一种35-50k
碳纤维板材的生产工艺及碳纤维板材
技术领域
1.本发明属于利用大丝束碳纤维加工制造风电叶片的技术领域，具体地说，涉及一种35-50k碳纤维板材的生产工艺及碳纤维板材。
背景技术：
2.随着风电相关产业的技术不断升级，目前风电叶片的长度越来越长，生产制造难度也越来越大。如何在保证风电叶片的强度较高的前提下，减轻风电叶片的重量，同时降低风电叶片的生产成本成了目前厄待解决的技术问题。
3.针对上述问题，由于碳纤维复合材料具有高强度、高模量、高抗疲劳性能等优异的特点，因此，目前风电叶片可由碳纤维复合材料制成。具体包括：将碳纤维
纱线进行分纱
─
集束
─
加热
─
浸胶
─
预成型
─
固化
─
后固化
─
切割
─
卷绕得到碳纤维板材。其中，采用的碳纤维多为25k以下的小丝束碳纤维；以25k碳纤维为例，制备风电叶片时需要采用大量的25碳纤维纱线，每一根碳纤维纱线均由约25000根碳纤维丝集束而成。
4.在上述生产制备过程中，为了保证风电叶片的强度较高，往往需要采用大量的小丝束碳纤维纱线才能制备得到符合强度要求的风电叶片，而由于碳纤维数量多，因此生产过程中碳纤维管理难度大，将大量的碳纤维纱线进行集束时，集束难度大，且形成的碳纤维纱线束均一性差，浸胶均一性也较差，甚至会出现浸胶不充分的现象，这就导致生产出来的碳纤维板材力学性能差、均一性差。此外，由于制备风电叶片时采用了大量的碳纤维纱线，会导致风电叶片的生产成本较高。
5.有鉴于此，特提出本发明。
技术实现要素：
6.本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种35-50k碳纤维板材的生产工艺及碳纤维板材，以实现生产制备力学性能优异、生产效率高、生产成本低的碳纤维板材，且由该碳纤维板材制成的风电叶片力学性能优异、重量轻、生产成本低的目的。
7.为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：生产工艺包括：s1、由纱架上的若干纱筒牵出若干碳纤维纱线，若干碳纤维纱线呈阵列分布，阵列包括若干阵列层，阵列层自中心由内向外依次记为第n、n+1
……
n+n层，至少存在第n+n-a层的相邻纱线之间的
间距大于第n+n-b层的相邻纱线之间的间距，其中a、b均大于等于0，且a＜b；s2、牵出的碳纤维纱线经过加热、浸胶、预成型、固化、后固化以及牵引得到碳纤维板材。
8.本发明采用35-50k的大丝束碳纤维生产制备碳纤维板材，减少了碳纤维纱线的使用根数，降低了碳纤维板材的生产成本，进一步降低了利用碳纤维板材制备风电叶片的成本。
9.本发明中，第n+n-a层的相邻纱线之间的间距大于第n+n-b层的相邻纱线之间的间距，也就是说外层纱线中相邻纱线之间的间距较大，内层纱线中相邻纱线之间的间距较小，这样碳纤维纱线在牵引、挤压生成板材的过程中，不易出现交叉错位的情况，使得由碳纤维纱线形成的碳纤维纱线束均一性好，该碳纤维纱线束浸胶后均一性也较好，更进一步地使得由该均一性好的碳纤维纱线束制成的碳纤维板力学性能均一稳定。
10.进一步地，
所述步骤s1中，阵列层包括若干横向阵列层和若干纵向阵列层，若干横向阵列层自中心由内向外依次记为第n
横
、n
横
+1
……n横
+n层，至少存在第n
横
+n-a层的相邻纱线之间的间距大于第n
横
+n-b层的相邻纱线之间的间距；或者，若干纵向阵列层自中心由内向外依次记为第n
纵
、n
纵
+1
……n纵
+n层，至少存在第n
纵
+n-a层的相邻纱线之间的间距大于第n
纵
+n-b层的相邻纱线之间的间距。
11.进一步地，所述步骤s1中，若干横向阵列层中，自中心由内向外相邻横向阵列层之间的间距依次记为第l
横
、l
横
+1
……
l
横
+n间距，至少存在第l
横
+n-a间距大于第l
横
+n-b间距；或者，若干纵向阵列层中，自中心由内向外相邻纵向阵列层之间的间距依次记为第l
纵
、l
纵
+1
……
l
纵
+n间距，至少存在第l
纵
+n-a间距大于第l
纵
+n-b间距。
12.进一步地，所述步骤s2包括：s21、将牵出的纱线按照每1-3根的方式进行集束；s22、将集束后的纱线加热、浸胶、预成型、固化以及牵引得到碳纤维板材。
13.本发明中，将牵出的纱线按照每1-3根的方式进行集束，使得碳纤维纱线束能够充分浸胶。
14.进一步地，所述步骤s22包括：s221、将集束后的纱线加热，加热后，将纱线纵向分层、横向排布；s222、随后将纱线牵引至浸胶槽浸胶，并进行预成型、固化以及牵引得到碳纤维板材；优选的，所述纵向分层包括：将纱线纵向分为4-8层；优选的，所述横向排布包括：牵引纱线穿过具有10-20个瓷眼的布纱器。
15.本发明中，横向上增加了碳纤维纱线的展宽，纵向上对碳纤维纱线进行了均匀的分层，使得碳纤维纱线能够以一定的展宽和多层排布的形式牵引至浸胶装置浸胶，进一步使得胶液能够充分分散于碳纤维纱线之间，保证了浸胶的充分性和均一性。
16.进一步地，浸胶槽内具有分层器，分层器由若干纵向间隔排布的导丝辊形成，所述步骤s222包括：将纵向分层后的纱线牵引到纵向间隔排布的导丝辊上并浸胶，浸胶后进行预成型、固化以及牵引得到碳纤维板材。
