CN111844521B - 连续纤维增强热塑性预浸带的熔融浸渍装置与制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种连续纤维增强热塑性预浸带的熔融浸渍装置与制备方法，装置包括依次设置的纱架、分丝***、加热***、浸渍***、若干均化辊、上光辊和牵拉***，加热***包括升温通道和若干电热吹风机，浸渍***包括浸渍辊、挤出多孔口模和挤出机，挤出多孔口模设置在浸渍辊的下方，挤出多孔口模包括弧形多孔口模一和弧形多孔口模二，弧形多孔口模一与浸渍辊的凹槽之间配合形成浅腔，挤出机与弧形多孔口模二连通；牵拉***牵拉进入分丝***后的纤维带自浸渍辊上方绕过，绕过浸渍辊的纤维带经过多个均化辊后进入动力对辊之间成型预浸带。本发明实现高粘度聚醚醚酮类树脂熔体对连续纤维束的浸渍，同时保证浸渍带的纤维浸渍程度与制备的连续性。

Description

连续纤维增强热塑性预浸带的熔融浸渍装置与制备方法
技术领域
本发明属于连续纤维增强热塑性复合材料领域，尤其是涉及一种连续纤维增强热塑性预浸带的熔融浸渍装置与制备方法。
背景技术
连续碳纤维增强热塑性复合材料在制备工艺与成型速率方面具有明显的优势，如可直接熔融焊接、成型速率高(热固性复合材料的10倍以上)、优异的断裂韧性、高力学性能、可回收利用、不易燃烧、发烟率与毒性低以及可以室温长期储存等，在航空航天、汽车等工业得到快速的应用发展。近几年来，热塑性复合材料在商业航空器领域的应用出现新的转折点，即热塑性复合材料已被用于大尺寸的航空部件(如机舱)的制备，这将对商业航空器的发展起到重要的促进作用。
航空航天用热塑性碳纤维复合材料主要为连续碳纤维增强聚醚醚酮类高性能树脂(如聚醚醚酮、聚醚酮酮等)复合材料或连续碳纤维增强聚亚苯基硫醚类高性能树脂复合材料，该类热塑性树脂体系同通用树脂不同，熔融温度高，且熔体粘度大，对纤维的熔融浸渍极其困难，制约了相应预浸带的制备。现有的热塑性预浸带(材料)浸渍装置与制备方法，主要是通过胶槽浸渍纤维束，浸胶或非浸胶纤维直接在金属辊或浸渍模具表面产生相对运动来实现预浸带的制备，但会出现纤维无法将胶槽内树脂完全带走，剩余树脂在持续高温下回发生降解，导致材料性能下降，同时降解树脂(如碳化)也会影响对纤维的浸渍；而纤维与金属辊或模具表面发生相对运动，由于聚醚醚酮类树脂熔体或聚亚苯基硫醚类树脂熔体粘度高，该类相对运动会导致纤维与树脂熔体产生较大的剪切力，并可能带来纤维损伤、断裂等问题。
因此，有必要设计一种新型的浸渍装置，并基于该装置发展一种针对高温高熔融粘度树脂熔体热塑性的连续纤维预浸带制备方法来避免利用胶槽浸渍纤维束，以及避免浸胶或非浸胶纤维直接在金属辊或浸渍模具表面产生相对运动。
发明内容
有鉴于此，针对聚醚醚酮类或聚亚苯基硫醚类热塑性树脂熔体粘度高、难于浸渍纤维的问题，本发明旨在提出一种连续纤维增强热塑性预浸带的熔融浸渍装置与制备方法，通过控制树脂在浸渍辊均匀涂覆、在纤维张力作用下实现树脂熔体浸渍纤维、均化辊提高纤维与树脂分布、上光辊固化成型的预浸带。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种连续纤维增强热塑性预浸带的熔融浸渍装置，包括依次设置的纱架、分丝***、加热***、浸渍***、若干均化辊、上光辊和牵拉***，
