CN111993683A - 一种连续纤维增强热塑性树脂粉末浸渍装置及浸渍方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种连续纤维增强热塑性树脂粉末浸渍装置及浸渍方法，该成型工艺以热塑性树脂为基体，以连续玻璃纤维或者连续碳纤维为增强体。装置包括纱架、展纱装置、雾化加湿装置、喷粉室、粉末回收装置、辐射预热装、三辊挤压浸渍装置、冷却装置和收卷装置。连续纤维束由纱架放卷后，先进入展纱装置展宽，经过雾化加湿装置加湿，然后进入喷粉室喷粉，进入辐射预热装置使树脂熔融，随后进入三辊挤压浸渍装置，使纤维得到充分浸渍，后经冷却装置冷却，最后收卷，得到连续纤维增强热塑性树脂复合材料。该发明解决了粉末流化床静电吸附不能应用于不导电纤维的弊端，可以制备具有良好界面结合、性能优异的连续纤维增强热塑性树脂复合材料。

Description

一种连续纤维增强热塑性树脂粉末浸渍装置及浸渍方法
技术领域
本发明涉及一种连续纤维增强热塑性树脂静电粉末浸渍装置及浸渍方法，属于连续纤维增强热塑性复合材料制造技术领域。
背景技术
连续纤维增强热塑性复合材料在性能、应用和价格等方面都具有很大的潜在优势。为了使纤维充分发挥增强作用,人们相继开发了熔融浸渍、溶液浸渍、薄膜镶嵌、混编等浸渍工艺。但如何将高粘度的基体树脂或对热敏感的树脂充分浸渍到连续纤维之间是一难题。因为树脂粘度高，熔体阻力大，在浸渍模具内很难使纤维浸渍或容易拉断，而且由于树脂对热敏感，浸渍模具内的死角很容易导致树脂分解，因此传统的制备工艺很难制备高粘度的基体树脂或对热敏感的树脂的连续纤维增强浸渍片材。
当前制备连续纤维增强复合材料浸渍片材的主要设备及方法是熔融浸渍，如中国专利申请CN201711495628.3，其介绍了一种纤维预浸渍料及其制备方法和应用，采用挤出机将热塑性树脂熔融后挤入到浸渍模具中，连续纤维同时引入到浸渍模具中，纤维束和树脂在模具内实现浸渍复合，但该方法对树脂特性要求高，树脂必须具有很好的流动性和耐热性，不易分解。
目前也有采用粉末浸渍工艺制备连续纤维增强复合材料浸渍片材，分为湿法和干法两种，湿法粉末浸渍有点类似溶液浸渍，将树脂粉末与易挥发性溶剂配制成悬浮液，当增强纤维经过溶液时，树脂粉末粘附到纤维表面及纤维束间，经过除去溶剂和溶融再浸渍的工序，获得预浸料。湿法的缺点是纤维含量不易控制，粉体在悬浮液中分布不均匀，液体介质及表面活性剂很难完全去除，界面结合比较难解决，从而影响了材料的整体性能。干法粉末浸渍主要借助流化床和静电吸附等手段，如专利EP2586585A1所述，使树脂粉末吸附到经过树脂粉末区域的纤维纤维表面及束间，然后经过溶融再浸渍过程，制备得到预浸料，干法工艺的缺陷是纤维必须导电，主要采用碳纤维，否则纤维束吸附不上树脂粉末，或容易脱落，导致树脂含量很难控制。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种连续纤维增强热塑性树脂静电粉末浸渍装置及浸渍方法，实现高粘度或热塑性树脂的连续纤维增强热塑性树脂预浸渍片材制品，采用雾化加湿装置对纤维表面加湿，提高其导电性，进而提高纤维与树脂粉末的吸附力，即使不导电的玻璃纤维或植物纤维，通过雾化量的控制，也能很好吸附树脂粉末；采用的静电喷粉枪可以精确控制喷粉量，进而可以精确控制纤维或树脂含量。
为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种连续纤维增强热塑性树脂粉末浸渍装置，其特征在于：所述的连续纤维增强热塑性树脂粉末浸渍装置依次包括纱架、展纱装置、雾化加湿装置、喷粉室、粉末回收装置、辐射预热装置、三辊挤压浸渍装置、冷却装置和收卷装置；其中雾化加湿装置置于喷粉室入口处，雾化加湿装置有4-6个喷头，上下对称分布在纤维束的上下表面，用于给纤维上下表面加湿，提高纤维导电性；喷粉室入口及出口处设置有入口导向辊和出口导向辊，出口导向辊14设置有与地连接的导电线,保证纤维带上正电荷，喷粉室内部有上下对称分布或左右水平对称分布的静电喷粉枪4-6个，为保证喷粉均匀，静电喷粉枪与纤维的距离为200-300mm，静电喷粉枪的流速为10g/min-150g/min。
