CN115556265A - 一种短切纤维分散装置及分散方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种短切纤维分散装置，包括支架、驱动机构和分散机构，所述支架包括左支架和右支架；所述驱动机构设置在其中一个支架上；所述分散机构包括中心轴、金属圆盘和金属丝；所述中心轴一端连接驱动机构，一端通过轴承固定在另一支架上，受驱动机构控制转动；所述金属圆盘有两个，设置在中心轴上；所述金属圆盘上，沿圆周方向等距设置有金属丝安装孔；所述金属丝两端分别与两个金属圆盘的金属丝安装孔连接。通过该机构，可将大丝束短切碳纤维均匀分散成较小的丝束，从而提高SMC材料中碳纤维的分散均匀性，以提高产品良率。

Description

一种短切纤维分散装置及分散方法

技术领域

本发明属于碳纤维复合材料制备技术领域，具体涉及一种短切纤维分散装置及分散方法。

背景技术

SMC（片状膜塑料）是复合材料中间材料的一种，通过对碳纤维、玻纤等纤维短切加工后，添加树脂制成。该材料使用方便，通过模压工艺、热压罐工艺等成型工艺，在高温下固化，能够用来压制不同规格大小形状的产品。在SMC的制造过程中，碳纤维的分散均匀性对后期产品的外观和结构性能至关重要。

目前，碳纤维或玻璃纤维以束状提供，为了集束和保持丝束表面的光滑，丝束上涂覆有上浆剂，当斩切为短纤维后，纤维落在承载膜上的分布状态依然为短纤维束，因此，导致SMC材料碳纤维分布不均，尤其采用的是大丝束（36K、50K等），碳纤维分散的不均匀性会更加明显。这种碳纤维的分散不均匀，在后期制作产品时，会产生以下问题：（1）SMC产品外观表面瑕疵，SMC材料存在灯光下局部透光的问题；（2）树脂浸润性不足，纤维束内部存在干纱，这种情况尤其在做高面密度及高纤维含量SMC产品时，纤维表面存在干纱现象越发严重，导致后续产品良率降低。（3）力学性能不稳定，碳纤维的不均匀导致产品力学离散型较大，一般超过10%。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种短切纤维分散装置及分散方法，能够在SMC材料制备过程中，使从切割器落下的短切纤维束进行解束，形成均匀的较小的纤维束，并均匀散落在下方的承载膜上，从而制成纤维分布均匀的SMC材料。

本发明采用的技术方案如下：

一种纤维分散装置，设置在SMC设备切割器下方20-30㎝，该分散装置包括支架、驱动机构、分散机构，所述支架包括设置在SMC设备两侧的左支架和右支架，所述驱动机构设置在其中一个支架上，所述分散机构包括中心轴、金属圆盘和金属丝，所述中心轴一端连接驱动机构，另一端通过轴承固定在另一支架上；所述分散机构包括金属圆盘和金属丝，所述金属圆盘设置在中心轴上，左右两端各设置1个，所述两个金属圆盘上沿圆周方向设置有相同数量、相同规格的金属丝孔，用于固定金属丝；所述金属丝两端分别固定在两金属圆盘的金属丝孔上。

进一步的，为了保证分散机构在转动过程中的动力平衡，所述金属丝安装孔数应为能被圆周角度360整除的正整数。优选设置36个，可满足18、12、9、6、4、3、2根金属丝直接更换使用。

进一步的，根据常规SMC设备的空间大小及设备落纱区域大小，确保下落的短切纤维能够顺利落在金属丝运动范围内，两金属圆盘间距为0.5-1.6m，所述金属丝围成的圆的直径为150mm-300mm。

进一步的，所述金属丝为不锈钢材质，直径为0.5-3mm。金属丝直径较大，在转动过程中会产生较强风速，转速受阻，且产生的气流影响纤维的均匀分散，金属丝太细，会导致纤维断裂。