17.进一步地，浸胶槽包括进纱端和出纱端，所述分层器包括浸胶分层器和挤胶分层器，所述浸胶分层器设置在进纱端和出纱端之间，所述挤胶分层器的位置高于所述浸胶分层器设置在出纱端，所述步骤s222包括：s2221将纵向分层后的纱线先牵引到浸胶分层器的导丝辊上并浸胶；s2222随后再将纱线牵引到挤胶分层器的导丝辊上挤胶，挤胶后进行预成型、固化以及牵引得到碳纤维板材。
18.本发明中，碳纤维纱线牵引至浸胶分层器上，在浸胶分层器的分层和定位作用下，能够与胶液充分接触，避免出现碳纤维纱线堆叠在一起或浮出胶液外，导致浸胶效果差的现象。
19.本发明中，碳纤维纱线在牵引至出纱端时，受到浸胶分层器的导丝辊的挤压作用，将碳纤维纱线上多余的胶液挤回浸胶槽内，一方面避免了胶液的浪费，另一方面使得碳纤维纱线具有适量且均匀分布的胶液，保证了浸胶后的碳纤维纱线的均一稳定性。
20.进一步地，步骤s2221中相邻纱线层之间的间距大于所述步骤s2222中相邻纱线层之间的间距。
21.本发明中，浸胶分层器相邻导丝辊之间的间距较大，以保证导丝辊之间具有足量的胶液，进而保证浸胶的充分性；挤胶分层器相邻导丝辊之间的间距较小，以保证浸胶后的碳纤维纱线上多余的胶液能够被全部挤出。
22.优选的，步骤s2221中，分层后的纱线由导丝辊下方牵至导丝辊并由导丝辊下方牵离导丝辊；这样，分层后的纱线会被定位在对应导丝辊下方，避免了纱线浮出液面，降低浸胶效果。
23.优选的，步骤s2222中，纱线由导丝辊上方牵至导丝辊并由导丝辊上方牵离导丝辊；这样，使得浸胶后的碳纤维纱线能够卡在相邻的导丝辊之间，以保证浸胶后的碳纤维纱线上多余的胶液能够被全部挤出。
24.优选的，步骤s2221中，将纱线由浸胶槽进纱端倾斜向下牵引至浸胶分层器的导丝辊并浸胶，步骤s2222中，将纱线由浸胶槽底部向浸胶槽出纱端倾斜向上牵引至挤胶分层器的导丝辊。
25.本发明中，将纱线由浸胶槽进纱端倾斜向下牵引至浸胶分层器的导丝辊，以实现充分浸胶的目的；将纱线由浸胶槽底部向浸胶槽出纱端倾斜向上牵引至挤胶分层器的导丝辊，以便于将浸胶后纱线上的胶液挤出。
26.进一步地，所述步骤s2中的固化包括：控制碳纤维纱线依次在155-175℃、180-230℃、180-230℃温区进行固化；优选的，所述步骤s2中的后固化包括：控制将碳纤维板材逐步降温。
27.优选的，所述步骤s2中的牵引速度为35-60cm/min，牵引拉力为15-35kn。
28.本发明还提供一种35-50k碳纤维板材的生产设备，包括纱架和设置在纱架上的若干纱筒，若干所述纱筒呈阵列分布，阵列包括若干阵列层，阵列层自中心由内向外依次记为第n、n+1
……
n+n层，至少存在第n+n-a层的相邻纱筒之间的间距大于第n+n-b层的相邻纱筒之间的间距，其中a、b均大于等于0，且a＜b。
29.本发明采用35-50k的大丝束碳纤维生产制备碳纤维板材，减少了碳纤维纱线的使用根数，降低了碳纤维板材的生产成本，进一步降低了利用碳纤维板材制备风电叶片的成本。
30.本发明中，第n+n-a层的相邻纱筒之间的间距大于第n+n-b层的相邻纱筒之间的间距，也就是说外层纱筒中相邻纱筒之间的间距较大，内层纱筒中相邻纱筒之间的间距较小，这样由纱架上的纱筒牵出的碳纤维纱线在牵引、挤压生成板材的过程中，不易出现交叉错位的情况，使得由碳纤维纱线形成的碳纤维纱线束均一性好，该碳纤维纱线束浸胶后均一性也较好，更进一步地使得由该均一性好的碳纤维纱线束制成的碳纤维板力学性能均一稳
定。
31.进一步地，所述阵列层包括若干横向阵列层和若干纵向阵列层，若干横向阵列层自中心由内向外依次记为第n
横
、n
横
+1
……n横
+n层，至少存在第n
横
+n-a层的相邻纱筒之间的间距大于第n
横
+n-b层的相邻纱筒之间的间距；或者，若干纵向阵列层自中心由内向外依次记为第n
纵
、n
纵
+1
……n纵
+n层，至少存在第n
纵
+n-a层的相邻纱筒之间的间距大于第n
纵
+n-b层的相邻纱筒之间的间距。
32.进一步地，若干横向阵列层中，自中心由内向外相邻横向阵列层之间的间距依次记为第l
横
、l
横
+1
……
l
横
+n间距，至少存在第l
横
+n-a间距大于第l
横
+n-b间距；或者，若干纵向阵列层中，自中心由内向外相邻纵向阵列层之间的间距依次记为第l
纵
、l
纵
+1
……
l
纵
+n间距，至少存在第l
纵
+n-a间距大于第l
纵
+n-b间距。
33.优选的，所述纱架上具有用于安装若干所述纱筒的安装位，第n
纵
+n-a层纱筒每间隔2-3个安装位排布一个纱筒，第n
纵
+n-b层的纱筒每间隔1-2个安装位排布一个纱筒。
34.优选的，第n
纵
+n-a层的纱筒与第n
纵
+n-b层的纱筒错位排布。
35.本发明中，第n
纵
+n-a层的纱筒与第n
纵
+n-b层的纱筒错位排布，避免了牵引过程中纱线之间的交叉错位情况的发生，使得碳纤维纱线束均一性好，浸胶时，使得胶液能够充分浸入纱线之间，保证了浸胶的均一性。
