振動噴吹展纖工藝參數(shù)對碳纖維展纖效果影響的研究

王明歡，劉袁媛，徐 然，何亞東，2，信春玲，任 峰*

（1. 北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京100029；2. 教育部高分子材料加工裝備工程研究中心，北京100029）

0 前言

連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料（CFRTP）力學(xué)性能優(yōu)異，在航空航天、新能源、體育等領(lǐng)域的應(yīng)用逐年上升［1-2］。熔融浸漬法［3-4］被廣泛應(yīng)用于CFRTP預(yù)浸料的制備過程中，具備連續(xù)、穩(wěn)定、高效等優(yōu)點(diǎn)。然而，由于熱塑性樹脂黏度較高，難以完全浸潤纖維束，通常需進(jìn)行展纖處理。原始纖維束經(jīng)過展纖工藝后［5-6］被展寬變薄，降低了樹脂熔體需要滲透纖維束的深度，進(jìn)而縮短了熔體完全浸潤纖維束所需要的時(shí)間，既提高了預(yù)浸料生產(chǎn)效率又優(yōu)化了復(fù)合材料的制備效果。

當(dāng)前，展纖工藝主要包括機(jī)械展纖、振動展纖、氣流展纖以及靜電展纖等方式。Wilson［7］對機(jī)械展纖原理進(jìn)行了研究，并建立了展寬預(yù)測模型。通過單纖維束在機(jī)械輥上做往復(fù)運(yùn)動時(shí)的展寬變化，驗(yàn)證展寬模型。結(jié)果表明，纖維束展寬隨機(jī)械輥間的高度差增大而增大。Irfan［8］對Wilson 模型進(jìn)行了補(bǔ)充完善，證明纖維的展寬不僅與機(jī)械輥位置有關(guān)，纖維張力也對展寬的增加有積極影響。早在1990年就有人提出通過振動發(fā)生裝置帶動粗糙機(jī)械輥振動［9］，從而提高展纖效率。超聲展纖［10］是振動展纖的擴(kuò)展形式，通過液體介質(zhì)傳遞超聲發(fā)生器的聲波能量，對纖維束造成沖擊，逐步展寬纖維束。Kawabe［11］設(shè)計(jì)了一套多級氣流展纖系統(tǒng)，能夠以10 m/min 的速度將12 k 碳纖維展寬至25~30 mm。Gyuhee Lee［12］對噴吹氣流展纖工藝參數(shù)進(jìn)行了研究，探究了氣流速度和纖維束垂度的影響規(guī)律，最終將12 k碳纖維展寬至初始寬度的5倍。

單一的機(jī)械展纖工藝存在難以解決增大展纖寬度的同時(shí)會加劇纖維斷裂的矛盾，單一振動展纖通過帶動纖維單絲運(yùn)動促進(jìn)纖維束展寬，但會加劇纖維斷裂，氣流展纖存在穩(wěn)定性較差、成本高等問題。為使碳纖維能夠穩(wěn)定、均勻且低損傷地被充分展寬，根據(jù)展纖原理，將不同展纖工藝有機(jī)結(jié)合以彌補(bǔ)各自展纖劣勢，從而提升展纖寬度，降低纖維斷裂率、提升展纖均勻度［13］。本文在機(jī)械展纖設(shè)備的基礎(chǔ)上，對振動展纖法和氣流展纖法進(jìn)行理論分析，通過運(yùn)動方程與伯努利方程對振動噴吹展纖過程進(jìn)行描述，建立振動噴吹展纖寬度理論模型，從而對參數(shù)的設(shè)置進(jìn)行指導(dǎo)。并在展纖理論的指導(dǎo)下，采用自主搭建的振動噴吹展纖裝置，對碳纖維振動噴吹展纖工藝參數(shù)進(jìn)行研究與優(yōu)化。

1 模型建立

纖維束在振動噴吹展纖過程中的流程示意圖如圖1所示。

對纖維束在垂直振動展纖過程中的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行分析，在振動輥擾動下的纖維束運(yùn)動狀態(tài)循環(huán)過程依次為——與振動輥接觸，被振動輥壓低，振動輥抬升后纖維處于懸垂松弛，將垂直振動展纖過程中的纖維束張緊速度轉(zhuǎn)換為張緊頻率（fv0）：

