CN112622094B - 一种高质量热塑性树脂基连续纤维预浸丝束成型方法及装置 - Google Patents

一种高质量热塑性树脂基连续纤维预浸丝束成型方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高质量热塑性树脂基连续纤维预浸丝束成型方法及装置，首先将碳纤维通过传动展纤的方式展宽展薄，并放置于导热辊上与热塑性树脂膜加热复合制成预浸带，然后通过预收卷装置将复合后的预浸带预卷曲成束装，最后通过加热熔融挤出装置挤出预浸丝束。本发明采用展宽展薄后的碳纤维丝束与热塑性树脂进行熔融复合，所采用的小丝束碳纤维易于均匀的展宽展薄，不但可以提高纤维的浸润性，而且可以提高纤维的体积分数。

Description

一种高质量热塑性树脂基连续纤维预浸丝束成型方法及装置
技术领域
本发明属于热塑性树脂基纤维增强预浸丝束加工领域，具体涉及一种高质量热塑性树脂基连续纤维预浸丝束成型方法及装置。
背景技术
近年来，在3D打印方面，热塑性树脂基碳纤维增强复合材料因其成型效率高、成型成本低、可批量生产等优势得到了广泛关注，是研究的热点。但由于其材料本身的力学性能较差，成型构件的刚度,强度无法满足结构承载件的要求，限制了其应用范围。在增强丝材方面，碳纤维因其较强的力学性能，也引起了各行业的广泛关注，但其单独应用的成型性能较差，不能用于3D打印。如果将碳纤维丝束与热塑性树脂基体复合制造成预浸丝束，不仅可以增强3D打印零件的力学性能，而且可以增强纤维的成型性能。
与热固性树脂相比，热塑性树脂熔融时粘度大、流动性差，导致其与纤维复合时浸润性差、复合后的预浸丝束树脂分布不均匀，纤维体积分数低，材料性能得不到有效转换，打印出的零件的力学性能大打折扣，起不到预期效果。但是如果将碳纤维丝束展得非常薄，其浸润性就会得到较大改善。
常规3D打印装置所用丝束直径规格为0.4-3mm之间，单根碳纤维的直径约为0.007mm。较低碳纤维体积分数的预浸丝束力学性能较差，起不到力学承载的作用，一般情况下，碳纤维体积分数含量为60%左右时，预浸丝束的力学性能和打印性能均较好，此时体积分数下直径0.4-3mm的预浸丝束对应的纤维数量约为2k-100k。碳纤维丝束分为1k、3k、12k、24k、48k等，其中48k及以上纤维丝束为大丝束纤维，大丝束碳纤维原丝聚集严重，在展纤过程中容易出现曲屈、粘连、断纱、角度错位以及排布不均匀等缺陷，较难展开，且会导致树脂与其复合时浸润性差，较难复合。24k及以下丝束为小丝束碳纤维，较容易均匀展开，与热塑性树脂复合时浸润性较好。
发明内容
为解决现有问题，本发明的目的之一在于提供一种高性能的热塑性树脂基连续纤维预浸丝束，采用采用耐高温、高强度、高韧性的热塑性树脂基体，显著提高预浸丝束的耐热性、强度和韧性。
为解决现有问题，本发明的目的之二在于提供一种高均匀性的热塑性树脂基连续纤维预浸丝束，本发明采用传动展宽的方式将碳纤维丝束展薄至0.03mm后与热塑性树脂复合，大大提高了热塑性树脂的浸润性，从而可以提高碳纤维与热塑性树脂混合时的均匀性，提高预浸丝束质量。
为解决现有问题，本发明的目的之三在于提供一种高纤维体积分数的热塑性树脂基连续纤维预浸丝束，本发明采用传动展宽的方式将碳纤维丝束展薄至0.03mm后，与超薄热塑性树脂膜复合，在提高纤维浸润性的同时，还可以显著提高纤维的体积分数。
为解决现有问题，本发明的目的之四在于可以提供直径为0.4至3mm之间的任意直径的预浸丝束，本发明通过对小丝束碳纤维叠加展宽的方式，可以提供小至0.4mm，大至3mm之间直径的碳纤维预浸丝束。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种高质量热塑性树脂基连续纤维预浸丝束成型方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）根据对热塑性树脂基碳纤维预浸丝束直径要求，设计并选择相对应的小丝束碳纤维的大小和丝束的数量；
（2）对选定的小丝束碳纤维进行同时展宽，保证展宽后的每束碳纤维丝束的厚度均在0.03mm以下；
（3）将展宽后的每束碳纤维均与0.03mm以下的热塑性树脂膜进行初步热压熔融复合固化，复合为热塑性树脂基碳纤维预浸带；
（4）将展宽复合后的预浸带预收卷，卷成圆锥形状；
（5）将卷曲后的预浸带进行二次熔融复合固化，并挤出成设计要求直径的预浸丝束；
