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1、应用产业用纺织品总第2 1 5 期碳纤维复合材料在非织造设备中的应用闫新(河南3-程学院，郑州，4 5 0 0 0 7)摘要：碳纤维复合材料以其高强、高模、轻质等独特性能成为一种重要的工程材料，其替代金属和合金在梳理机、铺网机、卷绕机等非织造设备关键零部件中得到了应用，从而突破了传统结构材料的性能极限。关键词：碳纤维复合材料，成型工艺，非织造设备，应用中图分类号：T S l 7 3 8；T B 3 3 2；T S l 0 2 4 3文献标识码：A文章编号：1 0 0 4-7 0 9 3(2 0 0 8)0 8-0 0 3 6 0 4碳纤维复合材料早在上世纪5 0 年代就已作为结构材料和防热材料
2、在航空、航天、军工等领域得到了应用，其高强、高模、轻质、耐热、抗腐蚀等独特性能使其在飞机、火箭、导弹、人造卫星方面发挥了巨大作用。随着碳纤维优良性能的逐步被认可及价格的大幅度下降，其在民用工业上的应用逐步扩大，已广泛应用于体育用品、汽车、能源、医疗、机械、土木建筑、纺织等各种领域。非织造布工艺虽起步较晚，但发展迅速，特别是近十几年来随着非织造产品的应用领域不断扩大，其产量品种都处于高速增长的阶段，在新技术和新工艺的要求和带动下，新的设备也在快速发展，主要体现在高速、高产、高效以及可靠性等方面。原用金属和合金材料已不能完全满足非织造设备高性能的需要，碳纤维复合材料以其高强高模等特性逐渐被应用到非
3、织造设备中，实践证明碳纤维复合材料的应用不但使非织造设备性能得到了提高，同时高科技新材料也为厂商带来了卖点。1碳纤维及其复合材料碳纤维是由聚丙烯腈纤维、沥青纤维或粘胶纤维等经氧化、炭化等过程制得的含碳量为9 0 以收稿日期：2 0 0 8 0 7 1 4作者简介：闫新，女，1 9 6 8 年生。高级工程师。主要从事非织造工艺与设备的开发与教学工作。一3 6 一上的纤维。由于碳在各种溶剂中不溶解，在高温下也不能熔化，因此碳纤维不能按一般合成纤维那样通过熔融纺丝或溶液纺丝的方法来制造，只有通过高分子有机纤维的固相炭化来得到。聚丙烯腈基碳纤维由于生产工艺较其他方法简单，产品的力学性能良好，因而得到广
4、泛应用。就碳纤维本身来说，它属于脆性材料，断裂伸长小，单独使用时无法阻止裂纹的扩展，在弯折时极易破坏，因此必须用模量较低的基体材料经过一定的复合工艺把它们牢固地粘结在一起，才能利用其优异的力学性能更好地承载负荷，这样在外力的作用下，由于基体较好的延展性和切变，使施加的负荷能均匀地传递并分配到碳纤维上，即使某些纤维断裂也不致影响到整体的强度悼J，因此，碳纤维主要还是在复合材料中作增强材料。根据使用的目的不同，碳纤维可以和各种不同的基体材料进行复合(如树脂、炭、金属及各种无机陶瓷)，因此碳纤维复合材料又分为碳纤维增强树脂基复合材料(C F R P)、碳纤维增强炭基复合材料(C C)、碳纤维增强金属
5、基复合材料(C F R M)、碳纤维增强陶瓷基复合材料(C F R C)和碳纤维增强橡胶复合材料(C F R R)等。目前用得最广泛的是树脂基复合材料，通常又被称为增强塑料。碳纤维增强树脂基复合材料根据所用树脂类型不同又分为碳纤维增强热固性树脂复合材料(C F R P)和碳纤维增强热塑性树脂复合材料(C F R T P)，前者用途着眼于比强度、比弹性模量，万方数据2 0 0 8 年第8 期产业用纺织品应用后者用途着眼于轻量化、耐热性、导电性，其中应用最广泛的是C F R P，在C F R P 中又以碳纤维增强环氧树脂复合材料用得最多。表1 是C F R P 和金属材料的性能比较，从表中可以看出
6、C F R P 的密度是钢的五分之一，比铝合金还轻，比强度是金属材料的5 倍左右，比模量是这些材料的3 倍以上。表1C F R P 和金属材料的性能比较3 碳纤维复合材料还同时具有耐疲劳、抗蠕变、热膨胀系数小、热导率大、耐磨擦、耐腐蚀、耐热性好等特点。2 碳纤维复合材料的成型方法碳纤维复合材料的成型工艺是在玻璃钢工艺的基础上发展起来的，以C F R P 的成型方法为主，主要有手糊法、模压法、缠绕法、拉挤法和注射法等。图1 是成型方法与其制品性能的关系。2 5 0 02 0 0 0皇1 5 0 0罄l 0 0 05 0 0O5 0l o o1 5 0模量G P a图1C F R P 成型方法与制
