CN111775366B - 一种单向连续纤维增强热塑复合材料的制备方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种单向连续纤维增强树复合材料的制备设备和方法，包括采用开放式的热熔树脂与纤维热熔融合的涂抹工艺设计，将挤出机塑化熔融的树脂经过设定的模头输送至所述的热熔树脂涂抹引导辊，并在热熔树脂涂抹引导辊的辊面形成一层厚度均匀的热熔树脂膜层；热熔树脂涂抹引导辊通过设定的旋转运动将热熔树脂沿引导辊辊面连续、均匀地涂抹在一排连续运行，均匀展开的纤维体上，一排已涂抹了热熔树脂的均匀展开的纤维连续经过多级串联、平行交互、开放式的连续纤维与热熔树脂辊压浸渍涂抹装置，完成热熔树脂与纤维的有效融合，热熔树脂与纤维有效融合的复合体在主牵引的驱动力作用下，连续通过冷却、定型装置，收卷成单向连续纤维增强树复合材料。

Description

一种单向连续纤维增强热塑复合材料的制备方法和设备

技术领域

本发明属于连续纤维增强热塑复合材料技术领域，尤其涉及一种单向连续纤维增强热塑复合材料带材产品及其制备方法和设备。

背景技术

以纤维增强的各类树脂复合材料正逐步替代传统的金属材料，被广泛应用于很多要求轻量化的领域，包括飞机、汽车等各类交通工具等。

随着纤维增强热塑性复合材料的应用发展，连续性纤维增强热塑材料浸渍带因其优异的物理特性和多样的加工成型方式逐步得到推广。广泛应用于运输、军民航空、石油化工、体育器具、建筑材料等众多领域。实现了产品质量轻、强度高、耐腐蚀、可回收利用以及加工成型便利的目标，因其优秀的综合性能，该行业得到了蓬勃发展。

连续纤维增强树复合材料所具备的纤维与树脂的有效融合，以及连续纤维沿制品宽度方向分布均匀，厚度尺寸稳定是评估该类产品机械物理性能的关键特征指标。目前，为了提升所述的性能指标，除了在材料层面对树脂进行偶联剂处理，以增强与纤维界面的连接强度外，有以下两类常用的工艺装备技术。第一类生产工艺是将纤维通过封闭式的，内置热熔树脂腔的模具，实施纤维与树脂的热熔融合；这类工艺的缺点在于模头中存在死角，容易造成熔体热分解。纤维断裂后续接比较困难，造成连续纤维热塑性预浸带纤维含量波动较大；产品厚度调整时受模口间隙影响，降低了设备的通用性；纤维与树脂的融合效果受限于生产线的速度，生产效率低。第二类是采用已成型的热塑膜，通过加热与纤维进行热熔包覆融合的制备工艺，该工艺受限于热塑膜在加热过程中造成尺寸收缩，难以保证产品树脂的均匀分布；以及采用对树脂膜再次加热的二次加工，而缺乏经济性，产品的性价比不高。上述工艺的局限性，对于采用纤维增强树脂体为原料进行二次加工时，如挤出热压成型，以及注塑成型的产品的力学性能有着直接影响，造成产品的实际使用性能不稳定，而容易过早失效。

美国TICONA公司US9,233,486.B2,9,289,936.B2等专利为代表的采用“封闭式的，内置热熔树脂腔的模具，实施纤维与树脂的热熔融合”的工艺技术。由于“封闭式的，内置热熔树脂腔的模具”的设计特征，首先，在模具的热熔树脂腔存在的死角，容易造成热熔树脂的积存，形成熔体热分解；纤维断裂后续接比较困难，造成连续纤维热塑性预浸带纤维含量波动较大；产品厚度调整时受模口间隙影响，降低了设备的通用性；纤维与树脂的融合效果受限于生产线的速度，生产效率低。

陕西天策新材料科技有限公司的CN105346200A专利采用的使用已经固化的热塑性树脂薄膜直接与连续纤维经过热压辊进行复合，在此过程中由于热塑性树脂的流动性差和热辊压的热熔效果不良，造成热塑性树脂对连续纤维的浸润效果差，直接导致连续纤维增强热塑性树脂复合材料出现浸润效果不理想，界面效果不良，材料强度低的问题，且该工艺受限于热塑膜在加热过程中造成尺寸收缩，难以保证产品树脂的均匀分布；以及采用对树脂膜再次加热的二次加工，而缺乏经济性，产品的性价比不高。

本发明提出的单向连续纤维增强热塑复合材料的制备工艺和流程，尤其是在特殊几何辊张力展纱，机械式静电展纱，上、下交错辊式树脂涂抹等的设计为制备纤维与树脂有效融合，以及连续纤维分布均匀，制品厚度尺寸稳定的复合材料产品提供了更好的解决方案。

