CN109822778B - 一种连续纤维纵横浸渍制备热塑性复合材料的成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种连续纤维纵横浸渍制备热塑性复合材料的成型方法，牵引纤维束依次经过浸渍腔内的上胶段、分散浸渍段和定型段，在上胶段内使树脂包覆在纤维束的表面，对纤维束的表层产生浸渍效果；在分散浸渍段内，由设置在纤维束一侧的不动辊对纤维束实施纵向浸渍，同时使树脂产生反向运动趋势和对树脂产生剪切作用；由设置在纤维束另一侧的动辊使纤维束的横向宽度增大和使树脂产生横向移动，在此过程中横向移动的树脂填充到纤维束中，对纤维束实施横向浸渍；在定型段内减小纤维束的横向宽度，使纤维束合拢定型；最后将定型的纤维束牵引出浸渍腔，制得预浸料。本发明能够对纤维束实现纵横‑表里的全方位浸渍，达到大幅提高浸渍效果的目的。
Description
技术领域
本发明涉及热塑性复合材料技术领域，具体地说涉及一种连续纤维纵横浸渍制备热塑性复合材料的成型方法。
背景技术
纤维增强聚合物复合材料的刚度、强度和尺寸稳定性均优于未增强的聚合物基体材料。近年来，以玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维为增强材料的长纤维增强热塑性复合材料已用于汽车、航空航天、电子电气、机械等领域，其强度高、密度小、价格低、易于回收利用，被认为是可替代钢材而使汽车轻量化的理想材料，加快了高性能塑料替代金属材料的步伐。
与传统的短纤维增强粒料相比，长纤维增强热塑性复合材料在结构上有着显著不同：长纤维粒料中，纤维在树脂基体中沿轴向平行排列和分散，纤维长度等于粒料长度，且被树脂充分浸渍，而在短纤维粒中，纤维无序地分散于基体当中，其长度远小于粒料的长度且不均匀。短纤维与长纤维粒料结构的不同导致了两者在性能上也存在明显差异，与短纤维增强热塑性复合材料相比，长纤维增强热塑性复合材料具有以下优点：长纤维增强热塑性复合材料的纤维长度较长，而且纤维分散较为均匀，可以显著提高复合材料的力学性能，如拉伸、弯曲、冲击性能等。
中国专利公告号为CN106113317B的现有技术在2018年3月6日公开了一种连续碳纤维熔融浸渍热塑性聚合物预浸带制备模具。该专利中，采用上模和下模向对面为相互配合的曲面及伸入到溶体池内的圆面，纤维束经过上述面时，将被浸渍。但该技术仅能实现纤维纵向方向的浸渍，而在纤维束的横向方向未发生有效浸渍，导致其浸渍效果较差。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的上述问题，提供一种连续纤维纵横浸渍制备热塑性复合材料的成型方法，本发明能够对纤维束实现纵横-表里的全方位浸渍，达到大幅提高浸渍效果的目的。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种连续纤维纵横浸渍制备热塑性复合材料的成型方法，其特征在于：牵引纤维束依次经过浸渍腔内的上胶段、分散浸渍段和定型段，在上胶段内使树脂包覆在纤维束的表面，对纤维束的表层产生浸渍效果；在分散浸渍段内，由设置在纤维束一侧的不动辊对纤维束实施纵向浸渍，同时使树脂产生反向运动趋势和对树脂产生剪切作用；由设置在纤维束另一侧的动辊使纤维束的横向宽度增大和使树脂产生横向移动，在此过程中横向移动的树脂填充到纤维束中，对纤维束实施横向浸渍；在定型段内减小纤维束的横向宽度，使纤维束合拢定型；最后将定型的纤维束牵引出浸渍腔，制得预浸料。
