CN105143530A - 用于处理碳纤维束的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于碳纤维束(2)的方法和装置。所述方法规定，通过向碳纤维束(2)中馈入电流(I)来进行碳纤维束(2)的加热。该装置构造用于实施该方法。

Description

用于处理碳纤维束的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于处理碳纤维束的方法和装置。

背景技术

为了生产碳纤维半成品，使用所谓的粗纱，该粗纱是由数千至数万平行或具有轻微捻转(保护性捻转以防止散开)的长丝(长纤维)构成的纤维束、纤维捆或复丝纱线，所述粗纱被卷绕到卷筒、滚筒，或转筒上并且为了加工可被不断拉出。不同于断续的手工铺设，这被称为在线方法。单丝直径通常为5～8μm。

在在线加工碳纤维束时，常常需要加热初始产品(碳纤维)并且有时加热到高温。已知通过使用烤箱、本生灯、热灯或其它辐射源进行加热。在此纤维在生产速度下穿过热源，在此应通过改变温度和速度来调整纤维材料的加热。然而在这种方法中纤维材料的加热往往不够均匀。这可导致生产过程期间的波动并且因此导致半成品产品的特性的差异。热输入也可能过于集中于点或总体上过强，以致纤维可能损坏。基于高的热损失，所述方法的能量效率也不尽如人意。

发明内容

本发明的任务在于，提供一种用于加工碳纤维束的方法和装置，它们至少部分克服现有技术的缺点。本发明的任务尤其在于，提供可良好控制的用于处理碳纤维束的方法和装置，其允许均匀和温和地加热碳纤维束中的纤维材料，从而也可避免纤维损坏。本发明的另一任务在于，减少加热纤维材料所需的能量消耗。

上述任务至少在一些方面通过根据本发明的具有权利要求1特征的方法并且通过具有权利要求6特征的装置得以解决。在此结合本发明装置所描述的特征和细节也适用于本发明***、本发明设备、本发明方法，并且反之亦然，并且可交替，因此始终可交替引用本发明各方面的公开内容。

本发明的第一方面涉及一种用于加热连续输送的碳纤维束的方法。根据本发明规定，通过向碳纤维束中馈入电流来进行加热。

无捻转或仅最小程度捻转的由碳制成的准长丝可理解为在概念“碳纤维束”之下。当通过向碳纤维束中馈入电流来加热碳纤维束时，由这种材料制成的丝线的调温由内向外进行，因此热量可均匀均质且因此温和地输入碳纤维束中。纤维中的温度梯度与从外部加热时相反。

当在馈入电流之前展开碳纤维束时，可改善与碳纤维束的接触，因为丝线分布在宽面上。

在一种优选实施方式中，加热进行到这样的温度上，该温度至少相应于处在碳纤维束的纤维上的浆液或浸渍物的软化温度。当纤维的涂层软化(尤其是熔化)时，可简化随后复合材料部件的制造，因为涂层例如可包含用于纤维复合体的基质材料。

根据特别优选的实施方式，加热进行到这样的温度上，该温度至少相应于处在碳纤维束的纤维上的浆液的分解温度。由此可去除供货状态中存在的浆液，如后续加工步骤不需要涂层或需要其它涂层时。

在一种优选扩展方案中，借助以下措施之中的至少一个措施控制或调节碳纤维束的通过加热达到的最终温度：

-改变电压，在该电压下馈入电流；

-改变串联电阻器；

-改变碳纤维束的拉出速度；

-改变电流馈入点之间的距离。

由此实现简单的可控性。

本发明的另一方面涉及一种用于加热连续输送的碳纤维束的加热装置。根据本发明的加热装置构造用于实施前述方法。

在一种优选实施方式中，加热装置包括电压源和至少两个与电压源的相应极连接、与周围绝缘的接触元件，所述接触元件构造用于与碳纤维束接触，使得在接触时与电压源形成闭合电路。所述接触元件可具有接触辊和/或滑动触点。在本发明的意义中接触辊也可理解为接触滚子。接触辊也可根据需要构造成凸形或凹形的。

