连续性纤维丝束的处理设备及方法
【技术领域】
[0001]本申请案有关一种连续性纤维丝束的处理方法，特別是一种能够降低纤维分布密度，并使纤维分布密度均匀，且获得稳定且一致的纤维丝束幅宽的纤维丝束的方法。
[0002]本申请案又有关一种连续性纤维丝束的处理设备，可使用于上述处理方法中，从而达到更优良的效果。
【背景技术】
[0003]本发明所谓的纤维补强树脂复合材料(fiber reinforced plastic composite)是以树脂作为基材，而纤维作为补强材料的复合材料，常用的纤维补强树脂复合材料包括玻璃纤维、碳纤维、硼纤维及克维拉(Kevlar)纤维等复合材料，例如，玻璃钢(FRP)浴缸是最常见的玻璃纤维复合材料的应用，而碳纤维因其比重小，刚性与强度高，可取代金属用于要求高刚性及轻量化兼顾的产品上，例如碳纤维网球拍、高尔夫球杆、脚踏车等，皆为常见的碳纤维复合材料，而且台湾曾是上述碳纤维产品于全世界生产量第一的国家；另外，由波音公司生产且被称为梦幻飞机(dreamliner)的波音787 (B787)，因要求续航力、节能与舒适感，是有始以来碳纤复合材料使用重量最大、比例最高及最著名的例子。
[0004]碳纤维环氧树脂复合材料，为碳纤维应用于航天工业或运动器材最多的复合材料，具有连续性长纤维特性的复合材料工艺为其最主要的工法，其中使用碳纤维含浸环氧树脂液的预浸步骤，能使树脂分布均匀且纤维充分浸润，含浸工法可制成重量轻且高强度与高模数的碳纤维复合材料，以此法制成的碳纤维复合材料常用于取代金属而达到减轻重量的效果。
[0005]制造碳纤维的原料主要有聚丙烯腈系、浙青系及嫘萦系三种，其中以聚丙烯腈系具有高强度与低成本特性，其为最重要与产能也最大，因此以聚丙烯腈树脂为原料的碳纤维，通过溶剂溶液的湿式纺丝法能将树脂纺成很细的纤维(一般称原丝)，其工艺与成份与一般所熟知用于制作人造羊毛或地毯的压克力棉相同，聚丙烯腈原丝再经1000至2000°C高温氧化及碳化后，将成分中非碳的元素除去而形成具有含碳纯度99%以上高强度、高模数的碳纤维，由于碳纤维的原丝，或碳化工艺是以单位时间的产出长度(米/小时)当产能依据，当卷取机构数量固定时，生产小丝束规格的碳纤维，例如3K(1K等于I仟根)碳纤维，每一卷取机构单位时间产出的碳纤维重量为I公斤，则生产12Κ碳纤维的重量可达4倍(即4公斤)，此意味生产3Κ碳纤维的工艺成本比12Κ高近4倍，若能生产24Κ或48Κ的大丝束碳纤维，工艺成本将更低。聚丙烯腈原丝于抽丝时，是聚丙烯腈聚物溶液经过纺嘴至纺丝液固化而成丝状物，12Κ原丝即为由12000个纺孔纺出的单丝纤维，经冷却及后加工并集束成12Κ碳纤维，大于12Κ的24Κ，48Κ或80Κ的碳纤维称为大丝束碳纤维。
[0006]大量工业化用于环氧树脂含浸的碳纤维以12Κ为主，以纤维含浸树脂液后呈具单方向纤维排列的半固化材料称为单方向预浸料(unidirect1nal prepreg),其具有不沾手又容易作积层的优点，为目前制造高性能碳纤维复合材料的重要二次加工品。预浸料的质量取决于纤维含浸树脂，其必需能够充分使纤维含浸而均匀分散或分布于纤维中，而且树脂要充分含浸，必须于树脂黏度极低下进行含浸步骤，否则树脂无法渗入丝束间。现有的工法包括通过添加溶剂使树脂黏度降低的溶剂法，以及通过加热方式使树脂黏度降低的热熔胶法两种，其中溶剂法成本低，但不具环保性，而热熔胶法虽然成本高，但具环保性，且能得高质量的预浸料，为目前市场上主流的含浸工法。纤维是否能均匀分散或分布取决于碳纤维需分散的纤维密度、分散工法及碳纤维的质量稳定性。
[0007]以环氧树脂为基材的碳纤维复材料，因环氧树属热固性塑料，无法回收(recycle)再制造，而近年来因碳纤维的应用已逐渐扩至民生用途，如电子产品及汽车产业等，无法回收再制的问题迫使业者转而开发热塑性塑料的碳纤维复合材料。一般泛用级的热塑性塑料，例如尼龙(Nylon)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚碳酯(PC)及聚丙烯(PP)等。然而，因热塑性塑料熔融时的黏度无法如环氧树脂般具有很好的纤维渗透性，也无法以适当的溶剂使黏度降低，因此无法将环氧树脂热固性塑料的含浸工法应用于热塑性塑料的碳纤维预浸料。故，单方向碳纤维热可塑性复材预浸料为现今碳纤维产业急于研发的技术。