发明内容

为了实现上述目的，本发明提出了一种所述的单向连续纤维增强树复合材料的制备工艺，包括采用开放式的热熔树脂与纤维热熔融合的涂抹工艺设计；其特征是将挤出机塑化熔融的树脂经过设定的模头输送至所述的热熔树脂涂抹引导辊，并在所述的热熔树脂涂抹引导辊的辊面形成一层厚度均匀的热熔树脂膜层；同步地，所述的热熔树脂涂抹引导辊通过设定的旋转运动将热熔树脂沿引导辊辊面连续、均匀地涂抹在一排连续运行，均匀展开的纤维体上；随后，所述的一排已涂抹了热熔树脂的均匀展开的纤维连续经过所述的多级串联、平行交互、开放式的连续纤维与热熔树脂辊压浸渍涂抹装置，完成热熔树脂与纤维的有效融合；最后，所述的热熔树脂与纤维有效融合的复合体在主牵引的驱动力作用下，连续通过冷却、定型装置，至收卷机完成所述的单向连续纤维增强树复合材料的制备。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种所述的单向连续纤维增强树复合材料的制备设备，由热熔树脂涂抹引导辊与多级以串联形式，平行交互布置的品字结构浸渍涂抹单元模块所组成的开放式的连续纤维与热熔树脂辊压浸渍涂抹装置；一组挤出设备模头以涂抹的方式将挤出的热熔树脂涂覆在热熔树脂涂抹引导辊辊面，形成一层厚度均匀的热熔树脂膜层；通过热熔树脂涂抹引导辊的旋转运动，同步地将涂覆在一组热熔树脂涂抹引导辊辊面的一层厚度均匀的热熔树脂膜层涂抹在一排单向连续的均匀展平的纤维体上；

进一步地，热熔树脂初步融合的一排单向连续的均匀展平的纤维体，进入多级串联的平行交互布置的品字结构浸渍涂抹单元模块所组成的开放式的连续纤维与热熔树脂辊压浸渍涂抹装置；实现热熔树脂与纤维的充分、有效地融合；

进一步地，热熔树脂涂抹引导辊和一组挤出设备模头装置可以是在一排单向连续均匀展平的纤维体的一侧设置，也可以是在一排单向连续均匀展平的纤维体的上、下两侧分别设置一组所述的热熔树脂涂抹引导辊和一组挤出设备模头装置；

进一步地，分别通过上、下热熔树脂涂抹引导辊连续地将相对应的一组挤出设备模头提供的热熔树脂涂覆在热熔树脂涂抹引导辊辊面，形成一层厚度均匀的热熔树脂膜层，并通过上、下热熔树脂涂抹引导辊的旋转运动，分别将涂覆在上、下热熔树脂涂抹引导辊辊面的一层厚度均匀的热熔树脂膜层涂抹在一排单向连续的均匀展平的纤维体体上、下两侧；

进一步地，一排单向连续均匀展开的纤维体的上部设置一组热熔树脂涂抹引导辊和一组挤出设备模头装置；同时，在一排单向连续均匀展平的纤维体体的下部仅设置一组热熔树脂挤出设备模头装置；通过上部热熔树脂涂抹引导辊的旋转运动，将涂覆在热熔树脂涂抹引导辊辊面的一层厚度均匀的热熔树脂膜层涂抹在一排单向连续的均匀展平的纤维体上部一侧；同时，在设置在一排单向连续均匀展平的纤维体的下部一组挤出设备模头将热熔树脂均匀挤出涂抹在一排单向连续的均匀展平的纤维体下部一侧；

进一步地，挤出设备的热熔树脂膜挤出模头出***的基准面与热熔树脂涂抹引导辊的轴线相平行，并以热熔树脂涂抹引导辊辊面为基准，按照设定的角度和间隙，设置挤出设备的热熔树脂膜挤出模头的位置；挤出设备的热熔树脂膜挤出模头出***与热熔树脂涂抹引导辊辊面的间隙设定范围0.1～10.0mm；挤出设备的热熔树脂膜挤出模头与水平面的夹角设定范围10～150°角；

进一步地，一排展平的纤维与热熔树脂涂抹引导辊的包角为15～180°角；

进一步地，热熔树脂涂抹引导辊为单独驱动，其旋转速度可以单独设置；可以通过调整所述的热熔树脂涂抹引导辊的转速，并结合挤出设备的挤出量来控制导引辊辊面形成的一层热熔膜层的厚度，以及热熔树脂导引辊对一排纤维热熔树脂的涂抹量，进一步地，热熔树脂涂抹引导辊的辊面线速度比通过其辊面的一排展平的纤维运行速度慢，如果两者速度一致，会导致经常性的纤维缠在引导辊上的现象，且速度慢些有利于辊面上形成厚度均匀的一层热熔膜；

进一步地，开放式的连续纤维与热熔树脂辊压浸渍涂抹装置是由多个品字结构的浸渍涂抹单元模块，以串联形式相互交错平行布置所组成；每个浸渍涂抹单元模块是由三组浸渍涂抹辊呈品字结构排布，其排布形式有两种：正品字品字结构和倒品字品字结构；浸渍涂抹单元模块按照正品字品字结构和倒品字品字结构以串联形式，呈间隔、平行、交错布置；

进一步地，通过对正品字浸渍涂抹单元模块的顶部浸渍涂抹辊和对倒品字浸渍涂抹单元模块底部的浸渍涂抹辊的位置调整，实现每个浸渍涂抹单元模块三组浸渍涂抹辊子之间的中心距的调整设置；通过对浸渍涂抹单元模块的浸渍涂抹辊子的中心距的调整，设置一排单向连续均匀展平的纤维体与浸渍涂抹辊的包角；

进一步地，一排连续运行的纤维，与多级穿联的，平行交互的，开放式的连续纤维与热熔树脂辊压浸渍涂抹装置每个单元的包角从大到小，称递减状态；反之对通过每个辊式浸渍涂抹单元模块的张力则呈逐级递增状态；这一力学特征与热熔树脂和一排展平的纤维由里至外逐级融合所需的融合压力相一致；

进一步地，一排连续运行的纤维，与多级穿联的，平行交互的，开放式的连续纤维与热熔树脂辊压浸渍涂抹装置每个单元的包角设置范围15～180°角；多级穿联的，平行交互的，开放式的辊式涂抹的每组辊子辊面线速度比通过其辊面的一排展平的纤维运行速度慢，如果两者速度一致，会导致经常性的纤维缠在引导辊上的现象；

