СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРЕПРЕГА УГЛЕРОДНОГО ВОЛОКНА
METHOD AND DEVICE FOR PRODUCTION OF CARBON FIBER PREPREG

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА СВЯЗАННЫЕ ЗАЯВКИ
Настоящая заявка в соответствии с 35 USC 119(a) испрашивает приоритет корейской патентной заявки № 10-2017-0017480, поданной 8 февраля 2017 г. в Ведомство Кореи по интеллектуальной собственности, раскрытие которой включено в настоящий документ посредством ссылки во всей его полноте для всех целей.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1.ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Следующее описание относится к способу и устройству для изготовления препрега углеродного волокна, и более конкретно к способу и устройству для изготовления препрега углеродного волокна, который может улучшать адгезию и дисперсию между углеродным волокном и смолой.
2.ОПИСАНИЕ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ
Волокниты (FRP) относятся к пластическим массам, армированным путем пропитки смолой армирующего материала, такого как волокна, чтобы улучшить механическую прочность, теплостойкость, прочность при растяжении и ударную прочность, и типы FRP включают в себя блочную формовочную массу, препрег и т.п.
Препрег может формоваться при комнатной температуре и атмосферном давлении, имеет высокую стойкость к коррозии от кислот, щелочей, солей, растворителей, морской воды и т.д., а также обладает превосходной прочностью, теплостойкостью и коррозионной стойкостью, так что он широко используется в качестве полупостоянного элемента для различных процессов промышленного сектора.
Использование препрега углеродного волокна, в частности, углеродных волокон в качестве армирующих волокон, увеличивается, потому что углеродное волокно обладает малым весом и высокой жесткостью по сравнению с другими армирующими волокнами.
Однако в большинстве случаев углеродные волокна имеют низкую способность к адгезии с ненасыщенным полиэфиром или смолой сложного эфира винилового спирта, используемой в качестве смолы препрега, так что их характеристики проявляются в недостаточной степени, и их однородное распределение затруднено, и поскольку углеродные волокна формируются в виде собранных в единое целое тысяч или десятков тысяч прядей, углеродные волокна трудно резать.
Следовательно, требуется разработать производственный процесс или устройство для того, чтобы эффективнее применять углеродные волокна к препрегу.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Данное описание сущности изобретения предназначено для того, чтобы в упрощенной форме представить выбор концепций, которые описываются ниже в подробном описании. Данное описание сущности изобретения не предназначено ни для того, чтобы идентифицировать главные особенности или существенные особенности предмета заявки, ни для того, чтобы использоваться в качестве помощи в определении области охвата предмета заявки.
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить способ и устройство для изготовления препрега углеродного волокна, способного улучшать адгезию и дисперсию между углеродным волокном и смолой и имеющего превосходные механические и физические свойства.
В одном общем аспекте предлагается способ изготовления препрега углеродного волокна, включающий в себя: выполнение обработки проклеивания углеродного волокна с использованием проклеивающего средства; нарезку на кусочки обработанного проклеиванием углеродного волокна; распыление этих кусочков углеродного волокна на первую смолу, нанесенную на поверхность первого листа-носителя; и объединение вместе второй смолы, нанесенной на второй лист-носитель, и поверхности первой смолы, причем проклеивающее средство, первая смола и вторая смола включают в себя одни и те же соединения.
Проклеивающее средство, первая смола и вторая смола могут включать в себя по меньшей мере одно из сложного эфира винилового спирта, ненасыщенного полиэфира и эпоксида.
Обработка проклеивания может выполняться в таком состоянии, в котором углеродное волокно распылено так, чтобы его ширина была в 1,2-5 раз больше, чем его первоначальная ширина.
При обработке проклеивания углеродного волокна углеродное волокно может покрываться проклеивающим средством в количестве от 1 до 10 мас.% по общей массе углеродного волокна.
В другом общем аспекте предлагается устройство для изготовления препрега углеродного волокна, включающее в себя: часть для предварительной обработки волокна, которая выполняет обработку проклеивания углеродного волокна; и часть для изготовления листа, которая осуществляет изготовление листа с использованием углеродного волокна, предварительно обработанного частью для предварительной обработки волокна, причем часть для предварительной обработки волокна последовательно включает в себя рулон волокна для подачи углеродного волокна, резервуар для хранения, содержащий проклеивающее средство, и режущее устройство для резки углеродного волокна, часть для изготовления листа включает в себя рулон листа для подачи листа-носителя и часть нанесения смолы, содержащую смолу, наносимую на поверхность листа-носителя, и проклеивающее средство и смола включают в себя одно и то же соединение.