所述的加热***包括升温通道和若干电热吹风机，若干电热吹风机均匀分布在升温通道的上下方，在升温通道内对应每一电热吹风机处设有一热电偶，所述热电偶检测升温通道内的风温；
所述的浸渍***包括浸渍辊、挤出多孔口模和与连接挤出多孔口模的挤出机，所述的挤出多孔口模设置在浸渍辊的下方，浸渍辊表面设有凹槽，浸渍辊通过传动轴与电机连接，所述的挤出多孔口模包括一体成型的且上下布置的弧形多孔口模一和弧形多孔口模二，所述的弧形多孔口模一与浸渍辊的凹槽之间形成浅腔，所述的挤出机经由挤出机连接管与弧形多孔口模二连通；
若干均化辊平行布置，所述均化辊低于浸渍辊的中心布置，所述上光辊为动力对辊，包括上下布置且配合使用的凹辊和凸辊，凹辊上设有容纳预浸带的凹槽，凹辊的凹槽与凸辊的凸起配合，动力对辊的两端通过弹簧提供辊间压力；
牵拉***牵拉自纱架退纱进入分丝***后的纤维带在穿过升温通道后自浸渍辊的上方绕过，绕过浸渍辊的纤维带经过多个均化辊后进入动力对辊之间成型预浸带。
进一步的，所述弧形多孔口模二与弧形多孔口模一由多孔钢板隔开，且弧形多孔口模一的上表面也为多孔钢板。
进一步的，所述浸渍辊和所有均化辊均为能调速、控温的动力辊。
进一步的，在浸渍辊和均化辊的***设有降低浸渍辊与均化辊散热的保温***，所述保温***为由陶瓷纤维毯制成的保温箱。
进一步的，所述纱架前端设有对纤维束提供预张力的预张力装置。
进一步的，所述均化辊表面进行抛光镀铬镜面处理，所述上光辊上设有冷却结构。
进一步的，在弧形多孔口模的底部包裹有加热套。
一种利用上述熔融浸渍装置制备连续纤维增强热塑性预浸带的方法，具体包括以下步骤：
步骤一、多束纤维束以一定预张力下从纱架退纱后进入分丝***，分丝***将纤维束分丝成厚度均一宽度恒定的纤维带；
步骤二、纤维带进入加热***，纤维带升温至浸渍温度，纤维带由牵拉***牵拉进入浸渍***；
步骤三、挤出机将树脂熔体挤入弧形多孔口模二，随着挤入树脂熔体量的增多，弧形多孔口模二内的树脂熔体经孔进入弧形多孔口模一内，弧形多孔口模一内的树脂熔体经孔进入浸渍辊浅腔，随着浸渍辊的转动，树脂熔体均匀地涂覆在浸渍辊的凹槽的表面；步骤二中加热后的具有一定预张力的纤维带以一定包角通过浸渍辊，在纤维束的预张力作用下，浸渍辊的凹槽表面的树脂熔体被挤入纤维带内，成型预成型预浸带；
步骤四、预成型预浸带继续被牵拉***以一定的包角通过若干均化辊，使纤维束与树脂熔体均匀分布；经过若干均化辊后的预成型预浸带进一步被牵拉通过上光辊，预浸带成型；通过牵拉***牵拉、收卷成型连续纤维增强热塑性预浸带。
进一步的，所述步骤一中，经分丝***分散后的纤维带的宽度与浸渍辊凹槽宽度一致，分纱后纤维带厚度控制在0.02mm-1mm，单根纤维束的预张力在0.1N至50N。
进一步的，所述步骤二中，纤维带通过加热***温度升至360℃-450℃后进入浸渍***。
相对于现有技术，本发明所述的连续纤维增强热塑性预浸带的熔融浸渍装置具有以下优势：
1)高粘度聚醚醚酮类树脂熔体或聚亚苯基硫醚类树脂熔体均匀涂覆在动力浸渍辊表面，一定预张力的纤维束以一定包角缠绕其上，并随着浸渍辊的转动通过浸渍辊，纤维被树脂熔体的浸渍力来自于纤维带与浸渍辊间形成的压力。本发明避免纤维束与高粘度树脂熔体在牵拉方向的较高的相对剪切力，避免纤维的损伤，以及由此带来的浸渍过程的不连续性。