36.进一步地，还包括与纱架依次设置的浸胶装置， 浸胶装置与纱架之间设置若干布纱器，若干布纱器依次纵向排布，所述布纱器上开设有若干横向排布、用于供纱线穿过的瓷眼，纱线自纱筒牵引至所述瓷眼。
37.本发明中，在纱架与浸胶装置之间设置纵向排布的若干布纱器，将碳纤维纱线牵引穿过布纱器上的横向排布的瓷眼，横向上增加了碳纤维纱线的展宽，纵向上对碳纤维纱线进行了均匀的分层，使得碳纤维纱线能够以一定的展宽和多层排布的形式牵引至浸胶装置浸胶，进一步使得胶液能够充分分散于碳纤维纱线之间，保证了浸胶的充分性和均一性。
38.进一步地，若干所述纱筒包括位于最上层的上层纱筒和位于最下层的下层纱筒，所述上层纱筒的纱线穿过位于上部的布纱器，所述下层纱筒的纱线穿过位于下部的布纱器，所述上层纱筒到上部布纱器的距离小于下层纱筒到下部布纱器的距离。
39.这种设置方式使得由上层纱筒、下层纱筒牵引出来的碳纤维纱线能够同步进入浸胶装置浸胶，保证了生产碳纤维板材的过程中浸胶的同步性，使得后续经过预成型、固化、后固化以及牵引得到的碳纤维板材力学性能均一稳定。
40.进一步地，布纱器上的若干所述瓷眼横向分层排布；优选的，相邻层的瓷眼错位排布；优选的，相邻所述布纱器上的瓷眼错位排布；优选的，布纱器上每一横行具有10-20个瓷眼。
41.本发明中，布纱器上的若干瓷眼横向分层排布，使得由每一个布纱器牵引出来的碳纤维纱线均能进行分层，进一步使得胶液能够充分分散于碳纤维纱线的层间。
42.相邻布纱器上的瓷眼错位排布，使得相邻碳纤维纱线之间的间距相等，进一步使得相邻碳纤维纱线束之间的胶液量基本相等，保证了浸胶的均一性。
43.进一步地，所述浸胶装置包括：浸胶槽，
分层器，设置在浸胶槽内位于浸胶槽槽壁的上方，由若干纵向间隔排布的导丝辊形成，由纱架牵引出来的纱线经过若干所述导丝辊进行分层，并在浸胶槽中浸胶。
44.本发明中，在浸胶槽内设置了分层器，使得牵引至浸胶槽中的碳纤维纱线在分层器的分层作用下，能够与浸胶槽中的胶充分接触，保证了浸胶的充分性。
45.进一步地，所述浸胶槽包括进纱端和出纱端，所述分层器包括浸胶分层器和挤胶分层器，所述浸胶分层器设置在进纱端和出纱端之间，所述挤胶分层器的位置高于所述浸胶分层器设置在出纱端；优选的，所述浸胶分层器相邻导丝辊之间的间距大于所述挤胶分层器相邻导丝辊之间的间距。
46.本发明的浸胶分层器设置在进纱端和出纱端之间，碳纤维纱线牵引至浸胶分层器上，在浸胶分层器的分层和定位作用下，能够与胶液充分接触，避免出现碳纤维纱线堆叠在一起或浮出胶液外，导致浸胶效果差的现象。
47.本发明的挤胶分层器的位置高于所述浸胶分层器设置在出纱端，使得碳纤维纱线在牵引至出纱端时，受到浸胶分层器的导丝辊的挤压作用，将碳纤维纱线上多余的胶液挤回浸胶槽内，一方面避免了胶液的浪费，另一方面使得碳纤维纱线具有适量且均匀分布的胶液，保证了浸胶后的碳纤维纱线的均一稳定性。
48.本发明中，浸胶分层器相邻导丝辊之间的间距较大，以保证导丝辊之间具有足量的胶液，进而保证浸胶的充分性；挤胶分层器相邻导丝辊之间的间距较小，以保证浸胶后的碳纤维纱线上多余的胶液能够被全部挤出。
49.优选的，所述浸胶槽为v形槽，所述浸胶分层器位于v形槽最低点的上方。
50.浸胶槽为v形槽，使得v形槽最低点对应的胶液深度较深，通过在v形槽最低点的上方设置浸胶分层器，使得碳纤维纱线能够在胶液深度较深的区域得到充分的浸胶，充分合理地利用了胶液，无需使用大量的胶液便能够实现对碳纤维纱线充分浸胶的目的。
51.优选的，所述浸胶槽进纱端的侧壁的坡度大于出纱端侧壁的坡度。
52.本发明中，浸胶槽进纱端的侧壁的坡度较大，使得碳纤维纱线能够以较短的时间较快的速度牵引至浸胶槽底部进行浸胶，保证了浸胶的速率较快；浸胶槽出纱端侧壁的坡度较小，使得碳纤维纱线在从出纱端牵出时，碳纤维纱线上的胶液不易沿着纱线向下流动，进一步保证了浸胶后纱线上胶液的稳定性。
53.进一步地，生产设备还包括与纱架、浸胶装置依次设置的固化装置，固化装置包括：固化模具，具有进纱端和出纱端，加热器，设置在所述固化模具上且位于固化模具的进纱端侧。
54.本发明通过将加热器设置在所述固化模具上且位于固化模的进纱端侧，使得进入固化模具的大丝束碳纤维纱线能够被充分加热，保证了固化的充分性。
55.本发明提供一种35-50k碳纤维板材。
56.本发明提供一种35-50k碳纤维板材采用上述技术方案任一所述的生产设备制成，碳纤维板材中碳纤维体积含量占45-70%，树脂体积含量占30-55%，碳纤维板材的拉伸强度≥1400 mpa，拉伸模量≥128 gpa，压缩模量≥123 gpa，压缩强度≥950 mpa。
57.本发明提供一种35-50k碳纤维板材采用上述技术方案任一所述的生产工艺制成，
碳纤维板材中碳纤维体积含量占45-70%，树脂体积含量占30-55%，碳纤维板材的拉伸强度≥1400 mpa，拉伸模量≥128 gpa，压缩模量≥123 gpa，压缩强度≥950 mpa。
58.采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明采用35-50k的大丝束碳纤维生产制备碳纤维板材，减少了碳纤维纱线的使用根数，降低了碳纤维板材的生产成本，进一步降低了利用碳纤维板材制备风电叶片的成本。
