一种碳纳米管双面涂覆增强碳纤维的连续化设备

1.本发明涉及纳米材料分散涂覆增强技术领域，具体涉及一种碳纳米管双面涂覆增强碳纤维的连续化设备。


背景技术：

2.碳纤维复合材料因其具备优异的力学、电学、电磁屏蔽等性能，使之在航空航天、国防军工、生物医疗等领域有着广泛应用。但碳纤维的光滑表面以及强化学惰性，使碳纤维与基体材料间的界面结合能力较差，进而易导致界面失效等情况发生。因此纳米材料对碳纤维表面进行改性增强已经成为了提升碳纤维复合材料界面性能的有效途径。
3.cnts因具备优异的力学、热学、电学性能的成为碳纤维复合材料中纳米增强材料的理想选择。目前比较成功的改性方法包括化学气相沉积法(cvd)，电泳沉积法(epd)，化学接枝法，但繁杂的工艺路线以及连续化生产设备的缺乏难以令以上方法得到广泛应用，并且在上述方法中，高温环境以及化学试剂的多次利用，使碳纤维的自身力学性能有所降低，多数工艺路线停留在实验室制备阶段。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种碳纳米管双面涂覆增强碳纤维的连续化设备，该设备以碳纳米管粉末和水按一定比例混合的浆料作为原始材料，通过浆料分流输送，碳纳米管电极相向交错式成型，碳纳米管电极分散涂覆等环节，实现了碳纳米管连续化分散双面涂覆增强碳纤维的最终目标。
5.为达到上述目的，本发明技术方案为：
6.一种碳纳米管双面涂覆增强碳纤维的连续化设备，包括相向交错式碳纳米管电极挤压成型装置，所述的相向交错式碳纳米管电极挤压成型装置包括2个相对设置的挤压成型单元，每个挤压成型单元均配置有供料机构、挤压机构及分散机构，2个挤压成型单元之间穿过碳纤维复丝，所述的供料机构用以向挤压机构供料，所述的挤压机构用以挤压成型碳纳米管电极，所述的分散机构用以使成型的碳纳米管电极内的碳纳米管分散，并向碳纤维复丝的外表面涂布碳纳米管分散相，2个分散机构分别用以针对碳纤维复丝的不同侧面涂布碳纳米管分散相。
7.优选的，所述的挤压成型单元包括c形挤压臂，所述的挤压臂的一端连接有挤压活塞，2个挤压成型单元的c形挤压臂相对设置，2个挤压活塞交错设置，2个挤压臂通过往复驱动机构同步驱动。
8.优选的，2个挤压臂分别为第一挤压臂、第二挤压臂，所述的第一挤压臂未设置挤压活塞的一侧臂的顶端固定连接有第一连接板，所述的第一连接板的顶端固定连接有第一齿条，所述的第二挤压臂未设置挤压活塞的一侧臂顶端固定连接有第二连接板，所述的第二连接板的顶端固定连接有第二齿条，所述的往复驱动机构为气缸，所述的第一连接板的外侧端通过第三连接板连接有气缸，所述的第一齿条、第二齿条、第一挤压臂的两侧臂、第
二挤压臂的两侧壁、第一连接板、第二连接板、气缸的伸缩方向相互平行，在第一齿条和第二齿条之间啮合连接有传动齿轮，在气缸的伸缩带动下，传动齿轮带动2个挤压活塞做往复的挤压动作。
9.优选的，所述的第一挤压臂和第二挤压臂的底端分别设有直线导轨，所述的第一挤压臂和第二挤压臂的底端分别通过滑块与直线导轨滑动连接，所述的直线导轨底端固定连接有导轨托架，所述的导轨托架底端固定连接有支撑腿。
10.优选的，所述的导轨托架两侧分别设有支柱，两侧的支柱顶端共同固定连接有横梁，所述的横梁下方设有第一固定板，所述的第一固定板的顶端通过第二固定板与横梁底端固定连接，所述的气缸与第一固定板侧端固定连接。
11.优选的，所述的第二固定板有2个，2个第二固定板之间还安装有齿式气动制动器，所述的传动齿轮顶端设有制动齿，所述的第一固定板设有供齿式气动制动器下端伸缩通过的让位孔，所述的齿式气动制动器与制动齿配合使用；所述的传动齿轮下方设有第三固定板，所述的第三固定板沿水平设置，第三固定板的上表面通过连接件与第一固定板固定连接，所述的传动齿轮的轮轴下端与第三固定板上端转动连接。