进一步地，通过对单元模块的浸渍涂抹辊子的中心距的调整，实现每个所述浸渍涂抹单元模块三组浸渍涂抹辊子的辊面之间的间隙的调整设置；同一正品字结构浸渍涂抹单元模块的顶部浸渍涂抹辊与相邻的两组浸渍涂抹辊辊面的间隙，或同一倒品字结构浸渍涂抹单元模块的底部浸渍涂抹辊与相邻的两组浸渍涂抹辊辊面的间隙设定范围0.1～15mm；通过对单元模块的浸渍涂抹辊子的中心距的调整，以及单元模块的浸渍涂抹辊子间的间隙设定，获得一排单向连续均匀展平的纤维体与热熔树脂有效融合所需的合适的纤维张力，以及热熔树脂融入排列紧密的一束束纤维之间的压力；

进一步地，每个单元模块的正品字顶部或倒品字底部的浸渍涂抹辊两端的轴头旋转支撑副分别与可直线移动的传动副装置相连接；实现每个品字单元模块组三根浸渍涂抹辊的中心距的单独调整；进一步地，每组浸渍涂抹辊，在其传动侧的轴头采用链轮或齿轮传递旋转运动，并由转速控制装置控制转速；

进一步地，热熔树脂涂抹引导辊和组成涂抹装置的各级浸渍涂抹单元模块的各组浸渍涂抹辊设有内置加热结构；内置加热结构可以适合是电加热原件，或液体加热媒介，如导热油为加热媒介，并以其传动侧的轴头端部与外部的供热源相连接；

进一步地，多级平行交互，串联布置的品字结构浸渍涂抹单元模块所组成的开放式的连续纤维与热熔树脂辊压浸渍涂抹装置的上部和下部分别设置了多组辐射式加热装置，提供热熔树脂与一排单向连续均匀展平的纤维体，通过多级、交互平行、串联的浸渍涂抹单元模块过程中的热熔树脂涂抹与一排展平纤维有效融合所需的热量，可以减少挤出设备模头热熔膜挤出温度，使得模头热熔膜挤出温度与后续多级串联涂抹的温度一致，避免过高的起始温度造成树脂的分解；

进一步地，还包括展平单元模块，该模块装置是由与多束纤维束组成的一排连续纤维相接触并产生一定包角的过纱构件和背部增强结构件所组成；

进一步地，多束纤维束组成的一排连续纤维的展平单元模块是由三组构件组成；其中，两组为位置固定过纱构件，以及一组位置可调整的过纱构件，按照V字型结构布置；

进一步地，多束纤维束组成的一排连续纤维的展平单元模块的V字型结构的底部的所述的过纱展平构件可以上下移动，调整三组构件相互之间的中心距，改变通过纤维与所述工作单元构件的包角，调整纤维的张力；

进一步地，背部结构增强部件，设置了多个组顶起机构；顶起机构，以增强构件为支撑，调整过纱构件的拱起程度；同时，又将过纱构件与增强构件连接固定；

进一步地，通过背部增强结构件内置的顶起构件调整过纱构件沿其几何母线垂直方向的拱起度，并将其固定；过纱构件沿其几何母线垂直方向的拱起度，或玄高以生产线设备的工艺中线为基准的设定值范围0.05～5.0mm；

进一步地，过纱构件与多束纤维束组成的一排连续纤维以包角方式相接触区域的合适的横截面几何曲线，包括半圆型、部分圆弧形、整圆形或SIGN曲线；

进一步地，过纱构件设有内置加热结构；内置加热结构可以是电加热原件，或液体加热媒介，如电加热为加热原件；

进一步地，还包括摩擦纤维起电装置，包括采用不同于纤维体材料制成的摩擦构件，对纤维体的摩擦产生同种电荷的起电装置；其中摩擦构件材料包括铜、钢、铝合金的金属材料，或陶瓷，尼龙，硬橡胶非金属材料；

进一步地，摩擦构件通过执行器在一排单向连续展平的纤维丝表面进行重复的接触式的摩擦运动；通过摩擦运动在一排单向连续展平的纤维体相邻的各纤维丝带有同种电荷之间的排斥力，进一步地实施对一排单向连续纤维丝的均匀展平；

进一步地，摩擦构件与一排单向连续展平的纤维丝表面接触的头部几何构造包括球面体、半球面体、球缺体、圆柱体、半圆柱体、小半圆柱体、或连续三维几何曲面，或连续二维几何曲面；

