CN106273060B - 一种宽幅热塑性预浸料制备方法及其制备用热压辊 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽幅热塑性预浸料制备方法及其制备用热压辊，包括热压辊本体和套装在其上的空心转轴，热压辊本体内表面设置有热压辊加热层，空心转轴两端设置有用于固定连接热压辊本体和热压辊加热层的端部挡板，通过两个端部挡板形成内部封闭空间，端部挡板上设置有真空口，空心转轴和热压辊加热层之间设置有加强板，加强板上均匀设置有多个圆形减重孔。本发明制备方法结合熔融法和薄膜法预浸料制备方法的优点，连续化强，方法可实现性强，能耗利用率高，纤维损伤小、制备方法易于工业化、预浸料质量优良，采用特制热压辊，保证宽幅预浸制备过程中热压辊的结构稳定性，不影响预浸料质量。

Description

一种宽幅热塑性预浸料制备方法及其制备用热压辊

【技术领域】

本发明属于热塑性复合材料预浸料制备技术领域，具体涉及一种在高温条件下工作的宽幅热塑性预浸料的制备方法及其制备用热压辊。

【背景技术】

热塑性复合材料预浸料的制备技术主要有溶剂法、粉末法、薄膜法及熔融浸渍法等，其中熔融浸渍法被认为是最可能实现工业化的生产方法。现有的融熔法预浸料制备方法中，由于纤维与树脂溶体存在径向的剪切，浸渍效果不理想，容易导致纤维损伤，而且在300-400℃的高温区内，热压辊容易变形，虽然保证了预浸料的质量，但是薄膜需要预先制备，方法复杂，且热压辊变形问题未解决。热压辊装置由于本身没有特殊处理，随着使用时间的延长，限制于热压辊自身的重量及300-400℃温度区间内热压辊抗弯曲变形能力下降，导致无法生产宽幅度的预浸料。具体表现为在高温条件下，热压辊刚度降低，由于宽幅的热压辊容易产生挠曲变形，使得热压辊与预浸料接触线上的压力梯度变大，进而导致预浸料浸渍效果不理想、薄厚分布不均等问题，因此目前市面上只有0.1-30cm的小幅宽的预浸料。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种宽幅热塑性预浸料制备方法及其制备用热压辊，解决了现有制备方法复杂，常规熔融浸渍法对纤维损伤大，热压辊使用温度低，在高温条件下挠曲变形较大的问题。

本发明采用以下技术方案：

一种宽幅热塑性预浸料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在砂架上预装的纤维布，纤维布依次通过淋洗喷头和干燥器进入预紧辊，对纤维布进行固定和预紧；

S2：挤出模头挤出的树脂在胶膜制备辊和热压辊之间进行二次分配压延，得到预定厚度和宽度的树脂薄膜；

S3：将步骤S2中制备的树脂薄膜粘附在热压辊表面，进入浸渍阶段与步骤S1预紧辊上的纤维布浸渍，浸渍结束后依次通过装有去离子水的冷却定位辊冷却、裁边机进行裁边，最后通过收卷机收卷制得要求的预浸料。

进一步的，所述步骤S2中，胶膜制备辊和热压辊之间间隙为0.025-0.075mm，热压辊的转轴上设置有用于检测预浸料浸渍效果的压力传感装置，所述压力传感装置的压力范围为0.1-50MPa。

进一步的，所述步骤S3中，所述胶膜制备辊近预浸料端的运动方向与预浸料运动方向相反，所述热压辊近预浸料端的运动方向与预浸料运动方向相同。

进一步的，所述砂架、预紧辊、胶膜制备辊、热压辊、冷却定位辊和收卷装置的转动线速度相同，线速度为0.1-3m/s。

进一步的，所述纤维布包括玻纤布、碳纤维布和芳纶纤维布，包括单向、平纹和斜纹面料，所述干燥器采用热空气、氮气或红外进行干燥；所述淋洗喷头可喷洒水、乙醇、丙酮或丁酮；所述挤出模头挤出的树脂为聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚砜或热塑性聚酰亚胺。