12.优选的，所述的挤压机构包括2个浆料三通输送管道，2个浆料三通输送管道分别与其中1个挤压成型单元配合使用，所述的浆料三通输送管道水平方向的一端为挤压端，所述的挤压端与对应的挤压成型单元的挤压活塞配合使用，水平方向的另一端为碳纳米管成型电极输送端，输送端连接分散机构；浆料三通输送管道下部的一端为进料口，所述的进料口连接供料机构。
13.优选的，所述的分散机构包括碳纳米管放电分散管道，所述的碳纳米管放电分散管道的一端与输送端同轴密封固定连接，所述的碳纳米管放电分散管道的外表面设有绝缘层，碳纳米管放电分散管道的另一端设有金属放电网栅，2个碳纳米管放电分散管道的金属放电网栅之间的垂直距离与碳纤维复丝的厚度适配，所述的金属放电网栅与碳纤维复丝的外表面相对，所述的金属放电网栅电连接有高压驱动电路的正极，所述的高压驱动电路的负极与碳纳米管成型电极电连接。
14.优选的，所述的供料机构包括螺杆泵、浆料分流导管、直流搅拌电机、下输料导管、螺旋输料螺杆、喂料筒、固定座，所述的浆料分流导管包括流向相反的第一管道、第二管道，所述的下输料导管侧壁下部设有出料管，所述的出料管分别与第一管道和第二管道的起始端连接，并为第一管道和第二管道供料，所述的第一管道和第二管道的末端分别与螺杆泵的输入端连接，所述的螺杆泵的输出端与对应的进料口密封固定连接；所述的下输料导管侧壁上部连接喂料筒，下输料导管侧壁的顶端连接有固定座，所述的螺旋输料螺杆设于下输料导管内，螺旋输送螺杆的顶端与固定座转动连接，所述的直流搅拌电机的输出轴通过联轴器连接有驱动轴，所述的驱动轴可转动的贯穿下输料导管底端并与螺旋输送螺杆底端固定连接
15.优选的，所述的碳纳米管放电分散管道外壁设有进风口，所述的进风口通过通风管连接有鼓风机，所述的鼓风机通过向碳纳米管放电分散管道内通风的方式促进所分散的碳纳米管吹送涂覆至碳纤维复丝表面上，并促进碳纳米管成型电极多余水分的挥发。
16.本发明一种碳纳米管双面涂覆增强碳纤维的连续化设备具有如下有益效果：
17.本发明利用“连续化的分散涂覆形式”、“碳纳米管成型电极的持续稳定制备”、“相
向交错式一次性双面涂覆增强”，实现碳纳米管双面涂覆增强碳纤维的连续化、规模化工作。本发明对碳纤维的改性效果良好，实验表明，碳纤维粘结后，层间剪切强度提升20％以上，横向导热率提高30％以上。同时该设备连续化程度高，碳纳米管分散涂覆效果理想，操作简单，工艺成本低廉，非常适合规模化生产。
附图说明
18.图1、本发明的正等轴测图(图中被遮挡部分的结构参考可视部分的结构)。
19.图2、相向交错式碳纳米管电极挤压成型装置的正等轴测图(图中被遮挡部分结构参考图4)。
20.图3、相向交错式碳纳米管电极挤压成型装置的主视图(图中被遮挡部分结构参考图4)。
21.图4、本发明相向交错式碳纳米管电极挤压成型装置的工作原理图；
22.1.固定座，2.喂料筒，3.下输料导管，4.螺旋输料螺杆，5.浆料分流导管，6.直流搅拌电机，7.鼓风机，8.通风管，9.螺杆泵，10.相向交错式碳纳米管电极挤压成型装置，11.浆料三通输送管道，12.碳纳米管放电分散管道，13.金属放电网栅，14.碳纤维复丝，15.进料口，201.横梁，202.支柱，203.齿式气动制动器，204.第二固定板，205.第一固定板，206.第一连接板，207.气缸尾座轴，208.气缸，209.第三连接板，2010.传动齿轮，2011.第二齿条，2012.第一齿条，2013.第二连接板，2014.挤压臂，20141.第一挤压臂，20142.第二挤压臂，2015.直线导轨，2016.滑块，2017.挤压活塞，2018.导轨托架，2019.支撑腿，2020.让位孔的位置；2021.让位孔，2022.第三固定板。
