國(guó)產(chǎn)碳纖維編織工藝的探討

周恒香 顧良娥 尚武林 張斯緯

（連云港神鷹碳纖維自行車(chē)有限責(zé)任公司，江蘇連云港 222000）

碳纖維具有比強(qiáng)度高、比模量大、耐高溫、耐腐蝕、導(dǎo)熱導(dǎo)電性好、熱膨脹系數(shù)小、X射線(xiàn)穿透性能好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)兼具碳材料的固有特性及紡織纖維柔軟可編織性，因此自被發(fā)明以來(lái)即被認(rèn)為是復(fù)合增強(qiáng)材料的首選。以碳纖維為增強(qiáng)體的樹(shù)脂、碳、陶瓷或金屬基復(fù)合材料，既可作為結(jié)構(gòu)材料承載負(fù)荷，又可作為功能材料滿(mǎn)足燒蝕防熱等功能性要求，目前碳纖維復(fù)合材料已被廣泛應(yīng)用于航空航天、工業(yè)、體育休閑、醫(yī)療器械及土木建筑等領(lǐng)域[1]。

由于碳纖維模量高、彎曲性能差及易脆斷的特點(diǎn)，除電熱絲、功能服裝等少數(shù)領(lǐng)域被直接應(yīng)用外，大部分碳纖維都被作為復(fù)合材料的增強(qiáng)體。而碳纖維復(fù)合材料中又有60～70%是通過(guò)碳纖維首先制備成預(yù)浸料實(shí)現(xiàn)的[2]，可見(jiàn)碳纖維預(yù)浸料在碳纖維應(yīng)用中占有非常重要的地位。碳纖維預(yù)浸料是用樹(shù)脂基體在嚴(yán)格控制的條件下浸漬連續(xù)碳纖維纖維或織物，制成樹(shù)脂基體與增強(qiáng)體的組合物，是其復(fù)合材料的基礎(chǔ)，它的一些性質(zhì)將直接帶入復(fù)合材料中，復(fù)合材料的性能在很大程度上取決于預(yù)浸料的性能[3]。因此，碳纖維預(yù)浸料對(duì)其復(fù)合材料的應(yīng)用及發(fā)展具有重要意義。根據(jù)樹(shù)脂基體的不同碳纖維預(yù)浸料可分為熱固性預(yù)浸料及熱塑性預(yù)浸料兩種，前者發(fā)展歷史較久，方法比較成熟；后者制造技術(shù)發(fā)展較晚，因樹(shù)脂熔點(diǎn)高、熔融粘度大，沒(méi)有適當(dāng)?shù)牡腿埸c(diǎn)溶劑可溶，目前大都處于研究階段。

作為預(yù)浸料的重要種類(lèi)之一，碳纖維編織預(yù)浸料較單向預(yù)浸料工藝流程長(zhǎng)，附加值更大，市場(chǎng)銷(xiāo)售價(jià)格普遍是單向預(yù)浸料數(shù)倍，尤其是采用12K碳纖維制備的20mm展寬的方格編織預(yù)浸布更是價(jià)格昂貴。目前3K平紋、斜紋、緞紋編織預(yù)浸布由于其美觀(guān)、規(guī)整的紋絡(luò)結(jié)構(gòu)，已被廣泛應(yīng)用各種碳纖維制品的外觀(guān)，受到人們的喜歡。但是由于碳纖維固有的質(zhì)脆及摩擦系數(shù)大等特點(diǎn)，碳纖維相對(duì)滌綸等傳統(tǒng)纖維編織起來(lái)較困難，普通的織機(jī)不能直接用于碳纖維的織造。又由于國(guó)產(chǎn)碳纖維規(guī)?；^晚，在質(zhì)量上同進(jìn)口碳纖維有一定差異，在織造過(guò)程中容易起毛、易粘連、易斷頭等問(wèn)題，給國(guó)產(chǎn)碳纖維織造工藝提出了更高的要求。近年來(lái)，學(xué)者們通過(guò)實(shí)踐和試驗(yàn)方法反復(fù)研究高模量紗線(xiàn)的編織性能，已得知紗線(xiàn)本身的性能（摩擦性能，抗彎剛度和脆性等）和編織工藝參數(shù)（彎紗深度，牽拉力等）是影響高模量紗線(xiàn)編織性能的兩類(lèi)主要因素[4]。因此本課題針對(duì)國(guó)產(chǎn)碳纖維的特性從工藝參數(shù)角度重點(diǎn)闡述張力大小及均勻性對(duì)碳纖維編織布后道應(yīng)用的影響，并從紗架及張力控制系統(tǒng)兩方面提出解決方案，對(duì)國(guó)產(chǎn)碳纖維編織工藝及設(shè)備的改進(jìn)具有重要意義。