[0008]前述一般泛用级的热可塑性塑料因熔融时的黏度高，导致树脂很难完全渗入丝束的纤维间隙，无法充填成具低空孔且树脂分布均匀的纤维补强塑料。若要克服此问题，必须将树脂黏度降低或使纤维分散得更易渗透。关于前者，虽然目前已有具有低黏度特性的航天高温级树脂，但其价格非常昂贵，非一般泛用级的价格可比拟，所以要符合民生工业可使用的阶段仍有一段距离，因此发展后者一 “使纤维分散得更易渗透”势必较符合现阶段的课题。
[0009]将较大碳纤维丝束(如12K，24K，48K及80K)于宽方向单纤分布密度降低的方法可称为纤丝束“展开与分散方法”，应用于传统热固性塑料预浸料含浸法，或已发表的专利文献如下:
[0010]1.传统工法:
[0011]1-1热固性塑料热熔胶法:主要通过导丝时的张力及与罗拉(roller)的摩擦力使丝束展开，并通过纤维含浸时的罗拉挤压树脂带动纤维往两侧流动，从而降低单纤分布密度。如前述所言，其单纤分布密度降低50%为其极限制(12K碳纤维的分布密度由15.75根单纤重迭降至7.87根)，需有树脂带动增加密度降低的幅度并减少纤维断裂。
[0012]1-2溶剂法:仅通过导丝时的张力及与罗拉的摩擦力使丝束展开，因此摩擦力使丝束的幅宽变宽，也导致有大量的纤维断裂且幅宽不一纤维分布不均匀。
[0013]2.日本特许出愿公开号(JP Patent N0.)昭56-43435:将大丝束碳纤维以金属圆棒通过张力与摩擦力方式，于树脂液中将丝束宽度变大与单纤分布密度降低，由于树脂液有润滑作用，从而减少纤维断裂，辅以圆棒的横向振动可增加丝束宽度。因主要是通过张力及摩擦力作用，所以若纤维丝束出丝时的张力不稳定，将使丝束展开后的幅宽不稳定。
[0014]3.JP Patent N0.平3-31823:碳纤维多丝束通过具有多个罗拉圆棒的扩幅装置，辅以轴向方向上振动，罗拉以错位方式配置，并使纤维丝束呈30度到90度的出入角度，其缺点在于纤维丝束出丝时的张力不稳定，将使丝束展开后的幅宽不稳定且易造成大量的纤维断裂。
[0015]4.JP Patent N0.平1-282362:以超音波于纤维丝束方向振动，辅以高压力的气体，使丝束宽度变大与降低单纤分布密度，其缺点为因纤维丝束向前的张力易使扩幅效果降低，因此无法用于制作较大扩幅。
[0016]5.JP Patent N0.昭57-77342:于纤维丝束行进方向的垂直方向，以气体或液体的流体运动产生纤维丝束分散力量，促使丝束的幅宽变大，并降低单纤分布密度，其缺点为因纤维丝束向前的张力易使扩幅效果降降低，因此无法用于制作较大扩幅，且幅宽难以稳定控制。
[0017]6.JP Patent N0.昭52-151362:于纤维丝束行进方向的垂直方向，以喷出气体或液体的流体力量分散纤维丝束，促使丝束的幅宽变大并降低单纤分布密度，其缺点为纤维丝束向前的张力易使扩幅效果降低，因此无法用于制作较大扩幅，且幅宽难以稳定控制，纤维易被吹乱。
[0018]7.US2, 244，203:通过一系列星形罗拉，通过打击及振动作用而将纤维丝束扩幅，所述星形罗拉另装设有可挠曲性圆棍。
[0019]8.US4, 959，895:使用通过共鸣器产生振动作用的数个罗拉而将纤维丝束扩幅，罗拉以上下交替配置及振动接触，具有张力及剪力作用，将纤维集束剂进行破坏从而达到展纱扩纤的功效。
[0020]9.US3, 704, 485:使纤维丝束于松弛状态下以声波脉冲产生的空气振动作用，而达到纤维丝束分散扩幅的效果。
[0021]10.CA2, 045，784:于音箱上方设置数对上下呈Z字交替的罗拉，并通过声波脉冲空气产生振动作用以及Z字交替的路径张力作用，而达到纤维丝束分散扩幅的效果。
[0022]11.JP Patent N0.特开平7-145556:以在水中的超音波发振器产生振动，使碳纤维织物产生开纤作用。
[0023]12.US6, 094, 791:此为Toray纤维丝束开纤制成预浸品的专利，其装置特征为(a)具有于轴向可振动的至少一个(数个