路明哲，陳 霞，丁士超，汪 軍，王 姜，張玉澤

(1.東華大學(xué)，上海 201620；2.上海海關(guān)工業(yè)品與原材料檢測技術(shù)中心，上海 200135)

0 引言

碳纖維作為一種新型無機纖維材料，具有高強高模、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)異性能。目前，碳纖維主要的應(yīng)用方式是以長絲形式作為增強材料，與樹脂、金屬、陶瓷等復(fù)合，制造成先進復(fù)合材料[1]。隨著碳纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用，廢棄碳纖維不斷增多，許多經(jīng)過處理、從復(fù)合材料中回收的碳纖維長絲會變成短纖維[2]。但是，碳纖維卻很少以短纖維的形式(簡稱“碳短纖”)被應(yīng)用，特別是在傳統(tǒng)紡紗領(lǐng)域中，這是由于碳纖維具有硬脆特性，難以梳理成條[3]。梳理和成條是影響纖維成紗質(zhì)量的重要因素，改善碳短纖梳理時易斷裂的問題，為碳短纖成條和紡紗提供基礎(chǔ)，既能拓寬碳纖維的應(yīng)用方式，又能推動廢棄碳纖維回收再利用的發(fā)展。

筆者團隊在前人的研究基礎(chǔ)上，將柔性梳理的新理念應(yīng)用到碳纖維梳理工序中，自主設(shè)計出簡易的碳短纖梳理裝置，改善了碳纖維在梳理過程中易碎、易斷的問題，最大限度地減少碳纖維的損失,并將其安裝于快速成條儀上，實現(xiàn)碳短纖的梳理成條，為碳短纖成紗提供基礎(chǔ)。

1 碳纖維柔性梳理理念

由于碳纖維的石墨微晶結(jié)構(gòu)沿纖維的軸向擇優(yōu)排列，使碳纖維沿纖維軸向有很好的強度和模量，但其徑向強度和模量較弱；又因為現(xiàn)有生產(chǎn)工藝的不足，使碳纖維存在大量的裂紋、孔洞等缺陷，導(dǎo)致碳纖維的徑向強度進一步減弱，因此碳纖維屬于脆性材料[4]。傳統(tǒng)梳理針布用材料，多為優(yōu)質(zhì)碳素鋼或低合金鋼[5]，在梳理時會對碳短纖產(chǎn)生較大的壓力、切削力和剪切力，使碳短纖發(fā)生較大形變而斷裂。

梳理這類特殊的硬脆纖維，可以采用柔性梳理理念。傳統(tǒng)棉紡中的柔性梳理，是采用改良的鋼制梳理針布實現(xiàn)梳理質(zhì)量的高效提升[6-7]。但碳纖維的柔性梳理是指用模量和剛度較小的軟毛材料，如尼龍、滌綸等，對碳纖維進行梳理。由于軟毛材料的抗彎曲形變能力較弱，與碳短纖接觸時，二者均會產(chǎn)生形變，可減小軟毛材料對碳短纖的壓力。

2 簡易柔性梳理裝置的設(shè)計

結(jié)合傳統(tǒng)梳理機的機構(gòu)組成，可分析出碳短纖柔性梳理裝置應(yīng)具備的要素，即：有控制喂入纖維量和有握持作用的喂入裝置、起梳理作用的分梳機構(gòu)和剝離纖維的剝離齒[8]。

2.1 喂入裝置

如圖1所示，柔性梳理喂入裝置的鉗口形狀為楔形體，喂入口長度為55 mm、寬度為2 mm，組裝口長度為45 mm、寬度為30 mm。喂入口能夠?qū)⒗w維喂入軟毛中，較窄的喂入口能有效控制纖維喂入量和握持纖維的作用，能保證均勻的喂入量和較穩(wěn)定的纖維形態(tài)。

圖1 喂入裝置的設(shè)計圖和效果圖

2.2 分梳機構(gòu)