59.本发明中，第n+n-a层的相邻纱线之间的间距大于第n+n-b层的相邻纱线之间的间距，也就是说外层纱线中相邻纱线之间的间距较大，内层纱线中相邻纱线之间的间距较小，这样碳纤维纱线在牵引、挤压生成板材的过程中，不易出现交叉错位的情况，使得由碳纤维纱线形成的碳纤维纱线束均一性好，该碳纤维纱线束浸胶后均一性也较好，更进一步地使得由该均一性好的碳纤维纱线束制成的碳纤维板力学性能均一稳定。
60.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。
附图说明
61.附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1是本发明碳纤维板材生产设备的装配结构示意图；图2是本发明碳纤维板材生产设备的布纱器的装配结构示意图；图3是本发明纱筒的一种排布方式示意图；图4是本发明纱筒的另一种排布方式示意图。
62.图中：1、纱架；11、纱筒；12、安装位；13、第1横层；14、第2横层；15、第3横层；16、第1间距；17、第2间距；18、第3间距；2、加热装置；3、预成型装置；4、固化装置；41、固化模具；42、加热器；5、后固化装置；6、牵引装置；7、切割装置；8、收卷装置；9、布纱器；91、瓷眼；10、碳纤维纱线；101、浸胶槽；1011、浸胶槽进纱端侧壁；1012、浸胶槽出纱端侧壁；102、浸胶分层器；103、挤胶分层器；104、液面；105、自动配胶机。
63.需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。
具体实施方式
64.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
65.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
66.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可
以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中心媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
67.实施例1本发明提供一种35-50k碳纤维板材的生产工艺；本发明的生产工艺可采用如图1至图4所示的生产设备生产35-50k碳纤维板材；生产工艺包括：s1、由纱架1上的若干纱筒11牵出若干碳纤维纱线10，若干碳纤维纱线10呈阵列分布，阵列包括若干阵列层，阵列层自中心由内向外依次记为第n、n+1
……
n+n层，至少存在第n+n-a层的相邻纱线之间的间距大于第n+n-b层的相邻纱线之间的间距，其中a、b均大于等于0，且a＜b；s2、牵出的碳纤维纱线10经过加热、浸胶、预成型、固化、后固化以及牵引得到碳纤维板材。
68.本发明采用35-50k的大丝束碳纤维生产制备碳纤维板材，减少了碳纤维纱线的使用根数，降低了碳纤维板材的生产成本，进一步降低了利用碳纤维板材制备风电叶片的成本。
69.本发明中，第n+n-a层的相邻纱线之间的间距大于第n+n-b层的相邻纱线之间的间距，也就是说外层纱线中相邻纱线之间的间距较大，内层纱线中相邻纱线之间的间距较小，这样碳纤维纱线10在牵引、挤压生成板材的过程中，不易出现交叉错位的情况，使得由碳纤维纱线10形成的碳纤维纱线束均一性好，该碳纤维纱线束浸胶后均一性也较好，更进一步地使得由该均一性好的碳纤维纱线束制成的碳纤维板力学性能均一稳定。
70.进一步地，所述步骤s1中，阵列层包括若干横向阵列层和若干纵向阵列层，若干横向阵列层自中心由内向外依次记为第n
横
、n
横
+1
……n横
+n层，至少存在第n
横
+n-a层的相邻纱线之间的间距大于第n
横
+n-b层的相邻纱线之间的间距；例如，如图1所示，若干横向阵列层自中心由内向外依次记为第1横层13、第2横层14、第3横层15，当a=0，b=1时，第3横层15相邻纱筒11之间的间距大于第2横层14相邻纱筒11之间的间距。进一步地，由第3横层15牵出的相邻纱线之间的间距大于由第2横层14牵出的相邻纱线之间的间距。
71.或者，若干纵向阵列层自中心由内向外依次记为第n
纵
、n
纵
+1
……n纵
+n层，至少存在第n
纵
+n-a层的相邻纱线之间的间距大于第n
纵
+n-b层的相邻纱线之间的间距。
72.进一步地，所述步骤s1中，若干横向阵列层中，自中心由内向外相邻横向阵列层之间的间距依次记为第l
横
、l
横
+1
……
l
横
+n间距，至少存在第l
横
+n-a间距大于第l
横
+n-b间距；或者，若干纵向阵列层中，自中心由内向外相邻纵向阵列层之间的间距依次记为第l
纵
、l
纵
+1
……
l
纵
+n间距，至少存在第l
纵
+n-a间距大于第l
纵
+n-b间距。