具体实施方式
23.以下所述，是以阶梯递进的方式对本发明的实施方式详细说明，该说明仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
24.本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”“下”“左”“右”“顶”“底”“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，仅是为了描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以及特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
25.实施例1
26.一种碳纳米管双面涂覆增强碳纤维的连续化设备，如图1-4所示，包括相向交错式碳纳米管电极挤压成型装置10，所述的相向交错式碳纳米管电极挤压成型装置10包括2个相对设置的挤压成型单元，每个挤压成型单元均配置有供料机构、挤压机构及分散机构，2个挤压成型单元之间穿过碳纤维复丝14，所述的供料机构用以向挤压机构供料，所述的挤压机构用以挤压成型碳纳米管电极，所述的分散机构用以使成型的碳纳米管电极内的碳纳米管分散，并向碳纤维复丝14的外表面涂布碳纳米管分散相，2个分散机构分别用以针对碳纤维复丝14的不同侧面涂布碳纳米管分散相。
27.实施例2
28.基于实施例1，本实施例公开了：
29.如图1-4所示，所述的挤压成型单元包括c形挤压臂2014，所述的挤压臂的一端连接有挤压活塞2017，2个挤压成型单元的c形挤压臂相对设置，2个挤压活塞2017交错设置，2个挤压臂通过往复驱动机构同步驱动。
30.实施例3
31.基于实施例2，本实施例公开了：
32.如图4所示，2个挤压臂2014分别为第一挤压臂20141、第二挤压臂20142，所述的第一挤压臂20141未设置挤压活塞的一侧臂的顶端固定连接有第一连接板206，所述的第一连接板206的顶端固定连接有第一齿条2012，所述的第二挤压臂未设置挤压活塞的一侧臂顶端固定连接有第二连接板2013，所述的第二连接板2013的顶端固定连接有第二齿条2011，所述的往复驱动机构为气缸208，所述的第一连接板206的外侧端通过第三连接板209连接有气缸208(第三连接板与气缸的活塞杆端部固定连接)，所述的第一齿条、第二齿条、第一挤压臂的两侧臂、第二挤压臂的两侧壁、第一连接板、第二连接板、气缸的伸缩方向相互平行，在第一齿条和第二齿条之间啮合连接有传动齿轮2010，在气缸的伸缩带动下，传动齿轮2010带动2个挤压活塞2017做往复的挤压动作。即气缸伸缩带动第一连接板伸缩，进而带动第一齿条伸缩，进而带动传动齿轮往复转动，进而带动第二齿条伸缩，进而带动第二连接板伸缩，第一连接板和第二连接板的往复伸缩又带动第一挤压臂和第二挤压臂往复伸缩，即带动了2个挤压活塞往复伸缩。
33.如图2所示，所述的第一挤压臂20141和第二挤压臂20142的底端分别设有直线导轨2015，所述的第一挤压臂和第二挤压臂的底端分别通过滑块2016与直线导轨2015滑动连接，所述的直线导轨底端固定连接有导轨托架2018，所述的导轨托架2018底端固定连接有支撑腿2019。