一种制备所述宽幅热塑性预浸料用热压辊，包括热压辊本体和空心转轴，所述热压辊本体套装在空心转轴上，所述热压辊本体内表面设置有热压辊加热层，所述空心转轴两端设置有用于固定连接所述热压辊本体和热压辊加热层的端部挡板，通过两个端部挡板形成内部封闭空间，所述端部挡板上设置有真空口，空心转轴和热压辊加热层之间设置有加强板，加强板上均匀设置有多个圆形减重孔，热压辊本体和热压辊加热层的轴向长度为1～2m。

进一步的，所述热压辊加热层内表面径向均匀焊接设置有环形结构的加强筋，用于固定连接所述加强板，所述空心转轴上设置有用于固接所述加强板的定位套，所述定位套设置于所述空心转轴中部凸起的台阶处，所述加强板、定位套、端部挡板和空心转轴的中心位于同一直线上。

进一步的，所述热压辊加热层的外表面沿圆周方向均匀设置有螺旋状的加热槽，所述加热槽内铺设有电加热丝，所述电加热丝通过设置在空心转轴两端的电刷与外部电连接。

进一步的，所述空心转轴内设置有冷水管道，所述空心转轴两端还设置有增强板，所述增强板位于端部挡板的外侧，与所述端部挡板紧固连接，所述空心转轴与端部挡板螺纹连接。

进一步的，所述热压辊本体和热压辊加热层均为两端开口的中空圆柱状结构，所述热压辊本体具有平滑外表面，且两端开口处分别设置有台阶状凹槽，通过所述凹槽与端部挡板固定连接，所述热压辊本体与热压辊加热层之间为过盈配合安装。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明制备方法结合熔融法预浸料制备方法和薄膜法预浸料制备方法的优点，先将树脂基础成膜并在薄膜制备辊和热压辊间进行二次分配，经过分配后的树脂膜再与纤维浸渍，保证了浸渍效果的稳定性，连续化强，方法可实现性强，能耗利用率高，纤维损伤小、制备方法易于工业化、预浸料质量优良，树脂在两个辊之间压延成预定规格的熔融树脂层，该树脂层树脂分布均匀，用其制备的预浸料胶含量稳定，浸渍效果优异，浸渍的过程中，熔融的树脂胶膜在径向压力的作用下浸渍到纤维束里面，纤维束与树脂不产生沿纤维束方向的相对滑动，纤维不会断裂，预浸料不会产生毛边等现象。

进一步的，本发明热压辊结构简单，通过螺栓固定加强筋和热压辊，易于加工，加热部位和主要承力部件空心转轴通过加强板连接，进一步保证高温条件下热压辊的力学强度，防止热压辊弯曲变形，热压辊本体和热压辊加热层的轴向长度在1～2米范围内，能够满足大宽幅需要，同时热压辊空心腔采用真空状态，可以有效的阻止热压辊加热层的热量通过空气辐射加热空心转轴，此结构一方面可以保证空心转轴的强度，另一方面可以有效节约电能和冷却用水。

进一步的，加热槽均匀环向分布，有效保证热压辊本体表面温度的均一性，热压辊本体外表面为平滑结构，不存在螺孔、连接缝、台阶等结构，可以保证制备的预浸料的平整性，提高产品质量，增强板能够有效将空心转轴转动时的力传到端部挡板上，热压辊本体、热压辊加热层、端部挡板、加强板都是压缩变形，主要承力部件转轴在工作时是弯曲形变，通过循环水冷却，对转轴进行降温，保证热压辊加热层在300～400℃高温时空心转轴的温度较低，使得空心转轴具有很高的强度和刚度，不会产生较大的弯曲形变，影响预浸料产生。由于冷却部位与加热部位间隔较大，在保证强度的基础上提高了热效率，均匀分布的减重孔在保证设备强度的基础上减轻了设备的自重，增加强度的作用，且圆形结构不会产生应力集中点，有利于设备稳定运行。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