可选的，所述的展纱装置由气流展纱装置和机械辊摆动装置组合而成，气流展纱装置位于纤维束正下方，展纱方式为吸气，吸气气流速度为6-9m/s，以保证纤维的展开，气流展纱后经过机械棍摆动展纱装置，摆动机械辊直径为50mm，摆动方式为沿机械辊轴向摆动，摆动频率为20-120r/min，摆动辊表面电镀以减小摩擦，减少对纤维磨损。
可选的，所述的辐射预热装置为红外辐射预热，长度为5-6米，加热温度为200-380℃。
可选的，所述的三辊挤压浸渍装置由3个直径为300-500mm的压辊组成，压辊排布为L型，压辊芯部采用导热油加热，导热油温度为100-380℃；所述的冷却装置为3个直径为400mm的压辊组成，压辊排布为一字型，压辊芯部采用冷却水冷却，冷却水温度为5-20℃。
可选的，所述的热塑性树脂粉末可为聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚氯乙烯、聚甲醛等，粉末粒径为100-150目。
可选的，所使用的连续纤维为碳纤维、玻璃纤维或植物纤维。
可选的，一种连续纤维增强热塑性树脂粉末浸渍装置及成型工艺，其特征在于，工艺过程如下：
a.连续纤维束由纱架放卷后，先进入进入展纱装置，在气流展纱和机械辊摆动展纱的共同作用下，纤维束紧密排列，纤维束变宽、变薄，单束纤维束展开宽度为15-25mm，厚度为0.05-0.15mm，使多束纤维束变成紧密排列的纤维束；
b.连续纤维束展纱后，经过雾化加湿装置，通过上下对称布置的喷头，对纤维束上下表面加湿，增加其导电性，雾化量为30-100g/cm2；
c.上下表面经加湿雾化的纤维束在三辊挤压浸渍装置的牵引作用下，进入喷粉室，热塑性树脂粉末经真空吸附进入静电喷粉枪，并使热塑性树脂粉末带上负电荷，在气压作用下带上负电荷的热塑性树脂粉末喷向带有正电荷的纤维束的上下表面，由于正负电荷的吸附作用，热塑性树脂粉末被吸附在纤维束的上下表面，牵引速度为3-5m/min；
d.吸附热塑性树脂粉末的纤维束经出口导向辊导向后，进入辐射预热装置，在红外热源的辐射作用下，塑性树脂粉末表面熔融，并粘附在纤维中；
e.粘附树脂的纤维束进入三辊挤压浸渍装置，在L形布局的辊子的挤压和热的共同作用下，熔融的热塑性树脂粉末挤压进纤维束的内部，使纤维得到充分浸渍；然后，纤维束经冷却装置，在一字型排布的压辊的冷却作用下，纤维束的上下表面充分冷却，而且表面光滑，最后收卷，得到连续纤维增强热塑性树脂复合材料。
本发明的连续纤维增强热塑性树脂静电粉末浸渍装置及浸渍方法，与现有技术相比，具有以下有益效果：
（1）采用雾化加湿装置对纤维表面加湿，提高其导电性，进而提高纤维与树脂粉末的吸附力，即使不导电的玻璃纤维或植物纤维，通过雾化量的控制，也能很好吸附树脂粉末； 所用的介质用水和偶联剂的混合物，既能提高其导电性，又能提高纤维和树脂之间的界面结合力，从而显著提高浸渍片材的性能；
（2）采用的静电喷粉枪可以精确控制喷粉量，进而可以精确控制纤维或树脂含量；
（3）展纱装置采用气流展纱和机械展纱相结合的方式，气流展纱装置位于纤维束正下方，展纱方式为吸气，气流方向垂直于纤维束表面向下，在初始纤维的作用下，两侧的气流速度大于中间被纤维阻挡的气流，从而导致了两侧的压强较低，在空气压强的作用下，纤维束开始向两侧进行逐步展开，从而达到了使得纤维束分丝的作用，其中摆动装置通过摆动机械辊的作用让连续纤维束沿着轴向进一步展开，两种展纱装置共同作用使纤维束变宽变薄、达到较好的展纱效果。
附图说明
图1是本发明的连续纤维增强热塑性树脂粉末浸渍装置结构示意图；
图2是本发明的立式喷粉室结构示意图；