Резервуар для хранения может включать в себя множество роликов, и это множество роликов может быть расположено поочередно вертикально один над другим в направлении глубины резервуара для хранения.
Каждая из части для предварительной обработки волокна и части для изготовления листа может включать в себя сушильную печь.
Другие особенности и аспекты станут очевидными из следующего подробного описания, чертежей и формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 представляет собой поперечное сечение устройства для изготовления препрега углеродного волокна в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.2 представляет собой поперечное сечение препрега углеродного волокна, изготовленного в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.3 показывает полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM) фотографии поперечных сечений препрегов углеродного волокна, изготовленных в соответствии с Примером (A) и Сравнительным примером (B) настоящего изобретения.
Во всех чертежах и в подробном описании, если явно не указано иное, одинаковые ссылочные позиции относятся к одинаковым элементам, особенностям и структурам. Относительный размер и изображение этих элементов могут быть преувеличены для ясности, иллюстрации и удобства.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
В дальнейшем варианты осуществления настоящего изобретения будут подробно описаны со ссылкой на сопутствующие чертежи, так, чтобы оно могло быть легко осуществлено специалистом в данной области техники. Следует понимать, что настоящее изобретение не ограничивается вариантами осуществления, сформулированными в настоящем документе, и может быть воплощено во многих различных формах.
Любые избыточные описания известных частей будут опущены для простоты, и одинаковые ссылочные озиции относятся к одинаковым элементам во всем описании.
Размеры и толщины элементов на чертежах могут быть преувеличены для удобства описания. Другими словами, поскольку размеры и толщины компонентов на чертежах проиллюстрированы произвольно для удобства описания, следующие варианты осуществления не ограничиваются ими. На чертежах толщины различных слоев и областей увеличены для ясности, и толщины некоторых слоев и областей преувеличены для удобства описания.
В данном описании, если явно не указано иное, слово «содержать» и его вариации, такие как «содержит» или «содержащий», должны пониматься как подразумевающие включение указанных элементов, но не исключающие включения любых других элементов.
Далее способ и устройство для изготовления препрега углеродного волокна в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения будут подробно описаны со ссылкой на Фиг.1.
Фиг.1 представляет собой поперечное сечение устройства для изготовления препрега углеродного волокна в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
Показанное на Фиг.1 устройство для изготовления препрега углеродного волокна в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения включает в себя часть 1000 для предварительной обработки волокна и часть 2000 для изготовления листа.
Сначала будет подробно описана часть 1000 для предварительной обработки волокна.
Часть 1000 предварительной обработки волокна в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения выполнена с возможностью проклеивать углеродное волокно 13, которое будет содержаться в препреге углеродного волокна, и может включать в себя рулон 10 смотанного углеродного волокна 13, резервуар 100 для хранения проклеивающего средства 50, первую сушильную печь 200 и режущее устройство 300 для нарезки проклеенного углеродного волокна 15.
Для удобства иллюстрации Фиг.1 показывает только один рулон 10 волокна, на котором намотано углеродное волокно 13, но может быть предусмотрено множество рулонов 10.
Углеродное волокно 13, намотанное на рулон 10, может быть углеродным волокном 13, которое было подвергнуто проклеиванию более одного раза для того, чтобы собрать его непрерывные элементарные волокна в пряди.
Углеродное волокно 13, намотанное на рулон 10, может подаваться в резервуар 100 для хранения, содержащий проклеивающее средство, и может быть подвергнуто обработке проклеивания.
Резервуар 100 для хранения может включать в себя проклеивающее средство 50 для обработки проклеивания углеродного волокна 13 и множество роликов 110a, 110b и 110c для того, чтобы позволить проклеивающему средству 50 легко впитываться между непрерывными элементарными волокнами углеродного волокна 13 за счет распределения прядей углеродного волокна.
Множество роликов 100a, 100b, и 100c может быть расположено поочередно вертикально один над другим в направлении глубины резервуара 100 для хранения.
Для удобства иллюстрации Фиг.1 показывает первый ролик 100a и третий ролик 100c, расположенные относительно низко, и второй ролик 100b, расположенный относительно высоко между первым роликом 100a и третьим роликом 100c, но по мере необходимости может быть предусмотрен дополнительный ролик.
Проклеивающее средство 50 в резервуаре 100 для хранения может включать в себя ту же самую смолу, что и смола, используемая при изготовлении препрега углеродного волокна, которая будет описана позже.
Проклеивающее средство 50 может включать в себя по меньшей мере одно из сложного эфира винилового спирта, ненасыщенного полиэфира и эпоксида.