34.如图1、2所示，所述的导轨托架2018两侧分别设有支柱202，两侧的支柱202顶端共同固定连接有横梁201，所述的横梁201下方设有第一固定板205，所述的第一固定板205的顶端通过第二固定板204与横梁201底端固定连接，所述的气缸208与第一固定板侧端固定连接。
35.本实施例中，具体实施时，第一固定板和第二固定板的形状依据需要设置，气缸作为动力源实现了连续化的挤压动作，进而可连续化针对碳纤维复丝表面进行碳纳米管涂覆增强。
36.实施例4
37.基于实施例3，本实施例公开了：
38.如图1、2所示，所述的第二固定板204有2个，2个第二固定板204之间还安装有齿式气动制动器203，所述的传动齿轮2010顶端设有制动齿(为实现制动效果的常规结构，图中未画出)，所述的第一固定板205设有供齿式气动制动器203下端伸缩通过的让位孔2021，所述的齿式气动制动器203与制动齿配合使用，压紧时实现传动齿轮的紧急制动；所述的传动齿轮下方设有第三固定板2022，所述的第三固定板沿水平设置，第三固定板的上表面通过连接件与第一固定板固定连接，所述的传动齿轮的轮轴下端与第三固定板上端转动连接，传动齿轮的两侧分别与第一齿条和第二齿条啮合连接。
39.实施例5
40.基于实施例4，本实施例公开了：
41.如图1所示，所述的挤压机构包括2个浆料三通输送管道11，2个浆料三通输送管道11分别与其中1个挤压成型单元配合使用，所述的浆料三通输送管道11水平方向的一端为挤压端，所述的挤压端与对应的挤压成型单元的挤压活塞2017配合使用，水平方向的另一端为碳纳米管成型电极输送端，输送端连接分散机构；浆料三通输送管道下部的一端为进料口15，所述的进料口连接供料机构。挤压活塞与挤压端紧密配合，反复移动，实现挤压动作。
42.实施例6
43.基于实施例5，本实施例公开了：
44.如图1所示，所述的分散机构包括碳纳米管放电分散管道12，所述的碳纳米管放电分散管道12的一端与输送端同轴密封固定连接，所述的碳纳米管放电分散管道12的外表面设有绝缘层，碳纳米管放电分散管道12的另一端设有金属放电网栅13，2个碳纳米管放电分散管道12的金属放电网栅13之间的垂直距离与碳纤维复丝14的厚度适配，所述的金属放电网栅13与碳纤维复丝14的外表面相对，所述的金属放电网栅13电连接有高压驱动电路(图中未画出)的正极，所述的高压驱动电路的负极与碳纳米管成型电极电连接。即挤压机构对原料进行挤压后形成碳纳米管成型电极，碳纳米管成型电极进入碳纳米管放电分散管道12后，通过电路设置实现碳纳米管的分散，具有良好分散效果的碳纳米管分散相涂覆在碳纤维复丝表面。
45.实施例7
46.基于实施例6，本实施例公开了：
47.如图1所示，所述的供料机构包括螺杆泵9、浆料分流导管5、直流搅拌电机6、下输料导管3、螺旋输料螺杆4、喂料筒2、固定座1，所述的浆料分流导管5包括流向相反的第一管道、第二管道，所述的下输料导管3侧壁下部设有出料管(图中未画出)，所述的出料管分别与第一管道和第二管道的起始端连接，并为第一管道和第二管道供料，所述的第一管道和第二管道的末端分别与螺杆泵9的输入端连接，所述的螺杆泵的输出端与对应的进料口密封固定连接，实现针对浆料三通输送管道11的持续供料；所述的下输料导管3侧壁上部连接喂料筒2，下输料导管侧壁的顶端连接有固定座1，所述的螺旋输料螺杆4设于下输料导管3内，螺旋输送螺杆4的顶端与固定座1转动连接，所述的直流搅拌电机的输出轴通过联轴器连接有驱动轴(图中未画出)，所述的驱动轴可转动的贯穿下输料导管3底端并与螺旋输送螺杆4底端固定连接。即通过直流搅拌电机6的驱动实现螺旋输送螺杆4的旋转驱动送料。
