專利名稱：碳纖維的被包裝物的制作方法
本申請(qǐng)是1997年12月4日提交的題為“碳纖維的包裝件和碳纖維的被包裝物”的PCT/JP97/04447號(hào)發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
在一般工業(yè)用途，特別是在大型的結(jié)構(gòu)材料的成型方法，例如編織、絲束纏繞、拉擠成型等方法中所需的纖度高達(dá)100,000旦?，F(xiàn)在的狀況是為滿足上述要求，使用7,000～20,000旦左右的絲束合股后進(jìn)行成型。
針對(duì)這樣的現(xiàn)狀，如果有纖度高且重量增加的大包裝件，則具有在進(jìn)一步加工的設(shè)備上減少碳纖維的上機(jī)操作次數(shù)，使集束設(shè)備更緊湊等優(yōu)點(diǎn)，可以預(yù)計(jì)這在碳纖維使用方面很有益。
本發(fā)明的第1個(gè)目的是為滿足上述要求，特別以高纖度的碳纖維為對(duì)象，在使用時(shí)不發(fā)生故障和不便的前提下進(jìn)行卷取，以提供大包裝件和大被包裝物。
另一方面在合股成型時(shí)，由于合股的各絲束間留有空隙，可能發(fā)生樹脂含浸量不均勻的問題。
此外，將纖維上下層重疊極為困難，由于采用沿橫向并行排列，絲條的厚度即為合股各絲束，也就是7,000～20,000旦的厚度，這樣的話合股絲束厚度難以增加。特別是在制造大型并且厚度較大的成型物時(shí)，需要很多的層疊數(shù)量和纏繞數(shù)量，從成型所需時(shí)間方面看是不利的。
這也就是說，如果有絲束根數(shù)多、并且較厚的碳纖維包裝件，則具有減少在進(jìn)一步的加工設(shè)備上碳纖維的上機(jī)操作次數(shù)、成型時(shí)間縮短，及使集束設(shè)備更緊湊等優(yōu)點(diǎn)。
但是，碳纖維與一般有機(jī)纖維不同，因?yàn)槠錀钍夏Ａ繕O高、缺乏伸縮性，所以只能在極小的張力范圍內(nèi)進(jìn)行卷取。并且如張力過低，容易發(fā)生包裝件端面坍塌、在外力下變形、以及絲束層從筒管移動(dòng)滑出等問題；如張力過高，會(huì)造成卷取時(shí)絲束的損傷，及退繞性能的惡化，所以筒子卷裝的卷取條件的設(shè)定從技術(shù)方面很困難。
關(guān)于卷裝不易坍塌和退繞時(shí)不發(fā)生毛絲的碳纖維的包裝件，在特公昭62-46468號(hào)公報(bào)中已經(jīng)公開，其中提出了具有如下特征的包裝件，在將碳纖維以設(shè)定的卷繞比在筒管上卷繞成平端面型的包裝件時(shí)，上述絲束在卷繞開始和卷繞終了時(shí)的卷繞角分別為10°～30°和4°～12°，卷繞的絲束每橫向往復(fù)1～9次后，相對(duì)于已卷繞的絲束有絲束平均寬度的50～150％的錯(cuò)動(dòng)。這種包裝件即所謂“開式卷取”包裝件，其中絲束與絲束的重疊少，可防止退繞時(shí)出現(xiàn)毛絲和斷絲現(xiàn)象。但是在筒管的尺寸一定、所卷取的絲束數(shù)量即纖度較大、且絲束的厚度大的場(chǎng)合，如采用開式卷取，則由于絲束與絲束的重疊部分形成大的空間，以及卷繞面出現(xiàn)大的凹凸，使卷裝密度下降，包裝件變得松軟，在卷繞張力和作用在卷繞面上的壓力(面壓)下，容易發(fā)生絲束向兩端擠出，而造成端面凸出。在運(yùn)送這樣的包裝件時(shí)會(huì)發(fā)生卷裝坍塌，而且由于包裝件端面的凸出量超過了筒管的長度，在進(jìn)一步上機(jī)加工操作時(shí)，可能發(fā)生損傷絲束的問題。