73.作为本实施例的一种实施方式，纱架1上具有用于安装若干纱筒11的安装位12，所述步骤s1中，在牵出最外层纱线时，每间隔2-3个安装位12牵出一根碳纤维纱线10，在牵出内层纱线时，每间隔1-2个安装位12牵出一根碳纤维纱线10。
74.进一步地，所述步骤s1中，控制牵出的外层纱线与内层纱线错位排布。
75.本发明中，牵出的外层纱线与内层纱线错位排布，使得由内层纱线和外层纱线集束成的碳纤维纱线束中，相邻碳纤维纱线之间不易发生错位，进而使得形成的碳纤维纱线
束均一性好，浸胶时，相邻碳纤维纱线之间的含胶量基本相等，保证了浸胶的均一性。
76.进一步地，所述步骤s2包括：s21、将牵出的纱线按照每1-3根的方式进行集束；s22、将集束后的纱线加热、浸胶、预成型、固化以及牵引得到碳纤维板材。
77.本发明中，将牵出的纱线按照每1-3根的方式进行集束，使得碳纤维纱线束能够充分浸胶，同时也便于对碳纤维纱线10的管理。
78.本发明中的步骤s22包括：s221、将集束后的纱线加热，加热后，将纱线纵向分层、横向排布；s222、随后将纱线牵引至浸胶槽101浸胶，并进行预成型、固化以及牵伸得到碳纤维板材；其中，步骤s221中，纵向分层包括：将纱线纵向分为4-8层；横向排布包括：牵引纱线穿过具有10-20个瓷眼91的布纱器9。
79.本发明中，横向上增加了碳纤维纱线10的展宽，纵向上对碳纤维纱线10进行了均匀的分层，使得碳纤维纱线10能够以一定的展宽和多层排布的形式牵引至浸胶装置浸胶，进一步使得胶液能够充分分散于碳纤维纱线之间，保证了浸胶的充分性和均一性。
80.本发明的浸胶槽101内具有分层器，分层器由若干纵向间隔排布的导丝辊形成，所述步骤s222包括：将纵向分层后的纱线牵引到纵向间隔排布的导丝辊上并浸胶，浸胶后进行预成型、固化以及牵引得到碳纤维板材。
81.进一步地，浸胶槽101包括进纱端和出纱端，所述分层器包括浸胶分层器102和挤胶分层器103，所述浸胶分层器102设置在进纱端和出纱端之间，所述挤胶分层器103的位置高于所述浸胶分层器102设置在出纱端。
82.所述步骤s222包括：s2221将纵向分层后的纱线先牵引到浸胶分层器102的导丝辊上并浸胶；s2222随后再将纱线牵引到挤胶分层器103的导丝辊上挤胶，挤胶后进行预成型、固化以及牵伸得到碳纤维板材。
83.本发明中，碳纤维纱线10牵引至浸胶分层器102上，在浸胶分层器102的分层和定位作用下，能够与胶液充分接触，避免出现碳纤维纱线10堆叠在一起或浮出胶液外，导致浸胶效果差的现象。
84.本发明中，碳纤维纱线10在牵引至出纱端时，受到挤胶分层器103的导丝辊的挤压作用，将碳纤维纱线10上多余的胶液挤回浸胶槽101内，一方面避免了胶液的浪费，另一方面使得碳纤维纱线10具有适量且均匀分布的胶液，保证了浸胶后的碳纤维纱线10的均一稳定性。
85.进一步地，步骤s2221中相邻纱线层之间的间距大于所述步骤s2222中相邻纱线层之间的间距。
86.本发明中，浸胶分层器102相邻导丝辊之间的间距较大，以保证导丝辊之间具有足量的胶液，进而保证浸胶的充分性；挤胶分层器103相邻导丝辊之间的间距较小，以保证浸胶后的碳纤维纱线10上多余的胶液能够被全部挤出。
87.进一步地，步骤s2221中，分层后的纱线由导丝辊下方牵至导丝辊并由导丝辊下方牵离导丝辊。这样，分层后的纱线会被定位在对应导丝辊下方，避免了纱线浮出液面，降低
浸胶效果。
88.步骤s2222中，纱线由导丝辊上方牵至导丝辊并由导丝辊上方牵离导丝辊。这样，使得浸胶后的碳纤维纱线10能够卡在相邻的导丝辊之间，以保证浸胶后的碳纤维纱线10上多余的胶液能够被全部挤出。
89.优选的，步骤s2221中，将纱线由浸胶槽101进纱端倾斜向下牵引至浸胶分层器102的导丝辊并浸胶；步骤s2222中，将纱线由浸胶槽101底部向浸胶槽101出纱端倾斜向上牵引至挤胶分层器103的导丝辊。
90.本发明中，将纱线由浸胶槽101进纱端倾斜向下牵引至浸胶分层器102的导丝辊，以实现充分浸胶的目的；将纱线由浸胶槽101底部向浸胶槽101出纱端倾斜向上牵引至挤胶分层器103的导丝辊，以便于将浸胶后纱线上的胶液挤出。
91.进一步地，所述步骤s2中的固化包括：控制碳纤维纱线依次在155-175℃、180-230℃、180-230℃温区进行固化；优选的，所述步骤s2中的后固化包括：控制将碳纤维板材逐步降温。
92.优选的，所述步骤s2中的牵引速度为35-60cm/min，牵引拉力为15-35kn。
93.实施例2如图1至图4所示，本实施例公开一种35-50k碳纤维板材的生产设备。生产设备包括依次设置的纱架1、加热装置2、浸胶装置、预成型装置3、固化装置4和牵引装置6。
94.纱架1上设置若干纱筒11，若干所述纱筒11呈阵列分布，阵列包括若干阵列层，阵列层自中心由内向外依次记为第n、n+1
……
n+n层，至少存在第n+n-a层的相邻纱筒之间的间距大于第n+n-b层的相邻纱筒之间的间距，其中a、b均大于等于0，且a＜b。