2)在浸渍辊表面的高粘度树脂熔体膜全部浸渍入纤维带内，其厚度可以通过牵拉速度与挤出速度准确控制，从而实现了对预浸带纤维含量的准确控制，同时避免树脂的浪费，以及避免未浸渍纤维树脂在高温下的降解，影响预浸带质量及浸渍过程的连续性。
3)本申请实现高粘度聚醚醚酮类树脂熔体或聚亚苯基硫醚类树脂熔体对连续纤维束的浸渍，同时保证浸渍带的纤维浸渍程度与制备的连续性。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的一种连续纤维增强热塑性预浸带的熔融浸渍装置的结构示意图；
图2为本发明实施例所述的一种连续纤维增强热塑性预浸带的熔融浸渍装置的工作原理图；
图3为本发明的电吹风加热***的结构示意图；
图4为本发明中浸渍***的结构示意图；
图5为图4的A-A向剖视图；
图6为本发明中上光棍的结构示意图。
附图标记说明：
1-纱架，2-分丝***，3-加热***，31-电热吹风机，32-升温通道，33-热电偶，4-浸渍***，41-浸渍辊，411-传动轴，42-挤出多孔口模，421-弧形多孔口模一，422-弧形多孔口模二，423-加热套，43-挤出机，44-浅腔，5-均化辊，6-上光辊，61-凹辊，62-凸辊，63-弹簧，7-牵拉***，8-保温***，9-预浸带，10-树脂熔体。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1-图6所示，一种连续纤维增强热塑性预浸带的熔融浸渍装置，包括依次设置的纱架1、分丝***2、加热***3、浸渍***4、若干均化辊5、上光辊6和牵拉***7，在所述纱架1前端设有对纤维束提供预张力的预张力装置，能够控制纤维束退纱后的张力；所述的分丝***2，通过分丝辊或吹风等方法能够将多束纤维均匀分散成厚度均一的纤维带，分丝后的纤维带厚度可以控制在0.02–1mm；
所述的加热***3包括升温通道32和若干电热吹风机31，若干电热吹风机31均匀分布在升温通道32的上下方，在升温通道32内对应每一电热吹风机31处设有一热电偶33，所述热电偶33检测升温通道32内的风温；利用电热吹风机31在升温通道32内对分散好的连续纤维带上下面进行加热，风温通过热电偶33测试，并通过调整风速大小调控纤维束加热温度，对通过的纤维带加热至360℃-450℃，控温精度为±1℃；
所述的浸渍***4包括浸渍辊41、挤出多孔口模42和与连接挤出多孔口模的挤出机43，所述的挤出多孔口模42设置在浸渍辊41的下方，浸渍辊41表面设有凹槽，浸渍辊41通过传动轴411与电机连接，所述的挤出多孔口模42包括一体成型的且上下布置的弧形多孔口模一421和弧形多孔口模二422，所述的弧形多孔口模一421与浸渍辊41的凹槽之间形成浅腔44，浅腔44的深度0.05mm至1mm，通过调整挤出多孔口模42高度来调节浅腔的深度，也即控制了浸渍辊表面涂覆树脂熔体的厚度，所述的挤出机43经由挤出机连接管与弧形多孔口模二422连通；在弧形多孔口模2的底部包裹有加热套423；
若干均化辊5等高平行布置，所述均化辊5低于浸渍辊41的中心布置，所述上光辊6为动力对辊，包括上下布置且配合使用的凹辊61和凸辊62，凹辊61上设有容纳预浸带的凹槽，凹辊61的凹槽与凸辊62的凸起配合，动力对辊的两端通过弹簧63提供辊间压力；
牵拉***7牵拉自纱架1退纱进入分丝***2后的纤维带在穿过升温通道32后自浸渍辊41的上方绕过，绕过浸渍辊41的纤维带以S型绕制方式经过两个均化辊5后伸入动力对辊之间成型预浸带9。