48.实施例8
49.基于实施例7，本实施例公开了：
50.所述的碳纳米管放电分散管道12外壁设有进风口，所述的进风口通过通风管8连接有鼓风机7，所述的鼓风机通过向碳纳米管放电分散管道内通风的方式促进所分散的碳纳米管吹送涂覆至碳纤维复丝表面上，并促进碳纳米管成型电极多余水分的挥发。
51.本发明工作原理和工作过程为：
52.碳纳米管粉体和水按比例混合的浆料通过喂料筒2经螺旋输料螺杆4不断搅拌输送，在浆料分流导管5中实现浆料分流，分流后的浆料在螺杆泵9的驱动下不断向上输送，直至传输至浆料三通输送管道11的进料口处。
53.当浆料实现稳定持续输送时，气缸208带动其活塞杆进行往复直线运动，从而带动
2个挤压活塞实现相向交错式挤压运动。通过多次动作，实现了气缸208往复进给速率；中心传动齿轮2010与第一齿条、第二齿条的传动比；挤压臂2014挤压进给速率与浆料上输送速率等核心参数趋于稳定，达到了对碳纳米管电极的持续稳定的挤压成型效果。
54.为防止挤压臂2014超出行程等意外情况发生，齿式气动制动器203可紧急制动传动齿轮2010，进而实现对挤压臂2014的急停。高压驱动电路正极连接至金属放电网栅13，负极连接碳纳米管成型电极，高压驱动电路启动后，正负极间产生的自由电弧令碳纳米管在去离子水相变引起增体运动产生的高压力梯度场下完成分散，并实现了碳纳米管在碳纤维复丝表面的双面涂覆增强。

技术特征：
1.一种碳纳米管双面涂覆增强碳纤维的连续化设备，其特征为：包括相向交错式碳纳米管电极挤压成型装置，所述的相向交错式碳纳米管电极挤压成型装置包括2个相对设置的挤压成型单元，每个挤压成型单元均配置有供料机构、挤压机构及分散机构，2个挤压成型单元之间穿过碳纤维复丝，所述的供料机构用以向挤压机构供料，所述的挤压机构用以挤压成型碳纳米管电极，所述的分散机构用以使成型的碳纳米管电极内的碳纳米管分散，并向碳纤维复丝的外表面涂布碳纳米管分散相，2个分散机构分别用以针对碳纤维复丝的不同侧面涂布碳纳米管分散相。2.如权利要求1所述的一种碳纳米管双面涂覆增强碳纤维的连续化设备，其特征为：所述的挤压成型单元包括c形挤压臂，所述的挤压臂的一端连接有挤压活塞，2个挤压成型单元的c形挤压臂相对设置，2个挤压活塞交错设置，2个挤压臂通过往复驱动机构同步驱动。3.如权利要求2所述的一种碳纳米管双面涂覆增强碳纤维的连续化设备，其特征为：2个挤压臂分别为第一挤压臂、第二挤压臂，所述的第一挤压臂未设置挤压活塞的一侧臂的顶端固定连接有第一连接板，所述的第一连接板的顶端固定连接有第一齿条，所述的第二挤压臂未设置挤压活塞的一侧臂顶端固定连接有第二连接板，所述的第二连接板的顶端固定连接有第二齿条，所述的往复驱动机构为气缸，所述的第一连接板的外侧端通过第三连接板连接有气缸，所述的第一齿条、第二齿条、第一挤压臂的两侧臂、第二挤压臂的两侧壁、第一连接板、第二连接板、气缸的伸缩方向相互平行，在第一齿条和第二齿条之间啮合连接有传动齿轮，在气缸的伸缩带动下，传动齿轮带动2个挤压活塞做往复的挤压动作。4.如权利要求3所述的一种碳纳米管双面涂覆增强碳纤维的连续化设备，其特征为：所述的第一挤压臂和第二挤压臂的底端分别设有直线导轨，所述的第一挤压臂和第二挤压臂的底端分别通过滑块与直线导轨滑动连接，所述的直线导轨底端固定连接有导轨托架，所述的导轨托架底端固定连接有支撑腿。5.如权利要求4所述的一种碳纳米管双面涂覆增强碳纤维的连续化设备，其特征为：所述的导轨托架两侧分别设有支柱，两侧的支柱顶端共同固定连接有横梁，所述的横梁下方设有第一固定板，所述的第一固定板的顶端通过第二固定板与横梁底端固定连接，所述的气缸与第一固定板侧端固定连接。