进一步地，驱动摩擦构件单元的执行器包括以电动，气动，或液压为动力的驱动原件。

本发明还提供了一种单向连续纤维增强树脂复合材料的制备方法，包括以下的工艺步骤：

S1：通过纱架所配置的一组每束纤维束张力可以分别设置的放纱转轴，将多束纤维同步送入单向连续纤维初次梳理装置，再经过烤箱完成纤维束的蓬松处理；

S2:纤维有序展平装置和所述的机械刮纱静电发生装置，完成对多束排列的连续纤维的均匀展平；

S3:一组挤出设备模头以涂抹的方式将挤出的热熔树脂涂覆在热熔树脂涂抹引导辊辊面，形成一层厚度均匀的热熔树脂膜层；

S4:通过热熔树脂涂抹引导辊的旋转运动，同步地将涂覆在一组热熔树脂涂抹引导辊辊面的一层厚度均匀的热熔树脂膜层涂抹在一排单向连续的均匀展平的纤维体上；

S5:与热熔树脂初步融合的一排单向连续均匀展平的纤维体进入多级穿联的，平行交互的，开放式的连续纤维与热熔树脂辊压浸渍涂抹装置，完成热熔树脂与纤维的有效融合；

S6：与热熔树脂有效融合后的一排单向连续均匀展平的纤维体在主牵引的驱动力作用下，连续通过冷却、定型装置，便可收卷成单向连续纤维增强树复合材料。

进一步地，步骤S6中，连续纤维与热熔树脂有效融合后的一排单向连续均匀展平的纤维体在冷却定型后，牵引通过纵向分切装置，将一排连续纤维与热熔树脂融合单元沿其宽度方向均匀分切，之后，再通过横切装置，按照设定的长度切断，制成定长度的薄片式单向纤维增强树脂体。

采用如上的技术方案，本发明达到的有益效果是：单向连续纤维增强树脂复合材料的纤维与树脂有效融合，连续纤维分布均匀，制品厚度尺寸稳定。

附图说明

图1是本发明实施例的采用双侧布置的热熔树脂挤出模头和热熔树脂涂抹引导辊与多级穿联的，平行交互的，开放式的连续纤维与热熔树脂辊压浸渍涂抹装置相组合的结构示意图；

图1a本发明实施例的采用单侧布置一组热熔树脂挤出模头和热熔树脂涂抹引导辊的结构示意图；

图1b本发明实施例的采用上、下布置的热熔树脂挤出模头，下部设置有热熔树脂涂抹引导辊的结构示意图；

图1c本发明实施例的采用上、下布置的热熔树脂挤出模头，上部设置有热熔树脂涂抹引导辊的结构示意图；

图2是本发明实施例的正品字结构浸渍涂抹单元模块辊结构示意图；

图3是本发明实施例的倒品字结构浸渍涂抹单元模块辊结构示意图；

图4是本发明实施例的一种单向连续纤维增强树脂复合材料的生产工艺设备布置示意图；

图5是本发明实施例的对纤维经过展平辊前后的张力变化的受力分析图；

图6是本发明实施例的一组展平单元模块的正视图；

图7是本发明实施例的一组展平单元模块的侧视图；

图8是本发明实施例的摩擦纤维起电装置的正视图；

图9是本发明实施例的摩擦纤维起电装置的俯视图；

图10是本发明实施例的一组正品字结构浸渍单元的位置调整正视图；

图11是本发明实施例的一组正品字结构浸渍单元的位置调整侧视图；

图12是本发明实施例的薄片式单向纤维增强树脂体的一种制备方式图；

其中，1、由多束纤维束组成的一排连续纤维，2、展平单元，21、第一组展平单元模块，22、第二组展平单元模块，23、第三组展平单元模块，24、过纱构件，25、背部结构增强部件，26、顶起机构，3、挤出熔融树脂的模头，31、设置于连续纤维下部的挤出熔融树脂的模头，4、热熔树脂涂抹引导辊，41、设置于连续纤维下部的热熔树脂涂抹引导辊，5、正品字结构浸渍涂抹单元模块，6、倒品字结构浸渍涂抹单元模块，7、冷却装置，80、放纱架，81、梳理架，82、烤箱，83、摩擦纤维起电装置，84、切边刀，85、牵引装置，86、过度辊，87、收卷装置，88、摩擦构件，89、往复运动机构，90、下部支架91、直线运动副，92、轴承座，93、链轮，94、机架，95、上下调节装置，96、纵向切割装置，97、横向切割装置。

具体实施方式

下面通过具体实施方式来进一步说明本发明，以下实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受下述实施例的限制。

实施例1

如图4所示，将多卷连续纤维装载在放纱架80上，然后将每根纤维拉到梳理架81处，形成了由多束纤维束组成的一排连续纤维1，然后经过第一组展平单元模块21，初步展开纤维并将每根纱的水平高度限制在同一水平面上，然后由多束纤维束组成的一排连续纤维1经过烤箱82，将纤维变得蓬松，有利于进一步的展纱，连续纤维1从烤箱82出来后再次进入第二组展平单元模块22，再到摩擦纤维起电装置83，再到第三组展平单元模块23，此时连续纤维1的展开性已经打到了理想的效果，准备下一步与树脂的浸润过程；

热塑性树脂经过挤出机加热并通过挤出熔融树脂的模头3挤出后，成为瀑布状的一层薄膜淋在热熔树脂涂抹引导辊4上，连续纤维1经过引导辊4并与之接触且有一定包角，与涂抹引导辊上的均匀树脂结合在一起，然后经过由正品字结构浸渍涂抹单元模块5和倒品字结构浸渍涂抹单元模块6所组成的多级平行交互，串联布置的开放式的连续纤维与热熔树脂辊压浸渍涂抹装置，得到纤维与树脂充分融合的熔融态产品，然后经过冷却装置7冷却，切边刀84去掉边部，牵引装置85，过渡辊86，收卷装置87得到最终的单向连续纤维增强热塑性预浸带卷材产品。

在本实施例中，连续纤维采用巨石集团的牌号为362CYF的2400TEX的无捻连续纤维，树脂的主料选择聚丙烯材料(PP)，熔指50～110g/10min，并加入主料聚丙烯10％量的相容剂，其作用是增加聚丙烯(PP)和玻璃纤维的结合强度，其主要成分为接枝马来酸酐，另外加入了0.3％的抗氧化剂，当然，本领域技术人员应该明白，在此所述的连续纤维材料包括但不限于在此陈述的，如玻璃纤维，碳纤维，芳纶纤维等；与之相适应的纤维增强的热塑树脂包括但不限于在此陈述的，如聚丙烯类树脂PP，聚乙烯类树脂PE，聚酯类树脂PET，尼龙类树脂PA6或PA66，PC树脂，PEEK树脂，PPS树脂等，与之相对应的相关助剂包括但不限于其它抗氧化剂，紫外线吸收剂，光稳定剂，润滑助剂等。