【附图说明】

图1为本发明制备方法简图；

图2为本发明热压辊的结构示意图；

图3为本发明热压辊的左视图；

图4为本发明热压辊的A-A剖示图。

其中：1.砂架；2.淋洗喷头；3.干燥器；4.预紧辊；5.胶膜制备辊；6.热压辊；7.冷却定位辊；8.裁边机；9.收卷机；10.挤出模头；6-1.热压辊本体；6-2.热压辊加热层；6-3.加热槽；6-4.端部挡板；6-5.加强筋；6-6.加强板；6-7.定位套；6-8.圆螺母；6-9.增强板；6-10.空心转轴；6-11.冷却水道；6-12.电刷；6-13.固定螺栓；6-14.减重孔；6-15.真空孔。

【具体实施方式】

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，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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。

请参阅图1所示，本发明一种宽幅热塑性预浸料制备方法包括以下步骤：

S1：在砂架1上预装1-2m的纤维布，纤维布依次通过淋洗喷头2和干燥器3进入预紧辊4，对纤维布进行固定和预紧；

S2：挤出模头10挤出的树脂在胶膜制备辊5和热压辊6之间进行压延，得到预定厚度和宽度的树脂薄膜；

S3：将步骤S2中制备的树脂薄膜粘附在热压辊6表面，进入浸渍阶段与步骤S1预紧辊4上的纤维布浸渍，浸渍结束后依次通过装有去离子水的冷却定位辊7冷却、裁边机8进行裁边，最后通过收卷机9收卷制得要求的预浸料。

具体为：

1、在砂架上预装1-2m的纤维布，优选1.2m，纤维布可选择单向、平纹、斜纹等。

2、上述纤维布可以是玻纤布、碳纤维布、芳纶纤维布等。

3、纤维布的宽度应略小于热压辊6的宽度，一般在热压辊6的宽度上减小10-15cm。

4、纤维布依次通过淋洗喷头2和干燥器3。

5、淋洗喷头2可通过喷洒水、乙醇、丙酮或丁酮等有机溶剂。如果仅是为了出去纤维布表面的杂质，则可选择用去离子水淋洗。若针对某些体系，需要除去纤维表面的上浆剂，则需要使用有机溶剂。若水和有机溶剂按照一定的比例混合，则在出去纤维表面上浆剂的基础上，由于溶剂中含有去离子水，则在一定程度上可以保证工作环境的安全性。

6、干燥器3可以是热风干燥，包括空气或氮气；也可以是红外干燥。

7、通过干燥器3后的纤维布浸入预紧辊4，预紧辊4起到固定纤维布以及提供预紧力的作用。

8、树脂挤出模头10与挤出机相连。可以挤出聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚砜或热塑性聚酰亚胺中的一种，也可挤出其他热塑性树脂。通过选用树脂共混体系，可以在保证产品性能的基础上节约成本。例如，聚醚醚酮的成本远远高于聚苯硫醚，将10％聚苯硫醚和聚醚醚酮混合，即可在保证材料强度的基础上，显著降低原料成本。

9、两个挤出模头分别位于胶膜制备辊5和热压辊6之间。模头挤出的树脂在胶膜制备辊5和热压辊6之间进行二次分配，得到预定厚度和宽度的树脂薄膜。通过胶膜制备辊5和热压辊6之间的间隙后，树脂将粘附在热压辊6的表面，与预浸料浸渍。

10、热压辊6的转轴上有压力传感装置，通过控制两个热压辊6之间的压力，检测预浸料的浸渍效果；优选压力控制范围为0.1-50MPa，既可以保证预浸料的浸渍效果，又不会因为压力过大导致流胶、纤维走向等问题。

11、胶膜制备辊5和热压辊6之间的间隙通过自动设备控制，通过控制胶膜制备辊5和热压辊6之间的间隙，可以在一定程度上控制预浸料的胶含量；优选控制间隙为0.025-0.075mm。

12、胶膜制备辊5的近预浸料端的运动方向与预浸料运动方向相反。

13、热压辊6的近预浸料端的运动方向与预浸料运动方向相同。热压辊的间隙可调控，间隙决定了预浸料的浸渍效果及预浸料的胶含量。间隙越小，则压力越大，预浸料的浸渍效果越好。