2 國(guó)產(chǎn)碳纖維織造的生產(chǎn)實(shí)踐

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的國(guó)產(chǎn)碳纖維織造生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在用國(guó)產(chǎn)碳纖維生產(chǎn)碳纖維編織布時(shí)，生產(chǎn)工藝要盡可能短、碳纖維通過(guò)的路徑要光滑、徑向張力施加方法要適當(dāng)，織機(jī)速度要低、操作巡回要正確。為了解決傳統(tǒng)工藝不適合碳纖維織布的問(wèn)題，可借鑒簾子布生產(chǎn)工藝，去掉絡(luò)筒、整經(jīng)、（漿紗）工序，在織機(jī)后面加筒子架，碳纖維經(jīng)筒子架退繞后直接進(jìn)入張力控制系統(tǒng)進(jìn)行織造。如圖1所示為改造后的織機(jī)示意圖，采用這樣的工藝流程后，織造效率、產(chǎn)品質(zhì)量及降低碳纖維損耗等都有很大改善。

圖1 國(guó)產(chǎn)碳纖維編織流程示意圖

3 國(guó)產(chǎn)碳纖維織布的應(yīng)用問(wèn)題及討論

在碳纖維編織布開(kāi)發(fā)的早期，對(duì)紗架及張力控制系統(tǒng)要求不是很高，即使織物經(jīng)紗的張力不均勻也不會(huì)導(dǎo)致在織物收卷時(shí)緯紗的扭曲；并且早期的碳纖維編織布大多采用手糊工藝應(yīng)用，剛編織出的規(guī)整紋絡(luò)能被很好地保持到碳纖維制品中。但是從盡可能提高碳纖維強(qiáng)度轉(zhuǎn)化效率的角度出發(fā)，經(jīng)紗張力的不均勻性是不利于發(fā)揮全部纖維強(qiáng)度的，不能發(fā)揮纖維對(duì)受力的協(xié)同作用，會(huì)導(dǎo)致制品的力學(xué)性能較低。隨著國(guó)產(chǎn)預(yù)浸設(shè)備的開(kāi)發(fā)及國(guó)內(nèi)預(yù)浸線(xiàn)的增多，碳纖維編織布的直接應(yīng)用逐漸被預(yù)浸料取代。由于干的編織布要經(jīng)過(guò)預(yù)浸工藝，那么對(duì)織物的性能提出更高要求。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，采用圖1所示的織機(jī)結(jié)構(gòu)織造出的編織布在進(jìn)行預(yù)浸時(shí)緯紗經(jīng)常出現(xiàn)扭曲等現(xiàn)象，這主要是由于預(yù)浸時(shí)編織布要經(jīng)過(guò)一系列熱壓輥的擠壓，以便于將樹(shù)脂膠膜壓到織物中，在壓輥及收卷輥的共同作用下織物中經(jīng)紗張力的不均勻性被放大了出來(lái)，經(jīng)紗緊的會(huì)一直緊，經(jīng)紗松的會(huì)逐漸被拉緊而產(chǎn)生經(jīng)紗間的相對(duì)位移，又由于碳纖維經(jīng)紗和緯紗間具有較大的摩擦力，從而導(dǎo)致緯紗隨經(jīng)紗的相對(duì)移動(dòng)而發(fā)生扭曲。由于編織布預(yù)浸后緯紗的扭曲，嚴(yán)重影響了織物剛織造出來(lái)時(shí)的規(guī)整紋絡(luò)，破壞織物的美感；從復(fù)合材料性能上考慮，扭曲的緯紗也是不利于纖維強(qiáng)度的發(fā)揮的，最終造成編織物預(yù)浸料不能作為外觀(guān)料使用的嚴(yán)重后果。