在本实施例中，放纱架80上的每卷纤维都配备有张力控制装置，可以单独调整单卷纤维的张力，也可实现整体张力的调整，放纱架80沿设备长度方向的前后高度可调整；

在本实施例中，梳理架81是一种类似于梳子的装置，每根纤维从一个缝隙中穿过，从放纱架牵引出的纤维经过梳理架81后每根纤维在宽度方向上的位置被固定，从而使得多束纤维组成一排均匀有序的连续纤维1；

如图6和图7，在本实施例中，共三组展平单元模块21、22、23，每个模块由三组与连续纤维相接触并产生一定包角的过纱构件24及其对应的背部增强结构件25所组成，其中，过纱构件设有内置加热结构其加热结构采用电加热为加热原件，设置温度80～110℃；背部结构增强部件25设置了多个组顶起机构26；这些顶起机构26可以实现以增强构件25为支撑，调整过纱构件24的拱起程度的功能，同时，又起到将过纱构件24与增强构件25连接固定的作用，此实施例中拱起度，即过纱构件拱起后的中间位置的辊面距离增强结构件距离调整为1mm；另外，三组单元中左右两组为位置固定过纱构件24，一组可以上下移动的过纱构件24，按照V字型结构布置，通过可移动过纱构件24的移动可以实现三组构件相互之间的中心距的调整，从而改变通过纤维与所述工作单元构件的包角，调整纤维的张力，其调整张力的原理和调整的大小计算如下：

如图5，对纤维经过展平辊前后的张力变化的受力分析图

将纤维与辊子的接触部分看做一点(如图X轴和Y轴的交点)，对其进行力学性能分析：纤维入辊方向的张力F₁，出辊后的张力F₂，辊子对纤维的支持力F_N，以及辊子对纤维的摩擦力F_f，其方向如上图所示，定义纤维在辊子上的包角的一半为θ，即图中的30°角所示的角度。

其中摩擦力

F_f＝μF_N，μ为摩擦系数 ①式

对每个力向X轴上投影，有：F₂cosθ＝F₁cosθ+F_f ②式

对每个力向Y轴上投影，有：F₂sinθ+F₁sinθ＝F_N ③式

定义纤维过辊后的张力是过辊前的k倍，即F₂＝kF₁ ④式

由①～④式可得：

由于一组V型辊子带有3根辊，所以经过一组辊子后张力增加k³倍。

取θ为30°，即包角为60°，据资料查找，玻璃纤维与钢的摩擦系数在0.2左右，这里取值0.2，则k＝1.26，k³＝2.0，即纤维经过一组每根辊子上的包角都是60°的V型张紧辊后，其张力增加两倍左右。

经上述计算，可以看出纤维的张力会每过一组展平单元模块而增加两倍左右，经过3组后，张力将近达到经过展平单元模块前的8倍，符合逐渐展开的原则，且同样适用于后续的由多组品字结构浸渍涂抹单元模块组成的涂抹工艺，随着张力的逐渐增加，纤维与树脂的浸润性逐渐得到提升。

在本实施例中，烤箱82是一种采用的是红外加热的方式，由多组陶瓷红外线加热器组成，共约1m长，宽度大于纤维展开后的总宽度，距离纤维表面1～10cm，设置温度最高为490℃。

在本实施例中，第二组展平单元模块22和第三组展平单元模块23中间设置了一个摩擦纤维起电装置83，由摩擦构件88与往复运动机构89组成；摩擦构件材料在本实例中采用铜块，铜块在一排单向连续展平的纤维丝表面往复摩擦运动；其设计原理在于，通过摩擦使得一排单向连续展平的纤维丝1带有同种电荷，获得在相邻的纤维丝之间的产生同种电荷之间的排斥力，提升展平的纤维丝的均匀排布程度；该铜块与展平的纤维丝表面接触的头部几何构造选择类似指尖形状的1/4球面形状。另外，往复运动机构的驱动方式采用电机驱动。

如图1，在本实施例中，挤出机从螺杆部分到熔体泵再到与模头连接的连接区部分最后到挤出模头3部分的设置温度为190℃～270℃，随着温度的增加，树脂的熔体流动速率会有所增加，熔体流动速率的增加有利于纤维和树脂的浸润程度，但过高的温度则会导致树脂发黄，分解老化等现象，所以需要找到一个合适的温度选择范围，当然，材料的不同选择，温度的设置范围也需要有所改变，例如，熔点较高的PA或PC材料则不能设置190℃这样低的温度，挤出设备模头以涂抹的方式将挤出的热熔树脂涂覆在热熔树脂涂抹引导辊4的辊面，形成一层厚度均匀的热熔树脂膜层；然后热熔树脂涂抹引导辊4通过其旋转运动，同步地将均匀树脂膜层涂覆在一排单向连续的均匀展平的纤维体1上，其中热熔树脂涂抹引导辊4的旋转运动是有单独电机控制的，其转速设置为使其辊面的线速度低于纤维的运行速度，在此实例中此热熔树脂涂抹引导辊4的辊面线速度设置为6～10m/min，纤维运行速度，也即牵引速度设置为15～25m/min,另外热熔树脂涂抹引导辊4连接有加热装置，此实例中选用通导热油的方式加热，导热油由油温机控制，温度设置为200～250℃，同样，当选用不同的树脂材料时温度适用范围不同，需要根据材料来调整设置的温度。

