前言

       20世紀90年代中期以后，世界碳纖維發(fā)展的最大特點是大絲束(48K 以上)碳纖維獲得重大突破， 由于其具有價格低、來源容易、性能好(相當于T300)等優(yōu)點，利用大絲束碳纖維代替小絲束碳纖維制造的體育用品如釣魚竿、高爾夫球桿等也應運而生， 大絲束碳纖維制備預浸料技術(shù)也取得很大進展? 。據(jù)報道引 ，美國的Aldila公司、SP公司、Zoltek公司和德國的SGL公司先后制出了與小絲束碳纖維外觀質(zhì)量相當?shù)?8K以上碳纖維預浸料， 用于制造釣魚竿、高爾夫球桿等，并已實現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)。隨著大絲束碳纖維制造技術(shù)的不斷改進和產(chǎn)量的不斷提高，其價格將進一步降低，市場應用前景十分看好。

       當前， 國內(nèi)大多數(shù)釣魚竿、高爾夫球桿等生產(chǎn)廠家一般仍使用12K碳纖維預浸料。國產(chǎn)大絲束碳纖維預浸料的研制起步較晚， 目前還處于實驗室階段， 尚未進入規(guī)模化生產(chǎn)。北京航空材料研究院和浙江嘉興中寶碳纖維有限公司是國內(nèi)較早合作開發(fā)研制此種預浸料的單位， 并已取得了階段性成果。

      首先根據(jù)大絲束碳纖維的自身特點，北京航空材料研究院有針對性地研制成功一種粘度適中，流動性好，特別適于浸漬大絲束碳纖維的中溫固化改性環(huán)氧樹脂體系BP2003； 另外，對現(xiàn)有的熱熔預浸設備進行了局部改造， 專門設計加工了大絲束碳纖維展開裝置， 以保證大絲束碳纖維能夠充分均勻展開，達到所需的寬度。

       利用熱熔法制備大絲束碳纖維預浸料， 首先要制造一定寬度的均勻平整的樹脂膠膜，然后用所制膠膜在一定溫度、壓力下與一定數(shù)量的大絲束碳纖維進行復合預浸， 最終制備出符合要求的大絲束碳纖維預浸料。

       本文結(jié)合釣魚竿用60K 碳纖維預浸料的研制過程，對影響大絲束碳纖維預浸料質(zhì)量的幾個主要因素進行討論。

1 實驗部分

1．1 主要原材料

       (1)增強材料。60K碳纖維， 線密度為3．47m，無捻，德國產(chǎn)。

       (2)樹脂基體。BP2003中溫(125~C)固化改性環(huán)氧樹脂體系， 黃白色粘稠體， 北京航材院自制。

       (3)主要輔助材料。脫模紙， 紙筒芯等。

1．2 設備和儀器

      (1)熱熔預浸機(含膠膜機)，幅寬1 200mm，國產(chǎn)。

      (2)Instron萬能試驗機，美國進口。

      (3)電子天平， 感量0．001g。

      (4)取樣板，尺寸(1OOmm XlOOmm)+O．1mm。

1．3 試驗方法

      (1)預浸料外觀， 目測。

      (2)預浸料樹脂含量或面密度中纖維質(zhì)量含量，按GB7192—1982進行。

      (3)彎曲強度、模量，按GB3357-1982進行。

      (4)層間剪切強度，按GB3356-1982進行。

1．4 大絲束碳纖維預浸料制備


       (1)膠膜的制備。將配制好的BP2003樹脂基體倒入熱熔膠膜機膠槽內(nèi)，調(diào)整工藝參數(shù)， 將樹脂均勻地轉(zhuǎn)移到脫模紙上，使所制的膠膜連續(xù)、均勻、平整，面密度為37±3g／m 。

       (2)大絲束預浸料的制備。將足夠數(shù)量的紗筒置于設備紗架上，將纖維束從紗筒上引出后，按一定順序使纖維束先后經(jīng)過篦子、打散裝置、展平裝置、分絲裝置、預熱平臺， 進入復合預浸區(qū)，選擇合適的溫度、壓力和纖維張力等參數(shù)，與上下膠膜進行復合浸漬，制得的預浸料最后卷取在紙筒芯上。

2 結(jié)果與討論

       在樹脂基體和纖維一定的情況下， 制備了300mm 寬的釣魚竿用的面密度為120g／m 的60K碳纖維預浸料， 并考查了預浸溫度、壓力和運行速度對大絲束碳纖維預浸料樹脂含量的影響。

2．1 浸漬溫度對大絲束碳纖維浸透性的影響

       隨著浸漬溫度升高，膠膜粘度降低，容易滲透到纖維中去， 在一定壓力下，使預浸料中的樹脂分布均勻，從而保證預浸料表面的均勻性。用BP2003膠膜把60K 碳纖維展平、浸透，制成面密度為190±10g／m 的預浸料(面密度中含纖維質(zhì)量為120g／m ) ，必須選擇一個最佳的浸漬溫度，才能達到上述目的， 在其余預浸工藝參數(shù)不變的情況下，考查了預浸輥面溫度對大絲束碳纖維浸透性和擴展性的影響， 結(jié)果見表1。