所述动辊通过旋转运动和沿着垂直于纤维束方向的往复直线运动使纤维束的横向宽度增大和使树脂产生横向移动。
所述动辊与设置在浸渍腔外的伸缩旋转控制机构连接，所述伸缩旋转控制机构包括电机和伸缩件，电机与动辊连接用于控制动辊旋转，伸缩件与电机连接用于带动动辊往复直线运动。
所述纤维束经前驱动牵引辊牵引进入分散浸渍段，经后驱动牵引辊牵引进入定型段，且前驱动牵引辊与后驱动牵引辊之间的纤维束长度大于前驱动牵引辊与后驱动牵引辊之间距离。
所述前驱动牵引辊的牵引速度和后驱动牵引辊的牵引速度均为10-25m/min。
所述分散浸渍段内不动辊和动辊的数量均至少为两根，且至少两根不动辊分别设置在纤维束的两侧，至少两根动辊分别设置在纤维束的两侧。
所述不动辊位于动辊的正上方或正下方。
所述定型段内通过沟槽定型辊减小纤维束的横向宽度。
所述沟槽定型辊的数量为多个，多个沟槽定型辊的沟槽宽度依次递减，经分散浸渍段后的纤维束通过依次绕过多个沟槽定型辊使纤维束的横向宽度减小。
所述的多个沟槽定型辊的沟槽宽度依次按2mm大小递减。
采用本发明的优点在于：
1、本发明在分散浸渍段内的纤维束两侧分别设置了不动辊和动辊，纤维束带着树脂一起向前运动，当树脂接触在不动辊时，会产生反向运动趋势和对树脂产生剪切作用，因树脂反向运动趋势促使树脂进入纤维束内部，而剪切作用降低树脂的粘度，更有利于纤维束的浸渍，进而实现纤维束的纵向浸渍。在实现纤维纵向的浸渍的同时，动辊的运动状态为自身旋转并沿着垂直于纤维束方向做往复循环运动，增加纤维束横向的宽度(增大纤维在横向方向的分散度)并使部分树脂横向移动；纤维束横向宽度增大，将导致单丝纤维之间的距离增大，从而使得横向运动的树脂能够有效填充其中，达到提高纤维束横向浸渍的效果，进而实现纤维束纵横-表里的全方位浸渍作用。而通过定型段则能够对分散浸渍段内横向展开的纤维束合拢定向。
2、本发明采用电机与动辊连接用于控制动辊旋转，采用伸缩件与电机连接用于带动动辊往复直线运动，具有结构简单和便于有效控制动辊旋转和做往复直线运动的优点，有利于纤维束横向方向的有效浸渍。
3、本发明将前驱动牵引辊的牵引速度和后驱动牵引辊的牵引速度均设为10-25m/min，并使前驱动牵引辊与后驱动牵引辊之间的纤维束长度大于前驱动牵引辊与后驱动牵引辊之间距离。该设置方式能使前后驱动牵引辊之间的纤维束保持恒定的微松状态，有利于纤维束在动辊的作用下有效地增加纤维束的宽度和增加单丝纤维之间的距离，进而使得横向运动的树脂能够有效填充其中，达到提高纤维束横向浸渍的效果。
4、本发明将至少两根不动辊分别设置在纤维束的两侧，将至少两根动辊分别设置在纤维束的两侧，该设置方式有利于对纤维束上下两个表面的有效浸渍，进一步提高了纤维束的浸渍效果。
5、本发明在定型段内设置多个沟槽宽度依次按2mm大小递减的沟槽定型辊，能够有效地将浸渍后的纤维束合拢定型。
附图说明
图1为本发明的主视结构示意图；
图2为本发明的俯视结构示意图；
图3为本发明中沟槽定型辊的结构示意图；
图中标记为：1、浸渍腔，2、上胶段，3、分散浸渍段，4、定型段，5、不动辊，6、动辊，7、前驱动牵引辊，8、后驱动牵引辊，9、沟槽定型辊，10、纤维束，11、电机，12、伸缩件。
具体实施方式