在本实施例中，经过热熔树脂涂抹引导辊4后的与热熔树脂初步融合的一排单向连续均匀展平的纤维体进入由正品字结构浸渍涂抹单元模块5和倒品字结构浸渍涂抹单元模块6所组成的多级平行交互，串联布置的开放式的连续纤维与热熔树脂辊压浸渍涂抹装置，完成热熔树脂与纤维的有效融合，其中，每个品字结构单元模块的每根辊子被如图10中的机架90和轴承座92所连接固定，且每根辊子连接有直线运动副91以及图11中的上下调节装置95，可以用于调节品字结构辊子之间的中心距，另外，每个品字结构浸渍涂抹单元模块同热熔树脂涂抹引导辊一样均有电机通过如图11中的链轮93控制转速，此实例中其辊面线速度设置为10～15m/min,且有加热方式，此实例中选用通导热油的方式加热，导热油由油温机控制，温度设置为200～250℃，同样，当选用不同的树脂材料时温度适用范围不同，需要根据材料来调整设置的温度，参考纤维的展开单元模块中的纤维经过与纤维有一定包角的辊子前后的张力计算，可以得出结论：连续纤维1在经过此多级平行交互，串联布置的开放式的连续纤维与热熔树脂辊压浸渍涂抹装置时张力是逐渐增加的，浸润性是逐渐提升的。

在本实施例中，一排单向连续均匀展平的纤维体1在主牵引的驱动力作用下，经过了与树脂的加热浸润后再连续通过冷却定型装置7，切边刀84，然后经过牵引装置85后再到过渡辊86，最后至收卷装置87制成单向连续纤维增强热塑性复合材料，其中冷却定型装置由4对通冷却水的辊子组成，冷却水由冷水机控制，可设置水温，每对辊子的其中一根辊子由气缸控制上下移动，气缸中气压的大小调整可以调节冷却时的压力大小；牵引的速度决定着单向连续均匀展平的纤维体的速度，由一根钢辊和一根胶辊组成，并由电机控制其转速，收卷前的过度辊由多个辊子组成，有展平产品，使其不产生横向的波浪甚至打皱的作用，收卷机在本实例当中采用的是双工位收卷法，两个工位可实现翻转，并各自由恒张力或恒扭矩电机控制。

实施例2

装载在放纱架80上的多卷连续纤维经梳理架81后组成的一排连续纤维1，经过三组展平单元模块21，22，23以及烤箱82和摩擦纤维起电装置83，形成了一排展开性和均匀性很好的连续纤维1，与经挤出机挤出的热塑性熔融树脂经过热熔树脂涂抹引导辊4和多级平行交互，串联布置的开放式的连续纤维与热熔树脂辊压浸渍涂抹装置后得到充分的浸润，最后经冷却装置7冷却，切边刀84去掉边部，牵引装置85，过渡辊86，收卷装置87得到最终的单向连续纤维增强热塑性预浸带卷材产品。

在此实例中，连续纤维采用碳纤维，树脂采用PA66，挤出机从螺杆到挤出模头的温度设置为240～310℃，热熔树脂涂抹引导辊4和多级平行交互，串联布置的开放式的连续纤维与热熔树脂辊压浸渍涂抹装置的温度设置为260～300℃，牵引速度设置10～15m/min,热熔树脂涂抹引导辊4的辊面线速度设置为5～7m/min，多级平行交互，串联布置的开放式的连续纤维与热熔树脂辊压浸渍涂抹装置的辊面线速度设置为7～10m/min，在冷却前的与连续纤维接触的非牵引辊的辊面速度之所以要设置为比牵引速度，即纤维的运行速度慢，是因为如果设置为与牵引速度一样甚至比牵引速度快，则会发生纤维上断了的细小毛羽缠绕在辊面上，越积越多，影响生产，而比牵引速度慢时，由于连续纤维的速度快于与其接触的热辊辊面速度，辊面与纤维有相对运动，所以即使有一瞬间毛羽缠绕于辊面上，连续纤维很快便可以将毛羽带走，不至于越缠越多。

如图1a，与实例1不同的是，在一排单向连续均匀展平的纤维体1的下方设置了第二个热熔树脂挤出模头31和热熔树脂涂抹引导辊41，两个热熔树脂挤出模头3和31分别将热熔树脂均匀的涂抹在热熔树脂涂抹引导辊4和41上，并通过热熔树脂涂抹引导辊4和41的旋转运动将热熔树脂涂抹在连续纤维1上，有利于进一步的浸润。

如图1b，在本实例的另一种实施方案中，一排单向连续均匀展平的纤维体1的下方设置了第二个热熔树脂挤出模头31，上方热熔树脂挤出模头3将热熔树脂均匀的涂抹在连续纤维上，下方的热熔树脂挤出模头31将热熔树脂均匀的涂抹在热熔树脂涂抹引导辊4上，并通过热熔树脂涂抹引导辊4的旋转运动将热熔树脂涂抹在连续纤维上。

如图1c，与在本实例的另一种实施方案中，一排单向连续均匀展平的纤维体1的下方设置了第二个热熔树脂挤出模头31，上方热熔树脂挤出模头3将热熔树脂均匀的涂抹在热熔树脂涂抹引导辊4上，并通过热熔树脂涂抹引导辊4的旋转运动将热熔树脂涂抹在连续纤维上，下方的热熔树脂挤出模头31将热熔树脂均匀的涂抹在连续纤维1上。