式中D——振動輥的振動幅度，mm

2L——固定輥間距，m

Vf——纖維牽引速度，m/s

當(dāng)振動輥的振動頻率fv大于纖維束的張緊頻率fv0時(shí)，每次振動循環(huán)過程中纖維束張力會存在時(shí)長為t1的懸垂松弛狀態(tài)，否則纖維束將在展纖過程中持續(xù)處于張緊狀態(tài)，松弛時(shí)間t1占振動輥振動周期的比例θ如式（2）所示。

在垂直振動過程中，引入扇形噴吹氣流，對纖維束在氣流作用下的展寬過程進(jìn)行分析。如圖2所示，振動噴吹展纖過程分為2 個(gè)階段，首先為纖維單絲偏轉(zhuǎn)階段，纖維束在松弛狀態(tài)下受到噴吹氣流的橫向作用力后被吹向兩側(cè)，實(shí)現(xiàn)纖維單絲的偏轉(zhuǎn)；其次為纖維束在機(jī)械輥處的展寬階段，纖維束在張緊狀態(tài)下被張力繃緊，偏轉(zhuǎn)后的纖維束會產(chǎn)生一定的展纖角度α3，這使得原本與展寬方向相垂直的纖維張力部分轉(zhuǎn)換為與展寬方向相同的展纖動力，最終將纖維束展寬。展纖過程中，纖維束受到振動輥的沖擊力（Fc）：

圖2 纖維束振動噴吹分析Fig.2 Analysis of vibration blowing of fiber bundle

式中g(shù)——重力加速度，m /s2

F0——放纖張力，N

t2——單次振動周期中的纖維束被張緊時(shí)間，s

計(jì)算纖維束在噴吹氣流作用下的偏轉(zhuǎn)寬度Wdel，纖維單絲在扇形噴吹氣流作用下向兩側(cè)偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)后的圓弧半徑為（R)：

式中w0——纖維束初始寬度，m

wdel——纖維束偏轉(zhuǎn)后的寬度，m

運(yùn)用伯努利方程，假設(shè)纖維束在展纖過程中的透氣率保持恒定，計(jì)算纖維束受到的噴吹氣流作用力(Fair)：

式中B——?dú)饬髯饔妹娴乃綄挾?，m

?——纖維束透氣率

ρa(bǔ)ir——?dú)饬髅芏?，kg/m3

Vair——?dú)饬魉俣龋琺/s

α2——?dú)饬鲊姶到嵌龋?°)

運(yùn)用牛頓第二定律，計(jì)算振動噴吹展纖過程中的纖維單絲向兩側(cè)偏轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí)的加速度(adel)：

式中Fz——纖維纏結(jié)阻力，N

Lf——纖維束懸垂長度，m

Tex——纖維束線密度，g/km

纖維束偏轉(zhuǎn)時(shí)間等于張力松弛時(shí)間（t1)：

纖維束在氣流作用下，向兩側(cè)偏轉(zhuǎn)，t1時(shí)間內(nèi)的偏轉(zhuǎn)距離為wdel：

展纖是一個(gè)動態(tài)過程，需要考慮在有限的時(shí)間內(nèi)，纖維束能否被氣流充分偏轉(zhuǎn)，當(dāng)纖維束在噴吹氣流作用力下偏轉(zhuǎn)達(dá)到力學(xué)平衡狀態(tài)后，偏轉(zhuǎn)寬度wdel將保持穩(wěn)定，極限偏轉(zhuǎn)角度為α1：

纖維束極限偏轉(zhuǎn)寬度wd1為：

計(jì)算振動噴吹展纖過程中的纖維張力T：

式中β—纖維束與豎直面夾角，(°)

纖維束在被噴吹氣流偏轉(zhuǎn)后，如圖3 所示，機(jī)械輥上的纖維束在張力的作用下被逐漸展寬至Wspread。

圖3 纖維束受力分析Fig.3 Force analysis of fiber bundles

纖維束展寬受到纖維單絲與機(jī)械輥之間的摩擦阻力Ff影響，其大小為：

式中μ—纖維束與機(jī)械輥的摩擦因數(shù)，N/m

纖維單絲纏結(jié)阻力Fz主要受到上漿劑和纖維單絲纏繞所影響，其大小通過實(shí)驗(yàn)擬合獲得。

式中fq—單位長度的單絲纏結(jié)阻力，N/m2

纖維束的展纖張力作用下的展纖加速度為aspread：

根據(jù)牛頓運(yùn)動定律，計(jì)算纖維束振動噴吹的最終展纖寬度wspread：

振動噴吹展纖寬度模型主要通過牽引速度Vf、振動頻率fv、振動幅度D和氣流速度Vair4 個(gè)工藝參數(shù)計(jì)算得出，因此，固定其他參數(shù)，將這4個(gè)工藝參數(shù)設(shè)置為實(shí)驗(yàn)研究的展纖工藝參數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 主要原料