本发明公开了一种连续纤维纵横浸渍制备热塑性复合材料的成型方法，其具体过程为：牵引纤维束10依次经过浸渍腔1内的上胶段2、分散浸渍段3和定型段4，在上胶段2内由树脂挤出机注入树脂，牵引纤维束10通过上胶段2时，使树脂包覆在纤维束10的表面，对纤维束10的表层产生浸渍效果；在分散浸渍段3内，由设置在纤维束10一侧的不动辊5对纤维束10实施纵向浸渍，同时使树脂产生反向运动趋势和对树脂产生剪切作用；由设置在纤维束10另一侧的动辊6使纤维束10的横向宽度增大和使部分树脂产生横向移动，在此过程中横向移动的树脂填充到宽度增加的纤维束10中，对纤维束10实施横向浸渍；在定型段4内减小纤维束10的横向宽度，使纤维束10合拢定型；最后将定型的纤维束10牵引出浸渍腔1，制得预浸料。
本发明中，所述动辊6通过旋转运动和沿着垂直于纤维束10方向的往复直线运动使纤维束10的横向宽度增大和使树脂产生横向移动。具体的，动辊6与设置在浸渍腔1外的伸缩旋转控制机构连接，所述伸缩旋转控制机构包括电机11和伸缩件12，电机11与动辊6连接用于控制动辊6旋转，伸缩件12与电机11连接用于带动动辊6往复直线运动。实际安装时，可在浸渍腔1的外侧面上设置具有滑道的安装平台，可将电机11安装在滑道上，然后将电机11与伸缩件12连接即可实现动辊6的旋转及垂直于纤维束10长度方向的往复直线运动。
本发明中，在分散浸渍段3内设置有前驱动牵引辊7和后驱动牵引辊8，经上胶段2包覆树脂的纤维束10经前驱动牵引辊7牵引进入分散浸渍段3，经后驱动牵引辊8牵引进入定型段4。在实际牵引过程中，前驱动牵引辊7和后驱动牵引辊8的牵引速度优选相同，以能使前后驱动牵引辊之间的纤维束10保持恒定微松状态为宜。例如，可使前驱动牵引辊7和后驱动牵引辊8之间的纤维束10长度略微大于前驱动牵引辊7与后驱动牵引辊8之间的距离，这样就使得纤维束10在动辊6的作用下能够有效地增加纤维束10的宽度和增加单丝纤维之间的距离，使得横向运动的树脂能够有效填充其中，最终达到提高纤维束10横向浸渍的效果。
进一步的，前驱动牵引辊7的牵引速度和后驱动牵引辊8的牵引速度均为10-25m/min，优选前驱动牵引辊7的牵引速度和后驱动牵引辊8的牵引速度均为15m/min。
本发明中，所述动辊6由电机11驱动，所述分散浸渍段3内不动辊5和动辊6的数量均至少为两根，且至少两根不动辊5分别设置在纤维束10的两侧，至少两根动辊6分别设置在纤维束10的两侧，且不动辊5位于动辊6的正上方或正下方。其中，优选不动辊5和动辊6的数量均为两根，其中一根不动辊5位于动辊6的正上方，另一根不动辊5位于动辊6的正下方。当不动辊5和动辊6的数量均超过两根时，可根据实际需要将不动辊5和动辊6分别设置在纤维束10的两侧。
本发明中，所述定型段4内通过沟槽定型辊9减小纤维束10的横向宽度，沟槽定型辊9的数量为多个，多个沟槽定型辊9的沟槽宽度依次递减，经分散浸渍段3后的纤维束10通过依次绕过多个沟槽定型辊9使纤维束10的横向宽度减小。具体的，优选沟槽定型辊9的数量为三个，三个沟槽定型辊9的沟槽宽度依次按2mm大小递减，且最后一个沟槽定型辊9的沟槽宽度与纤维出口的宽度等同。当纤维束10经过定型段4时，由第一个沟槽定型辊9对横向展开的纤维束10进行第一次合拢，而后再由第二个沟槽浸渍辊对纤维束10进行第二次合拢，最后经第三个沟槽浸渍辊对纤维束10进行第三次合拢后，纤维束10的宽度等同于纤维出口的宽度，浸渍后的纤维束10被牵引出去，即得到预浸料。其中，沟槽定型辊9中沟槽的数量可为多个，以便于适用于多股纤维束10的同时浸渍。