进一步的，所述金属丝张力控制在20-30磅。张力越大，虽然对纤维的击打作用也越强，打散效果会增加，但是过大的张力容易导致金属丝易断裂，张力过小，金属丝在高速转动过程中受向心力作用易变形，降低打散效果。

进一步的，所述中心轴为高精度金属中心轴，可满足高转速下无晃动，无摇摆。

此外，驱动机构为变频电机，驱动机构带动中心轴转动，进一步带动金属丝转动。通常情况下，金属丝线速度越大，对纤维的击打作用力越大，纤维分散效果也就越好，但是线速度过高，也会带来负面影响，包括落纱区域内造成强气流导致落纱不均匀，金属丝区域内强气流导致纤维不能落在金属丝上。因此，所述驱动机构为变频电机，转速调整范围在200-1500RPM。

进一步的，所述金属丝孔距离金属圆盘边沿8mm，金属丝使用弹簧卡扣固定在金属圆盘的金属丝孔上。金属丝间距可根据结合中心轴转速，纤维长度、宽度而设计，原则上转速越高金属丝间距越大，纤维长度越长金属丝间距越大，纤维宽度越宽金属丝间距越大。

进一步的，所述支架设置在地面或工作台上，可上下活动调节其高度。

工作原理：短切纤维离开切刀处后呈竖向下落，落入下方的高速转动的金属丝运动范围内时，由于下落高度较小，短切纤维束状态仍保持竖向，当与金属丝碰触时，金属丝对短切纤维束进行击打，从而对短切纤维束进行分散。

一种采用上述分散装置对短切纤维进行分散方法，步骤包括：

步骤一、根据短切纤维长度L，确定金属丝对短切纤维束的击打高度ΔH，其控制范 围在

L＜ ΔH＜

L，其中金属丝对短切纤维束的击打高度ΔH是指纤维束竖向下落至金属 丝运动区域，与第一根金属丝相遇时，金属丝所处短切纤维束的高度位置；ΔH的最佳控制 范围为

L≤ΔH≤

L

步骤二、根据所需的SMC材料中碳纤维面密度、纤维线密度设定切刀速度，计算公式为：

面密度=（线密度×切刀转速×切刀直径×Π×纤维数量）/（生产速度×SMC材料幅宽），

其中，纤维面密度为SMC材料单位面积内碳纤维重量；线密度为单束碳纤维每米的重量，如50K碳纤维束1米长度重量为3.74g；纤维数量指一定幅宽下需要的碳纱根数，如SMC产品幅宽1m需要38根碳纱。

步骤三、根据切刀速度，进一步计算短切纤维束的下落速度V1，其中，短切纤维束的下落速度V1是指短切纤维束从切刀处下落至金属丝的速度；

步骤四、根据步骤一的短切纤维下落高度（ΔH）和步骤三的短切纤维束的下落速度V1进一步确定金属丝间距和中心轴转速比， 其中

ΔH=（d×V₁）/(v₂×ΠD)，

d为相邻两根金属丝的间距；

V2为中心轴的转速；D为金属丝围成的圆柱的直径；

步骤五、根据金属丝间距和中心轴转速比，结合需要的分散效果、中心轴转速范围控制和金属丝间距，确定合适的中心轴转速和金属丝间距，在中心轴转速控制范围内，转速越大，分散效果越好。

有益效果：通过运动的金属丝击打落下的短切纤维束，将较大的纤维束分散成较小的纤维束，且均匀落到下承载膜上。采用分散装置分散后， SMC材料中短切纤维束分散更均匀，其制成的成品不再出现缺纱透光现象，提高了产品良率；力学性能离散值平均缩小30%以上，同时力学强度平均提高115%。

附图说明

附图1为分散装置结构示意图；

附图2为分散装置工作示意图；

附图3为碳纤维束击打位置示意图；

其中，1-左支架，2-右支架，3-变频电机，4-中心轴，5-金属圆盘，6-金属丝，7-分散前的短切纤维束；8-分散后的短切纤维束。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