7、品性能关系【3 1缠绕法是制取高性能C F R P 管材、容器、壳体等的主要方法，是将连续的长纤维或带施以一定张力并浸渍树脂(或已浸渍树脂即中间基材)，按一定规律缠在芯轴上，缠到所需厚度后再缠绕热塑性收缩薄膜(如聚酯膜)，最后经固化脱模而得制品。常用缠绕方式为螺旋缠绕、环向缠绕以及两者的组合，通过调整缠绕角度可满足不同强度的要求。(a)螺旋绕制(b)环向绕制图2 缠绕方式3碳纤维复合材料在非织造设备中的应用非织造技术由于其生产过程短、生产效率高、产量大、原料应用广等特点在短短几十年间得到了迅速发展，干法非织造设备在早期曾沿用棉纺设备，比如开清处理设备、梳棉机等，随着产品质量的不断提高和高速高产
8、对设备的要求，非织造设备不断向加大宽幅、提高工艺速度、提高设备可靠性等方向发展。如今非织造布已根据自身的生产特点逐渐形成了一系列非织造专用设备，如梳理机、交叉铺网机、卷绕机等，这些设备的不断创新和新材料、新工艺的应用密不可分，其中碳纤维复合材料的应用成为其中的一大亮点。非织造设备中辊类结构常采用金属材料，但随着设备幅宽的不断加大，辊体的挠度变形呈数倍增加，给设备的高速运转带来了困难。虽然理论上可以通过加大辊体直径来减少挠度，但由此带来的设备重量增加给零件的加工、安装和使用带来了一系列问题，同时由于原材料用量的增加也带来了设备成本的提高。碳纤维辊的应用不但解决了以上问题，同时为整体设备的进一步创
9、新带来了可能性。目前非织造设备中采用碳纤维辊的有交叉铺网机、卷绕机、梳理机。3 1 碳纤维辊的结构图3 为非织造设备采用的几种碳纤维辊结构，辊体均采用由缠绕法制成的C F R P 管，轴头采用金一3 7 万方数据应用产业用纺织品总第2 1 5 期属材料，轴头与辊体的连接采用胶接，根据用途不同有的还在圆周对称位置加定位销，以提高扭矩传递的能力。金属轴头广_ 呻l _ o 1 q 土=盐=：=：=：=土卢一(a)结构1金属轴套金属轴头(b)结构2金属轴头(C)结构3图3 碳纤维辊结构碳纤维辊的直径和壁厚直接影响整个辊体的重量，表2 为直径相同壁厚不同的3 种碳纤维辊在其中部施加19 6 0N 集中
10、应力时测得的挠度值，从表中可以看出在直径不变的情况下增加壁厚可使挠度值减小。但由于目前碳纤维价格还相对较高，在实际应用时要考虑价格成本和使用性能两个因素，根据不同的场合选用合适的壁厚。表2 碳纤维辊在19 6 0N 集中应力下的挠度值注：不同的碳纤维缠绕工艺制得的碳纤维辊挠度值有一定差异。3 2 碳纤维辊在交叉铺网机中的应用交叉铺网机是非织造设备中的一种专用设备，它将梳理机输出的薄网经交叉铺叠得到较厚的纤网，同时可以不受梳理机工作幅宽的限制使铺后的纤网宽度减小或加大。图4 为铺网的形状，图5 是交叉铺网机，其中采用了碳纤维辊。从图5 中可以看出铺网过程是由几个水平移动的辊子带动铺网帘来回移动来
11、完成的，辊子既有旋转运动又有水平往复运动，要想提高铺网速度，就要提高辊子的转速和往复速度，这样辊子的转动惯量和整体惯性随一3 8 一之加大，使铺网小车在两端转弯时减速和加速过程难以控制，从而使铺出的纤网两边比中间厚。铺网机中碳纤维辊采用的是图3 中结构2 和结构3 形式，改用碳纤维辊后辊体的重量只有原来的四分之一(辊面2 9m 的辊子重量为4 0k g 左右)，转动惯量和整体惯性随之减小，同时碳纤维高强高模的特性也足以能承受网帘对辊子的拉力。成网宽；职一单网宽；K 铺网速度；屹成网帘速度图4 铺网形状图5 交叉铺网机3 3 碳纤维辊在卷绕机中的应用卷绕机作为非织造布生产流程的最后一个设备主要是
12、对非织造布进行恒张力卷取。要想做到张力恒定，就要使布在进入卷轴前保持张力恒定，因此在卷绕机上设有张力辊装置，如图6，张力辊是浮动辊，靠辊体重量使布保持张力。由于非织造布的结构特点使其与传统织物相比布的强力较小，断裂伸长大(尤其是低面密度时)，因此张力辊的张力辊图6 卷绕机 万方数据2 0 0 8 年第8 期产业用纺织品应用重量一定要轻。目前非织造布的幅宽一再加大，从原来的2、2 5m 发展到现在的3、3 5m 以至4m，其结构通常采用图3 中结构2 形式。由于卷绕机张力辊在自重情况下对挠度要求不是很严格，因此其壁厚采用3 4m m 即可达到设备要求。采用高强高模的碳纤维辊不但满足了生产工艺需要