（6）将挤出后的预浸丝束收卷呈盘状，用于3D打印使用。
进一步，所述的展宽采用传动展纤的方法。
进一步，所述的步骤（3）具体为将宽展后的碳纤维原丝，每隔一层卷入一层树脂膜，则共卷入与丝束的数量一致的树脂薄膜，并通过大直径导热辊加热对其进行复合。
进一步，所述的加热温度范围为50-400℃。
进一步，所述的步骤（5）二次熔融复合固化的温度范围为50-400℃。
本发明也提供了一种高质量热塑性树脂基连续纤维预浸丝束成型装置，包括按照塑性树脂基连续纤维预浸丝束成型流程依次设置的若干个展宽装置、若干个热塑性树脂薄膜料卷、导热辊、牵引辊、第一导向轮、预收卷装置、加热熔融挤出装置、第二导向轮和收料装置，所述的碳纤维通过展宽装置展宽以后与所述的设置在所述的热塑性树脂薄膜料卷上的热塑性树脂薄膜的通过导热辊热压复合，然后通过所述的第一导向轮和所述的预收卷装置进行预卷处理，然后通过所述的加热熔融挤出装置进行加热挤压抽丝挤出成预浸丝束，最后通过收料装置将制备成的热塑性树脂基预浸丝束收料成卷。
进一步，所述的展宽装置包括碳纤维原丝料卷、第一张紧轮、展宽机构、第二张紧轮、第三导向轮和第四导向轮。
进一步，所述的展宽机构包括若干个展宽轮。
进一步，所述的预收卷装置包括弹性导向机构和若干个导向槽，所述的弹性导向机构包括弹性导向球和导向开孔槽，按照碳纤维移动方向，导向槽的圆孔的直径依次减小。
进一步，所述的加热熔融挤出装置的内部为入口大出口小的锥形孔，其入口直径与预卷曲成型后的预浸束直径相同，其出口直径略小于设计要求成型的预浸丝束直径。
有益效果：
本发明将纤维丝束展薄至0.03mm以下与超薄热塑性树脂膜进行复合，展宽展薄后的纤维与树脂膜接触面积更大，对树脂基体粘度要求低，无需高粘度的树脂即可提高树脂的浸润性，在提高预浸丝束树脂与纤维复合的均匀性的同时，还可以显著提高纤维的体积分数，大大提高了热塑性树脂基碳纤维预浸丝束的力学性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一个实施例的结构图；
图2为本发明的预收卷装置的结构示意图；
图3为图2的A-A向结构示意图；
图4为图2的B-B向结构示意图；
图5为加热熔融挤出装置的结构示意图；
图6为本发明的成型方法的工艺流程图；
图中，1为碳纤维原丝料卷，2为第一张紧轮，3为展宽机构，4为第二张紧轮，5为第三导向轮，6为热塑性树脂薄膜料卷，7为第四导向轮，8为导热辊，9为牵引辊，10为第一导向轮，11为预收卷装置，12为加热熔融挤出装置，13为收料装置，14为第二导向轮，15为展宽轮，16为热塑性树脂/碳纤维预浸带，17为弹性导向机构，18为导向槽，19为弹性导向球，20为导向开孔槽，21为上导向槽，22为圆孔，23为下导向槽。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1-5所示，一种高质量热塑性树脂基连续纤维预浸丝束成型装置，包括按照塑性树脂基连续纤维预浸丝束成型流程依次设置的若干个展宽装置、若干个热塑性树脂薄膜料卷6、导热辊8、牵引辊9、第一导向轮10、预收卷装置11、加热熔融挤出装置12、第二导向轮14和收料装置13，所述的碳纤维通过展宽装置展宽以后与所述的设置在所述的热塑性树脂薄膜料卷6上的热塑性树脂薄膜的通过导热辊8热压复合，然后通过所述的第一导向轮10和所述的预收卷装置11进行预卷处理，然后通过所述的加热熔融挤出装置12进行加热挤压抽丝挤出成预浸丝束，最后通过收料装置13将制备成的热塑性树脂基预浸丝束收料成卷。
展宽装置包括碳纤维原丝料卷1、第一张紧轮2、展宽机构3、第二张紧轮4、第三导向轮5和第四导向轮7。
展宽机构3包括若干个展宽轮15，本实施例中采用交错设置的五个展宽轮15进行展宽操作，也可以根据需要，设置不同个数的展宽轮15。
预收卷装置11包括弹性导向机构17和若干个导向槽18，所述的弹性导向机构17包括弹性导向球19和导向开孔槽20，按照碳纤维移动方向，导向槽18的圆孔22的直径依次减小。导向槽18包括上导向槽21和下导向槽23，上下导向槽23的两端通过紧固螺栓安装在一起，导向槽的中间为圆孔22。
加热熔融挤出装置12的内部为入口大出口小的锥形孔，其入口直径与预卷曲成型后的预浸束直径相同，其出口直径略小于设计要求成型的预浸丝束直径。
实施例2
如图6所示，一种高质量热塑性树脂基连续纤维预浸丝束成型方法，包括以下步骤：