本發(fā)明的第2個(gè)目的是著眼于上述問題，從根本上改變包裝件的卷裝形態(tài)，特別是針對(duì)高纖度的碳纖維絲束，提供卷裝密度高、卷裝不易坍塌的，具有最佳形態(tài)的包裝件。
本發(fā)明的碳纖維包裝件的第2種形態(tài)是將纖度為25,000旦以上的碳纖維進(jìn)行卷取形成空心包裝件。包裝件的外徑(Dmm)，包裝件的內(nèi)徑(dimm)以及卷繞寬度(Lmm)滿足下列數(shù)據(jù)，di≥50，20≤(D-di)/2≤400，以及
0.05≤(D-di)/2L≤0.7。
本發(fā)明的碳纖維包裝件的第3種形態(tài)是將纖度為25,000旦以上的碳纖維絲，卷取在筒管上以使單位纖度的絲束寬度為0.15×10-3～0.8×10-3mm/旦，而形成的平端面型包裝件，并具有卷繞開始和卷繞終了時(shí)的卷繞角分別在10°～30°、3°～15°的范圍內(nèi)、卷繞比W中的小數(shù)Wo在0.12～0.88的范圍內(nèi)。
另外，本發(fā)明提供將纖度為25,000旦以上的連續(xù)碳纖維以0.03～1.2g/cm3的平均體積密度裝入容器內(nèi)的碳纖維被包裝物。
另外，卷取的碳纖維最好是基本上未加捻的絲束。加捻后不易以高卷取密度進(jìn)行卷取，還可能由于張力不勻造成在筒管上的絲束松弛、纏繞、及退繞時(shí)的故障。這里“基本上未加捻”是指每米中的捻數(shù)為1以下。
在碳纖維被包裝物中存放的碳纖維最好也是基本上未加捻的絲束。
對(duì)本發(fā)明中的碳纖維自身的特性沒有特別的限制，例如拉伸強(qiáng)度可在200～700kgf/mm2范圍內(nèi)，拉伸模量可在15～50tf/mm2范圍內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明的碳纖維包裝件，作為25,000旦以上，較好的是30,000旦以上，更好的是將40,000～100,000旦的粗大的碳纖維束卷取成為筒子包裝件或空心包裝件的形態(tài)。這種粗大的碳纖維束中的纖維數(shù)目一般在27,000根以上，較好的在40,000根以上，更好的在55,000～150,000根。
在筒子包裝件的場(chǎng)合，如使用纖度為25,000旦以上的粗的碳纖維進(jìn)行卷取，在包裝件的外徑(Dmm)、筒管直徑(dmm)和卷繞寬度(Lmm)的關(guān)系中，筒管直徑d如小于50mm，則會(huì)因?yàn)榘b件最內(nèi)層碳纖維的曲率過小，而出現(xiàn)退繞時(shí)，由于張力拉伸碳纖維，容易產(chǎn)生掛絲和斷絲。在進(jìn)一步上機(jī)加工時(shí)，也容易發(fā)生故障。在纖維根數(shù)多的粗碳纖維的場(chǎng)合，由于絲束厚度變厚，更容易發(fā)生這個(gè)問題。另外，由于卷取時(shí)卷繞角的增大，也容易發(fā)生表面凹凸不平的問題。另一方面，如筒管直徑d大于200mm，則筒管內(nèi)部的空間變大，在筒子卷裝時(shí)存在著碳纖維所占體積的體積效率低的問題。
此外，卷取厚度即(D-d)/2小于20mm時(shí)，作為大包裝件沒有意義。如果超過400mm，包裝件會(huì)過大過重，帶來裝卸時(shí)的困難。
進(jìn)一步，卷取厚度與卷繞寬度之比即(D-d)/2L小于0.05時(shí)，會(huì)造成卷取的碳纖維量太少。如為了確保卷取的碳纖維量而將卷繞寬度異常地增大，會(huì)造成使用上的不方便。如(D-d)/2L大于0.7，則包裝件端部的卷繞角度增大，而容易發(fā)生包裝件坍塌。