Обработка проклеивания углеродного волокна 13 в резервуаре 100 для хранения может выполняться так, чтобы углеродное волокно 13 было в 1,2-5 раз более широким, чем ширина углеродного волокна 13, подаваемого в резервуар 100 для хранения, и тем самым проклеивающее средство 50 может равномерно впитываться между непрерывными элементарными волокнами углеродного волокна 13.
Когда углеродное волокно 13 распределяется так, чтобы оно было менее чем в 1,2 раза более широким, чем первоначальная ширина углеродного волокна 13, проклеивающему средству 50 может быть трудно равномерно впитываться между непрерывными элементарными волокнами углеродного волокна 13, а когда углеродное волокно 13 распределяется так, чтобы оно было более чем в 5 раз более широким, чем первоначальная ширина углеродного волокна 13, растяжение углеродного волокна 13 увеличивается, и углеродное волокно 13 может быть повреждено, что может привести к ухудшению физических свойств или к проблемам в процессе.
Количество проклеивающего средства 50, наносимого на углеродное волокно 13 во время обработки проклеивания углеродного волокна 13, может составлять 1-10 мас.% по общей массе углеродного волокна 13.
Причина этого заключается в том, что, когда проклеивающее средство 50 наносится в количестве меньше чем 1 мас.%, адгезию к смоле препрега углеродного волокна или эффективность резания препрега углеродного волокна становится трудно улучшить, а когда проклеивающее средство 50 наносится в количестве больше чем 10 мас.%, становится трудно высушить нанесенное проклеивающее средство 50, и высушенное углеродное волокно 15 может быть разрушено благодаря его ухудшенной гибкости.
Углеродное волокно 13, покрытое проклеивающим средством 50 в резервуаре 100 для хранения, может быть высушено при его прохождении через первую сушильную печь 200.
Проклеенное углеродное волокно 15, прошедшее через первую сушильную печь 200, может быть передано к режущему устройству 300 и нарезано до размера, подходящего для процесса изготовления препрега углеродного волокна, а затем кусочки углеродного волокна 15 могут быть поданы в часть 2000 изготовления листа.
В этом случае углеродное волокно 15 может быть нарезано до длины 1-10 см.
Далее будет подробно описана часть 2000 для изготовления листа.
Часть 2000 для изготовления листа в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения включает в себя рулон 20 первого листа для подачи первого листа-носителя 23, часть 25 нанесения первой смолы 27 на поверхность первого листа-носителя 23, рулон 30 второго листа для подачи второго листа- носителя 33, часть 35 нанесения второй смолы 37 на поверхность второго листа-носителя 33, вторую сушильную печь 400 и выходной резервуар 500 для извлечения изготовленного препрега 50 углеродного волокна.
Первый лист 23 носителя, намотанный на рулон 20 первого листа, может быть покрыт первой смолой 27 на его поверхности при его прохождении через часть 25 нанесения первой смолы, а затем покрытый первый лист-носитель 23 может быть подан в часть 2000 для изготовления листа.
Углеродные волокна 17, нарезанные в режущем устройстве 300, могут быть распылены на первый лист-носитель 23, покрытый первой смолой 27, и пропитаны первой смолой 27.
Затем второй лист-носителя 33, намотанный на рулон 30 второго листа, может быть покрыт второй смолой 37 на его поверхности при его прохождении через часть 35 для нанесения второй смолы, а затем покрытый второй лист-носителя 33 может быть подан в часть 2000 изготовления листа.
В этом случае первая смола 27 и вторая смола 37 могут подаваться на поверхность и объединяться друг с другом, и первая смола 27 и вторая смола 37 могут быть одной и той же смолой или различными смолами.
Первая смола 27 и вторая смола 37 могут включать в себя одно и то же соединение в качестве описанного выше проклеивающего средства 50, и могут включать в себя по меньшей мере одно из сложного эфира винилового спирта, ненасыщенного полиэфира и эпоксида.
Лист 45, в котором первый лист-носитель 23 и второй лист-носитель 33 объединены вместе один на другом, может быть сформирован таким образом, что нарезанные углеродные волокна 17 пропитываются первой смолой 27 и второй смолой 37 между первым листом-носителем 23 и вторым листом 33, как показано на Фиг.2.
Лист 45 может быть передан во вторую сушильную печь 400 и высушен.
Вторая сушильная печь 400 может дополнительно включать в себя некоторую структуру, такую как ремень 420, для прессования листа 45 в соответствии с потребностью.
Лист 45 может быть высушен до полувулканизованного состояния во второй сушильной печи 400, и препрег 50 углеродного волокна может быть изготовлен посредством процесса сушки во второй сушильной печи 400 и сохранен в выходном резервуаре 500.