13、，而且也给操作人员减轻了劳动强度(直径1 4 0m m，幅宽25 0 0m m 时辊的重量为2 0k g 多)。3 4 碳纤维辊在梳理机中的应用梳理机是非织造布生产中的主要成网设备，纤维经开松混合后由梳理机分梳成单纤维状态，进而形成薄网，梳理成网的质量直接影响产品的最终质量，因此梳理机结构的完善一直是干法非织造设备的重要任务。图7 是梳理机中的一个梳理单元，梳理机的梳理任务主要由若干个这样的梳理单元完成的。图7 中的锡林、工作罗拉、剥取罗拉外表面都包有金属针布，梳理就是利用大量针齿与纤维问的相互作用来消除纤维间的横向联系，从而使纤维束(块)分离成单纤维状态。各针辊间的距离(隔距)只有保持足够小
14、才能使针齿插入纤维中，一般梳理区隔距为0 3 0 4m m。工作罗拉和剥取罗拉的直径通常在1 0 0 2 0 0m m 左右，剥取罗拉的转速最高能达到每分钟6 0 0 多转，因此辊体的挠度和动平衡要求都非常严格。随着梳理机工作幅宽的不断加大，原来的钢结构辊挠度变形量已无法满足隔距的需要，况且还有材料和加工的因素。碳纤维高模轻质的特性正好符合这种罗拉的需求，同时其高强度的特性又可以承受由于辊体表面包卷针布而带来的径向收缩力。目前梳理机上幅宽超过3 5m的小直径辊已逐渐采用碳纤维辊，结构为图3 中结图7 梳理单元构1 形式，实验表明通过控制碳纤维辊内部材质的均匀性，选用合适的缠绕角度，并采用恒定的
15、包卷张力，包卷针布后针辊的同柱度和直线度将能够得到保证。4结束语复合材料可以克服金属和合金材料发展中所遇到的许多限制，随着碳纤维生产工艺的E t 益完善，纤维强度的波动率(C V 值)将会逐步降低，成型方法进一步改进，碳纤维复合材料产品的性能将会随之提高。虽然从材料成本的直接比较中，碳纤维的选用并不是更经济，但随着国内碳纤维及其复合材料产业发展进程的加快，其在非织造设备等领域的应用将会获得不可忽略的效益。参考文献 1 王曙中，王庆瑞，刘兆峰高科技纤维概论 M 上海：中国纺织大学出版社，1 9 9 9：4 0 7 2 贺福碳纤维的制造、性质及其应用 M 北京：科学出版社。1 9 8 4：4 1
16、4 3 贺福碳纤维及其复合材料 M 北京：科学出版社，1 9 9 7：1 8 3，1 8 9 4 王禹阶玻璃钢与复合材料的生产及应用 M 合肥：合肥工业大学出版社，2 0 0 5：2 2 8 A p p l i c a t i o no fc a r b o nf i b e rc o m p o s i t em a t e r i a li nt h en o n w o v e ne q u i p m e n t sY a nX i n(r l e n n a nI n s t i t u t eo fE n g i n e e r i n g)A b s t r a c t：T h
17、ec a r b o nf i b e rc o m p o u n dm a t e r i a lb e c o m e si n t oo n ek i n do fi m p o r t a n tm a t e r i a li ne n g i n e e r i n gm a t e r i a la si t su n i q u ec h a r a c t e r i s t i c s，s u c ha sh i g hi n t e n s i t y，h i g hm o d u l u sa n dl i g h tm a s s，w h i c hc a ns u
18、 b s t i t u t em e t a la n da l l o yt oa p p l yi nn o n w o v e nk e yp a r t s，a sc a r d i n gm a c h i n e，c r o s s l a p e r，w i n d e ra n dS Oo n，a n dt h e nb r e a kt h r o u g ht h ep e r f o r m a n c el i m i to ft r a d i t i o n a lm a t e r i a l K e y w o r d s：c a r b o nf i b e rc o m p o s i t em a t e r i a l，f o r m i n gt e c h n i c s，n o n w o v e ne q u i p m e n t，a p p l i c a t i o n一3 9 万方数据