14、由于热压辊6和纤维布的运动方向及运动速度相同，因此在整个过程中，纤维布只受到径向的压力，不会对纤维产生损伤，预浸料不会产生毛边等现象。

15、从热压辊6走出的预浸料浸入冷却定位辊7。

16、冷却辊起到冷却、定位和紧固作用，冷却定位辊7的冷却介质为去离子水。

17、热压辊6和冷却定位辊7根据实际需求，可为一组或者多组。

18、通过冷却定位辊7后，预浸料在裁边机8处裁边，去掉边角料。

19、预浸料进入收卷机9收卷，既得产品。

20、在整套方法中，砂架1、预紧辊4、胶膜制备辊5、热压辊6、冷却定位辊7和收卷装置9的线速度相同；线速度设定范围为0.1-3m/s。

本方法制备预浸的过程中，挤出机基础的熔融树脂首先通过树脂挤出模头10进行预分散，得到一定规格的树脂膜。然后该树脂膜通过胶膜制备辊5和热压辊6，在两个辊子之间对树脂膜进行二次挤压，形成一层特定规格的薄膜并铺附在热压辊6的表面，热压辊6表面的树脂薄膜层将于纤维布进行浸渍，最终制得浸渍效果良好、纤维损伤小、树脂分布均匀的预浸料。

实施例1

玻璃纤维选用连续单向玻璃纤维，聚苯硫醚选用低粘度聚苯硫醚纯料。用丁酮喷雾淋洗纤维布除杂，红外灯烘烤纤维除溶剂，整套装置中的线速度均设定为0.5m/s，胶膜制备棍5和热压辊6的温度设定为330℃，热压辊6的空心转轴内冷却水流量为8L/min，胶膜制备棍5和热压辊6间的间隙设定为0.051mm，热压辊间压力设定为15MPa，冷却定位辊7中去离子水的流量为15L/min。即可制备胶含量为60％，浸渍效果良好的预浸料。此预浸料性能按照GB/T1463-2005、GB 1447-2005和GB 1449-2005测试其性能，并与纯树脂性能进行对比，列于下表：

	聚苯硫醚	玻纤增强聚苯硫醚
			密度(g/cm<sup>3</sup>)	1.34	2.04
拉伸强度(MPa)	85	1020
			弯曲强度(MPa)	140	1180
弯曲模量(GPa)	3.9	45.5

请参阅图2至图4所示，本发明公开了一种在高温条件下工作的用于制备热塑性预浸料的大跨距热压辊，包括：热压辊本体6-1、热压辊加热层6-2、加强板6-6、带冷却功能的空心转轴6-10、端部挡板6-4，端部挡板上有真空口6-15，设备使用过程中能够保持热压辊内部空腔足够的真空度。

具体为：热压辊加热层6-2设置在热压辊本体6-1的内表面，热压辊本体6-1和热压辊加热层6-2分别用固定螺栓6-13与设置在空心转轴6-10两端的端部挡板6-4紧固连接，组成完整体，所述热压辊本体6-1和热压辊加热层6-2的轴向长度为一到两米，选取两个加强板6-6分别对称套装在空心转轴6-10上且与热压辊加热层6-2固定连接；空心转轴6-10中部对应设置有两个定位套6-7，空心转轴6-10通过定位套6-7与加强板6-6固定连接。空心转轴6-10的内部通有冷水管道6-11，对转轴进行降温，保证高温时转轴的强度和刚度，能够满足大跨距的工作需要。

其中，热压辊本体6-1为两端开口的中空圆柱状结构，热压辊本体6-1的两个开口端呈台阶状。热压辊本体6-1端口处的台阶状凹槽用于连接固定热压辊本体6-1和端部挡板6-4，两者通过固定螺栓6-13连接。热压辊本体6-1外表面为平滑结构，不存在螺孔、连接缝、台阶等结构，可以保证制备的预浸料的平整性。