Далее структура и эффект настоящего изобретения будут подробно описаны с использованием примера и сравнительного примера. Однако представленный пример предназначен лишь для дополнительной иллюстрации настоящего изобретения, и область охвата настоящего изобретения не ограничивается этими примерами.
Пример
Препрег углеродного волокна был приготовлен с использованием устройства для изготовления препрега углеродного волокна по настоящему изобретению, показанного на Фиг.1.
В этом случае использовалось углеродное волокно, которое уже было подвергнуто проклеивающей обработке, и проклеивающее средство и смолы были приготовлены с применением сложных эфиров винилового спирта тем же самым образом. Кроме того, количество проклеивающего средства, нанесенного на углеродное волокно, составило 5 мас.% по массе углеродного волокна, а длина нарезанного углеродного волокна была установлена равной 2 дюймам.
Сравнительный пример
Препрег углеродного волокна был приготовлен тем же самым образом, что и в Примере, за исключением того, что углеродное волокно не проходило через часть предварительной обработки волокна, и проклеивание не выполнялось.
Экспериментальный пример
(1) Измерение адгезии
Граничная адгезия между смолой и углеродным волокном препрегов углеродного волокна, подготовленных в соответствии с Примером и Сравнительным примером, была подтверждена с помощью межслоевой прочности при сдвиге и фотографии поперечного сечения, полученной с использованием сканирующего электронного микроскопа (SEM).
(2) Измерение механических и физических свойств
Прочность на изгиб и ударная прочность по Шарпи измерялись как механические и физические свойства препрегов углеродного волокна, подготовленных в соответствии с Примером и Сравнительным примером, причем прочность на изгиб измерялась в соответствии с японским промышленным стандартом JIS K6911, а ударная прочность по Шарпи измерялась в соответствии с японским промышленным стандартом JIS K7077.
(3) Измерение дисперсии углеродных волокон
Для того, чтобы измерить дисперсию углеродного волокна, полученного после предварительной обработки углеродных волокон, содержащихся в препреге углеродного волокна, подготовленном в соответствии с Примером и Сравнительным примером, препрег углеродного волокна был нарезан в размер 50 см × 50 см, поверхность нарезанного препрега углеродного волокна была разделена на 9 частей, как показано ниже, и было измерено объемное содержание углеродного волокна в каждой части.
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
Результаты показаны в Таблице 1, Таблице 2 и на Фиг.3.
Таблица 1
Прочность на изгиб (МПа)
Ударная вязкость (кДж/м<sup>2</sup>)
Межслоевая прочность при сдвиге (МПа)
<u>Пример</u>
440
89
47
Сравнительный пример
362
82
43
Таблица 2
Пример (мас.%)
Сравнительный пример (мас.%)
(1)
31,3
28,9
(2)
30,1
26,9
(3)
31,9
27,2
(4)
30,9
29,9
(5)
29,9
31,6
(6)
31,2
27,8
(7)
31,6
29,1
(8)
30,1
28,1
(9)
31,2
27,8
Среднее
30,9
28,6
Отклонение
0,7
1,5
Во-первых, как показано в Таблице 1 и на Фиг.3, было подтверждено, что препрег углеродного волокна в соответствии с Примером имел улучшенную адгезию между углеродным волокном и смолой по сравнению с препрегом углеродного волокна в соответствии со Сравнительным примером, и соответственно его механические и физические свойства были превосходными.
В дополнение к этому, как показано в Таблице 2, было подтверждено, что содержание углеродного волокна в каждой части препрега углеродного волокна в соответствии с Примером было равномерно распределено по сравнению с препрегом углеродного волокна в соответствии со Сравнительным примером.
В соответствии с вышеописанным способом и устройством для изготовления препрега углеродного волокна в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения возможно улучшить адгезию и дисперсию между углеродным волокном и смолой, и достичь превосходных механических и физических свойств.
Ряд примеров были описаны выше. Тем не менее, следует понимать, что могут быть сделаны различные модификации. Например, подходящие результаты могут быть достигнуты, если описанные методики выполняются в различном порядке, и/или если компоненты в описанной системе, архитектуре, устройстве или схеме объединяются другим способом и/или заменяются или дополняются другими компонентами или их эквивалентами. Соответственно, другие реализации находятся в пределах области охвата следующей формулы изобретения.
ССЫЛОЧНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
1000: часть для предварительной обработки волокна;
2000: часть для изготовления листа;
10: рулон волокна;
100: резервуар для хранения;
200: первая сушильная печь;
300: режущее устройство;
20: рулон первого листа;
30: рулон второго листа;
400: вторая сушильная печь;
500: выходной резервуар.