钓鱼竿用大丝束碳纤维预浸料的研制

前言

       20世纪90年代中期以后，世界碳纤维发展的最大特点是大丝束(48K 以上)碳纤维获得重大突破， 由于其具有价格低、来源容易、性能好(相当于T300)等优点，利用大丝束碳纤维代替小丝束碳纤维制造的体育用品如钓鱼竿、高尔夫球杆等也应运而生， 大丝束碳纤维制备预浸料技术也取得很大进展⋯ 。据报道引 ，美国的Aldila公司、SP公司、Zoltek公司和德国的SGL公司先后制出了与小丝束碳纤维外观质量相当的48K以上碳纤维预浸料， 用于制造钓鱼竿、高尔夫球杆等，并已实现了规模化生产。随着大丝束碳纤维制造技术的不断改进和产量的不断提高，其价格将进一步降低，市场应用前景十分看好。

       当前， 国内大多数钓鱼竿、高尔夫球杆等生产厂家一般仍使用12K碳纤维预浸料。国产大丝束碳纤维预浸料的研制起步较晚， 目前还处于实验室阶段， 尚未进入规模化生产。北京航空材料研究院和浙江嘉兴中宝碳纤维有限公司是国内较早合作开发研制此种预浸料的单位， 并已取得了阶段性成果。

      首先根据大丝束碳纤维的自身特点，北京航空材料研究院有针对性地研制成功一种粘度适中，流动性好，特别适于浸渍大丝束碳纤维的中温固化改性环氧树脂体系BP2003； 另外，对现有的热熔预浸设备进行了局部改造， 专门设计加工了大丝束碳纤维展开装置， 以保证大丝束碳纤维能够充分均匀展开，达到所需的宽度。

       利用热熔法制备大丝束碳纤维预浸料， 首先要制造一定宽度的均匀平整的树脂胶膜，然后用所制胶膜在一定温度、压力下与一定数量的大丝束碳纤维进行复合预浸， 最终制备出符合要求的大丝束碳纤维预浸料。

       本文结合钓鱼竿用60K 碳纤维预浸料的研制过程，对影响大丝束碳纤维预浸料质量的几个主要因素进行讨论。

1 实验部分

1．1 主要原材料

       (1)增强材料。60K碳纤维， 线密度为3．47m，无捻，德国产。

       (2)树脂基体。BP2003中温(125~C)固化改性环氧树脂体系， 黄白色粘稠体， 北京航材院自制。

       (3)主要辅助材料。脱模纸， 纸筒芯等。

1．2 设备和仪器

      (1)热熔预浸机(含胶膜机)，幅宽1 200mm，国产。

      (2)Instron万能试验机，美国进口。

      (3)电子天平， 感量0．001g。

      (4)取样板，尺寸(1OOmm XlOOmm)+O．1mm。

1．3 试验方法

      (1)预浸料外观， 目测。

      (2)预浸料树脂含量或面密度中纤维质量含量，按GB7192—1982进行。

      (3)弯曲强度、模量，按GB3357-1982进行。

      (4)层间剪切强度，按GB3356-1982进行。

1．4 大丝束碳纤维预浸料制备


       (1)胶膜的制备。将配制好的BP2003树脂基体倒入热熔胶膜机胶槽内，调整工艺参数， 将树脂均匀地转移到脱模纸上，使所制的胶膜连续、均匀、平整，面密度为37±3g／m 。

       (2)大丝束预浸料的制备。将足够数量的纱筒置于设备纱架上，将纤维束从纱筒上引出后，按一定顺序使纤维束先后经过篦子、打散装置、展平装置、分丝装置、预热平台， 进入复合预浸区，选择合适的温度、压力和纤维张力等参数，与上下胶膜进行复合浸渍，制得的预浸料最后卷取在纸筒芯上。

2 结果与讨论

       在树脂基体和纤维一定的情况下， 制备了300mm 宽的钓鱼竿用的面密度为120g／m 的60K碳纤维预浸料， 并考查了预浸温度、压力和运行速度对大丝束碳纤维预浸料树脂含量的影响。