热压辊加热层6-2外圈与热压辊本体6-1的内圈为过盈配合，热压辊加热层6-2外表面在圆周方向均匀刻螺旋状加热槽6-3，加热槽6-3内铺设有电加热丝，电热丝线路通过固定于空心转轴6-10上的电刷6-12与动力电相连。热压辊加热层6-2是两端开口的中空圆柱状结构，热压辊加热层6-2两端与端部挡板6-4通过固定螺栓6-13连接。在保证设备强度的基础上减轻设备自重。在热压辊加热层6-2内圈的径向均匀焊接有环形的多个加强筋6-5，每个加强筋6-5对应与热压辊的一个加强板6-6通过固定螺栓6-13连接，通过加强板进一步保证高温条件下热压辊的力学强度，防止热压辊弯曲变形。

加强板6-6、定位套6-7与空心转轴6-10三者的中心在一条线上。加强板6-6为圆形平板，在每个加强板6-6上沿圆周均匀分布有多个圆形结构的减重孔6-14，减重孔6-14起到减轻重量，增加强度的作用，且圆形结构不会产生应力集中点，有利于设备稳定运行。加强板6-6与定位套6-7之间通过固定螺栓6-13连接，定位套6-7与空心转轴6-10通过螺纹连接。空心转轴6-10中间部位有凸起的台阶，便于确定定位套6-7的位置，使得定位套6-7能够固定在凸起位置。

优选的，空心转轴6-10与端部挡板6-4通过螺纹连接，在端部挡板的外侧，有增强板6-9与其通过固定螺栓6-13相连。增强板6-9主要是为了有效的将空心转轴6-10转动时的力传到端部挡板6-4上。

端部挡板6-4、加强板6-6和增强板6-9上沿圆周均匀分布有用于安装固定螺栓6-13的孔。

实施例2

采用本发明所述的热压辊制备预浸料，当热压辊需要加热到一定温度时，依次打开加热电源和空心转轴的冷却水***。位于加热槽6-3内的电热丝产生热量，热传导至热压辊本体1的表面，由于加热槽6-3均匀环向分布，因此可以有效的保证热压辊本体6-1表面温度的均一性。当热压辊6-1达到预定温度后，制备预浸料，施加于热压辊表面的力均匀传递至加强板6-6和端部挡板6-4上，进而传导至空心转轴6-10。在300-400℃温度区间内，钢才的压缩形变量很小，不会对预浸料产生影响，而加强板6-6和端部挡板6-4在整个工作过程中受到的力为压力，压缩变形量在300-400℃之间时非常小，可满足预浸料生产方法的需求。而空心转轴6-10一直通有冷却水，不会在高温下工作，因此也不会产生较大的弯曲形变，因此在工作时可以保证其自身的刚度，不会发生大的挠曲变形。两者结合，可以保证整个工作过程中热压辊本体6-1的表面线性程度。进而保证预浸料的浸渍效果及宽度方向的厚度及树脂分布情况。

由于此热压辊的空腔为真空腔，因此热量向热压辊内部的热量损失只有加强筋及端部挡板的热传导，整个空腔内无热传导，热量损失计算公式如下：

其中q为热量损失量，λ为传热系数，T₁和T₂为分别为两个面的温度，此处即为热压辊本体及空心转轴的绝对温度，r和a为热压辊本体及空心转轴的直径，B为温度跃变系数与气体分子平均自由程的比值，约为常数。

按照公式(1)计算，同一套设备，对于真空与非真空体系，其中q₁和λ₁为真空条件下的热量损失及热导系数，q₂和λ₂为常压条件下的热量损失及热导系数可见热量的损失与传热系数成正比，以文中数据为例，在标准大气压下，λ₂＝4.75/w.m-2.k-1，而真空度为0.01Pa时的热导系数λ₁＝1.0/w.m-2.k-1，由此可知q₁/q₂＝21.05％，即因热辐射部分能量可减少21.05％，相应的冷却水用量可降低21.05％。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种宽幅热塑性预浸料制备方法，其特征在于，制备所述宽幅热塑性预浸料用的热压辊包括热压辊本体(6-1)和空心转轴(6-10)，所述热压辊本体(6-1)套装在空心转轴(6-10)上，所述热压辊本体(6-1)内表面设置有热压辊加热层(6-2)，所述热压辊加热层(6-2)内表面径向均匀焊接设置有环形结构的加强筋(6-5)，用于固定连接加强板(6-6)，所述空心转轴(6-10)上设置有用于固接所述加强板(6-6)的定位套(6-7)，所述定位套(6-7)设置于所述空心转轴(6-10)中部凸起的台阶处，所述加强板(6-6)、定位套(6-7)、端部挡板(6-4)和空心转轴(6-10)的中心位于同一直线上；