所述弧形多孔口模二422与弧形多孔口模一421由多孔钢板隔开，且弧形多孔口模一421的上表面也为多孔钢板，弧形多孔口模的孔隙直径为0.01mm-1mm，密度为1个-100个/mm2，两个弧形多孔口模确保挤出的聚醚醚酮类树脂熔体或聚亚苯基硫醚类树脂熔体在沿着浸渍辊表面均匀挤出，并涂覆在浸渍辊凹槽表面，通过调节挤出速率与浸渍辊转速，调控树脂涂层在浸渍辊凹槽表面的厚度在0.02-1mm。挤出多孔口模42是由从上到下布置的三块弧形钢板围成，且三块弧形钢板的边侧通过水平连接板连接密封，从上到下的第一块弧形钢板上和第二块弧形钢板上都均匀开设多个孔，用于挤出树脂熔体。
所述浸渍辊41和所有均化辊5均为能调速、控温的动力辊，浸渍辊41和均化辊5均为电加热方式进行加热；浸渍辊41的速度控制在转速0.2转/分钟-20转/分钟；同时浸渍辊41表面温度控制在360℃-450℃，温度变化小于1℃；均化辊5设置两个或多个，所述均化辊5表面进行抛光镀铬镜面处理，处理后的表面硬度在800-1200HV之间；均化辊5的转速控制为0.2转/分钟-20转/分钟，温度控制为360℃-450℃，控制精度±1℃；通过调整均化辊5的纵向位置，改变预浸带对浸渍辊41与均化辊5的包角。
在浸渍辊41和均化辊5的***设有保温***8，所述保温***8为由陶瓷纤维毯制成的保温箱，将浸渍辊4、均化辊5整体封闭，降低高温浸渍辊4与均化辊5的散热，外层保温材料的温度低于50℃。
上光辊6的辊表面经电镀硬化与镜面处理，处理后的表面硬度在800-1200HV之间；对辊间压力通过两端弹簧张力控制，张力大小10N-1000N；均化辊的转速控制为0.2转/分钟-20转/分钟，所述上光辊6上设有水冷冷却结构，具体为：动力对辊内通水冷却，控制温度小于100℃。
牵引***7以0.1-5m/min速度稳定将成型的预浸带牵拉出来。
一种利用上述熔融浸渍装置制备连续纤维增强热塑性预浸带的方法，具体包括以下步骤：
步骤一、多束纤维束以一定预张力下从纱架1退纱后进入分丝***2，分丝***2将纤维束分丝成厚度均一宽度恒定的纤维带；经分丝***2分散后的纤维带的宽度与浸渍辊41的凹槽宽度一致，分纱后纤维带厚度控制在0.02mm-1mm，单根纤维束的预张力在0.1N至50N；
步骤二、纤维带进入加热***3，纤维带通过加热***3温度升至360℃-450℃后由牵拉***7牵拉进入浸渍***4；
步骤三、挤出机43将聚醚醚酮类树脂熔体挤入弧形多孔口模二422，随着挤入聚醚醚酮类树脂熔体量的增多，弧形多孔口模二422内的树脂熔体经孔进入弧形多孔口模一421内，弧形多孔口模一421内的树脂熔体经孔进入浸渍辊浅腔44，随着浸渍辊41的转动，树脂熔体10均匀地涂覆在浸渍辊41的凹槽的表面；步骤二中加热后的具有一定预张力的纤维带以一定包角通过浸渍辊41，一定张力的纤维带与表面涂覆一定厚度聚醚醚酮类树脂膜的浸渍辊间形成垂直于纤维束的径向压力，在该压力作用下，浸渍辊41的凹槽表面的树脂熔体10被挤入纤维带内，成型预成型预浸带；
步骤四、预成型预浸带继续被牵拉***以一定的包角通过若干均化辊5，实现纤维束与树脂熔体10均匀分布；经过若干均化辊5后的预成型预浸带进一步被牵拉通过两个反向低温压辊，预浸带成型；通过牵拉***7牵拉、收卷成型连续纤维增强热塑性预浸带。
