书的目的，认为第一和第二纤维丝束是相同的。若第一束的长丝计数、拉伸强度、拉伸模量或线性重量分别与第二丝束的长丝计数、拉伸强度、拉伸模量或线性重量相差大于10％(优选大于5％)，则出于本说明书的目的，认为第一和第二纤维丝束不同。

不同碳纤维丝束的示例性组合为：1)第一丝束的拉伸模量与第二丝束的拉伸模量相同，并且第一丝束的长丝计数不同于第二丝束的长丝计数；2)第一丝束的拉伸模量不同于第二丝束的拉伸模量，并且第一丝束的长丝计数与第二丝束的长丝计数相同，以及3)第一丝束的拉伸模量不同于第二丝束的拉伸模量，并且第一丝束的长丝计数不同于第二丝束的长丝计数。

第一和第二丝束的优选示例性组合(第一丝束//第二丝束)包括以下内容：1)Hex

出于示例性目的，本文的描述针对Hex

图4中还示出了第二丝束20在位置(A)处的简化截面图。在任何铺展或并合之前的位置(A)处，第二丝束20的宽度T2为1-4mm，优选为1.5-2.5mm。进料辊22包括凹槽24，所述凹槽24被设置为维持期望的T2并提供第二丝束20在第一丝束12上方的对齐。

第一丝束12和第二丝束20优选地从碳纤维丝束的标准线轴(未示出)提供到其各自的对准卷轴16和22。若需要，则系统10可以结合到现有的碳纤维生产线中，其中碳纤维丝束可直接给料至对准卷轴16和22，而无需首先缠绕到存储线轴上。

铺展/并合区14包括入口26和出口28、左侧30、右侧32、顶部34和底部36。第一丝束12包括多根在第一丝束纵向方向延伸的第一碳长丝，如箭头38所示。第一丝束12具有优选为3K至24K的第一丝束长丝计数。第二丝束20包括多根在第二丝束纵向方向延伸的第一碳长丝，如箭头40所示。第二丝束20具有也优选为3K至24K的第二丝束长丝计数。

将第一和第二丝束通过入口26给料至铺展/并合区14中的速度可以低至2米/分钟并且高至10米/分钟。低于2米/分钟的丝束给料速度会导致长丝断裂和损坏，而组合丝束的内聚性不会增加。高于10米/分钟的丝束给料速度不允许足够的并合和缠结以提供具有所需的低铺展性的组合丝束。对于6K-12K碳纤维丝束，优选的丝束给料速度为5-8米/分钟。

在铺展/并合区14内的点(B)处，如箭头42所示，第一气体流横向地穿过第一丝束12和第二丝束20，以提供丝束的横向(lateral)铺展。第一气体流优选是空气流。可使用其它气体，只要其不对丝束产生不利影响。例如，在需要惰性环境的情况下，可使用基本上由氮气组成的气体流。

选择第一气体流42的速率以及在点(B)处施加于第一丝束12和第二丝束22的纵向方向张力，以提供丝束的气体诱导的铺展或气动铺展。第一气体流42的向下速率应为10至25米/秒，优选地为15至20米/秒。第一丝束12上的纵向张力应为50至150克。第二丝束20上的纵向张力也应为50至150克。对于6K和12K碳纤维丝束，点(B)处的优选张力为90到110克。

在点(B)处，当两根丝束气动铺展以形成铺展的第一丝束44和铺展的第二丝束46时，第二丝束20保持在第一丝束12的正上方对齐。铺展的第一丝束44具有铺展的第一丝束宽度(ST1)，并且铺展的第二丝束具有铺展的第二丝束宽度(ST2)。在铺展操作期间，丝束不相互接触。已发现，在铺展步骤完成之前，丝束之间的接触对丝束的随后并合有负面影响。

选择丝束给料速度、第一气体流速率和丝束张力以提供形成第一丝束和第二丝束的内聚的组合丝束所必需的铺展水平。第一丝束12应被铺展为使得ST1和T1的比为5:1至25:1。对于6K和12K碳纤维丝束，ST1与T1的比优选为8:1至12:1。第二丝束20应被铺展为使得ST2和T2的比为15:1至40:1。ST2与T2的比优选为20:1至30:1。

当第一和第二丝束是相同的碳纤维丝束时，由于第二丝束在第一气体流42中位于第一丝束12的正上方，因此，第二丝束20倾向于比第一丝束12铺展得更多。据发现，最初较宽的丝束在第一气体流中倾向于比较窄的丝束铺展得更多。还发现具有较大直径长丝的丝束倾向于在第一气体流中铺展得更多。