加热装置尤其是包括控制单元，该控制单元构造用于控制电压源。

在本发明的一种优选扩展方案中，设置用于测量碳纤维束的最终温度的温度传感器，控制单元构造用于接收温度传感器的输出信号并且通过采用以下措施之中的至少一个措施调节碳纤维束的最终温度：

-控制电压源以便改变电压源的输出电压；

-控制可变电阻以便改变接触元件之间的电压；

-控制调节驱动装置以便改变接触元件之间的距离；

-控制驱动装置以便改变碳纤维束的拉出速度。

附图说明

本发明其它特征、任务和效果由下述说明和附图给出。附图如下：

图1为根据本发明一种实施例的加热装置的示意图；

图2为根据本发明另一实施例的具有加热装置的碳纤维预处理设备的示意图；

图3为根据本发明又一实施例的加热装置的示意图。

具体实施方式

下面参考附图说明本发明的实施例。在此多个附图中的相同或相似构件分别设有相同或相似附图标记。除非明确或特别排除，否则参考一种实施例所描述的结构元件和特征、目的和效果被视为可用于任一其它实施例中并且也应在相应另一实施例方面被视为是公开的，即使它们未在那里被明确显示和/或说明。当然，附图应理解为示意性的并且其不应在具体尺寸或比例方面进行限制，除非这被明确说明。

借助辊接触的加热装置

图1以示意图示出根据本发明第一种实施例的、用于加热碳纤维束2的加热装置1。该加热装置1是未详细示出的输送装置的一部分，该输送装置包括一个或多个退绕辊、一个或多个导向辊、存储辊和拉出辊，并且尤其是构造用于将碳纤维束2从退绕辊上拉出并且以拉出速度v连续输送。

加热装置1包括两个导向元件3、两个接触元件6、一个电压源5、一个控制单元6和一个温度传感器7。

电压源5具有可控或可调的串联电阻器8，并且构造用于提供电压U。串联电阻器8通过分压电路实现，该分压电路包括一个固定内电阻8a、一个与固定内电阻串联的可变串联电阻8b以及一个与所述电阻8a、8b并联的可变并联电阻8c。电压源5构造用于通过改变串联电阻器8(可变电阻8b、8c)来调节为其预规定的电压。

每个导向元件3具有轴承座9，该轴承座借助固定装置10固定在未详细示出的设备机架或设备底座上。轴承座9具有轴承11，该轴承可旋转地支撑转向辊12。

每个接触元件4具有壳体13，该壳体借助固定装置14固定在设备机架或设备底座上。固定装置14构造成电绝缘的，并且因此也可被称为绝缘装置14。在壳体13上还设有用于连接连接线的端子15。壳体13具有轴承16，该轴承可旋转地支撑接触辊17。这样构造接触元件4，使得端子15与接触辊17电连接。为此，壳体13、轴承16和接触辊17由导电材料制成并且彼此导电连接。当端子15的(未详细示出的)带电位的连接触点与壳体13连接时，施加在连接触点上的电位也施加在接触辊17上。作为替代方案，滑动触点、滚动触点或其它触点(未详细示出)可贴靠在接触辊17上并且与连接触点连接，从而施加在连接触点15上的电位也施加在接触辊17上。

每个接触元件4通过其端子15和连接线18与电压源5连接。因此在忽略电压损失的情况下由电压源5提供的电压U施加在接触元件4的接触辊17之间。

碳纤维束2通过转向辊12和接触辊17这样被导向，使得碳纤维束2在接触辊17之间是自由的。碳纤维束2在接触辊17之间的自由长度被称为接触距离d。通过在此未详细示出的装置，沿拉出方向(在图中从左向右)以拉出速度v连续输送碳纤维束2。

由于碳纤维束2被引导经过接触辊17并且在接触辊之间是自由的并且包含在碳纤维束2中的碳纤维是导电材料，因此电压源5通过碳纤维束2短路。因此电流I从一个接触辊17经由碳纤维束2流向另一接触辊17。由此碳纤维束2在接触辊17之间根据加热丝原理被流过的电流加热。