高粘度聚醚醚酮类熔体通过特殊设计的挤出口模挤出均匀涂覆到动力高温浸渍辊表面；具有一定预应力、分散成一定厚度的预热连续纤维束，以高于或等于浸渍辊表面线速度的以一定的包角牵引通过表面涂覆树脂熔体膜的高温浸渍辊；在这个过程中，具有一定预张力的纤维束对浸渍辊表面形成径向力，该径向力将浸渍辊表面的树脂挤入纤维束内，实现纤维束的浸渍；树脂初步浸渍的纤维束继续以一定包角通过多个高温均化辊，进一步提升纤维与树脂在预浸带的分布均匀性；然后，预浸带被牵引通过两个反向的低温压辊，成型表面光洁的连续纤维增强聚醚醚酮类热塑性预浸带。
本发明中纤维束、高粘度树脂熔体与浸渍辊在牵引方向不产生明显的相对运动，从而避免纤维在高剪切力作用下损伤、断裂以及过大牵引力导致生产不连续等问题；同时，该发明方法，可以使得挤出机挤出的树脂熔体全部浸渍纤维，避免树脂浪费，同时避免利用胶槽技术中某些部位的树脂不能被纤维带出发生降解，影响预浸带质量及不能连续生产等问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种连续纤维增强热塑性预浸带的熔融浸渍装置，其特征在于：包括依次设置的纱架(1)、分丝***(2)、加热***(3)、浸渍***(4)、若干均化辊(5)、上光辊(6)和牵拉***(7)，
所述的加热***(3)包括升温通道(32)和若干电热吹风机(31)，若干电热吹风机(31)均匀分布在升温通道(32)的上下方，在升温通道(32)内对应每一电热吹风机(31)处设有一热电偶(33)，所述热电偶(33)检测升温通道(32)内的风温；
所述的浸渍***(4)包括浸渍辊(41)、挤出多孔口模(42)和与连接挤出多孔口模的挤出机(43)，所述的挤出多孔口模(42)设置在浸渍辊(41)的下方，浸渍辊(41)表面设有凹槽，浸渍辊(41)通过传动轴(411)与电机连接，所述的挤出多孔口模(42)包括一体成型的且上下布置的弧形多孔口模一(421)和弧形多孔口模二(422)，所述的弧形多孔口模一(421)与浸渍辊(41)的凹槽之间配合形成浅腔(44)，所述的挤出机(43)经由挤出机连接管与弧形多孔口模二(422)连通；两个弧形多孔口模确保挤出的聚醚醚酮类树脂熔体或聚亚苯基硫醚类树脂熔体沿着浸渍辊表面均匀挤出，并涂覆在浸渍辊凹槽表面；所述弧形多孔口模二(422)与弧形多孔口模一(421)由多孔钢板隔开，且弧形多孔口模一(421)的上表面也为多孔钢板；弧形多孔口模的孔隙直径为0.01mm-1mm，密度为1个-100个/mm2，两个弧形多孔口模确保挤出的聚醚醚酮类树脂熔体或聚亚苯基硫醚类树脂熔体在沿着浸渍辊表面均匀挤出，并涂覆在浸渍辊凹槽表面，通过调节挤出速率与浸渍辊转速，调控树脂涂层在浸渍辊凹槽表面的厚度在0.02-1mm；
若干均化辊(5)平行布置，所述均化辊(5)低于浸渍辊(41)的中心布置，所述上光辊(6)为动力对辊，包括上下布置且配合使用的凹辊(61)和凸辊(62)，凹辊(61)上设有容纳预浸带的凹槽，凹辊(61)的凹槽与凸辊(62)的凸起配合，动力对辊的两端通过弹簧(63)提供辊间压力；
牵拉***(7)牵拉自纱架(1)退纱进入分丝***(2)后的纤维带在穿过升温通道(32)后自浸渍辊(41)的上方绕过，绕过浸渍辊(41)的纤维带经过多个均化辊(5)后进入动力对辊之间成型预浸带(9)；