2．1 浸渍温度对大丝束碳纤维浸透性的影响

       随着浸渍温度升高，胶膜粘度降低，容易渗透到纤维中去， 在一定压力下，使预浸料中的树脂分布均匀，从而保证预浸料表面的均匀性。用BP2003胶膜把60K 碳纤维展平、浸透，制成面密度为190±10g／m 的预浸料(面密度中含纤维质量为120g／m ) ，必须选择一个最佳的浸渍温度，才能达到上述目的， 在其余预浸工艺参数不变的情况下，考查了预浸辊面温度对大丝束碳纤维浸透性和扩展性的影响， 结果见表1。

表1 温度对预浸料浸透性的影响

 由表1可见，在试验范围内，纤维的浸透性主要依赖于预浸温度，提高预浸温度，有利于纤维浸透。但温度过高，又因为树脂流动性太大，会将两端的纤维冲跑，从而造成预浸料中纤维质量分布不均匀， 因此，选择一个既能保证浸透性又能保证纤维充分展开的预浸温度是制备预浸料的关键。

2．2 预浸压力对大丝束碳纤维浸透性的影响

       在其它参数不变的情况下， 压力对预浸料碳纤维浸透性的影响是显而易见的(见表2) 。由表2结果可见，在相同温度下， 随着预浸辊压力加大，胶膜所受的剪切力增大，树脂更容易向纤维中渗透扩散，而使树脂均匀分布，表面平整。但是压力过大，容易压伤纤维， 同时由于挤压压力过大， 促使树脂向辊的两端流失，使两端纤维在流动树脂推动下被冲散，造成树脂含量偏低。

2．3 大丝束碳纤维纤维张力对预浸料展开性的影响

      为了制备出没有缝隙的符合要求的大丝束碳纤维预浸料， 碳纤维从篦子引出后， 首先要通过展平辊、分丝装置等， 使其充分展开至一定宽度。纤维张力太大， 纤维束展开不完全， 树脂不能扩展到每根纤维丝中，使其完全浸润， 导致部分纤维未被树脂完全浸透； 纤维张力过小， 虽然有利于树脂扩展浸透， 但会出现纤维变曲现象，严重影响预浸料的外观和性能。因此，在制造预浸料的过程中， 要及时调整纤维张力， 张力大小的选择原则是既保证大丝碳纤维展开、拉直， 又能保证树脂完全浸透纤维。

2．4 运行速度对预浸料浸透性影响

      胶膜运行速度与纤维浸透性的关系实际上即是纤维浸渍接触时间和浸透性的关系。要使胶膜在一定温度下充分熔融流动，需要足够的时间， 另外， 随着预浸料面密度中纤维质量含量和大丝束纤维展开程度的不同，所需要的浸渍时间也各有差异。为此， 考查了面密度为120g／m~的预浸料运行速率对纤维浸透性的影响。结果见表3。

表2 预浸压力的影响


表3 运行速率对纤维浸透性的影响

      由表3可见，在预浸温度、压力不变的情况下，运行速率小， 纤维浸透性好： 运行速率大，纤维浸透性差， 因为速度快，树脂与纤维接触时间短，流动树脂未能与纤维充分地接触、浸渍，从而导致浸透性差， 因此， 纤维运行速率不宜太快，在保证浸透纤维的前提下，才能增加纤维运行速率，提高生产效率。

3 大丝束预浸料典型力学性能

      用所制的面密度为120±5g／m2、树脂含量为38±3％ 的60K 大丝束碳纤维预浸料，通过模压法制备厚度为2mm±0．2mm 复合材料层压板， 固化温度为120℃ ±5"C， 固化时间为1．5h，层压板的纤维体积含量为58％ 一62％ 。其主要力学性能典型值见表4。

表4 主要力学性能的典型值

4 钓鱼竿试制

       用BP2003／60K 大丝束碳纤维预浸料到渔具厂进行了渔竿制造工艺试验， 并试制了两段鱼竿。

      工艺试验结果表明：所研制的60K碳纤维预浸料外观平整、粘性适中， 符合钓鱼竿的搓管工艺要求。

5 结论

       (1)利用进口的60K 大丝束碳纤维和自行研制的BP2003中温固化的树脂基体， 可以制出面密度中纤维质量含量为120±5g／m 的符合钓鱼竿要求的预浸料， 该预浸料外观平整，无干纱，无缝隙。    

       (2)预浸温度、纤维张力、预浸压力和运行速率等是影响大丝束碳纤维预浸料质量的关键因素。

       (3)用所研制的60K 大丝束碳纤维预浸料试制成功了两段钓鱼竿，预浸料满足搓管工艺要求。

参考文献：

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