所以，在根據(jù)本發(fā)明的筒子包裝件的碳纖維包裝件中，規(guī)定下述范圍d≥50，最好是200≥d≥50，20≤(D-d)/2≤400，最好是50≤(D-d)/2≤400，以及0.05≤(D-d)/2L≤0.7。
另一方面，在空心包裝件的場(chǎng)合，同樣地使用纖度為25,000旦以上的碳纖維進(jìn)行卷取，以形成包裝件時(shí)，包裝件的外徑(Dmm)、包裝件的內(nèi)徑(dimm)(即為了形成包裝件而使用、在包裝件形成后拔出的筒管的直徑)、及卷繞寬度(Lmm)被設(shè)定成滿足下述關(guān)系di≥50，最好是200≥di≥50，20≤(D-di)/2≤400，最好是50≤(D-di)/2≤400，以及0.05≤(D-di)/2L≤0.7。
此外，在與本發(fā)明有關(guān)的碳纖維被包裝物中，是將上述纖度在25,000旦以上的連續(xù)碳纖維在特定的體積密度的范圍內(nèi)，即平均體積密度為0.03～1.2g/cm3，最好是在0.2～0.9g/cm3的范圍內(nèi)裝入紙板箱等容器內(nèi)。
體積密度可以通過將容器內(nèi)裝入的碳纖維的重量除以上述碳纖維所占的表觀體積而得到。例如在以長方體的紙板箱做為容器裝入碳纖維時(shí)，將裝入的碳纖維的重量除以根據(jù)碳纖維填充后達(dá)到的高度而得到的表觀體積即可得到體積密度。可以通過自固定輥向置于裝有往復(fù)機(jī)構(gòu)的設(shè)備上的紙板箱內(nèi)搖擺布絲這樣的具體方法來制造體積密度為0.03～1.2g/cm3的被包裝物。往復(fù)機(jī)構(gòu)可以是沿著鋸齒狀軌跡移動(dòng)，或者沿著容器底面的形狀移動(dòng)的機(jī)構(gòu)。如果體積密度不足0.03g/cm3會(huì)造成包裝效率低下。如超過1.2g/cm3，則會(huì)由于絲束擠壓過緊，而引起碳纖維自容器拉出時(shí)退繞不良。
這樣，對(duì)于被包裝物，也可以大量包裝粗的碳纖維，這可為進(jìn)一步上機(jī)加工提供在形態(tài)上非常便于使用的粗的碳纖維。
本發(fā)明的碳纖維包裝件的第3種形態(tài)中，最好使正在卷繞的絲束在每橫向往復(fù)1～9次后，相對(duì)于在其內(nèi)層的已卷繞的絲束錯(cuò)動(dòng)絲束平均寬度的10～70％。
這第3種形態(tài)的碳纖維包裝件以下述方法制造在將纖度為25,000旦以上的碳纖維絲束以單位纖度的絲束寬度為0.15×10-3～0.8×10-3mm/旦的方式卷繞在筒管上，形成平端面型包裝件時(shí)，卷繞開始和卷繞終了時(shí)的卷繞角分別在10°～30°和3°～15°的范圍內(nèi)，卷繞比W中的小數(shù)Wo在0.12～0.88的范圍內(nèi)。在這種方法中，也希望使正在卷繞的絲束在每橫向往復(fù)1～9次后相對(duì)于已卷繞的絲束錯(cuò)動(dòng)絲束平均寬度的10～70％。
在本發(fā)明中的碳纖維絲的纖度是以單絲的纖度(旦)×單纖維的根數(shù)來表示的。在上面敘述中，只籠統(tǒng)地要求纖度超過25,000旦，但通常為了發(fā)揮其做為增強(qiáng)纖維的性能，單絲纖度一般為0.2～0.9旦。所以單纖維的根數(shù)在28,000根以上。
可以采用下述方法使卷取的碳纖維絲束的纖度達(dá)到25,000旦以上，該方法包括以高旦數(shù)的先行纖維作為起始材料的方法，將幾條具有單纖維的根數(shù)較少的先行纖維在燒成工序中通過卷繞機(jī)合絲直至卷裝結(jié)束的方法，將已經(jīng)做為碳纖維卷取的絲束自筒子架邊引出合絲，邊實(shí)行卷取的方法。但是，使用方法不受以上限制。