高粘度聚醚醚酮类熔体通过挤出口模挤出均匀涂覆到动力高温浸渍辊表面；具有一定预应力、分散成一定厚度的预热连续纤维束，以高于或等于浸渍辊表面线速度的以一定的包角牵引通过表面涂覆树脂熔体膜的高温浸渍辊；在这个过程中，具有一定预张力的纤维束对浸渍辊表面形成径向力，该径向力将浸渍辊表面的树脂挤入纤维束内，实现纤维束的浸渍；树脂初步浸渍的纤维束继续以一定包角通过多个高温均化辊，进一步提升纤维与树脂在预浸带的分布均匀性；然后，预浸带被牵引通过两个反向的低温压辊，成型表面光洁的连续纤维增强聚醚醚酮类热塑性预浸带；
在浸渍辊(41)和均化辊(5)的***设有降低浸渍辊与均化辊散热的保温***(8)，所述保温***(8)为由陶瓷纤维毯制成的保温箱。
2.根据权利要求1所述的连续纤维增强热塑性预浸带的熔融浸渍装置，其特征在于：所述浸渍辊(41)和所有均化辊(5)均为能调速、控温的动力辊。
3.根据权利要求1所述的连续纤维增强热塑性预浸带的熔融浸渍装置，其特征在于：在所述纱架(1)前端设有对纤维束提供预张力的预张力装置。
4.根据权利要求1所述的连续纤维增强热塑性预浸带的熔融浸渍装置，其特征在于：所述均化辊(5)表面进行抛光镀铬镜面处理，所述上光辊(6)上设有冷却结构。
5.根据权利要求1所述的连续纤维增强热塑性预浸带的熔融浸渍装置，其特征在于：在弧形多孔口模二(422)的底部包裹有加热套(423)。
6.一种利用根据权利要求1-5中任一项所述的连续纤维增强热塑性预浸带的熔融浸渍装置制备连续纤维增强热塑性预浸带的方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤一、多束纤维束以一定预张力下从纱架(1)退纱后进入分丝***(2)，分丝***(2)将纤维束分丝成厚度均一宽度恒定的纤维带；
步骤二、纤维带进入加热***(3)，纤维带升温至浸渍温度，纤维带由牵拉***(7)牵拉进入浸渍***(4)；
步骤三、挤出机(43)将树脂熔体(10)挤入弧形多孔口模二(422)，随着挤入树脂熔体(10)量的增多，弧形多孔口模二(422)内的树脂熔体经孔进入弧形多孔口模一(421)内，弧形多孔口模一(421)内的树脂熔体经孔进入浸渍辊浅腔(44)，随着浸渍辊(41)的转动，树脂熔体(10)均匀地涂覆在浸渍辊(41)的凹槽的表面；步骤二中加热后的具有一定预张力的纤维带以一定包角通过浸渍辊(41)，在纤维束的预张力作用下，浸渍辊(41)的凹槽表面的树脂熔体(10)被挤入纤维带内，成型预成型预浸带；
步骤四、预成型预浸带继续被牵拉***以一定的包角通过若干均化辊(5)，使纤维束与树脂熔体(10)均匀分布；经过若干均化辊(5)后的预成型预浸带进一步被牵拉通过上光辊(6)，预浸带成型；通过牵拉***(7)牵拉、收卷成型连续纤维增强热塑性预浸带。
7.根据权利要求6所述的制备连续纤维增强热塑性预浸带的方法，其特征在于：所述步骤一中，经分丝***(2)分散后的纤维带的宽度与浸渍辊(41)的凹槽宽度一致，分纱后纤维带厚度控制在0.02mm-1mm，单根纤维束的预张力在0.1N至50N。
8.根据权利要求7所述的制备连续纤维增强热塑性预浸带的方法，其特征在于：所述步骤二中，纤维带通过加热***(3)温度升至360℃-450℃后进入浸渍***(4)。
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