电压源5通过测量导线19从温度传感器7获得温度信号。温度传感器7不失一般性是红外传感器，其在第二接触元件4下游检测碳纤维束2并且发出相应于所测得碳纤维束2温度T的温度信号。借助所测得的、通过温度信号代表的碳纤维束2温度T，控制器6确定待设定的电压U并且通过控制导线20向电压源5发出代表待设定电压U的控制信号。在一种变型方案中，电压源5向控制器6发出相应于所提供电压的电压信号，控制器6由该信号计算出待设定的串联电阻器8或者说可变电阻8b、8c的电阻值并且向电压源5发出相应的控制信号。由此这样调节温度，使得根据所测得的温度T以及温度T的(可在控制器6上手动设定或可通过中央设备控制装置预规定的)规定值来改变电压源5的电压U。

借助电流调温的预处理

图2作为本发明另一种实施例示出碳纤维预处理设备21的示意性框图。该碳纤维预处理设备21设置用于预处理和输送由多个粗纱2i合并的碳纤维束2以便进一步供应给再处理装置。再处理装置例如可以是用于制备织物以便制造预浸料的织造装置、用于制造管状半成品的拉挤成型装置、用于以短纤维或长纤维制造纤维垫的纤维片装置等。

下面说明碳纤维预处理设备21的各个组成部件。

卷筒站22具有多个退绕装置23。每个退绕装置23具有绕有粗纱2i的卷筒。

在从相应退绕装置23退绕后，粗纱2i被供应给存储站24，在存储站中每个粗纱2i被供应给摆动辊存储器25。每个摆动辊存储器25具有多个固定辊和至少一个可动辊(“摆动辊”)并且用于补偿拉出速度v的波动和提供预定的纤维张力。

在存储站24后，粗纱2i被供应给纤维展开站26。在纤维展开站26中粗纱在轧光单元27的两个轧光辊之间展开并且所有粗纱2i的展开的纤维合并成一个唯一的带状的碳纤维束2。

现在碳纤维束2被供应给加热站28，该加热站具有如上所述的加热装置1。通过加热装置1碳纤维束2被加热到这样的温度上，该温度相应于位于纤维上的浆液的分解温度T_Z。由此从碳纤维束2上去除浆液。由于碳纤维束2已经展开并且带状地被供应，因此单丝可与加热装置1的接触辊17(参见图1)良好地电接触。

在加热站28中去除纤维浆液后，碳纤维束2被供应给浸渍站29。浸渍站29具有浆液池30，碳纤维束2经过该浆液池30。在浆液池30中碳纤维束2的丝线被覆上新的浆液，该浆液适合于再处理。代替浆液池30也可设置用于朝碳纤维束2喷射的喷射装置。

在浸渍站29中重新上浆液后，碳纤维束2被供应给拉出站31，该拉出站具有用于碳纤维束2的驱动装置32。驱动装置32具有用于以拉出速度v拉出碳纤维束2的驱动辊对。

通过控制导线20控制器6(参见图1)也可根据碳纤维束2所达到的最终温度T产生并且发出用于驱动装置32的控制信号以便改变拉出速度v。

在一种改型方案中，代替一个唯一的加热装置1，在加热站28中设置多个加热装置1用于分别对碳纤维束2进行调温。在此情况下也设置多个轧光单元27和多个拉出装置32。浸渍池30也可以是多个或构造用于被多个碳纤维束2穿过。

预处理设备21的显示和上述描述为了说明起见被大大简化和示意化。不同站的设置可适应于再处理的相应需求。可设置另外的调温站28和浸渍站29，以便例如在重新上浆液后可为优化地调温的碳纤维束2设置一个或多个涂层、如用于制造预浸料或预制坯的纤维基质。在一些情况下可能不需要去除供货状态的浆料。因此附加或代替加热到分解温度T_Z，规定加热进行到纤维涂层(浸渍物)的软化温度T_W或熔化温度T_S，以便简化后续处理。也可想到，在浸渍后设置用于使纤维干燥的加热级。

不失一般性，可以假设，聚酰胺涂层的熔化温度是Ts≌250℃，高温聚合物涂层的熔化温度是Ts≌360℃。对于制备层压物可以有意义的是，软化温度T_W远低于这些值。不失一般性，浆液的分解温度T_Z可以为400℃以下。