Claims (9)
1.一种连续纤维纵横浸渍制备热塑性复合材料的成型方法，其特征在于：牵引纤维束(10)依次经过浸渍腔(1)内的上胶段(2)、分散浸渍段(3)和定型段(4)，在上胶段(2)内使树脂包覆在纤维束(10)的表面，对纤维束(10)的表层产生浸渍效果；在分散浸渍段(3)内，由设置在纤维束(10)一侧的不动辊(5)对纤维束(10)实施纵向浸渍，同时使树脂产生反向运动趋势和对树脂产生剪切作用；由设置在纤维束(10)另一侧的动辊(6)使纤维束(10)的横向宽度增大和使树脂产生横向移动，在此过程中横向移动的树脂填充到纤维束(10)中，对纤维束(10)实施横向浸渍；在定型段(4)内减小纤维束(10)的横向宽度，使纤维束(10)合拢定型；最后将定型的纤维束(10)牵引出浸渍腔(1)，制得预浸料；
所述动辊(6)通过旋转运动和沿着垂直于纤维束(10)方向的往复直线运动使纤维束(10)的横向宽度增大和使树脂产生横向移动。
2.如权利要求1所述的一种连续纤维纵横浸渍制备热塑性复合材料的成型方法，其特征在于：所述动辊(6)与设置在浸渍腔(1)外的伸缩旋转控制机构连接，所述伸缩旋转控制机构包括电机(11)和伸缩件(12)，电机(11)与动辊(6)连接用于控制动辊(6)旋转，伸缩件(12)与电机(11)连接用于带动动辊(6)往复直线运动。
3.如权利要求1或2所述的一种连续纤维纵横浸渍制备热塑性复合材料的成型方法，其特征在于：所述纤维束(10)经前驱动牵引辊(7)牵引进入分散浸渍段(3)，经后驱动牵引辊(8)牵引进入定型段(4)，且前驱动牵引辊(7)与后驱动牵引辊(8)之间的纤维束(10)长度大于前驱动牵引辊(7)与后驱动牵引辊(8)之间距离。
4.如权利要求3所述的一种连续纤维纵横浸渍制备热塑性复合材料的成型方法，其特征在于：所述前驱动牵引辊(7)的牵引速度和后驱动牵引辊(8)的牵引速度均为10-25m/min。
5.如权利要求1所述的一种连续纤维纵横浸渍制备热塑性复合材料的成型方法，其特征在于：所述分散浸渍段(3)内不动辊(5)和动辊(6)的数量均至少为两根，且至少两根不动辊(5)分别设置在纤维束(10)的两侧，至少两根动辊(6)分别设置在纤维束(10)的两侧。
6.如权利要求4所述的一种连续纤维纵横浸渍制备热塑性复合材料的成型方法，其特征在于：所述不动辊(5)位于动辊(6)的正上方或正下方。
7.如权利要求1所述的一种连续纤维纵横浸渍制备热塑性复合材料的成型方法，其特征在于：所述定型段(4)内通过沟槽定型辊(9)减小纤维束(10)的横向宽度。
8.如权利要求7所述的一种连续纤维纵横浸渍制备热塑性复合材料的成型方法，其特征在于：所述沟槽定型辊(9)的数量为多个，多个沟槽定型辊(9)的沟槽宽度依次递减，经分散浸渍段(3)后的纤维束(10)通过依次绕过多个沟槽定型辊(9)使纤维束(10)的横向宽度减小。
9.如权利要求8所述的一种连续纤维纵横浸渍制备热塑性复合材料的成型方法，其特征在于：所述的多个沟槽定型辊(9)的沟槽宽度依次按2mm大小递减。
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