结合附图1-3，一种短切纤维分散装置，设置于SMC设备切刀下方20厘米处，包括支架、驱动机构和分散机构，所述支架包括左支架和右支架，通过调节螺栓分别固定在SMC生产线两侧，所述驱动机构设置在左支架上，所述分散机构包括中心轴、金属圆盘和金属丝，所述驱动机构为变频电机，转速调整范围为200-1500RPM；所述中心轴为高精度中心轴，其一端与驱动机构连接，另一端通过轴承固定在右支架上；所述金属圆盘有两个，直径为220mm，通过卡簧设置于中心轴上，所述金属盘距边缘8mm的位置沿金属盘圆周方向设置金属丝安装孔；所述金属丝两端分别连接安装在两个金属圆盘的金属丝安装孔上，与中心轴平行。

结合短切碳纤维在X方向上的落纱长度和在Y方向上的落纱宽度，确保落纱范围控制在金属丝运动范围内，两金属圆盘的距离应大于短切碳纤维在X方向上的落纱长度，两金属圆盘间距为1m；两金属圆盘间金属丝围成的圆的直径为204mm。

为了金属丝能有效击打下落的短切纤维束，金属丝为不锈钢材质，直径为1.5mm，金属丝张力为20磅。

一种采用上述短切纤维分散装置对50K短切碳纤维进行分散的方法。

本实施例采用的是Schmidt&Heinzmann型号的定制SMC设备，生产速度为8m/min，切刀直径为194mm，采用线密度为3.74g/m的50K碳纤维束，纤维束根数设置38根，生产：短切碳纤维长度为25.4mm，碳纤维面密度为1000g/㎡，幅宽为1m的SMC材料。具体步骤是：

步骤一、根据短切碳纤维长度25.4mm，确定金属丝对短切碳纤维的击打高度ΔH为10.5mm。

步骤二、根据已知的设备参数及碳纤维束线密度、SMC材料规格参数，确定切刀转速，采用公式

面密度=（线密度×切刀转速×切刀直径×Π×纤维数量）/（生产速度×SMC材料幅宽），得到切刀转速=92.4RPM

步骤三、根据切刀转速，进一步计算：短切纤维束的下落速度V₁=切刀速度×切刀直径×Π=56286mm/s;

步骤四、根据步骤一和步骤三确定的短切纤维下落高度、短切纤维束下落速度，进一步确定金属丝间距和中心轴的转速比，其中，

ΔH=（金属丝间距d×短切纤维束下落速度V₁）/(中心轴转速v₂×Π×金属丝围成的圆的直径D)，得到金属丝间距d/中心轴转速V2≈1/8

步骤五、根据金属丝间距和中心轴转速的比，结合需要中心轴转速可控制范围（200-1500RPM，转速越大，分散效果越好）和金属丝间距(大于短切纤维束宽度，金属丝根数为可被360整除的正数)，及需要的分散效果确定合适的中心轴转速和金属丝间距。不同中心轴转速及金属丝间距配置的分散效果如下：

	中心轴转速（RPM）	金属丝间距（mm）	金属丝理论根数	金属丝修正根数	短切纤维分散效果
						实施例1	200	25	25.6	24	12K-50K
实施例2	400	50	12	12	3K-12K
						实施例3	600	75	8.5	9	≈3K
实施例4	800	100	6	6	＜3K
						实施例5	1000	125	5.12	6	＜1K

上述表中分散效果为通过

对实施例3制备的SMC材料进行性能验证：

（1）纤维分散后，SMC产品纤维束由50K分散为3K，纤维单体数量增加16.7倍（50K/3K=16.7）,用其生产的后续产品纤维分布均匀，成品不再出现缺纱透光现象；

（2）力学性能提高：SMC产品模压后，力学测试拉伸模量36.2Gpa、拉伸强度339Mpa、弯曲模量32.3Gpa、弯曲强度531Mpa，相比未分散前力学测试拉伸模量35.6Gpa、拉伸强度182Mpa、弯曲模量31.2Gpa、弯曲强度217Mpa，对于模量提升较小，对于强度提升显著，平均提高115.4%，充分发挥纤维增强效果。

