为其 2015年3月

放眼纺织世界: 从丰富的选择到碳纤维

碳纤维具有悠久的历史。1879年,爱迪生成功生产出碳条并用作电灯泡灯丝(碳丝灯)。同一年,他为这种基于纤维素碳化的碳条生产方法申请了专利。上世纪60年代,纤维束、纤维丝或复丝形态的碳纤维开始被应用于航空领域,但是直到上世纪 70 年代中期,这些材料才实现了工业生产,并被加工成纺织品增强材料。

碳纤维的用途

碳纤维因此独特的特征,应用非常广泛。碳纤维即轻巧又具有很高的刚性,它能够抵抗大多数的化学反应,并具有导电性、热稳定性、不可溶性、生物相容性而且可以被X射线穿透。这些特性的组合意味着碳纤维可应用于最为多样化的用途之中。这些非常有用的特性源自于碳纤维内石墨状结构中碳原子的化学键合方式。

如果没有碳纤维,当今航空业内的很多设计都会成为空谈。碳纤维加固塑料让飞行器变得更轻、更具经济性。碳纤维的工业用途包括造纸和印刷业使用的压辊以及运动器材业中各种五花八门的运动装备(网球拍、高尔夫球杆、自行车架、帆船的桅杆和冲浪板、头盔和鱼杆)等。使用碳纤维加工而成的弹性板还可用作导热材料,碳纤维具有受热时膨胀系数为负值的优点。

大多数的碳纤维都是由聚丙烯腈加工而成。这种方式生产出的碳纤维在市场中非常流行,占碳纤维总量的90%左右。碳纤维有多种加工方法。除了机织、经编、刺绣和针织外,碳纤维还适合加工多轴网布。

碳纤维的经典用途极具多样性,碳纤维还有很大的应用空间等待我们的探索。

活性碳纤维——无尽的应用可能

与传统碳纤维相比,活性碳纤维还很年轻。这种纤维采用了活性碳作为基材,活性碳则可由硬煤、褐煤、木炭、木炭粉、椰子纤维加工而成。活性碳的特点是拥有活性的多孔系统,这些小孔是在900至1100° C的温度下,使用高温水蒸发清除各种挥发性组份时形成的。

在此过程中,碳和水会在碳的表面发生氧化反应,此过程还会将碳从孔壁中移出,这就是所谓的碳化过程。最终的结果非常有意思,那就是形成了从微观上看非常细密的内部表面结构。因此,一茶匙活性碳的表面积几乎相当于一个足球场那么大。二战时使用的防毒面具可能是活性碳最众所周知的用途:当时人们采用了一层活性碳作为过滤层。

而使用活性碳制成的碳纤维,用途可谓是无穷无尽。有些活性碳纤维的直径极细,具有极高的吸收率,这可以完美地防止生物和化学污染物、有毒物质和军用毒剂侵入人体。不过,活性碳更是深得家庭主妇(家庭主男也是如此)的喜爱:它可以防止抹布发出异味,只需按照大约20%的比例与普通纤维一起混纺,即可达到这一效果。

无纺布行业中的碳和活性碳

最近几年,碳纤维已在汽车业占据了重要地位。然而,与碳纤维消耗量的急剧增加伴随的是大量碳纤维被浪费。对于使用碳纤维织物生产的汽车部件,即使在最高的利用率下,生产中产生的废料率仍高达20-30%左右。随着人们开始关注这些废料的回收问题,无纺布业极有可能在未来扮演重要的角色。这是因为回收纤维废料无法以纤维的形式再生,因此,无法用于机织等传统加工方法。而碳纤维加固塑料(CFRP)部件的使用,尤其是在汽车业的使用,将会促进这些部件回收处理业的(进一步)发展和工业化。无纺布业将在此过程中大显身手,将纺织废料变成优质的无纺布。

活性碳被加工成无纺布后用途非常广泛,例如它们可以用作防毒面具、防尘面具以及防臭面具中的过滤层或是工业滤材(尤其是在塑料、农药业和国防业)。

碳纤维梳理与针刺

对于100%的纯碳纤维而言,其梳理加工还仍处于摇篮阶段。对于碳纤维梳理,我们要牢记以下几点。必须要保证极佳的抽丝效果,否则所产生的碳粉尘会导致健康隐患。必须要采用专用设备,以避免具有导电性能的碳纤维粉尘引起各种短路问题。还有一个尚未满意解决的问题就是碳纤维极为光滑,需要对碳纤维做一定程度的卷曲处理。目前尚无可在工业中实施的解决方案。经验表明,在规模化工业生产中,为了能够对碳纤维梳理,需要掺入大约30%的经过卷曲处理的“输送纤维”。

不过,碳纤维针刺已有数十年的成功历史。飞行器制造业中使用的制动盘就是针刺碳纤维广为人知的一个应用典例。格罗茨-贝克特可针对该应用提供多种刺针,以满足各种特定要求。除了与客户联手开发和设计专用针型外,格罗茨-贝克特还提供有约1700种标准刺针产品,事实上,这些产品已经可以完美地满足各种加工需求。

在采用针刺工艺加工碳纤维制动盘时,整个过程可以分成预刺和主刺两个阶段。预刺大多需要使用带有普通钩刺或 RF 钩刺的标准刺针

刺针示例:

  1. 15x18x36x3 ½ C333 G 1002 / 601731
  2. 15x18x36x3 ½ R333 G 3007 / 607921

在主刺阶段,最重要的任务就是将纤维由水平方向调成垂直Z朝向,这时需要用到工作部位呈特殊几何形状的刺针。这种情况下一般要使用 Tri STAR® 和 Cross STAR® 刺针。举例来说,15x16x36x3 C222 G 73012/609471 刺针就能满足这一加工要求。

再生碳纤维复合物针刺是碳纤维最近的一种新用途,目前主要用于汽车业。在此类应用中,要采用断针风险极低的稳定型刺针

刺针示例:15x18x3 ½ R333 G 1002 / 600171

在针刺碳纤维产品的众多用途中,其中一种产品尤其备受关注,那就是对化学和生物武器具有防护和过滤功能的针刺无纺布。在军事应用中,这种无纺布可以作为衬里材料织入到衣物之中。在这里,无纺布拥有良好的悬垂性非常重要。对于此类应用,一般使用工作部位较为纤细的标准刺针,

刺针示例:15x18x40x3 R222 G 3037/603721

更多应用领域:

  1. 防热保护(焊工和消防员的工作服、赛车手的运动服、汽车、火车和飞机上的阻燃和绝缘材料)
  2. 密封件(高温环境)
  3. 高温气体过滤器(水泥和钢铁业)
  4. 多种复合应用的半成品(在碳织物的角部和中间层使用的可悬垂无纺布)
  5. 由多孔表面的碳纤维制成的气体吸收滤材

碳纤维还经常与人造纤维和(或)矿物纤维一起使用(纤维/层混合),因此在针刺过程中,务必要极为轻柔地处理碳纤维,以防止形成碳粉尘)。因此,在这种情况下要使用加工其他脆性材料(如玻璃或陶瓷纤维)时所使用的针型。