图3是本发明的卧式喷粉室结构示意图；
图4是本发明的展纱装置示意图。
其中：1-纱架；2-展纱装置；3-气流展纱装置；4-机械辊摆动装置；5-雾化加湿装置；6-喷粉室；7-喷粉枪；8-粉末回收装置；9-辐射预热装置；10-三辊挤压浸渍装；11-冷却装置；12-收卷装置。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1-4，一种连续纤维增强热塑性树脂静电粉末浸渍装置，依次包括纱架1、展纱装置2、雾化加湿装置5、喷粉室6、粉末回收装置8、辐射预热装置9、三辊挤压浸渍装置10、冷却装置11和收卷装置12。其中雾化加湿装置5置于喷粉室入口处，优选雾化加湿装置5有4-6个喷头，对称均匀分布在纤维束的上下表面，加湿介质为水和偶联剂的混合物，用于给纤维束上下表面加湿，提高纤维导电性；喷粉室6入口及出口处设置有入口导向辊13和出口导向辊14，出口导向辊14设置有与地连接的导电线，以保证纤维带上正电荷，喷粉室6内部有静电喷粉枪74-6个，呈上下对称均匀分布或左右水平均匀对称分布，为保证喷粉均匀，静电喷粉枪7与纤维的距离为200-300mm，静电喷粉枪的流速为10g/min-150g/min。
喷粉室6可以是立式喷粉室或卧式喷粉室。立式喷粉室在上方和下方各开一口作为纤维入口和纤维出口，喷粉室内部有4-6个喷嘴，喷嘴左右对称分布，纤维从上方入口进入，下方出口引出，喷嘴将带电的粉末均匀喷洒到纤维的表面上，喷粉室的右侧有粉末回收装置，可将多余粉末吸附后回收利用；卧式喷粉室在左边和右边各开一口作为纤维入口和纤维出口，喷粉室内部有4-6个喷嘴，喷嘴上下对称分布，纤维从左边入口进入，右边出口引出，喷嘴将带电的粉末均匀喷洒到纤维的表面上，喷粉室的底部有粉末回收装置，可将多余粉末吸附后回收利用。
展纱装置2包括气流展纱装置3和机械辊摆动装置4，气流展纱装置3位于纤维束正下方，展纱方式为吸气，吸气气流速度为6-9m/s，以保证纤维的展开，气流展纱后经过机械辊摆动展纱装置4，摆动机械辊直径为50mm，摆动方式为沿机械辊轴向摆动，摆动频率为20-120r/min，摆动的幅度为10-20mm，摆动辊表面电镀以减小摩擦，减少对纤维磨损。纤维束经过气流展纱装置（3）后进入机械棍摆动展纱装置（4）。
所述辐射预热装置9为红外辐射预热，长度为5-6米，加热温度为200-380℃。
所述三辊挤压浸渍装置10包括3个直径为300-500mm的挤压压辊，挤压压辊呈L型排布，挤压压辊芯部采用导热油加热，加热用导热油温度为200-380℃；所述的冷却装置包括3个直径为400mm的冷却压辊，冷却压辊呈一字型排布，冷却压辊芯部采用冷却水冷却，冷却水温度为5-20℃。
采用上述装置的浸渍方法，其浸渍步骤如下：
（1）连续纤维束由纱架1放卷后，先进入展纱装置2，在气流展纱装置3和机械辊摆动展纱装置4的共同作用下，纤维束紧密排列，纤维束变宽、变薄，单束纤维束展开宽度为15-25mm，厚度为0.02-0.15mm，使多束纤维束变成紧密排列的纤维束；
（2）连续纤维束展纱后，经过雾化加湿装置5，通过对称布置的喷头，对纤维束上下表面加湿，增加其导电性，雾化量为30-100g/cm2；
（3）上下表面经加湿雾化的纤维束在三辊挤压浸渍装置10的牵引作用下，进入喷粉室6，热塑性树脂粉末经真空吸附进入静电喷粉枪7，并使热塑性树脂粉末带上负电荷，在气压作用下带上负电荷的热塑性树脂粉末喷向带有正电荷的纤维束的上下表面，由于正负电荷的吸附作用，热塑性树脂粉末被吸附在纤维束的上下表面，牵引速度为3-5m/min；
（4）吸附热塑性树脂粉末的纤维束经出口导向辊14导向后，进入辐射预热装置9，在红外热源的辐射作用下，热塑性树脂粉末表面熔融，并粘附在纤维中；
（5）粘附树脂的纤维束进入三辊挤压浸渍装置10，在L形布局的辊子的挤压和热的共同作用下，熔融的热塑性树脂粉末挤压进纤维束的内部，使纤维得到充分浸渍；然后，纤维束经冷却装置11，在一字型排布的压辊的冷却作用下，纤维束的上下表面充分冷却，而且表面光滑，最后收卷，得到连续纤维增强热塑性树脂粉末浸渍复合材料。