（1）根据对热塑性树脂基碳纤维预浸丝束直径要求，设计并选择相对应的小丝束碳纤维的大小和丝束的数量
(2)将n束碳纤维原丝通过张力控制***，碳纤维原丝，分别通过第一张紧轮2和第二张紧轮4，控制原丝保持一定的弱张力（5-10N），实现平稳输送；在弱张力下输送，将输送后的碳纤维原丝进行传动宽展,具体过程为：依次通过传动展宽***完成对碳纤维原丝的宽展；
(3)将展宽后的碳纤维与热塑性树脂膜热压复合，具体过程为：将宽展后的n层碳纤维原丝，每隔一层卷入一层树脂膜，则共卷入n层树脂薄膜，并通过导热辊8对其进行复合，展宽后的纤维原丝和热塑性树脂膜复合时需要通过导热辊8加热，加热温度范围为50~400℃，导热辊8通过导热油提供热量；
(4)对复合后的热塑性树脂基碳纤维预浸带进行预卷处理，具体过程为，将步骤（3）复合成的预浸宽带铺放在导向开孔槽20，并通过弹性导向球19进行初步预收卷，然后通过调整直径依次减小的三个导向槽，三个导向槽的圆孔22中间逐渐减小，起到将-热塑性树脂/碳纤维预浸带16收卷成束的作用，将热塑性树脂/碳纤维预浸带16收卷成束；
(5)对预卷处理后的预浸带束进行加热挤压抽丝，具体过程是：通过挤出装置将预卷曲的预浸带挤出成预浸丝束。加热熔融挤出装置12既起二次加热熔融复合作用，又起成型作用，加热温度范围为50~400℃，其内部为入口大出口小的锥形孔，其入口直径与步骤（4）预卷曲成型后的预浸束直径相同，其出口直径略小于设计要求成型的预浸丝束直径。
(6)通过收料装置13将制备成的热塑性树脂基预浸丝束收料成卷，收料装置13与加热熔融挤出装置12之间需有牵引导向装置-第二导向轮14。
本发明采用耐高温、高强度、高韧性的热塑性树脂基体，显著提高预浸丝束的耐热性、强度和韧性。
本发明采用传动展宽的方式将碳纤维丝束展薄至0.03mm后与热塑性树脂复合，大大提高了热塑性树脂的浸润性，从而可以提高碳纤维与热塑性树脂混合时的均匀性，提高预浸丝束质量。
本发明采用传动展宽的方式将碳纤维丝束展薄至0.03mm后，与超薄热塑性树脂膜复合，在提高纤维浸润性的同时，还可以显著提高纤维的体积分数。
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 (1)

1.一种高质量热塑性树脂基连续纤维预浸丝束成型方法，其特征在于，包括以下步骤：
按照热塑性树脂基连续纤维预浸丝束成型流程依次设置的若干个展宽装置、若干个热塑性树脂薄膜料卷、导热辊、牵引辊、第一导向轮、预收卷装置、加热熔融挤出装置、第二导向轮和收料装置，碳纤维通过展宽装置展宽以后与设置在所述的热塑性树脂薄膜料卷上的热塑性树脂薄膜通过导热辊热压复合，然后通过所述的第一导向轮和所述的预收卷装置进行预卷处理，然后通过所述的加热熔融挤出装置进行加热挤压抽丝挤出成预浸丝束，最后通过收料装置将制备成的热塑性树脂基预浸丝束收料成卷；
（1）根据对热塑性树脂基碳纤维预浸丝束直径要求，设计并选择相对应的小丝束碳纤维的大小和丝束的数量；
（2）对选定的小丝束碳纤维进行同时展宽，保证展宽后的每束碳纤维丝束的厚度均在0.03mm以下；
（3）将展宽后的每束碳纤维均与0.03mm以下的热塑性树脂膜进行初步热压熔融复合固化，复合为热塑性树脂基碳纤维预浸带；
（4）将展宽复合后的预浸带预收卷，卷成圆锥形状；
（5）将卷曲后的预浸带进行二次熔融复合固化，并挤出成设计要求直径的预浸丝束；
（6）将挤出后的预浸丝束收卷呈盘状，用于3D打印使用；
所述的展宽采用传动展纤的方法；
所述的步骤（3）具体为将宽展后的碳纤维原丝，每隔一层卷入一层树脂膜，则共卷入与丝束的数量一致的树脂薄膜，并通过导热辊加热对其进行复合，所述的加热温度范围为50-400℃；
所述的步骤（5）二次熔融复合固化的温度范围为50-400℃；
所述的展宽装置包括碳纤维原丝料卷、第一张紧轮、展宽机构、第二张紧轮、第三导向轮和第四导向轮；
所述的展宽机构包括若干个展宽轮；
所述的预收卷装置包括弹性导向机构和若干个导向槽，所述的弹性导向机构包括弹性导向球和导向开孔槽，按照碳纤维移动方向，导向槽的圆孔的直径依次减小；
所述的加热熔融挤出装置的内部为入口大出口小的锥形孔，其入口直径与预卷曲成型后的预浸束直径相同，其出口直径小于设计要求成型的预浸丝束直径。
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