6.如权利要求5所述的一种碳纳米管双面涂覆增强碳纤维的连续化设备，其特征为：所述的第二固定板有2个，2个第二固定板之间还安装有齿式气动制动器，所述的传动齿轮顶端设有制动齿，所述的第一固定板设有供齿式气动制动器下端伸缩通过的让位孔，所述的齿式气动制动器与制动齿配合使用；所述的传动齿轮下方设有第三固定板，所述的第三固定板沿水平设置，第三固定板的上表面通过连接件与第一固定板固定连接，所述的传动齿轮的轮轴下端与第三固定板上端转动连接。7.如权利要求6所述的一种碳纳米管双面涂覆增强碳纤维的连续化设备，其特征为：所述的挤压机构包括2个浆料三通输送管道，2个浆料三通输送管道分别与其中1个挤压成型单元配合使用，所述的浆料三通输送管道水平方向的一端为挤压端，所述的挤压端与对应的挤压成型单元的挤压活塞配合使用，水平方向的另一端为碳纳米管成型电极输送端，输送端连接分散机构；浆料三通输送管道下部的一端为进料口，所述的进料口连接供料机构。8.如权利要求7所述的一种碳纳米管双面涂覆增强碳纤维的连续化设备，其特征为：所述的分散机构包括碳纳米管放电分散管道，所述的碳纳米管放电分散管道的一端与输送端
同轴密封固定连接，所述的碳纳米管放电分散管道的外表面设有绝缘层，碳纳米管放电分散管道的另一端设有金属放电网栅，2个碳纳米管放电分散管道的金属放电网栅之间的垂直距离与碳纤维复丝的厚度适配，所述的金属放电网栅与碳纤维复丝的外表面相对，所述的金属放电网栅电连接有高压驱动电路的正极，所述的高压驱动电路的负极与碳纳米管成型电极电连接。9.如权利要求8所述的一种碳纳米管双面涂覆增强碳纤维的连续化设备，其特征为：所述的供料机构包括螺杆泵、浆料分流导管、直流搅拌电机、下输料导管、螺旋输料螺杆、喂料筒、固定座，所述的浆料分流导管包括流向相反的第一管道、第二管道，所述的下输料导管侧壁下部设有出料管，所述的出料管分别与第一管道和第二管道的起始端连接，并为第一管道和第二管道供料，所述的第一管道和第二管道的末端分别与螺杆泵的输入端连接，所述的螺杆泵的输出端与对应的进料口密封固定连接；所述的下输料导管侧壁上部连接喂料筒，下输料导管侧壁的顶端连接有固定座，所述的螺旋输料螺杆设于下输料导管内，螺旋输送螺杆的顶端与固定座转动连接，所述的直流搅拌电机的输出轴通过联轴器连接有驱动轴，所述的驱动轴可转动的贯穿下输料导管底端并与螺旋输送螺杆底端固定连接。10.如权利要求9所述的一种碳纳米管双面涂覆增强碳纤维的连续化设备，其特征为：所述的碳纳米管放电分散管道外壁设有进风口，所述的进风口通过通风管连接有鼓风机，所述的鼓风机通过向碳纳米管放电分散管道内通风的方式促进所分散的碳纳米管吹送涂覆至碳纤维复丝表面上，并促进碳纳米管成型电极多余水分的挥发。

技术总结
一种碳纳米管双面涂覆增强碳纤维的连续化设备，涉及纳米材料分散涂覆增强技术领域，包括相向交错式碳纳米管电极挤压成型装置，所述的相向交错式碳纳米管电极挤压成型装置包括2个相对设置的挤压成型单元，每个挤压成型单元均配置有供料机构、挤压机构及分散机构，2个挤压成型单元之间穿过碳纤维复丝。本发明利用“连续化的分散涂覆形式”、“碳纳米管成型电极的持续稳定制备”、“相向交错式一次性双面涂覆增强”，实现碳纳米管双面涂覆增强碳纤维的连续化、规模化工作。本发明对碳纤维的改性效果良好。果良好。果良好。


技术研发人员：何燕 毕岚森 徐正本 刘春雨
受保护的技术使用者：青岛科技大学
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/10/7