实施实例1
采用本发明的连续纤维增强热塑性树脂粉末浸渍装置和浸渍方法，，其中参数为：
雾化加湿装置5有6个喷头，雾化量为80g/cm2.静电喷粉枪7有4个，静电喷粉枪7与纤维的距离为200mm，静电喷粉枪的流速为120g/min。牵引速度为4m/min；
气流展纱3吸气气流速度为8m/s，摆动机械辊直径为50mm，摆动频率为100r/min。单个纤维束经过展纱装置2后展开宽度为18mm，厚度为0.035mm。
红外辐射预热，长度为5米，加热温度为200℃。
三辊挤压浸渍装置10由3个直径为300mm的压辊组成，压辊排布为L型，压辊芯部采用导热油加热，导热油加热温度为190℃；所述的冷却装置为3个直径为400mm的压辊组成，压辊排布为一字型，压辊芯部采用冷却水冷却，冷却水温度为5℃。
所选的热塑性树脂粉末为聚甲醛，粉末粒径为120目。所使用的连续纤维为玻璃纤维。
利用本发明制备的连续玻璃纤增强聚甲醛复合材料的纤维质量含量为45%，其弯曲强度、拉伸强度、无缺口冲击强度分别为265Mpa、302Mpa、152KJ/m2。
实施实例2
采用本发明的连续纤维增强热塑性树脂粉末浸渍装置和浸渍方法，其中参数为：
雾化加湿装置5有6个喷头，雾化量为80g/cm2.静电喷粉枪7有4个，静电喷粉枪7与纤维的距离为200mm，静电喷粉枪的流速为100g/min。牵引速度为4m/min；
气流展纱3吸气气流速度为8m/s，摆动机械辊直径为50mm，摆动频率为100r/min。单个纤维束经过展纱装置2后展开宽度为20mm，厚度为0.025mm。
红外辐射预热，长度为6米，加热温度为380℃。
三辊挤压浸渍装置10由3个直径为300mm的压辊组成，压辊排布为L型，压辊芯部采用导热油加热，导热油加热温度为380℃；所述的冷却装置为3个直径为400mm的压辊组成，压辊排布为一字型，压辊芯部采用冷却水冷却，冷却水温度为5℃。
所选的热塑性树脂粉末为聚醚醚酮，粉末粒径为100目。所使用的连续纤维为碳纤维。
利用本发明制备的连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的纤维质量含量为60%，其弯曲强度、拉伸强度、无缺口冲击强度分别为1026Mpa、802Mpa、342KJ/m2。
实施实例3
采用本发明的连续纤维增强热塑性树脂粉末浸渍装置和浸渍方法，其中参数为：
雾化加湿装置5有6个喷头，雾化量为80g/cm2.静电喷粉枪7有4个，静电喷粉枪7与纤维的距离为200mm，静电喷粉枪的流速为150g/min。牵引速度为4m/min；
气流展纱3吸气气流速度为8m/s，摆动机械辊直径为50mm，摆动频率为100r/min。单个纤维束经过展纱装置2后展开宽度为15mm，厚度为0.05mm。
红外辐射预热，长度为5米，加热温度为165℃。
三辊挤压浸渍装置10由3个直径为300mm的压辊组成，压辊排布为L型，压辊芯部采用导热油加热，导热油加热温度为165℃；所述的冷却装置为3个直径为400mm的压辊组成，压辊排布为一字型，压辊芯部采用冷却水冷却，冷却水温度为5℃。
所选的热塑性树脂粉末为聚氯乙烯，粉末粒径为150目。所使用的连续纤维为汉麻纤维
利用本发明制备的连续麻纤维增强聚氯乙烯复合材料的纤维质量含量为38.5%，其弯曲强度、拉伸强度、无缺口冲击强度分别为189Mpa、214Mpa、76KJ/m2。

Claims (9)