借助滑动接触的加热装置

图3以示意图示出本发明另一种实施例的加热装置1。该实施例是图1实施例的变型方案，因此引用所有相关说明，只要其不与下述涉及区别的描述相矛盾。

在本实施例中，碳纤维束2通过两对无电流的导向元件3导向，以便为自由的纤维束路段提供定义的预张紧。尽管未具体示出，至少一个所述导向元件3可构造用于向碳纤维束2施加定义的张力，例如方式为，相配的转向辊12被弹性地悬挂。

与第一种实施例不同，两个接触元件4不具有接触辊，而是具有滑动触点33，所述滑动触点的距离相应于接触距离d。

在一种情况下(图中的右侧接触元件4)，滑动触点33容纳在固定壳体34中，该固定壳体通过绝缘装置14固定在未详细示出的设备机架或设备壳体上或其内。通过接触元件4的端子15，该滑动触点33与电压源5的一个极连接。

另一(图中左侧)接触元件4具有活动壳体35，另一滑动触点33容纳于其中。活动壳体35可移动地支承在两个平行设置的滑轨36上并且支撑在一个丝杆37上。滑轨36和丝杆37通过未详细示出的器件、如由PTFE或其它绝缘材料制成的导向元件相对于滑动触点33电绝缘。滑轨36和丝杆37在一侧(自由侧)支承在轴承座38中。在另一(被驱动的)端部上滑轨36固定在调节驱动装置39的壳体上。调节驱动装置39具有电动机、尤其是步进电机，其驱动丝杆37。在操作调节驱动装置39时丝杆37旋转并且使接触元件4在滑轨36上移动。通过这种方式可改变滑动触点33的接触点之间的接触距离d。通过接触元件4的电流端子，滑动触点33与电压源5的一个极连接，可动接触元件4这一侧上的相配的连接线18铺设在回线40中或在环链导向装置中被导向。

滑动触点33构造成弹性的，以便能够在一定界限内跟随碳纤维束2的通过碳纤维束2张力预定的走向。

控制准则

为了推导出适合的控制策略，首先结合重要的设计参数通过公式表示碳纤维束2的加热。

另外在碳纤维束2中流动的电流I与碳纤维束2(自由部分的)欧姆电阻R_C有关。这适用欧姆定律(1)U＝R_C×I或(2)I＝U/R_C。欧姆电阻R_C可由电阻率的定义(3)ρ_el＝R×A/L计算出，其中A表示碳纤维纱束2所有丝线的横截面积，L表示导体长度，该长度可等于自由长度d((4)L＝d)。因此，碳纤维束的电阻2为：

(5)R_C＝ρ_el×d/A。

也就是说，

(6)I＝A/ρ_el×U/d。

当z表示一个粗纱内单丝的数量、n表示用于形成碳纤维束2粗纱的数量并且d_f表示粗纱内每个单丝的直径时，总横截面积为(7)对于常见的粗纱而言单丝直径为d_f＝5～8μm且单丝数量为z＝1000～50000。在设备中例如n＝70～80个粗纱卷筒被合并。

碳纤维束2的加热ΔT一方面与碳纤维的比热容c、待加热碳纤维束的质量m和所输入的热能ΔQ有关并且可根据比热容的定义(8)c＝ΔQ/(m×ΔT)通过关系式(9)ΔT＝ΔQ/(m×c)得出。质量m由比重ρ_m的定义(质量密度)以(10)m＝ρ_m×A×d得出，其中A表示横截面积并且d表示碳纤维束2的接触长度。

输入碳纤维束2中的热量ΔQ可表示为有效加热功率P_eff与电流流通时间或接触时间Δt的乘积、即(11)ΔQ＝P_eff×Δt，其中接触时间Δt借助接触距离d和拉出速度v以(12)Δt＝d/v得出。因此，(13)ΔQ＝P_eff×d/v。假设电功率(14)P_el＝U×I的有效加热功率P_eff与因数η_q(其也可被称为热输入效率)成正比，则输入的热量可通过方程(15)ΔQ＝η_q×U×I×d/v得出。最后，碳纤维束2的加热ΔT通过将方程(15)、(10)和(6)代入方程(9)且稍作变形后以下述方程得出：

