CN106903906A - 一种连续纤维增强热塑性树脂熔融浸渍装置及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续纤维增强热塑性树脂的熔融浸渍装置及制备方法，该熔融浸渍装置包括展丝架、预热装置、熔融浸渍模具、冷却装置、牵引装置和挤出机，熔融浸渍模具包括至少一个狭缝辊，狭缝辊上开有狭缝，狭缝辊能够调节旋转。该装置还包括多个分散辊，分散辊和狭缝辊等间距错列布置。根据本发明所提出的连续纤维增强热塑性树脂的熔融浸渍装置及制备方法，可以在线调整纤维束在浸渍模具中的包覆角，增加纤维束展开宽度，提高纤维束浸渍程度，改善连续纤维增强热塑性树脂复合效果，连续制备出连续纤维增强热塑性复合材料预浸料或预浸带。

Description

一种连续纤维增强热塑性树脂熔融浸渍装置及制备方法

技术领域

本发明涉及一种连续纤维增强热塑性树脂熔融浸渍装置及制备方法，特别是涉及一种可在线调整浸渍装置包覆角的连续纤维增强热塑性树脂熔融浸渍装置及制备方法。

背景技术

连续纤维增强热塑性树脂基复合材料是一种由连续纤维作为增强体、以热塑性树脂作为基体，经过一定的工艺复合制备成的一种高性能复合材料。由于增强纤维是连续的，因此与短纤维或长纤维增强热塑性树脂基复合材料相比，连续纤维增强热塑性树脂基复合材料具有更加优异的机械性能和力学性能，具有良好的比刚度和比强度、韧性高、耐冲击性能好、尺寸稳定性高、耐腐蚀以及吸水率低等众多优点。因而广泛应用于交通运输、航空航天、体育器材、工业产品和建筑材料等行业。

连续纤维增强热塑性树脂常用的浸渍方法是熔融浸渍法。熔融浸渍法是利用热塑性树脂的加热熔融特性，使纤维束通过充满聚合物熔体的浸渍槽中，纤维束在一定的张力和压力作用下得到分散浸渍。为了实现良好的纤维分散和浸渍，浸渍模腔内采用类似正弦曲线的弯曲浸渍流道、波浪型的浸渍流道、改进的弯曲流道浸渍模头、在浸渍流道内设置导丝辊等等。不同形状和结构的浸渍模具的出现都是为了增强纤维丝束展开效果，增加纤维束在浸渍模具中的张力和压力，实现高粘度聚合物熔体充分的浸润纤维丝束。因此浸渍模具的结构设计成为实现纤维增强热塑性树脂浸渍效果的关键部件。

在公开号为CN102218829A的中国发明专利中，提到了一种连续/长纤维增强热塑性的浸渍模具，该模具内设置了纤维浸渍流道，流道上有导丝块，导丝块上设置有分丝孔，分丝孔与纤维浸渍流到相连通；连续纤维经导丝块上的分丝孔进入模浸渍模具与熔融的热塑性树脂接触，经环状波纹回转体芯轴及与之外表面形状相同的基体腔体内壁之间的环形、波纹状浸渍流道，纤维束被展开分散，实现浸渍。在公开号为CN102729483A的中国发明专利中，提到了一种连续长纤维增强热塑性树脂成型设备，该设备包括纤维与热装置、熔融浸渍模具以及二次辊压装置；该装置中的熔融浸渍模具由数个等间距排布的张力辊组成，纤维束在浸渍模具内交替绕过张力辊，实现纤维束的分散和浸渍。在公开号为CN103753831A的中国发明专利中，提到了一种连续纤维增强热塑性复合材料的浸渍模具，该模具由壳体、上模头和下模头组成。上下模头对应设置具有相互错位的波峰浸渍面，上下模头相互扣合形成浸渍通道。该模具浸渍方法是浸渍模具呈竖直设置，连续纤维两侧分别贴紧上模头和下模头的浸渍面并通过张紧装置张紧，挤出机在连续纤维带的两侧面涂覆，模具加热，连续纤维带受波浪状浸渍面摩擦张力的影响浸渍。在公开号为CN103770241A的中国发明专利中，提到了一种连续长纤维增强热塑性树脂的双面熔融浸渍设备，其设备是在熔融浸渍机头内的纤维通道设置纤维预分散区、树脂浸渍纤维区和纤维再分散区，树脂浸润纤维区中设置双面分配流道，双面分配流道包括结构对称的上层分配流道和下层分配流道；纤维预分散区中设有预分散装置，纤维再分散区中设有再分散装置。