1.一种连续纤维增强热塑性树脂静电粉末浸渍装置，其特征在于：包括依次设置的纱架（1）、展纱装置（2）、雾化加湿装置（5）、喷粉室（6）、粉末回收装置（8）、辐射预热装置（9）、三辊挤压浸渍装置（10）、冷却装置（11）和收卷装置（12）；所述雾化加湿装置（5）位于喷粉室入口前端，所述雾化加湿装置（5）包括多个喷头，喷头与加湿介质储存部件相连；所述喷粉室（6）入口及出口处设置有入口导向辊（13）和出口导向辊（14），所述出口导向辊（14）设置有与地连接的导电线，所述喷粉室（6）内部具有多个静电喷粉枪（7），所述静电喷粉枪（7）与纤维的距离为200-300mm，静电喷粉枪的流速为10g/min-150g/min。
2.根据权利要求1所述的连续纤维增强热塑性树脂粉末浸渍装置，其特征在于：所述雾化加湿装置（5）的喷头为4-6个，呈对称均匀分布，所述喷粉室（6）的静电喷粉枪（7）为4-6个，呈对称均匀分布。
3.根据权利要求1所述的连续纤维增强热塑性树脂粉末浸渍装置，其特征在于：展纱装置（2）包括气流展纱装置（3）和机械辊摆动装置（4），气流展纱装置（3）位于纤维束正下方，展纱方式为吸气，吸气气流速度为6-9m/s，机械棍摆动展纱装置（4）位于距离纱架（1）的较远方向，摆动机械辊直径为50mm，摆动方式为沿机械辊轴向摆动，摆动频率为20-120r/min，摆动幅度为10-20mm，摆动辊表面电镀，纤维束经过气流展纱装置（3）后进入机械棍摆动展纱装置（4）。
4.根据权利要求1所述的连续纤维增强热塑性树脂粉末浸渍装置，其特征在于：所述辐射预热装置（9）为红外辐射预热，长度为5-6米，预热温度为200-380℃。
5.根据权利要求1所述的连续纤维增强热塑性树脂粉末浸渍装置，其特征在于：所述三辊挤压浸渍装置（10）包括三个直径为300-500mm的挤压压辊，呈L型排布，挤压压辊芯部具有通孔，内通导热油，导热油温度为200-380℃；所述冷却装置包括三个直径为400mm的冷却压辊，呈一字型排布，冷却压辊芯部具有通孔，内通冷却水，冷却水温度为5-20℃。
6.一种使用连续纤维增强热塑性树脂粉末浸渍方法，采用权利要求1-5任一项所述的连续纤维增强热塑性树脂粉末浸渍装置，其特征在于，包括如下步骤：
a.连续纤维束由纱架（1）放卷后，先进入展纱装置（2），在气流展纱（3）和机械辊摆动展纱（4）的共同作用下，连续纤维束紧密排列，纤维束变宽、变薄，单束纤维束展开宽度为15-25mm，厚度为0.02-0.15mm，使多束纤维束变成紧密排列的纤维束；
b.连续纤维束展纱后，进入雾化加湿装置（5），通过喷头对纤维束上下表面喷加湿介质，增加其导电性，喷头加湿雾化量为30-100g/cm2；
c.上下表面经加湿雾化的纤维束在三辊挤压浸渍装置（10）的牵引作用下，进入喷粉室（6），热塑性树脂粉末经真空吸附进入静电喷粉枪（7），并使热塑性树脂粉末带上负电荷，在气压作用下带上负电荷的热塑性树脂粉末喷向带有正电荷的纤维束的上下表面，由于正负电荷的吸附作用，热塑性树脂粉末被吸附在纤维束的上下表面，牵引速度为3-5m/min；
d.吸附热塑性树脂粉末的纤维束经出口导向辊（14）导向后，进入辐射预热装置（9），在红外热源的辐射作用下，热塑性树脂粉末表面熔融，并粘附在纤维中；
e.粘附树脂的纤维束进入三辊挤压浸渍装置（10），在挤压压辊的热挤压作用下，熔融的热塑性树脂粉末进入到纤维束的内部，使纤维得到充分浸渍；然后，纤维束经过冷却装置（11），在冷却压辊作用下，上下表面充分冷却，最后收卷，得到连续纤维增强热塑性树脂粉末浸渍复合材料。
7.根据权利要求6所述的连续纤维增强热塑性树脂粉末浸渍装置，其特征在于：所述热塑性树脂选自聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚氯乙烯和聚甲醛，粉末粒径为100-150目。
8.根据权利要求6所述的连续纤维增强热塑性树脂粉末浸渍装置，其特征在于：所述连续纤维选自碳纤维、玻璃纤维和植物纤维。
9.根据权利要求6所述的连续纤维增强热塑性树脂粉末浸渍装置，其特征在于：所述加湿介质为水和偶联剂的混合物。
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