(16)ΔT＝η_q/(ρ_el×c×ρ_m)×U²/(d×v)。

在上述关于碳纤维束2的加热ΔT的关系式中，第一个商数仅包含恒定(或与温度有关的)材料值和效率。第二个商数包含可用于控制加热的过程参数。

在此应指出，热输入效率η_q也取决于可受结构影响的条件、如通过对流(流动的空气、新鲜空气)引起的散热、由周围墙壁或构件引起的热吸收或热反射等，并且可能情况下例如可受到封装或通风影响。另外，电效率η_el也可包含电功率损失、碳纤维束2和接触辊17或滑动触点33之间的过渡部的电荷损失、静态放电损失等。

由上述方程(16)获得用于可能的控制方案的依据：

-电压源5电压U的变化对于碳纤维束2的加热产生最大影响，因为温度升高ΔT与电压U的平方有关。

-接触距离d的增大减少加热，因为温度升高ΔT与接触距离d成反比。

-拉出速度v的增大也减少加热，因为温度升高ΔT与拉出速度v成反比。

数字举例

在供电设计中重要的是，要知道所需的电压和电流强度。为了能够简单换算，下面考察具有1000个单丝(z＝1000)且每个单丝直径d_f＝8μm的一个碳纤维束2(n＝1)加热100℃(ΔT＝100K)。另外假设接触长度d＝2m并且拉出速度v＝0.5m/s。

为了估算用以实现预规定的温度升高所需的电压，可求上述方程(16)中U的解、即：

(17)U＝((ρ_el×c×ρ_m)/(η_q×η_el)×ΔT×d×v)^1/2

碳纤维材料值在文献中给出:c＝710J/(kgK)、ρ_el＝16Ωmm²/m和ρ_m＝1.8g/cm³(***条目“碳纤维”，查询于2013年3月10日)。

因此由方程(17)得出用于加热100℃(＝100K)所需的电压：U₁₀₀＝[(16Ωmm²/m×710J/(kgK)×1.8g/cm³)/(η_q×η_el)×100K×2m×0.5m/s]^1/2

U₁₀₀＝[η_q×η_el]^-1/2×[(16×10^-6×710×1.8×10^-3/10^-6×100×2×0.5]^1/2×[{(kgm²/(A²s³))×(m²/m)}×{(kgm²)/s²)/(kg×K)}×kg/m³×K×m×(m/s)]^1/2，

因此大约U₁₀₀＝(η_q×η_el)^-1/2×45V。

然后借助方程(6)和(7)以下述方程得出所需的电流强度：

$\left(18\right)---I=\mathrm{\π}/4\×(z\×n\×d_f^2/{\mathrm{\ρ}}_{el})\×U/d.$

借助上述数值由等式(18)得出用于每1000个具有最大给定单丝直径(8μm)的单丝加热100℃所需的电流强度大约为：

I_100/1000＝π/4×(100000×(8μm)²/16Ωmm²/m)×(η_q×η_el)^-1/2×45V/2m

＝π/4×(100000×64×10^-12/(16×10^-6)×(η_q×η_el)^-1/2×45/2×[m²/((kgm²)/(A²s³)×m²/m)×((kgm²)/(As³))/m]

因此大约I_100/1000＝(η_el×η_q)^-1/2×0.07A。

因此，用于每个单丝直径为8μm的1000个单丝加热100K所需的电功率为：

P_100/1000＝U₁₀₀×I_100/1000＝(η_el×η_q)^-1×3.2W

当然，上述推导以类似于恒定电流在定义的电流流通时间上流过固定导体的静态情况为基础，不考虑动态效果和其它边界条件并且因此仅适合用于定性考虑。

例如为了精确计算尤其是电阻率ρ_el还可考虑与温度的关系，该关系可通过关系式(19)ρ_el(T)＝ρ_el(T₀)×(1+α×(T-T₀))且α＝-0.2/1000,T₀＝20℃(对于碳而言)来表示(***条目“电阻率”，查询于2013年3月10日)。

通过权利要求书定义的本发明不受上面所提公式和由此确定的数据限制。

其它变型方案

上面借助优选实施例、变型方案、替代方案和改型说明了本发明并且在附图中予以描述。这些说明和显示是纯示意性的且并不限制权利要求书的保护范围，而只是用于示例性说明。当然，本发明可在不脱离权利要求书保护范围的情况下以许多方式来实施和改型。