现有连续纤维浸渍热塑性树脂浸渍装置存在以下问题：1.纤维束浸渍流道形式固定，浸渍形式单一；2.浸渍模具中纤维束所受张力难以调节测量；3.纤维束在浸渍模具中分散效果较差，导致浸渍效果较差；4.浸渍装置形状复杂，加工生产比较困难。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提供一种连续纤维增强热塑性树脂熔融浸渍装置及制备方法。

本发明提供一种连续纤维增强热塑性树脂的熔融浸渍装置，包括展丝架、预热装置、熔融浸渍模具、冷却装置、牵引装置和挤出机，熔融浸渍模具包括至少1个狭缝辊，所述狭缝辊上开有宽度小于其半径的狭缝，所述狭缝辊能够调节旋转。

优选地，所述狭缝两端为圆弧过渡，圆弧半径范围为1-20mm。

优选地，所述熔融浸渍装置还包括1-6个分散辊,分散辊和狭缝辊错列布置。

优选地，在所述展丝架和所述预热装置之间还设置有导丝辊。

优选地，所述狭缝辊能够进行正、反两个方向旋转，旋转范围为0-±90°。

本发明还提供了采用上述连续纤维增强热塑性树脂的熔融浸渍装置的制备方法，包括以下步骤：

(a)将连续纤维束通过展丝架进行纤维预分散，并通过预热装置进行干燥处理；

(b)将所述步骤(a)处理后的连续纤维束交替绕过熔融浸渍模具中的分散辊，并穿过狭缝辊，可通过旋转狭缝辊调节连续纤维束在浸渍模具中的包覆角，且可以改变模具内纤维束所受张力；同时通过挤出机将塑化好的热塑性树脂熔体挤入熔融浸渍模具，连续纤维束在分散辊和狭缝辊的作用下得到分散和浸渍；

(c)将所述步骤(b)处理后的连续纤维和热塑性树脂熔体通过冷却装置进行冷却定型，在牵引装置的牵引下连续生产，得到所述连续纤维增强热塑性树脂。

优选地，所述连续纤维束选自玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维或芳纶纤维中的至少一种。

优选地，所述热塑性树脂熔体选自聚乙烯、聚丙烯、尼龙、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氨酯、聚甲醛中的至少一种。

优选地，所述牵引装置的牵引速度在0-1m/s之间。

根据本发明所提出的连续纤维增强热塑性树脂的熔融浸渍装置及制备方法，可以在线调整纤维束在浸渍模具中的包覆角，增加纤维束展开宽度，提高纤维束浸渍程度，改善连续纤维增强热塑性树脂复合效果，连续制备出连续纤维增强热塑性复合材料预浸料或预浸带。

与现有技术相比，本连续纤维增强热塑性树脂的熔融浸渍装置和浸渍方法有以下优点：

1.本发明提供的熔融浸渍模具，由分散辊和狭缝辊组成，狭缝辊可旋转，因此可通过狭缝辊的旋转改变纤维束熔融浸渍的包覆角。而现有设备纤维束浸渍流道形式固定，浸渍形式单一；

2.本发明中，可通过狭缝辊外部手柄的角度显示直接得到相应的内部纤维束流道形式及相应的包覆角；

3.本发明通过分散辊和狭缝辊相结合，使纤维充分分散的同时通过狭缝流道充分浸渍，同时狭缝辊旋转产生的张力进一步促进热塑性树脂熔体浸渍纤维束；

4.本发明工艺过程简单，工艺条件易于实现，同时本发明提出的浸渍模具结构易于加工实现。

附图说明

图1是本发明连续纤维增强热塑性树脂熔融浸渍装置示意图；

图2是本发明连续纤维增强热塑性树脂熔融浸渍模具结构示意图；

图3是本发明狭缝辊手柄外侧A向视图结构示意图；

图中，1、连续纤维束；2、展丝架；3、导丝辊；4、预热装置；5、熔融浸渍模具；6、分散辊；7、狭缝辊；71、狭缝；72、手柄；8、冷却装置；9、牵引装置；10、挤出机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步阐述，但本发明并不限于一下实施例。