可通過不同方法將絲束寬度限制在0.15×10-3～0.8×10-3mm/旦，但一般通過使絲束與開槽的輥，固定導(dǎo)絲器或類似物相接觸的方法和對(duì)絲束加上漿劑，以限制單絲移動(dòng)的方法，或類似的方法相組合加以實(shí)施。另外，絲束寬度是間隔10m測(cè)定5個(gè)點(diǎn)的平均值。在本發(fā)明中，因?yàn)樗砣〉奶祭w維絲旦數(shù)較高，所以選擇上述范圍以外的絲束寬度實(shí)際上很困難。
可以用以下具體方法對(duì)上述高旦數(shù)的厚碳纖維束進(jìn)行卷取。例如，將卷取用筒管裝在卷繞機(jī)的卷繞軸上，并列使用數(shù)根與卷繞軸平行進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)的外徑為5～30mm的自由旋轉(zhuǎn)輥?zhàn)鰹闄M動(dòng)往復(fù)導(dǎo)絲器，將碳纖維束經(jīng)過橫動(dòng)導(dǎo)絲器進(jìn)行卷取。這時(shí)，如卷繞開始時(shí)的卷繞角不足10°，特別是低于5°(卷繞終了時(shí)卷繞角不足3°，特別是低于2°)；則容易引起包裝件坍塌和絲束受損。比較理想的卷繞開始的卷繞角的范圍是12°～17°，卷繞終了時(shí)卷繞角范圍是4°～7°。
在使用上述卷繞機(jī)在所設(shè)定的卷繞比下對(duì)上述碳纖維絲束進(jìn)行卷取時(shí)，希望卷繞絲束在筒管上均勻分布。決定在筒管上絲束位置的均勻性的是筒管轉(zhuǎn)數(shù)與橫動(dòng)往復(fù)速度之比，即卷繞比。具體地，卷繞比W如下式所示W(wǎng)＝2L/(πDotanθ)式中L是卷繞機(jī)的橫動(dòng)導(dǎo)絲器相對(duì)于筒管基本上平行往復(fù)移動(dòng)的行程，即橫動(dòng)往復(fù)移動(dòng)寬度(mm)，Do為筒管外徑(mm)，θ是卷繞開始時(shí)的卷繞角。
卷繞比為整數(shù)時(shí)，橫動(dòng)往復(fù)一次后絲束的位置會(huì)與以前的絲束完全重疊，如與整數(shù)偏離，則與其值相對(duì)應(yīng)地，橫動(dòng)往復(fù)一次后的位置會(huì)與以前的絲束出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)。卷繞比為整數(shù)的場(chǎng)合，絲束在完全相同的位置上持續(xù)進(jìn)行卷取，因而形成絲束局部化不均勻，而且卷裝密度低這種包裝件容易發(fā)生坍塌。
為了使所卷取的絲束在筒管上均勻地分布，可以令自整數(shù)偏離的小數(shù)，即卷繞比W中的小數(shù)Wo在0.12～0.88的范圍內(nèi)取值。如在這個(gè)范圍內(nèi)，則每次橫動(dòng)往復(fù)后，絲束位置可被非常精確地加以變動(dòng)，因而可以制做卷裝密度高的包裝件。當(dāng)Wo低于0.12或超過0.88時(shí)，由于與上述的整數(shù)相接近會(huì)造成絲束在筒管上局部化，形成卷裝密度低，且易于坍塌的包裝件。