所述热压辊加热层(6-2)的外表面沿圆周方向均匀设置有螺旋状的加热槽(6-3)，所述加热槽(6-3)内铺设有电加热丝，所述电加热丝通过设置在空心转轴(6-10)两端的电刷(6-12)与外部电连接；

所述空心转轴(6-10)内设置有冷水管道(6-11)，所述空心转轴(6-10)两端还设置有增强板(6-9)，所述增强板(6-9)位于端部挡板(6-4)的外侧，与所述端部挡板(6-4)紧固连接，所述空心转轴(6-10)与端部挡板(6-4)螺纹连接；

所述热压辊本体(6-1)和热压辊加热层(6-2)均为两端开口的中空圆柱状结构，所述热压辊本体(6-1)具有平滑外表面，且两端开口处分别设置有台阶状凹槽，通过所述凹槽与端部挡板(6-4)固定连接，所述热压辊本体(6-1)与热压辊加热层(6-2)之间为过盈配合安装；

所述空心转轴(6-10)两端设置有用于固定连接所述热压辊本体(1)和热压辊加热层(6-2)的端部挡板(6-4)，通过两个端部挡板(6-4)形成内部封闭空间，所述端部挡板(6-4)上设置有真空口(6-15)，所述空心转轴(6-10)和热压辊加热层(6-2)之间设置有加强板(6-6)，所述加强板(6-6)上均匀设置有多个圆形减重孔(6-14)，所述热压辊本体(6-1)和热压辊加热层(6-2)的轴向长度为1～2m；具体制备包括以下步骤：

S1：在砂架(1)上预装幅宽1-2m的纤维布，所述纤维布依次通过淋洗喷头(2)和干燥器(3)进入预紧辊(4)，对所述纤维布进行固定和预紧，所述纤维布为玻纤布、碳纤维布或芳纶纤维布，包括单向、平纹和斜纹面料，所述干燥器(3)采用热空气、氮气或红外进行干燥；所述淋洗喷头(2)可喷洒水、乙醇、丙酮或丁酮；

S2：挤出模头(10)挤出的树脂在胶膜制备辊(5)和热压辊(6)之间进行二次分配压延，得到预定厚度和宽度的树脂薄膜，挤出模头(10)挤出的树脂为聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚砜或热塑性聚酰亚胺，胶膜制备辊(5)和热压辊(6)之间间隙为0.025～0.075mm，所述热压辊(6)的转轴上设置有用于检测预浸料浸渍效果的压力传感装置，所述压力传感装置的压力范围为0.1～50MPa；

S3：将步骤S2中制备的所述树脂薄膜粘附在所述热压辊(6)表面，进入浸渍阶段与所述步骤S1预紧辊(4)上的纤维布浸渍，浸渍结束后依次通过装有去离子水的冷却定位辊(7)冷却、裁边机(8)进行裁边，最后通过收卷机(9)收卷制得要求的预浸料，所述胶膜制备辊(5)近预浸料端的运动方向与预浸料运动方向相反，所述热压辊(6)近预浸料端的运动方向与预浸料运动方向相同。

2.根据权利要求1所述的一种宽幅热塑性预浸料制备方法，其特征在于，所述砂架(1)、预紧辊(4)、胶膜制备辊(5)、热压辊(6)、冷却定位辊(7)和收卷装置(9)的转动线速度相同，所述线速度为0.1-3m/s。