实施例一

参见图1和图2，本发明提供的连续纤维增强热塑性树脂的熔融浸渍装置包括展丝架2、导丝辊3、预热装置4、熔融浸渍模具5、冷却装置8、牵引装置9和挤出机10。

本实施例中的熔融浸渍模具5由3个分散辊6和2个狭缝辊7组成。所述分散辊6直径为20mm所述狭缝辊7直径为20mm；狭缝辊7上开有狭缝71，狭缝71高2mm、长30mm；狭缝71两端为圆弧过渡，圆弧半径范围为2mm，狭缝辊7可正反旋转。

上述熔融浸渍模具5中分散辊6和狭缝辊7等间距错列布置，相邻分散辊6和狭缝辊7之间的中心距为40mm。所述熔融浸渍模具5中分散辊6固定不动，狭缝辊7可通过与之一体的位于熔融浸渍模具5外侧的手柄72进行正反两个方向旋转，手柄72上可以标有刻度，0°对应辊7中狭缝71为水平的位置，旋转范围为0-±90°。

本发明还提供了采用上述连续纤维增强热塑性树脂的熔融浸渍装置的制备方法，包括以下步骤：

(a)将连续纤维束1通过展丝架2进行纤维预分散，并通过预热装置4进行干燥处理，预热温度为190℃。

(b)将所述步骤(a)处理后的连续纤维束1交替绕过熔融浸渍模具5中的分散辊6，并穿过狭缝辊7的狭缝71，可通过旋转狭缝辊7调节连续纤维束1在浸渍辊的包覆角，且可以改变模具内纤维束所受张力；同时通过挤出机10将塑化好的热塑性树脂熔体挤入熔融浸渍模具5，挤出机10加料段加热温度190℃，塑化段加热温度210℃，均化段和挤出机头温度为230℃，熔融浸渍模具5的加热温度230℃；连续纤维束1在分散辊6和狭缝辊7的作用下得到分散和浸渍；浸渍后的纤维束经过直径为2.8mm的定型口模定型牵出；

(c)将所述步骤(b)处理后的连续纤维和热塑性树脂熔体通过冷却装置8进行冷却定型，在牵引装置9的牵引下连续生产，得到所述连续纤维增强热塑性树脂。

步骤(a)中，连续纤维束10为玻璃纤维。

步骤(b)中，热塑性树脂熔体为聚丙烯。

所述步骤(b)中狭缝辊7在0-±90°间旋转调节。

所述步骤(c)中牵引装置9的牵引速度2m/min。

吸水率是反映浸渍程度的重要指标，根据GB/T 1462-2005《纤维增强塑料吸水性试验方法》，针对本实施例所制备的每组料条垂直于轴向截取长50mm±1mm的样本5个；试样放进50℃±2℃的烘箱中干燥20h±1h，取出试样称量每个试样质量(m₁)，精确至0.001g；随后将试样浸入温度为23℃±0.5℃的蒸馏水中24h±0.5h，将试样取出用滤纸去除表面水分后再次称得试样质量(m₂)，精确至0.001g；每组样条重复以上测试步骤，相对于试样质量的吸水百分率根据式计算可得。

拉伸强度是反映预浸料力学性能的重要指标，根据GB/T1477-2005《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》，将本实施例所制备的预浸料制备成厚度d＝4mm、中间平行段宽度b＝10mm的标准测试样条，并在拉力测试机上进行拉伸性能测试，拉力测试机夹具间距离115mm，加载速度2mm/min，拉伸应力根据式计算可得。实验结果请见下列表1。