另外，一邊橫動(dòng)往復(fù)一邊卷繞在筒管上的絲束每經(jīng)過數(shù)次的往復(fù)即重疊在幾乎相同的位置上，此時(shí)相對(duì)于下面絲束(已經(jīng)卷在內(nèi)側(cè)的絲束)，上面絲束的錯(cuò)動(dòng)寬度稱為絲束錯(cuò)動(dòng)距離，此距離與下邊絲束寬度之比稱絲束錯(cuò)動(dòng)量。在本發(fā)明中的高旦數(shù)且較厚的碳纖維的包裝件中，絲束錯(cuò)動(dòng)量也很重要。當(dāng)絲束錯(cuò)動(dòng)量超過70％時(shí)，絲束與絲束間未重疊部分的比例增大，這些部分就留下空間。因此，包裝件的卷裝密度下降，由于張力和面壓力的擠壓，使包裝件端部凸出，卷取時(shí)端部發(fā)生坍塌，即使可以卷取成為包裝件，也可能在輸送時(shí)出現(xiàn)端部坍塌。反之，在絲束錯(cuò)動(dòng)量小于10％的場(chǎng)合，上下絲束的重疊面積過大，上下絲束的毛絲互相纏繞、由于上漿劑的粘合可能造成退繞時(shí)出現(xiàn)毛絲和斷絲現(xiàn)象。絲束錯(cuò)動(dòng)量所希望的范圍是20～50％。
在使用普通的卷繞機(jī)，用筒管來卷取這樣高旦數(shù)的碳纖維時(shí)，絲束錯(cuò)動(dòng)量可以通過在上述內(nèi)容中決定的卷繞比和絲束寬度來確定，確定方法可以與特公昭62-46468號(hào)公報(bào)中敘述的方法相同。下面利用更具體的實(shí)施例說明本發(fā)明。
從實(shí)施例4的結(jié)果可以明白，在滿足本發(fā)明所要求的條件后(特別地，在水準(zhǔn)2中卷繞比的小數(shù)部分)，即使碳纖維束的纖度很高，也可得到卷裝密度、卷裝外形、退繞性能都非常良好的包裝件。比較例5(水準(zhǔn)10、11)將纖度為7,200旦(單纖維根數(shù)12,000根)的碳纖維束的絲束寬度保持在7mm，并在具有與實(shí)施例1相同的內(nèi)徑和長度的紙筒管上卷取，制成卷繞寬度為250mm，平端面型的包裝件。通過如表3所示的改變卷繞比后，獲得包裝件的外形，卷裝密度及從側(cè)面退繞時(shí)的退繞特性。任一包裝件的外形和退繞特性都變差。表1
表2
表3
在產(chǎn)業(yè)上應(yīng)用的可能性根據(jù)本發(fā)明的碳纖維包裝件，可將高纖度的碳纖維制成在使用時(shí)不發(fā)生故障的、適當(dāng)大小的筒子包裝件或空心包裝件，因而可以根據(jù)需求提供具有極方便的形態(tài)，且價(jià)格便宜的高旦數(shù)碳纖維。
此外，根據(jù)本發(fā)明的碳纖維被包裝物，可將高纖度的碳纖維在使用時(shí)不發(fā)生故障的前提下大量地裝入容器，因而與上述包裝件相同，可以根據(jù)需求提供具有極方便的形態(tài)，且價(jià)格便宜的高旦數(shù)碳纖維。
進(jìn)一步根據(jù)本發(fā)明，可以特別地將高纖度的碳纖維束在高卷裝密度的前提下卷取成為具有好的包裝件外形，不容易發(fā)生坍塌，且退繞性能良好的所希望的包裝件。
權(quán)利要求
1.一種碳纖維的被包裝物，其特征是將纖度為25,000旦以上的連續(xù)碳纖維在平均體積密度為0.03～1.2g/cm3的范圍內(nèi)裝入容器。
全文摘要
將纖度至少為25,000旦以上的碳纖維制成筒子或空心包裝件。包裝件的外徑、筒管直徑或包裝件內(nèi)徑,以及卷繞寬度在特定范圍內(nèi)。平端面型包裝件有單位纖度的絲束寬度、卷繞起始和卷繞終了時(shí)的卷繞角、以及卷繞錯(cuò)動(dòng)量在特定范圍內(nèi)。碳纖維被包裝物的平均體積密度在特定范圍內(nèi)。在使用中未發(fā)生故障和缺陷,可達(dá)到高的卷裝密度,且不易發(fā)生包裝件坍塌現(xiàn)象。
文檔編號(hào)B65H55/04GK1377820SQ0211883
公開日2002年11月6日 申請(qǐng)日期1997年12月4日 優(yōu)先權(quán)日1996年12月5日
發(fā)明者遠(yuǎn)藤真, 森川春樹, 山本榮一, 水上誠二 申請(qǐng)人:東麗株式會(huì)社