选择第一气体流中丝束的取向以及丝束的宽度和长丝尺寸，从而使得ST2/T2和ST1/T1之间的比为1.5:1至5:1。ST2/T2和ST1/T1之间的比优选为2:1至3:1。当第一丝束和第二丝束均为6K或12K碳纤维丝束时，ST2/T2和ST1/T1之间的优选比为2.5:1。施加于丝束上的张力会影响气体诱导的铺展。优选地，施加于第一丝束12的张力等于施加于第二丝束20的张力(±10％)。然而，施加于第一和第二丝束的张力可以一起或独立地变化，以实现所需的ST1/T1和ST2/T2的水平，该ST1/T1和ST2/T2的水平对于提供所需的ST1/T1与ST2/T2的比是必要的。

铺展的第一丝束44和铺展的第二丝束46彼此接触，并在点(C)处接触栅格50以形成经接触的铺展的丝束48。经接触的铺展的丝束48具有宽度(CST)。当经接触的铺展的丝束48移动通过栅格50时，它们暴露于由箭头52表示的第二气体流，该第二气体流通过栅格50。第二气体流52优选地具有与第一气体流42相同的来源，使得第二气体流是第一气体流的一部分(portion)或部分(part)。因此，上述用于第一气体流42的参数也适用于第二气体流52。优选地，第一和第二气体流是相同的，以在相同的气体流速率下提供铺展和并合第一和第二丝束的单一气体流。然而，可存在这样的情况，其中期望使用第一气体流来铺展第一和第二丝束，然后使用不同的第二气体流来将丝束并合。

在点(C)出，铺展的第一和第二丝束彼此接触并且与栅格50接触。第二气体流52，与丝束在栅格50上的移动相结合，导致具有宽度(ET)的缠结丝束56的形成。缠结丝束56跨越栅格50时的宽度优选保持相对接近经接触的铺展的丝束48的宽度，使得CST和ET之间的比保持在0.9:1至1.1:1。选择施加于栅格50上的缠结丝束56上的张力和第二气体流52的速率，从而将CST/ET保持在期望的范围内。

优选的示例性栅格50的局部截面图在图3中示出。栅格50包括为杆54的形状的格条，杆54间隔一段距离(GS)。可以改变栅格中格条的数量、截面形状、尺寸和间隔，以实现期望的并合水平。气体流施加于缠结丝束56的向下的力导致在格条之间的缠结丝束的向下位移“D”。选择缠结丝束56上的张力、第二气体流52的速率和GS，以实现提供足够的并合而不会引起长丝的过度断裂的“D”。若张力太低，则丝束会被拉入栅格太远而受损。若张力太高，则不会发生期望的铺展和并合水平。

栅格50应具有10至20个栅格杆54，这些栅格杆在铺展/并合区14的左边缘30和右边缘32之间彼此平行地延伸。杆54的直径应为2至5mm，GS应为3mm到9mm。D应为0.5mm至5mm，从而在不增加起绒计数的情况下实现长丝的充分并合。用于将6K和12K碳纤维第一丝束和第二丝束并合的优选栅格将具有12至16个杆，每个杆的直径为2至3mm，GS为4至6mm。当使用该优选的栅格来并合6K和/或12K碳纤维丝束时，选择丝束张力和第二气体流52的速率，使得D为1mm至3mm。

栅格格条54被示为具有圆形截面的杆。其它类型的栅格格条也是可能的，例如具有非圆柱形弓形截面形状或正方形/矩形截面的那些。当使用具有非圆柱形截面形状的栅格格条时，必须注意控制其它工艺参数，以确保获得足够的并合而不会引起过多的长丝断裂。

缠结丝束56通过出口28从并合/铺展区14中移出。通过使缠结丝束56在固结卷轴60上通过而使缠结丝束56形成组合丝束58，固结卷轴60具有带沟槽的周长62，该周长62设计为将缠结丝束56的宽度减小为组合丝束58的宽度(CT)。带沟槽的周长62具有凹形形状，该凹形形状设计为提供从ET至CT的期望的减小，而不会不利地影响并合的长丝。

示例性固结卷轴60的详细局部截面图在图5中示出。固结卷轴60被设计为用于将6K至24K缠结丝束56形成为组合丝束58。固结卷轴60的半径(RR)为30至60mm，凹槽62的宽度(RGW)为10至25mm，且深度(GD)为4至10mm。