实施例3

制备一种定长度的薄片式单向纤维增强树脂体：

如图12，同实施案例1和2中的制备方法，在经过牵引85后得到一种单向连续纤维增强树脂复合材料，所述的连续纤维与热熔树脂有效融合后的一排单向连续均匀展平的纤维体在主牵引85的驱动作用下，连续通过所述的纵向分切装置96，将所述的一排连续纤维与热熔树脂融合单元沿其宽度方向均匀分切；之后，再通过所述的横切装置97，按照设定的长度切断，制成所述定长度的薄片式单向纤维增强树脂体。

以上详细描述了本发明的具体实施例，应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (12)

1.一种单向连续纤维增强热塑复合材料的制备设备，其特征在于，一种由热熔树脂涂抹引导辊与多级以串联形式、平行交互布置的品字结构浸渍涂抹单元模块所组成的开放式的连续纤维与热熔树脂辊压浸渍涂抹装置和辊压浸渍涂抹装置前的展平装置和摩擦纤维起电装置；

一组挤出设备模头以挤出的方式将热熔树脂涂覆在热熔树脂涂抹引导辊辊面，形成一层厚度均匀的热熔树脂膜层；

热熔树脂涂抹引导辊为单独驱动，其旋转速度单独设置，通过热熔树脂涂抹引导辊的旋转运动，同步地将涂覆在一组热熔树脂涂抹引导辊辊面的一层厚度均匀的热熔树脂膜层涂抹在一排单向连续的均匀展平的纤维体上，且热熔树脂涂抹引导辊的辊面线速度比通过其辊面的纤维体运行速度慢；

与热熔树脂初步融合的一排单向连续的均匀展平的纤维体，进入多级串联的平行交互布置的品字结构浸渍涂抹单元模块所组成的开放式的连续纤维与热熔树脂辊压浸渍涂抹装置，实现热熔树脂与纤维的充分、有效地融合，每个品字结构浸渍涂抹单元模块是由三组浸渍涂抹辊呈品字结构排布，分别为正品字品字结构和倒品字品字结构两种布置形式，通过对正品字浸渍涂抹单元模块的顶部浸渍涂抹辊和对倒品字浸渍涂抹单元模块底部的浸渍涂抹辊的位置调整，实现每个浸渍涂抹单元模块三组浸渍涂抹辊之间的中心距的调整设置，同一正品字结构浸渍涂抹单元模块的顶部浸渍涂抹辊与相邻的两组浸渍涂抹辊辊面的间隙，或同一倒品字结构浸渍涂抹单元模块的底部浸渍涂抹辊与相邻的两组浸渍涂抹辊辊面的间隙范围为0.1～15mm；

展平单元模块是由三组构件组成，两组为位置固定的构件，以及一组位置可调整的构件，且按照V字型结构布置，每组构件包括过纱构件和背部增强结构件，V字型结构的底部的所述的过纱构件可以上下移动，调整三组构件相互之间的中心距，改变通过纤维与所述过纱构件的包角，调整纤维的张力；

摩擦纤维起电装置，包括采用不同于纤维体材料制成的摩擦构件。

2.如权利要求1所述的一种单向连续纤维增强热塑复合材料的制备设备，其特征在于，一排单向连续均匀展平的纤维体的上、下两侧分别设置一组热熔树脂涂抹引导辊和一组挤出设备模头装置，分别通过上、下热熔树脂涂抹引导辊连续地将相对应的一组挤出设备模头提供的热熔树脂涂覆在热熔树脂涂抹引导辊辊面，形成一层厚度均匀的热熔树脂膜层；

通过上、下热熔树脂涂抹引导辊的旋转运动，分别将涂覆在上、下热熔树脂涂抹引导辊辊面的一层厚度均匀的热熔树脂膜层涂抹在一排单向连续的均匀展平的纤维体上、下两侧；

上、下两侧分别涂抹了热熔树脂的一排单向连续均匀展平的纤维体，进入多级平行交互、串联布置的品字结构浸渍涂抹单元模块所组成的开放式的连续纤维与热熔树脂辊压浸渍涂抹装置，实现热熔树脂与纤维体的充分、有效地融合。

3.如权利要求1所述的一种单向连续纤维增强热塑复合材料的制备设备，其特征在于，仅在一排单向连续均匀展平的纤维体的下部设置一组热熔树脂挤出设备模头装置；

通过上部热熔树脂涂抹引导辊的旋转运动，将涂覆在热熔树脂涂抹引导辊辊面的一层厚度均匀的热熔树脂膜层涂抹在一排单向连续的均匀展平的纤维体上部一侧，同时，设置在一排单向连续均匀展平的纤维体的下部一组挤出设备模头将热熔树脂均匀挤出涂抹在一排单向连续的均匀展平的纤维体下部一侧。

4.如权利要求1所述的一种单向连续纤维增强热塑复合材料的制备设备，其特征在于，挤出设备模头出***的基准面与热熔树脂涂抹引导辊的轴线相平行，并以热熔树脂涂抹引导辊辊面为基准，按照挤出设备模头出***与热熔树脂涂抹引导辊辊面的间隙设定范围0.1～10mm，挤出设备模头与水平面的夹角设定范围10～150°角，设置挤出设备模头的位置。