分梳機構(gòu)由軟毛片刷和轉(zhuǎn)軸組成，見圖2。分梳區(qū)域直徑為85 mm、寬度為60 mm，軟毛分梳輥直徑為80 mm、寬度為55 mm，能夠容納棉型或中長型纖維。由于纖維集合體中，各根碳纖維的狀態(tài)不同，且喂入被握持的時間有一定差異，故各根碳纖維的運動存在不同步性。當(dāng)被握持的碳纖維集合體被送入分梳區(qū)時，高速轉(zhuǎn)動的軟毛片刷對集合體前部分的纖維進行撥動分梳，并帶動這些不同狀態(tài)的碳纖維通過高速的切向運動向剝離齒轉(zhuǎn)移，從而消除其與后部纖維的聯(lián)系。由于狀態(tài)不同，同一區(qū)域內(nèi)的各根碳纖維在高速運動時，受到的作用力和運動方向的加速度不一致，致使碳纖維間的距離隨轉(zhuǎn)動增大，實現(xiàn)了一定程度的分梳效果；同時，在離心力和氣流的共同作用下，原料中的雜質(zhì)也會與纖維分離。

圖2 分梳機構(gòu)的設(shè)計圖和效果圖

2.3 剝離齒

剝離齒位于分梳區(qū)出口下沿，見圖3。

圖3 剝離齒的設(shè)計圖和效果圖

由于碳纖維直徑較小，而且軟毛片刷的軟毛之間存在一定的間隙，會有部分碳短纖存留在間隙中，故需要設(shè)計合適的剝離齒對存留在軟毛間隙中的碳短纖進行剝離，同時配合氣流，將碳短纖剝離并送入輸纖通道，進行后續(xù)的伸直、松解和成條。剝離齒略微上揚，便于插入軟毛片刷的間隙之中；剝離齒齒尖圓潤光滑，以減少對碳纖維的損傷。

柔性梳理裝置的裝配效果，見圖4。

圖4 柔性梳理裝置的裝配效果圖

3 簡易柔性梳理裝置的安裝

3.1 軟毛刷材料的選擇

柔性梳理區(qū)別于傳統(tǒng)梳理的關(guān)鍵在于梳理針布為軟毛材料。軟毛材料需要具有一定的彈性和耐磨性，既要保證長時間梳理，又要不易發(fā)生變形。軟毛的直徑要適當(dāng)大于碳短纖，軟毛直徑過小無法保證分梳效果，且軟毛間隙過多，會與碳短纖發(fā)生纏繞；直徑過大則梳理時會對碳纖維產(chǎn)生過大的負(fù)荷，加大碳短纖的斷裂。

目前，軟毛片刷的主要材料為天然毛料和人造纖維絲兩類。天然毛料包括豬鬃毛、馬毛和羊毛等，豬鬃毛和馬毛直徑大、硬度大，而羊毛彈性較差，均不適合梳理碳纖維。人造纖維絲主要包括尼龍、滌綸、PVC和PP等，一般直徑較小、更為柔軟，比較適合作為梳理脆性材料的毛刷。因尼龍絲的硬度、彈性和耐磨性優(yōu)于其他材料，故選擇尼龍絲作為簡易柔性梳理裝置的毛刷材料進行試驗。

3.2 梳理裝置的制作

利用SolidWorks軟件對簡易柔性梳理裝置殼體和轉(zhuǎn)軸等部件建模，選擇樹脂材料通過3D打印技術(shù)直接制作出來。

樹脂材料強度高、通用性強，較為堅硬耐用，且表面光滑，能夠減少碳纖維因裝置內(nèi)壁摩擦引起的損傷、斷裂；樹脂材料較為輕便，適于試驗研究以及后續(xù)裝置的安裝和改進。

3.3 梳理裝置的安裝

由張玉澤等人設(shè)計的試驗用快速成條儀，借鑒了轉(zhuǎn)杯紡紗器的結(jié)構(gòu)特點和成紗原理，利用超大直徑轉(zhuǎn)杯高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，使纖維凝聚并合成條[9]，能夠解決碳短纖剛度大、難以抱合凝聚的問題。因此，團隊研究決定通過快速成條儀將纖維原料直接制成纖維條子，簡化了復(fù)雜的梳理成條工序，減少了對纖維的損傷。