表1

实施例二

本实施例浸渍工艺过程、浸渍方法以及结果评价方法均与实施例一相同，其不同之处在于：本实施例全部采用狭缝辊7，所述狭缝辊7直径为30mm，所述狭缝辊7的狭缝71高5mm、长30mm，狭缝71两端为圆弧过渡，圆弧半径范围为5mm，狭缝辊7可正反旋转；相邻狭缝辊之间的中心距为50mm。本实施例中所用连续纤维束10为碳纤维，热塑性树脂熔体为尼龙。

挤出机10加料段加热温度210℃，塑化段加热温度230℃，均化段和挤出机头温度为250℃，熔融浸渍模具5的加热温度250℃；连续纤维束1在分散辊6和狭缝辊7的作用下得到分散和浸渍；浸渍后的纤维束经过直径为2.8mm的定型口模定型牵出。实验数据请见下列表2。

表2

实施例三

本实施例浸渍工艺过程、浸渍方法以及结果评价方法均与实施例一相同，其不同之处在于：本实施例所用分散辊6直径为30mm，所述狭缝辊7直径为30mm，所述狭缝辊7的狭缝71高5mm、长30mm，狭缝71两端为圆弧过渡，圆弧半径范围为5mm，狭缝辊7可正反旋转；相邻分散辊和狭缝辊之间的中心距为50mm。本实施例中所用连续纤维束10为芳纶纤维，热塑性树脂熔体为聚乙烯。

挤出机10加料段加热温度190℃，塑化段加热温度210℃，均化段和挤出机头温度为230℃，熔融浸渍模具5的加热温度230℃；连续纤维束1在分散辊6和狭缝辊7的作用下得到分散和浸渍；浸渍后的纤维束经过直径为2.8mm的定型口模定型牵出。实验数据请见下列表3。

表3

如上所述，便可较好实现本发明，上述实施例仅为本发明较佳实施例，并非用来限定并发明的实施范围。

Claims (10)

1.一种连续纤维增强热塑性树脂的熔融浸渍装置，包括展丝架、预热装置、熔融浸渍模具、冷却装置、牵引装置和挤出机，其特征在于：熔融浸渍模具包括至少1个狭缝辊，所述狭缝辊上开有宽度小于其半径的狭缝，所述狭缝辊能够调节旋转。

2.根据权利要求1所述的熔融浸渍装置，其特征在于：所述狭缝两侧为圆弧过渡，圆弧半径范围为1-20mm。

3.根据权利要求1所述的熔融浸渍装置，其特征在于：还包括1-6个分散辊,所述分散辊和所述狭缝辊错列布置。

4.根据权利要求1所述的熔融浸渍装置，其特征在于：所述狭缝辊能够进行正、反两个方向旋转，旋转范围为0-±90°。

5.根据权利要求4所述的熔融浸渍装置，其特征在于：所述狭缝辊的旋转范围为0-±60°。

6.根据权利要求1所述的熔融浸渍装置，其特征在于：所述狭缝辊的直径范围为10-100mm。

7.根据权利要求6所述的熔融浸渍装置，其特征在于：所述狭缝辊的直径范围为20-40mm。

8.一种连续纤维增强热塑性树脂的熔融浸渍装置的制备方法，包括如下步骤：

(a)将连续纤维束通过展丝架进行纤维预分散，并通过预热装置进行干燥处理；

(b)将所述步骤(a)处理后的连续纤维束交替绕过熔融浸渍模具中的分散辊，并穿过狭缝辊，可通过旋转狭缝辊调节连续纤维束在熔融浸渍模具中的包覆角，且可以改变模具内纤维束所受张力；同时通过挤出机将塑化好的热塑性树脂熔体挤入熔融浸渍模具，连续纤维束在分散辊和狭缝辊的作用下得到分散和浸渍；

(c)将所述步骤(b)处理后的连续纤维和热塑性树脂熔体通过冷却装置进行冷却定型，在牵引装置的牵引下连续生产，得到所述连续纤维增强热塑性树脂。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：所述连续纤维束选自玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维或芳纶纤维中的至少一种。

10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：所述狭缝辊能够进行正、反两个方向旋转，旋转范围为0-±90°。