95.本发明中，由纱架1上的若干纱筒11牵出若干碳纤维纱线10，牵出的碳纤维纱线10经过加热装置2加热、浸胶装置浸胶、预成型装置3预成型、固化装置4固化、后固化装置5后固化、牵引装置6牵引得到碳纤维板材。碳纤维板材可经过切割装置7切割，收卷装置8收卷得到碳纤维板材产品。其中，加热装置2包括周波仪，牵引装置6包括牵引机，切割装置7包括切割机，收卷装置8包括收卷机。
96.本发明采用35-50k的大丝束碳纤维生产制备碳纤维板材，减少了碳纤维纱线的使用根数，降低了碳纤维板材的生产成本，进一步降低了利用碳纤维板材制备风电叶片的成本。
97.本发明中，第n+n-a层的相邻纱筒11之间的间距大于第n+n-b层的相邻纱筒11之间的间距，也就是说外层纱筒11中相邻纱筒11之间的间距较大，内层纱筒11中相邻纱筒11之间的间距较小，这样由纱架1上的纱筒11牵出的碳纤维纱线10在牵引、挤压生成板材的过程中，不易出现交叉错位的情况，使得由碳纤维纱线10形成的碳纤维纱线束均一性好，该碳纤维纱线束浸胶后均一性也较好，更进一步地使得由该均一性好的碳纤维纱线束制成的碳纤维板力学性能均一稳定。
98.作为本实施例的一种实施方式，所述阵列层包括若干横向阵列层和若干纵向阵列层，若干横向阵列层自中心由内向外依次记为第n
横
、n
横
+1
……n横
+n层，至少存在第n
横
+n-a层的相邻纱筒11之间的间距大于第n
横
+n-b层的相邻纱筒11之间的间距。
99.例如，如图1所示，若干横向阵列层自中心由内向外依次记为第1横层13、第2横层
14、第3横层15，当a=0，b=1时，第3横层15相邻纱筒11之间的间距大于第2横层14相邻纱筒11之间的间距。
100.再例如，如图3所示，若干横向阵列层自中心由内向外依次记为第1横层13、第2横层14、第3横层15；第3横层15相邻纱筒11之间的间距大于第2横层14相邻纱筒11之间的间距；第2横层14相邻纱筒11之间的间距大于第1横层13相邻纱筒11之间的间距。
101.或者，如图4所示，若干纵向阵列层自中心由内向外依次记为第n
纵
、n
纵
+1
……n纵
+n层，至少存在第n
纵
+n-a层的相邻纱筒11之间的间距大于第n
纵
+n-b层的相邻纱筒11之间的间距。
102.作为本实施例的另一种实施方式，若干横向阵列层中，自中心由内向外相邻横向阵列层之间的间距依次记为第l
横
、l
横
+1
……
l
横
+n间距，至少存在第l
横
+n-a间距大于第l
横
+n-b间距。
103.例如，如图4所示，自中心由内向外相邻横向阵列层之间的间距依次记为第1间距16、第2间距17、第3间距18；当a=0，b=1时，第3间距18大于第2间距17；当a=1，b=2时，第2间距17大于第1间距16。
104.或者，若干纵向阵列层中，自中心由内向外相邻纵向阵列层之间的间距依次记为第l
纵
、l
纵
+1
……
l
纵
+n间距，至少存在第l
纵
+n-a间距大于第l
纵
+n-b间距。
105.优选的，所述纱架1上具有用于安装若干所述纱筒11的安装位12，第n
纵
+n-a层纱筒11每间隔2-3个安装位12排布一个纱筒11，第n
纵
+n-b层的纱筒11每间隔1-2个安装位12排布一个纱筒。
106.优选的，第n纵+n-a层的纱筒11与第n纵+n-b层的纱筒11错位排布。
107.本发明中，第n纵+n-a层的纱筒11与第n纵+n-b层的纱筒11错位排布，避免了牵引过程中纱线之间的交叉错位情况的发生，使得碳纤维纱线束均一性好，浸胶时，使得胶液能够充分浸入纱线之间，保证了浸胶的均一性。
108.进一步地，还包括与纱架1依次设置的浸胶装置， 浸胶装置与纱架1之间设置若干布纱器9，若干布纱器9依次纵向排布，所述布纱器9上开设有若干横向排布、用于供纱线穿过的瓷眼91，纱线自纱筒11牵引至所述瓷眼91。
109.本发明中，在纱架1与浸胶装置之间设置纵向排布的若干布纱器9，将碳纤维纱线10牵引穿过布纱器9上的横向排布的瓷眼91，横向上增加了碳纤维纱线10的展宽，纵向上对碳纤维纱线10进行了均匀的分层，使得碳纤维纱线10能够以一定的展宽和多层排布的形式牵引至浸胶装置浸胶，进一步使得胶液能够充分分散于碳纤维纱线10之间，保证了浸胶的充分性和均一性。
110.进一步地，若干所述纱筒11包括位于最上层的上层纱筒11和位于最下层的下层纱筒11，所述上层纱筒11的纱线穿过位于上部的布纱器9，所述下层纱筒11的纱线穿过位于下部的布纱器9，所述上层纱筒11到上部布纱器9的距离小于下层纱筒11到下部布纱器9的距离。
111.这种设置方式使得由上层纱筒11、下层纱筒11牵引出来的碳纤维纱线能够同步进入浸胶装置浸胶，保证了生产碳纤维板材的过程中浸胶的同步性，使得后续经过预成型、固化、后固化以及牵伸得到的碳纤维板材力学性能均一稳定。
112.进一步地，布纱器9上的若干所述瓷眼91横向分层排布。具体地，相邻层的瓷眼91
错位排布；优选的，相邻所述布纱器9上的瓷眼91错位排布；更优选的，布纱器9上每一横行具有10-20个瓷眼91。
113.本发明中，布纱器9上的若干瓷眼91横向分层排布，使得由每一个布纱器9牵引出来的碳纤维纱线10均能进行分层，进一步使得胶液能够充分分散于碳纤维纱线10的层间。