碳纖維，HS30F，線密度800Tex，纖維單絲直徑6 μm，初始寬度5.5mm，江蘇恒神股份有限公司。

2.2 主要設(shè)備及儀器

八輥機(jī)械展纖器、放纖架、振動噴吹展纖裝置，實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)，見圖4；

圖4 振動噴吹展纖裝置Fig.4 Vibration-blowing fiber-spreading device

電子天平，JA5003，精度0.001 g，上海恒平科學(xué)儀器有限公司；

高速攝像機(jī)，SL200KB，上海梭倫信息科技有限公司。

2.3 樣品制備

在八輥機(jī)械展纖裝置基礎(chǔ)上，搭建振動噴吹展纖裝置，展纖工藝流程如圖1 所示，纖維束由放纖架以恒定的放纖張力抽出，經(jīng)過振動噴吹展纖裝置后被展寬變薄，最終穿插經(jīng)過后續(xù)多組機(jī)械輥，使纖維束的展纖寬度保持穩(wěn)定。振動噴吹展纖裝置的振動幅度可通過改變曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的曲柄長度調(diào)節(jié)，振動頻率通過電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，氣流速度的改變需要通過調(diào)節(jié)空氣流量閥大小來實(shí)現(xiàn)。在不同振動幅度、振動頻率、牽引速度和氣流速度下進(jìn)行在線展纖實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與展纖模型理論值進(jìn)行對比，進(jìn)而探究各個(gè)工藝參數(shù)對展纖效果的影響效果及影響程度。

2.4 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

纖維束展寬測量：利用直尺（如圖5所示）直接測量纖維束經(jīng)過展纖工藝后的寬度(W)。

圖5 樣品寬度測量Fig.5 Measurement of the sample width

纖維展纖均勻度測量：由比爾-朗伯特定律可知，一定光照強(qiáng)度的背景光源透過不同厚度的纖維束后將被不同程度地衰減，因此，相機(jī)所拍攝圖像將呈現(xiàn)出不同的灰度值。我們用圖像灰度均勻度表征纖維束展纖均勻度，使用圖6 所示的樣品圖像拍攝裝置，拍攝展纖后的纖維束樣品圖像。通過軟件Image-J 處理纖維束圖像獲得圖像的灰度均勻度，根據(jù)纖維束圖像灰度圖，分析提取纖維單絲分布均勻性，展纖均勻度(E)通過式（16）計(jì)算。

圖6 樣品均勻度圖像拍攝裝置Fig.6 Sample image capture device

式中LW——纖維束寬度，mm

Li——第i處纖維束在寬度方向上的缺陷長度，mm

纖維斷裂率測量：纖維束在預(yù)分散輥處以及纖維束上會產(chǎn)生一定量的毛纖、斷纖，在展纖裝置后方設(shè)置如圖7 的斷纖收集裝置，通過測量固定長度（4 m）的纖維束經(jīng)振動噴吹展纖后在海綿塊上殘余的斷纖質(zhì)量評價(jià)展纖過程對纖維束的損傷情況。

圖7 展纖斷裂率測量Fig.7 Spreading fiber breakage rate measurement

3 結(jié)果與討論

3.1 工藝參數(shù)對展纖寬度的影響

如圖8所示，為振動噴吹展纖過程中噴吹氣流速度對碳纖維展寬的影響?？梢钥吹诫S著氣流速度的增加，纖維束展寬先增加后逐漸趨于穩(wěn)定，這是因?yàn)樵龃髿饬魉俣仁估w維束在松弛狀態(tài)下的偏轉(zhuǎn)寬度Wdel，增大的展纖張力偏轉(zhuǎn)角度α3，這使得纖維束的展纖速度加快。此外，偏轉(zhuǎn)寬度的增大，使纖維束能夠在2 號機(jī)械輥處獲得更大的展纖寬度上限，但隨著氣流速度的繼續(xù)增大，在其他展纖參數(shù)不變的情況下，纖維束的偏轉(zhuǎn)寬度難以進(jìn)一步提升，纖維束展寬逐步趨于穩(wěn)定。