表1 溫度對預浸料浸透性的影響

 由表1可見，在試驗范圍內(nèi)，纖維的浸透性主要依賴于預浸溫度，提高預浸溫度，有利于纖維浸透。但溫度過高，又因為樹脂流動性太大，會將兩端的纖維沖跑，從而造成預浸料中纖維質(zhì)量分布不均勻， 因此，選擇一個既能保證浸透性又能保證纖維充分展開的預浸溫度是制備預浸料的關鍵。

2．2 預浸壓力對大絲束碳纖維浸透性的影響

       在其它參數(shù)不變的情況下， 壓力對預浸料碳纖維浸透性的影響是顯而易見的(見表2) 。由表2結(jié)果可見，在相同溫度下， 隨著預浸輥壓力加大，膠膜所受的剪切力增大，樹脂更容易向纖維中滲透擴散，而使樹脂均勻分布，表面平整。但是壓力過大，容易壓傷纖維， 同時由于擠壓壓力過大， 促使樹脂向輥的兩端流失，使兩端纖維在流動樹脂推動下被沖散，造成樹脂含量偏低。

2．3 大絲束碳纖維纖維張力對預浸料展開性的影響

      為了制備出沒有縫隙的符合要求的大絲束碳纖維預浸料， 碳纖維從篦子引出后， 首先要通過展平輥、分絲裝置等， 使其充分展開至一定寬度。纖維張力太大， 纖維束展開不完全， 樹脂不能擴展到每根纖維絲中，使其完全浸潤， 導致部分纖維未被樹脂完全浸透； 纖維張力過小， 雖然有利于樹脂擴展浸透， 但會出現(xiàn)纖維變曲現(xiàn)象，嚴重影響預浸料的外觀和性能。因此，在制造預浸料的過程中， 要及時調(diào)整纖維張力， 張力大小的選擇原則是既保證大絲碳纖維展開、拉直， 又能保證樹脂完全浸透纖維。

2．4 運行速度對預浸料浸透性影響

      膠膜運行速度與纖維浸透性的關系實際上即是纖維浸漬接觸時間和浸透性的關系。要使膠膜在一定溫度下充分熔融流動，需要足夠的時間， 另外， 隨著預浸料面密度中纖維質(zhì)量含量和大絲束纖維展開程度的不同，所需要的浸漬時間也各有差異。為此， 考查了面密度為120g／m~的預浸料運行速率對纖維浸透性的影響。結(jié)果見表3。

表2 預浸壓力的影響


表3 運行速率對纖維浸透性的影響

      由表3可見，在預浸溫度、壓力不變的情況下，運行速率小， 纖維浸透性好： 運行速率大，纖維浸透性差， 因為速度快，樹脂與纖維接觸時間短，流動樹脂未能與纖維充分地接觸、浸漬，從而導致浸透性差， 因此， 纖維運行速率不宜太快，在保證浸透纖維的前提下，才能增加纖維運行速率，提高生產(chǎn)效率。

3 大絲束預浸料典型力學性能

      用所制的面密度為120±5g／m2、樹脂含量為38±3％ 的60K 大絲束碳纖維預浸料，通過模壓法制備厚度為2mm±0．2mm 復合材料層壓板， 固化溫度為120℃ ±5"C， 固化時間為1．5h，層壓板的纖維體積含量為58％ 一62％ 。其主要力學性能典型值見表4。

表4 主要力學性能的典型值

4 釣魚竿試制

       用BP2003／60K 大絲束碳纖維預浸料到漁具廠進行了漁竿制造工藝試驗， 并試制了兩段魚竿。

      工藝試驗結(jié)果表明：所研制的60K碳纖維預浸料外觀平整、粘性適中， 符合釣魚竿的搓管工藝要求。

5 結(jié)論

       (1)利用進口的60K 大絲束碳纖維和自行研制的BP2003中溫固化的樹脂基體， 可以制出面密度中纖維質(zhì)量含量為120±5g／m 的符合釣魚竿要求的預浸料， 該預浸料外觀平整，無干紗，無縫隙。    

       (2)預浸溫度、纖維張力、預浸壓力和運行速率等是影響大絲束碳纖維預浸料質(zhì)量的關鍵因素。

       (3)用所研制的60K 大絲束碳纖維預浸料試制成功了兩段釣魚竿，預浸料滿足搓管工藝要求。

參考文獻：

l1 l 趙稼祥．大絲束碳纖維的進展l J1．高科技纖維與應用，1999，24(6)：32—4O．

12l 趙稼祥．大絲束碳纖維及其應用lJ1．纖維復合材料，1999，(4)：52—55．

13l Prepregs-raw material for high-performance compositesl ．Reinforced Plastics，2002，10：24—28．

14l Large tow carbon fiber benefits sporting goodslJ]．Reinforced Plastics，1999’3：38—41．