114.相邻布纱器9上的瓷眼91错位排布，使得相邻碳纤维纱线10之间的间距相等，进一步使得相邻碳纤维纱线10之间的胶液量基本相等，保证了浸胶的均一性。
115.进一步地，本发明的浸胶装置包括：浸胶槽101，分层器，设置在浸胶槽101内位于浸胶槽槽壁的上方，由若干纵向间隔排布的导丝辊形成。由纱架1、加热装置2牵引出来的纱线经过若干所述导丝辊进行分层，并在浸胶槽101中浸胶。
116.本发明中，在浸胶槽101内设置了分层器，使得牵引至浸胶槽101中的碳纤维纱线10在分层器的分层作用下，能够与浸胶槽101中的胶液充分接触，保证了浸胶的充分性。
117.进一步地，所述浸胶槽101包括进纱端和出纱端，所述分层器包括浸胶分层器102和挤胶分层器103。所述浸胶分层器102设置在进纱端和出纱端之间，所述挤胶分层器103的位置高于所述浸胶分层器102设置在出纱端。
118.本发明的浸胶分层器102设置在进纱端和出纱端之间，碳纤维纱线10牵引至浸胶分层器102上，在浸胶分层器102的分层和定位作用下，能够与胶液充分接触，避免出现碳纤维纱线10堆叠在一起或浮出胶液外，导致浸胶效果差的现象。
119.本发明的挤胶分层器103的位置高于所述浸胶分层器102设置在出纱端，使得碳纤维纱线10在牵引至出纱端时，受到浸胶分层器102的导丝辊的挤压作用，将碳纤维纱线上多余的胶液挤回浸胶槽101内，一方面避免了胶液的浪费，另一方面使得碳纤维纱线10具有适量且均匀分布的胶液，保证了浸胶后的碳纤维纱线10的均一稳定性。
120.本发明中，浸胶分层器102相邻导丝辊之间的间距大于所述挤胶分层器103相邻导丝辊之间的间距。
121.本发明中，浸胶分层器102相邻导丝辊之间的间距较大，以保证导丝辊之间具有足量的胶液，进而保证浸胶的充分性；挤胶分层器103相邻导丝辊之间的间距较小，以保证浸胶后的碳纤维纱线10上多余的胶液能够被全部挤出。
122.本发明中，浸胶槽为v形槽，所述浸胶分层器102位于v形槽最低点的上方。
123.浸胶槽为v形槽，使得v形槽最低点对应的胶液深度较深，通过在v形槽最低点的上方设置浸胶分层器102，使得碳纤维纱线10能够在胶液深度较深的区域得到充分的浸胶，充分合理地利用了胶液，无需使用大量的胶液便能够实现对碳纤维纱线10充分浸胶的目的。
124.进一步地，所述浸胶槽进纱端侧壁1011的坡度大于出浸胶槽出纱端侧壁1012的坡度。
125.本发明中，浸胶槽进纱端侧壁1011的坡度较大，使得碳纤维纱线10能够以较短的时间较快的速度牵引至浸胶槽101底部进行浸胶，保证了浸胶的速率较快；浸胶槽出纱端侧壁1012的坡度较小，使得碳纤维纱线10在从出纱端牵出时，碳纤维纱线上的胶液不易沿着纱线向下流动，进一步保证了浸胶后纱线上胶液的稳定性。
126.本发明中的固化装置4包括：
固化模具41，具有进纱端和出纱端，加热器42，设置在所述固化模具41上且位于固化模具41的进纱端侧。
127.本发明通过将加热器设置在所述固化模上且位于固化模具41的进纱端侧，使得进入固化模具41的大丝束碳纤维纱线能够被充分加热，保证了固化的充分性。
128.实施例3本是实施例采用实施例1的生产工艺并通过实施例2的生产设备制备碳纤维板材。具体包括：s1、在纱架1装有35k碳纤维纱线的纱筒11；s2、将纱筒11上的纱线牵引到加热装置2加热；s3、加热后牵引至布纱器9，使得纱线穿过4个纵向排布的布纱器9，每个布纱器9上具有两层瓷眼91，每一层瓷眼91包括18个瓷眼；s4、随后将纱线牵引至浸胶槽101上的浸胶分层器102上，并经由挤胶分层器103牵出；其中，浸胶槽101通过自动配胶机105自动配胶，具体地，自动配胶机105将树脂、固化剂、脱膜剂、填料按比例混合后匀速注入浸胶槽101中，且胶液的液面104低于浸胶槽101的最大深度；浸胶槽101上具有用于对循环水系统，包覆在浸胶槽101外部，用于对浸胶槽101内的液体进行控温，其中，循环水系统的温度为40-60℃，有效降低了浸胶槽101内胶液的粘度，使其维持在一个稳定的水平；s5、将浸胶后的纱线牵引到预成型装置3，进行预成型得到板材；s6、将预成型后的板材牵引到固化装置进行固化；其中固化装置包括依次设置的三个温区，第一温区的温度为155-175℃，第二温区的温度为180-230℃，第三温区的温度为180-230℃；本实施例中，控制第一温区的温度为175℃，第二温区的温度为200℃，第三温区的温度为230℃；s7、将固化后的板材牵引到后固化装置5中进行后固化；其中，后固化时需要控制对碳纤维板材逐步降温；本实施例中，控制碳纤维板材的温度由230℃逐步降到175℃；s8、后固化完成后将板材牵引到牵引装置进行牵引；其中牵引速度比略低，控制在35-60cm/min，牵引拉力略高，控制在15-35kn，这样保证了板材性能的均一性；s9、最后将板材牵引到收卷装置8进行收卷，并利用切割装置7进行切割得到碳纤维板材。
129.实施例4与实施例3的区别仅在于采用48k的碳纤维纱线。
130.实施例5与实施例3的区别仅在于采用50k的碳纤维纱线。