当缠结丝束56传递至固结卷轴60时，施加于缠结丝束56上的张力保持在一定水平，其与凹槽62结合提供所需的丝束宽度的减小。对于包含6K至24K碳长丝的组合丝束，组合丝束的宽度(CT)应为2至5mm。在点(D)和固结卷轴60之间的缠结丝束56上的张力应为300至500克。

发现在点(B)之前施加于第一和/或第二丝束上的有机油基表面活性剂用作铺展/并合增效(SCE)剂，以提供丝束所需的铺展和并合的水平，而不会损坏丝束。当经受相同程度的铺展和并合时，当不使用SCE时，组合丝束的起绒计数倾向于明显更高。

SCE剂可为在纺织工业中通常用作软化剂的任何有机油基表面活性剂。示例性SCE剂包括烷氧基化的蓖麻油甘油三酸酯，例如乙氧基化的蓖麻油甘油三酸酯。优选的示例性SCE剂是可从汉高公司(Dusseldorf，德国)以商标名TROLOX获得的聚氧乙烯蓖麻油溶液。例如，当使丝束首先通过TRILOX 5918溶液(1％溶液)然后在135℃干燥进行处理时，在质量上改进了12K IM7第一丝束和12K IM7第二丝束的铺展和并合。

可在点(C)之前的任何时间将SCE剂施用于第一丝束和/或第二丝束。例如，丝束可通过SCE剂浴，并且在点(A)和点(B)之间在线干燥。或者，可在丝束通过对准卷轴16和22上之前的任何时间将SCE剂施用于丝束上。

常规施用于碳纤维丝束的任何上浆剂也可以施用于组合丝束58上。这种常规上浆剂包括乙烯基酯上浆剂、环氧基上浆剂、酚醛上浆剂、聚氨酯上浆剂等。当需要上浆剂时，应仅在第一和第二丝束铺展和并合后才施用。发现在点(D)之前，在系统的任何点上将上述类型的常规上浆剂施用于丝束上对丝束的铺展和并合有不利影响。优选地，在缠结丝束56离开铺展/并合区14之后的一点上施用上浆(若有的话)。

组合丝束58，无论是否上浆，都被缠绕在卷带卷轴64上，以用于存储和进一步使用。可以以与任何其它碳纤维丝束相同的方式使用组合丝束58，以制备多种复合材料。例如，组合丝束58可形成为单向带或编织织物，并与未固化的热塑性或热固性树脂基体组合，以形成可被固化/模制成复合部件的各种预浸料和模塑料。

其中使用相同类型的碳长丝增加碳纤维丝束的长丝计数的优选实践实施例如下：使用系统10制备组合丝束58，其中第一丝束12为Hex

如上所述制备的组合丝束58(24K长丝)的铺展性是使用类似于ROVINGTEST丝束评估设备的丝束评估设备来测量的。组合丝束58的铺展性为1.7(±10％)。标准Hex

上述实施例表明，根据本发明制备的组合丝束具有足够的内聚性，使得其铺展性等于或小于具有相同长丝计数的标准可商购丝束的铺展性。优选地，当使用相同的测试设备进行测量时，组合丝束的铺展性等于或小于具有相同长丝计数的标准可商购丝束的铺展性。然而，本发明的方法和系统通常也可用于制备组合丝束，其中当在相同的测试设备上测量时，组合丝束的铺展性为具有相同长丝计数的类似可商购丝束的铺展性的25％以内。

使用类似于FRAY VIEW纱线缺陷可视化设备的测试设备，确定组合丝束(24K长丝)和标准Hex

制备混合式组合丝束的优选实践实施例如下，其中使用不同的碳长丝增加碳纤维丝束的长丝计数：使用系统10制备组合丝束58，其中第一丝束12为Hex

可按照与上述12K IM7//12K IM7组合丝束和可商购的Hex

混合式组合丝束和Hex

Hex

应当注意的是，本发明不限于将第一丝束与第二丝束组合，而是还可用于通过对齐、铺展和并合3根或更多根的丝束来增加长丝计数。当组合多于两根的丝束时，可改变以上关于将第一丝束与第二丝束组合的上述各种条件和参数，从而实现期望的多根丝束的并合水平以及组合丝束的铺展性。

至此已描述了本发明的示例性实施例，本领域技术人员应注意的是，在本公开内容内的公开仅是示例性的，并可在本发明的范围内做出各种其它替代、改编和修改。因此，本发明不限于上述实施方式，而仅由以下的权利要求书限定。