（3）力学稳定性提高：SMC产品模压后，力学测试拉伸模量离散值7.0、拉伸强度离散值5.8、弯曲模量离散值6.7、弯曲强度离散值8.1，相比未分散前力学测试拉伸模量离散值12.4、拉伸强度离散值7.4、弯曲模量离散值9.7、弯曲强度离散值12.2，系数明显降低，离散值平均缩小32.4%。

纤维面密度稳定性提高：纤维分散后，SMC产品纤维束50K变为纤维束3K，生产前点检纤维面密度分布，纤维分布稳定性提高，纤维面密度波动由6%降低至2%，提高生产稳定性和良品率。

Claims (10)

1.一种短切纤维分散装置，包括支架、驱动机构和分散机构，其特征在于所述支架包括左支架和右支架；所述驱动机构设置在其中一个支架上；所述分散机构包括中心轴、金属圆盘和金属丝；所述中心轴一端连接驱动机构，一端通过轴承固定在另一支架上，受驱动机构控制转动；所述金属圆盘有两个，设置在中心轴上；所述金属圆盘上，沿圆周方向等距设置有金属丝安装孔；所述金属丝两端分别与两个金属圆盘的金属丝安装孔连接。

2.根据权利要求1所述的一种短切纤维分散装置，其特征在于所述两金属圆盘的间距为0.5-1.6m，所述两金属圆盘间的金属丝围成的圆柱的直径为150mm-300mm。

3.根据权利要求1所述的一种短切纤维分散装置，其特征在于所述金属丝为不锈钢材质，直径为0.5-3mm，金属丝张力控制在20-30磅。

4.根据权利要求1所述的一种短切纤维分散装置，其特征在于所述驱动机构为变频电机，转速调整范围为200-1500RPM。

5.根据权利要求1所述的一种短切纤维分散装置，其特征在于所述相邻金属丝的间距大于短切纤维束宽度。

6.根据权利要求1所述的一种短切纤维分散装置，其特征在于所述支架为可调支架，可实现中心轴的高低调节。

7.根据权利要求1所述的一种短切纤维分散装置，其特征在于所述金属丝安装孔距金属圆盘边缘6-8mm。

8.根据权利要求1所属的一种短切纤维分散装置，其特征在于所属金属圆盘上还设置有动力平衡校正部件。

9.一种短切纤维分散方法，其特征在于采用上述权利要求1-8任一所述的分散装置，具体步骤是：

步骤一、根据短切纤维长度L，确定金属丝对短切纤维束的击打高度ΔH，其控制范围在

L＜ ΔH＜

L ，其中金属丝对短切纤维束的击打高度ΔH是指纤维束竖向下落至金属丝运 动区域，与第一根金属丝相遇时，金属丝所处短切纤维束的高度位置；

步骤二、根据所需的SMC材料中碳纤维面密度、纤维线密度设定切刀速度；

步骤三、根据切刀转速设置短切纤维束从切刀处下落至金属丝的下落速度V₁，短切纤维束下落速度V₁=切刀转速×切刀直径×Π；

步骤四、根据步骤一中确定的金属丝对短切纤维束的击打高度ΔH和步骤三中确定的短切纤维束的下落速度V₁，进一步确定金属丝间距d和中心轴转速V₂之比， 其中

ΔH=（d×V₁）/(V₂×ΠD)

d为相邻两根金属丝的间距；

V2为中心轴的转速；D为金属丝围成的圆的直径；

步骤五、根据金属丝间距和中心轴的转速之比，结合需要的分散效果、中心轴转速范围控制和金属丝间距控制范围，确定合适的中心轴转速和金属丝间距，在中心轴转速控制范围内，转速越大，分散效果越好。

10.根据权利要求9所述的短切纤维分散方法，其特征在于所述步骤一中短切纤维下落 高度应控制为

L≤ΔH≤

L。

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