圖8 氣流速度對展寬的影響Fig.8 Effect of air velocity on spreading

如圖9（a）所示，為振動噴吹展纖過程中振動幅度對纖維束展寬的影響。由圖可知，展纖寬度隨振動幅度的增大而逐漸增加，這是由于振動幅度的增大使纖維束的垂度增加，從而增大了纖維束的偏轉(zhuǎn)半徑，纖維束偏轉(zhuǎn)相同角度所獲得的偏轉(zhuǎn)寬度增大。因此，在相同的噴吹氣流條件下，增大振動幅度提升了纖維束偏轉(zhuǎn)寬度上限，進(jìn)而增大了噴吹氣流的作用效果，最終提升了展纖束的展纖寬度。

圖9 振動參數(shù)對展寬的影響Fig.9 Effect of vibration parameters on fiber spreading width

如圖9（b）所示，為振動頻率對碳纖維束展寬的影響，當(dāng)振動頻率大于纖維束張緊頻率后，展纖寬度隨著振動頻率的提升而逐漸增大，但當(dāng)振動頻率增長至一定值后，纖維束展寬逐漸趨于平衡。這是由于振動頻率的增加，增大了纖維束的松弛時(shí)間t1，使纖維束偏轉(zhuǎn)更加充分，有助于纖維單絲在氣流作用下進(jìn)行橫向偏轉(zhuǎn)，從而增大了纖維束展寬。當(dāng)纖維束在高頻振動下已經(jīng)被充分展寬后，纖維束在噴吹氣流作用下達(dá)到平衡狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增加振動頻率不會增大纖維束展寬。

碳纖維經(jīng)不同展纖方式后的展纖寬度對比如圖10所示。與機(jī)械展纖和單一的振動展纖相比，12 k 碳纖維束經(jīng)振動噴吹展纖工藝后的展纖寬度顯著增加。在相同的3 N 放纖張力下，振動噴吹展纖寬度達(dá)到了18.1 mm，較機(jī)械展纖提升了1.3 倍，并且纖維束無明顯開裂等缺陷，實(shí)現(xiàn)了減小纖維張力的情況下穩(wěn)定增加碳纖維展纖寬度的目的。

3.2 工藝參數(shù)對展纖均勻度的影響

如圖11 所示，為振動噴吹展纖過程中氣流速度對碳纖維展纖均勻度的影響。由圖可知，纖維束展纖均勻度隨著氣流速度的增大而逐漸增加，但過大的氣流速度使氣流擾動增加，纖維束展纖均勻度在氣流速度大于10 m/s時(shí)出現(xiàn)下降趨勢。這一方面是由于過大的氣流速度，增加了紊流出現(xiàn)的概率，另一方面，氣流速度增大使纖維束展寬增加，導(dǎo)致纖維束厚度較薄，在薄層纖維束處容易出現(xiàn)開裂等缺陷。

圖11 氣流速度對展纖均勻度的影響Fig.11 Effect of air velocity on the uniformity of spreading fiber

如圖12 為振動參數(shù)對碳纖維展纖均勻度的影響。由圖12（a）可知，在振動頻率較低的情況下，增大振動幅度有助于展纖均勻度的提升。這是由于振動頻率較低時(shí)，纖維束展寬不充分，增大振動幅度使纖維束展寬增加，在一定程度上促進(jìn)了纖維單絲的橫向運(yùn)動，有助于展纖更加均勻。當(dāng)振動頻率較高時(shí)，纖維束展寬較大，單絲偏轉(zhuǎn)較為充分，增大振動幅度將增大纖維束產(chǎn)生開裂的概率，不利于展纖均勻度的提升。如圖12（b）為振動頻率對展纖均勻度的影響，可以看到，振動頻率的增加有助于展纖均勻度的提升，這是由于展纖過程中，纖維單絲經(jīng)歷越多的偏轉(zhuǎn)次數(shù)，越有助于纖維單絲更加均勻的分布。

圖12 振動參數(shù)對展纖均勻度的影響Fig.12 Effect of vibration parameters on the uniformity of spreading fiber