根據(jù)歐拉公式 （T摩擦后張力，T0摩擦前張力，μ摩擦系數(shù)，θ摩擦包角）[4]可知，摩擦前張力，即碳纖維絲束從紗架上退繞時(shí)的張力T0經(jīng)張力控制系統(tǒng)后會(huì)被指數(shù)倍的放大，而放大倍數(shù)同纖維與張力輥的摩擦系數(shù)及摩擦包角等呈正相關(guān)關(guān)系；同時(shí)還與張力輥的直徑有關(guān)，直徑越大T0對(duì)摩擦后張力T的影響越大[5]。因此假如在紗架各紗筒退繞張力不均勻的情況下，再經(jīng)張力控制系統(tǒng)的放大，編織布中經(jīng)紗張力的不均勻性將成倍放大，即使在織物剛收卷時(shí)沒(méi)有明顯表現(xiàn)，但在預(yù)浸時(shí)就會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)。造成以上問(wèn)題的原因是圖1所示的紗架及張力控制系統(tǒng)沒(méi)有考慮到張力控制的均勻性，早期設(shè)備做工較粗糙，紗架紗筒退繞的張力差異較明顯，張力控制系統(tǒng)中的張力輥全為金屬輥，且直徑較小，靠張力輥上下的對(duì)壓不能使纖維均勻的受力，往往容易造成編織布兩邊的張力較大而中間的張力較小，甚至導(dǎo)致不能順利的進(jìn)行織造流程。

4 國(guó)產(chǎn)碳纖維織造工藝的改進(jìn)

為了解決國(guó)產(chǎn)碳纖維編織布經(jīng)紗張力不均勻造成的預(yù)浸時(shí)緯紗扭曲的問(wèn)題，除了對(duì)圖1所示編織流程示意圖中的紗架進(jìn)行優(yōu)化外，還要對(duì)其張力控制系統(tǒng)進(jìn)行改良，改良后的流程示意圖如圖2所示。由于碳纖維的摩擦系數(shù)較大及質(zhì)脆的特點(diǎn)，較小纖維的張力有助于減少毛絲及斷絲，又由于3K碳纖維編織布在織造時(shí)的速度非常慢，一般在8-10 m/h，因此可以使紗架部分每一個(gè)紗筒都能自由的旋轉(zhuǎn)，使碳纖維退繞時(shí)的纖維張力都盡可能的小而均勻，以避免經(jīng)紗在經(jīng)過(guò)張力控制系統(tǒng)后張力的不均勻性被放大。

在張力控制部分將原始的金屬對(duì)輥擠壓給纖維施加張力方式改為靠改變摩擦包角大小調(diào)控纖維張力的方式，同時(shí)將提供張力的輥體直徑加大。改良后的張力控制系統(tǒng)能均勻的對(duì)每根經(jīng)紗進(jìn)行張力調(diào)節(jié)，避免了圖1所示的金屬棍對(duì)壓造成的兩邊纖維容易被擠壓到而中間懸空的現(xiàn)象；同時(shí)此種張力控制系統(tǒng)還可以提供較小的纖維張力，只要能滿(mǎn)足織造對(duì)經(jīng)紗開(kāi)口進(jìn)緯的需要，這樣可以最大可能地減少綜框（綜絲）等對(duì)纖維的摩擦及拓展經(jīng)紗的寬度，對(duì)織物力學(xué)性能的提高有很大幫助。

圖2 改良后國(guó)產(chǎn)碳纖維編織流程示意圖

4 結(jié)論

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐，我們探索了傳統(tǒng)國(guó)產(chǎn)碳纖維編織工藝的不足及原因，總結(jié)了造成編織布預(yù)浸時(shí)緯紗扭曲的主要原因是由于經(jīng)紗的張力不均勻，并對(duì)現(xiàn)有織造工藝及設(shè)備提出改進(jìn)的方案，預(yù)期能成功解決國(guó)產(chǎn)碳纖維編織布預(yù)浸的問(wèn)題，提高國(guó)產(chǎn)碳纖維編織預(yù)浸布的質(zhì)量和性能。

[1]馮志海. 關(guān)于我國(guó)高性能碳纖維需求和發(fā)展的幾點(diǎn)想法[J]. 新材料產(chǎn)業(yè).2010(9):19-20.

[2]張鳳翻. 國(guó)產(chǎn)碳纖維規(guī)?；a(chǎn)及應(yīng)用值得注意的幾個(gè)問(wèn)題[J]. 高科技纖維與應(yīng)用.2005,30(6):1-6.

[3]張鳳翻. 復(fù)合材料用預(yù)浸料[J]. 高科技纖維與應(yīng)用，1999.24(5):28-32.

[4]趙 敏，楊 昆，劉 松. 碳纖維針織編織性能的研究[C]. 第12屆新型原料在針織及相關(guān)行業(yè)的推廣應(yīng)用技術(shù)研討會(huì)論文集.2011:155-157.

[5]趙 寬. Dornier劍桿織機(jī)送經(jīng)機(jī)構(gòu)的改造[J]. 上海紡織科技.2012,40(12):9-11.