131.试验例1由本实施例3-5制得的碳纤维板材中碳纤维体积含量占45-70%，树脂体积含量占30-55%。本试验例利用国际标准iso 527检测了由实施例3-5制得的碳纤维板材的拉伸强度、拉伸模量；利用国际标准iso 14126检测了由实施例3-5制得的碳纤维板材的压缩强度、压缩模量；利用国际标准iso 11357-2检测了由实施例3-5制得的碳纤维板材的玻璃态转化温度；检测结果如下表1所示：
表1：由上表可见，由本发明的碳纤维板材的拉伸强度≥1400 mpa，拉伸模量≥128 gpa，压缩模量≥123 gpa，玻璃化转变温度tg≥100℃，该性能指标达到了国内百米级风电叶片主梁用碳纤维板材使用要求，能够被广泛应用到风电叶片的技术领域。
132.以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。
技术特征：
1.一种35-50k碳纤维板材的生产工艺，其特征在于：包括：s1、由纱架上的若干纱筒牵出若干碳纤维纱线，若干碳纤维纱线呈阵列分布，阵列包括若干阵列层，阵列层自中心由内向外依次记为第n、n+1
……
n+n层，至少存在第n+n-a层的相邻纱线之间的间距大于第n+n-b层的相邻纱线之间的间距，其中a、b均大于等于0，且a＜b；s2、牵出的碳纤维纱线经过加热、浸胶、预成型、固化、后固化以及牵引得到碳纤维板材。2.根据权利要求1所述的一种35-50k碳纤维板材的生产工艺，其特征在于：所述步骤s1中，阵列层包括若干横向阵列层和若干纵向阵列层，若干横向阵列层自中心由内向外依次记为第n
横
、n
横
+1
……
n
横
+n层，至少存在第n
横
+n-a层的相邻纱线之间的间距大于第n
横
+n-b层的相邻纱线之间的间距；或者，若干纵向阵列层自中心由内向外依次记为第n
纵
、n
纵
+1
……
n
纵
+n层，至少存在第n
纵
+n-a层的相邻纱线之间的间距大于第n
纵
+n-b层的相邻纱线之间的间距。3.根据权利要求2所述的一种35-50k碳纤维板材的生产工艺，其特征在于：所述步骤s1中，若干横向阵列层中，自中心由内向外相邻横向阵列层之间的间距依次记为第l
横
、l
横
+1
……
l
横
+n间距，至少存在第l
横
+n-a间距大于第l
横
+n-b间距；或者，若干纵向阵列层中，自中心由内向外相邻纵向阵列层之间的间距依次记为第l
纵
、l
纵
+1
……
l
纵
+n间距，至少存在第l
纵
+n-a间距大于第l
纵
+n-b间距。4.根据权利要求1-3任一所述的一种35-50k碳纤维板材的生产工艺，其特征在于：所述步骤s2包括：s21、将牵出的纱线按照每1-3根的方式进行集束；s22、将集束后的纱线加热、浸胶、预成型、固化以及牵引得到碳纤维板材。5.根据权利要求4所述的一种35-50k碳纤维板材的生产工艺，其特征在于：所述步骤s22包括：s221、将集束后的纱线加热，加热后，将纱线纵向分层、横向排布；s222、随后将纱线牵引至浸胶槽浸胶，并进行预成型、固化以及牵引得到碳纤维板材。6.根据权利要求5所述的一种35-50k碳纤维板材的生产工艺，其特征在于：浸胶槽内具有分层器，分层器由若干纵向间隔排布的导丝辊形成，所述步骤s222包括：将纵向分层后的纱线牵引到纵向间隔排布的导丝辊上并浸胶，浸胶后进行预成型、固化以及牵引得到碳纤维板材。7.根据权利要求6所述的一种35-50k碳纤维板材的生产工艺，其特征在于：浸胶槽包括进纱端和出纱端，所述分层器包括浸胶分层器和挤胶分层器，所述浸胶分层器设置在进纱端和出纱端之间，所述挤胶分层器的位置高于所述浸胶分层器设置在出纱端，所述步骤s222包括：s2221将纵向分层后的纱线先牵引到浸胶分层器的导丝辊上并浸胶；s2222随后再将纱线牵引到挤胶分层器的导丝辊上挤胶，挤胶后进行预成型、固化以及牵引得到碳纤维板材。8.根据权利要求7所述的一种35-50k碳纤维板材的生产工艺，其特征在于：步骤s2221中相邻纱线层之间的间距大于所述步骤s2222中相邻纱线层之间的间距。9.根据权利要求1-3任一所述的一种35-50k碳纤维板材的生产工艺，其特征在于：所述
步骤s2中的固化包括：控制碳纤维纱线依次在155-175℃、180-230℃、180-230℃温区进行固化。10.一种35-50k碳纤维板材，其特征在于：采用上述权利要求1-9任一所述的生产工艺制成，碳纤维板材中碳纤维体积含量占45-70%，树脂体积含量占30-55%，碳纤维板材的拉伸强度≥1400 mpa，拉伸模量≥128 gpa，压缩模量≥123 gpa，压缩强度≥950 mpa。
技术总结
本发明公开一种35-50K碳纤维板材的生产工艺及碳纤维板材，工艺包括：S1、由纱架上的若干纱筒牵出若干碳纤维纱线，若干碳纤维纱线呈阵列分布，阵列包括若干阵列层，阵列层自中心由内向外依次记为第N、N+1
技术研发人员：
宋德武 郑勇 刘海亮 牛经敏 刘宁 田粮山 桂永春 刘哲 于连双 张洪毓 叶佳宇 高嘉徽
受保护的技术使用者：
吉林化纤集团有限责任公司
技术研发日：
2022.10.25
技术公布日：
2022/11/22