如圖13 所示，為不同展纖方式下的展纖均勻度對比圖像。機(jī)械展纖過程較為穩(wěn)定，纖維束開裂情況較少，展纖均勻度相對較高，然而采用單一的機(jī)械展纖難以將碳纖維有效地展寬變薄，僅可將其展寬至10 mm左右，并且機(jī)械展纖對纖維束損傷較大。單一振動展纖有助于提升展纖寬度，但纖維單絲由于相互纏結(jié)和上漿劑的黏結(jié)力會產(chǎn)生一定的團(tuán)聚現(xiàn)象，纖維束在振動輥的擾動下橫向偏移，容易產(chǎn)生不均勻的纖維開裂情況，展纖均勻度明顯降低。纖維束經(jīng)振動噴吹展纖后，在7 Hz 的振動頻率，10 m/s 的氣流速度條件下，纖維束寬度得到有效提升，噴吹氣流有助于減少纖維單絲的團(tuán)聚現(xiàn)象，促使纖維單絲有序均勻分布，纖維圖像雖然出現(xiàn)了一定的微小間隙，但總體均勻性較高，可達(dá)到94%左右，無明顯開裂缺陷產(chǎn)生。

圖13 不同展纖方式下的展纖均勻度對比Fig.13 Comparison of fiber spreading uniformity under different fiber spreading methods

3.3 工藝參數(shù)對展纖斷裂率的影響

通過理論計(jì)算及實(shí)驗(yàn)可知，氣流對纖維束的損傷較小，因此本文主要考慮振動幅度、振動頻率及放纖張力3個(gè)工藝參數(shù)對纖維斷裂率的影響。

如圖14（a）為振動幅度對纖維斷裂率的影響，結(jié)果表明，隨著振動幅度的增加，纖維斷裂率有所上升。這是由于增大振動幅度，一方面使纖維束總包覆角提升，導(dǎo)致底層纖維單絲與機(jī)械輥的摩擦力逐根積累后大幅增加，提升了纖維束斷裂率；另一方面，增大振動幅度，使碳纖維在振動噴吹展纖過程中被彎折的幅度增加，纖維束受到的彎曲應(yīng)力增大，造成展纖斷裂率出現(xiàn)增加的趨勢。如圖14（b）為振動頻率對纖維斷裂率的影響，由圖可知，纖維斷裂率隨著振動頻率的提升而顯著升高，根據(jù)對纖維束的受力分析，振動頻率增大，提升了振動輥的振動速度，在相同的纖維張力下，纖維束所受到的振動輥沖擊力增大，其次纖維經(jīng)多次振動彎折后，纖維力學(xué)性能可能會出現(xiàn)下降，導(dǎo)致斷裂率迅速提升。

圖14 振動參數(shù)對展纖斷裂率的影響Fig.14 Effect of vibration parameters on the breakage rate of spreading fibers

如圖15 所示，纖維斷裂率隨著放纖張力的增大而逐漸增加，放纖張力的增加不僅直接增大了拉伸應(yīng)力，還增加了振動輥的沖擊力，并且由于摩擦力的積累效應(yīng)，導(dǎo)致纖維束與機(jī)械輥的摩擦力逐級增大，最終使纖維斷裂率增加。由上述分析可知，雖然振動參數(shù)和放纖張力對纖維斷裂率的影響極為顯著，但碳纖維在振動噴吹展纖過程中的斷裂率絕對值較小，這是由于振動噴吹展纖法克服了傳統(tǒng)機(jī)械展對高纖維張力的依賴，吸取了機(jī)械展纖高穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)。

圖15 放纖張力對展纖斷裂率的影響Fig.15 The effect of release tension on the breakage rate of spreading fiber

4 結(jié)論

（1）基于運(yùn)動方程與伯努利方程，對展纖過程中的纖維束受力進(jìn)行分析，建立了碳纖維振動噴吹展纖寬度模型，并利用自主搭建的振動噴吹展纖裝置進(jìn)行了在線展纖實(shí)驗(yàn)，展纖寬度模型的變化趨勢與實(shí)際展纖寬度變化趨勢相符。

（2）以展纖寬度、展纖均勻度和展纖斷裂率為表征方式，對振動噴吹工藝參數(shù)進(jìn)行了分析與優(yōu)化，綜合考慮不同表征方式，選取變化趨勢轉(zhuǎn)折點(diǎn)為最優(yōu)工藝參數(shù)，在振動頻率為7Hz、振動幅度為20 mm、氣流速度為10 m/s 情況下，12k 碳纖維束可以在3N 或更小的放纖張力條件下被展寬至17.6 mm，展纖均勻度達(dá)到93.2%，纖維斷裂率為0.036%，展纖過程幾乎不會對纖維束產(chǎn)生損傷。