快速成條儀作為試驗用設(shè)備，用量極少，能解決原料數(shù)量和制備條件有限、無需大量試紡問題；其轉(zhuǎn)杯周長為1000 mm，能夠進行條子定量定長的研究，基本可以滿足碳短纖可紡性研究的需要。此外，快速成條儀在輸纖通道與分梳輥之間設(shè)計有觀測纖維分梳情況的窗口，可以將簡易柔性梳理裝置安裝于觀測窗口，既不影響原有分梳輥的功能，又可以利用設(shè)備的負(fù)壓氣流將喂入的碳短纖引入輸纖通道，使纖維進一步分離與伸直。在試紡條子的試驗中，采用纖維快速成條儀替換傳統(tǒng)工序中的開清棉機和梳棉機，實現(xiàn)對碳短纖的梳理和成條。

簡易裝置的軟毛片刷轉(zhuǎn)動由手鉆控制。手鉆的轉(zhuǎn)速控制比較方便，且可變轉(zhuǎn)速區(qū)間是連續(xù)的，最大轉(zhuǎn)速為1500 r/min。試驗時，轉(zhuǎn)速過高會使軟毛片刷離心力變大，從而導(dǎo)致在接觸碳短纖時產(chǎn)生的壓力和切削力變大，加重對碳短纖的損傷；轉(zhuǎn)速過低則不能保證良好的梳理效果，故手鉆轉(zhuǎn)速須合理。手鉆安裝效果見圖5。

圖5 手鉆安裝效果

4 梳理成條試驗

通過裝有簡易柔性梳理裝置的成條儀，對碳短纖進行梳理成條的試紡試驗。由于目前碳纖維多以長絲束的形式應(yīng)用，所以試驗需將碳纖維長絲束進行切斷，以得到試驗所需的碳短纖原料，同時也能模擬經(jīng)過回收處理技術(shù)而被切斷的廢棄碳纖維。

試驗選用東邦24K碳纖維長絲，處理得到的碳短纖原料雜質(zhì)很少，基本無需除雜；徑向排列緊密有序，僅需對其進行一定程度的橫向開松。簡易柔性梳理裝置梳理成條試驗工藝參數(shù)見表1。

表1 柔性梳理成條試驗的工藝參數(shù)

試驗選擇條子的制成率和15 mm短纖率作為評價條子質(zhì)量的參考指標(biāo)，以對比不同梳理方式對碳短纖梳理成條質(zhì)量的影響。

條子制成率指經(jīng)過快速成條儀制成的單根條子質(zhì)量與單次喂入碳短纖原料質(zhì)量之比。15 mm短纖率，為條子中纖維長度小于15 mm的碳短纖含量。在實際測試中，將單根條子均分為5段，從每段中隨機抽取200根碳纖維，進行長度統(tǒng)計。試驗共測試5根條子，通過25組樣本的數(shù)據(jù)計算出單根條子的15 mm短纖率的均值，以減小誤差。測試結(jié)果見表2和表3。

表2 傳統(tǒng)梳理條子制成率與15 mm短纖率測試結(jié)果

由表2和表3可得出，簡易柔性梳理裝置的條子制成率略高于傳統(tǒng)梳理的條子制成率，而條子的15 mm短纖率較傳統(tǒng)梳理有大幅度降低，說明柔性梳理裝置對碳短纖的損傷作用較小，能夠改善梳理成條中碳短纖的斷裂情況，提高碳短纖生條的質(zhì)量。

表3 柔性梳理條子制成率與15 mm短纖率測試結(jié)果

5 結(jié)語

筆者團隊結(jié)合前人對碳纖維的硬脆特性和纖維梳理的相關(guān)研究，設(shè)計出簡易碳短纖柔性梳理裝置，并選擇軟毛片刷材料將柔性梳理的理念應(yīng)用到碳纖維的梳理工序中，將柔性梳理裝置安裝在快速成條儀上，完成碳短纖的梳理成條。

柔性梳理理念適用于碳短纖的梳理，能夠改善梳理成條中碳短纖的斷裂問題，減少了碳短纖的損失。高質(zhì)量的碳短纖條子能夠為后續(xù)開發(fā)碳短纖紗線奠定基礎(chǔ)，也為可回收的碳短纖提供了再利用的途徑。