5.如权利要求1所述的一种单向连续纤维增强热塑复合材料的制备设备，其特征在于，通过对浸渍涂抹单元模块的浸渍涂抹辊的中心距的调整，设置一排单向连续均匀展平的纤维体与所述的浸渍涂抹辊的包角；一排单向连续均匀展平的纤维体与正品字结构浸渍涂抹单元模块顶部浸渍涂抹辊的包角，或与倒品字结构浸渍涂抹单元模块底部浸渍涂抹辊的包角设定范围15～180°角；

通过对单元模块的浸渍涂抹辊的中心距的调整，以及单元模块的浸渍涂抹辊间的间隙设定，获得一排单向连续均匀展平的纤维体与热熔树脂有效融合所需的合适的纤维张力，以及热熔树脂融入排列紧密的纤维之间的压力。

6.如权利要求1所述的一种单向连续纤维增强热塑复合材料的制备设备，其特征在于，热熔树脂涂抹引导辊和组成各级浸渍涂抹单元模块的各组浸渍涂抹辊设有内置加热结构，内置加热结构为***浸渍涂抹辊的内腔的管式电加热元件，或通过浸渍涂抹辊内置通道的液体加热媒介。

7.如权利要求1所述的一种单向连续纤维增强热塑复合材料的制备设备，其特征在于，每个浸渍涂抹单元模块的正品字顶部或倒品字底部的浸渍涂抹辊两端的轴头旋转支撑副分别与可直线移动的直线移动传动副装置相连接，实现每个品字单元模块组三根浸渍涂抹辊的中心距的单独调整，每组浸渍涂抹辊，在其传动侧的轴头采用链轮或齿轮传递旋转运动。

8.如权利要求1所述的一种单向连续纤维增强热塑复合材料的制备设备，其特征在于，多级平行交互、串联布置的品字结构浸渍涂抹单元模块所组成的开放式的连续纤维与热熔树脂辊压浸渍涂抹装置的上部和下部分别设置了多组辐射式加热装置。

9.如权利要求1所述的一种单向连续纤维增强热塑复合材料的制备设备，其特征在于，过纱构件背部设有增强结构件，通过背部增强结构件内置的顶起构件调整过纱构件沿其几何母线垂直方向的拱起度，并将其固定，过纱构件沿其几何母线垂直方向的拱起度，或玄高以生产线设备的工艺中线为基准的设定值范围0.05～5.0mm；

还设置了至少两组顶起机构，所述的顶起机构以所述的增强构件为支撑，调整过纱构件的几何曲面的拱起程度，同时，又将过纱构件与增强构件连接固定；

过纱构件与多束纤维束组成的一排连续纤维以包角方式相接触区域的合适的横截面几何曲线，包括半圆形、部分圆弧形、整圆形或SIGN曲线；

过纱构件设有内置加热元件，内置加热元件为***过纱构件内腔的管式电加热元件，或采用液体加热媒介通过过纱构件设置的通道进行加热。

10.如权利要求1所述的一种单向连续纤维增强热塑复合材料的制备设备，其特征在于，所述的摩擦构件材料包括铜、钢或铝合金金属材料，也包括陶瓷、尼龙或硬橡胶非金属材料；

所述的摩擦构件通过执行器在一排单向连续展平的纤维丝表面进行重复的接触式的摩擦运动，通过摩擦运动在一排单向连续展平的纤维体相邻的各纤维丝之间产生的同种电荷之间的排斥力，进一步地实施对所述的一排单向连续纤维丝的均匀展平；

所述的摩擦构件与一排单向连续展平的纤维丝表面接触的头部几何构造包括球面体、半球面体、球缺体、圆柱体、半圆柱体、小半圆柱体；

所述的执行器包括以电动、气动或液压为动力的驱动元件。

11.一种单向连续纤维增强热塑复合材料的制备方法，是基于权利要求1-10任一项 所述的一种单向连续纤维增强热塑复合材料的制备设备，其特征在于，包括以下的工艺步骤：

S1：通过纱架所配置的一组每束纤维束张力可以分别设置的放纱转轴，将多束纤维同步送入单向连续纤维初次梳理装置，再经过烤箱完成纤维束的蓬松处理；

S2:通过纤维展平装置的张力作用，使得多束排列的连续纤维丝束沿过纱构件凸起的几何体表面均匀展开，同时，通过摩擦纤维起电装置在纤维丝之间产生的同种电荷相互之间的排斥力完成对多束排列的连续纤维丝束的进一步地均匀展平；

S3:一组挤出设备模头以涂抹的方式将挤出的热熔树脂涂覆在热熔树脂涂抹引导辊辊面，形成一层厚度均匀的热熔树脂膜层；

S4:通过热熔树脂涂抹引导辊的旋转运动，同步地将涂覆在一组热熔树脂涂抹引导辊辊面的一层厚度均匀的热熔树脂膜层涂抹在一排单向连续的均匀展平的纤维体上；

S5:与热熔树脂初步融合的一排单向连续均匀展平的纤维体进入多级串联的、平行交互的、开放式的连续纤维与热熔树脂辊压浸渍涂抹装置，实现热熔树脂与纤维的有效融合；

S6：与热熔树脂有效融合后的一排单向连续均匀展平的纤维体在主牵引的驱动力作用下，连续通过冷却、定型装置，便可收卷成单向连续纤维增强树脂复合材料。

12.基于权利要求11所述的一种单向连续纤维增强热塑复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S6中，连续纤维与热熔树脂有效融合后的纤维体在冷却定型后，牵引通过纵向分切装置，将连续纤维与热熔树脂融合单元沿其宽度方向均匀分切，之后，再通过横切装置，按照设定的长度切断，制成定长度的薄片式单向纤维增强树脂体。

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