因此，电压源5也可以是交流电压源。

在第三种实施例中调节驱动装置39也可构造成其它方式，如液压缸，或具有小齿轮和齿条，该小齿轮驱动装置可设在活动壳体35上。

为了实现不同的接触路径，也可设置多于两个接触元件4，它们能够选择性地在不同位置上与碳纤维束2接触。

附图标记列表

1加热装置

2碳纤维束

3导向元件

4接触元件

5电压源

6控制单元

7温度传感器

8分压电路(串联电阻器)

8a固定内电阻

8b可变串联电阻

8c可变并联电阻

9轴承座

10固定装置

11轴承

12转向辊

13壳体

14绝缘装置/固定装置

15端子

16轴承

17接触辊

18连接缆线

19测量导线

20控制导线

21碳纤维预处理设备

22卷筒站

23退绕装置

24存储站

25摆动辊存储器

26纤维展开站

27轧光单元

28调温站

29浸渍站

30浸渍池(浆液池)

31拉出站

32驱动装置

33滑动触点

34固定壳体

35活动壳体

36滑轨

37丝杆

38轴承座

39调节驱动装置

40电缆回线(环链导向装置)

c比热容

d接触距离

d_f单丝直径

m质量

n粗纱数量

Δt接触时间

v拉出速度

z粗纱中的单丝数量

A横截面积

I电流强度

I_100/1000用于将1000个单丝加热100℃的电流强度

P_eff有效加热功率

P_100/1000用于将1000个单丝加热100℃的电功率

ΔQ热量

R_C碳纤维束的电阻

R_V串联电阻器

T温度(最终温度)

T₀参考温度

T_S纤维浆液/浸渍物的熔化温度

T_W纤维浆液/浸渍物的软化温度

T_Z纤维浆液/浸渍物的分解温度

ΔT温差

U电压

U₁₀₀用于加热100℃的电压

α线性电阻温度系数

η_el电效率

η_q热输入效率

ρ_el电阻率

ρ_m比重(质量密度)

上述列表是说明书的整体的组成部分。

Claims (9)

1.用于加热连续输送的碳纤维束(2)的方法，其特征在于，通过向碳纤维束(2)中馈入电流(I)来进行加热。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，在馈入电流(I)之前展开碳纤维束(2)。

3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，加热进行到至少相应处在碳纤维束(2)的纤维上的浆液或浸渍物的软化温度的温度(T)上。

4.根据权利要求3的方法，其特征在于，加热进行到至少相应于处在碳纤维束(2)的纤维上的浆液的分解温度的温度(T)上。

5.根据前述权利要求中的任一项的方法，其特征在于，借助以下措施之中的至少一个措施控制或调节碳纤维束(2)的通过加热达到的最终温度(T)：

-改变电压(U)，在该电压下馈入电流(I)；

-改变串联电阻器(R_V)；

-改变碳纤维束(2)的拉出速度(v)；

-改变电流馈入点之间的距离(d)。

6.用于加热连续输送的碳纤维束(2)的加热装置(1)，其特征在于，所述加热装置(1)构造用于实施根据前述权利要求之一的方法。

7.根据权利要求6的加热装置，其特征在于，所述加热装置(1)包括电压源(5)和至少两个与电压源的相应极连接、与周围绝缘的接触元件(4)，所述接触元件(4)构造用于与碳纤维束(2)接触，使得在接触时与电压源(5)形成闭合电路，优选所述接触元件(4)具有接触辊(17)和/或滑动触点(33)。

8.根据权利要求7的加热装置，其特征在于，设置控制单元(6)，该控制单元构造用于控制电压源(5)。

9.根据权利要求8的加热装置，其特征在于，设置用于测量碳纤维束(2)的最终温度(T)的温度传感器(7)，控制单元(6)构造用于接收温度传感器(7)的输出信号并且通过采用以下措施之中的至少一个措施来调节碳纤维束(2)的最终温度(T)：

-控制电压源(5)以便改变电压源(5)的输出电压(U)；

-控制可变电阻(8)以便改变接触元件(4)之间的电压；

-控制调节驱动装置(39)以便改变接触元件(4)之间的距离(d)；

-控制驱动装置(32)以便改变碳纤维束(2)的拉出速度(v)。