CN1734003A - 改善宽幅预浸料浸润性的方法及所用的装置 - Google Patents

Abstract

改善宽幅预浸料浸润性的方法及所用的装置，它涉及一种改善预浸料浸润性的方法及所用的装置。本发明解决了预浸料生产中，采用纤维改性技术不能改善预浸料浸润性；采用超声振荡技术不适于热固性树脂；采用超声浸润窄带技术无法实现宽幅纤维布浸胶处理问题。本发明的方法是：将烘干后的纤维布19浸热固性树脂后，在超声功率源15控制的组合式换能器14上通过，再经烘干、卷捆，纤维布19的幅宽W为0.1～1.5m；本发明的装置是：框架的左侧放置有第一烘干炉1和卷辊10，框架的右侧放置有第二烘干炉9和卷绕机11，框架的上端面与组合式换能器14固接，框架上固定有超声功率源15。利用本发明的装置和方法可大大改善宽幅预浸料浸润性。

Description

改善宽幅预浸料浸润性的方法及所用的装置

技术领域：

本发明涉及一种改善预浸料浸润性的方法及所用的装置，具体涉及一种改善宽幅预浸料浸润性的方法及所用的装置。

背景技术：

无论是复合材料，还是其半成品——预浸料在生产过程中均存在着树脂很难完全浸渗到纤维之间，大量树脂以表面浮胶的形式存在，其结果会在复合材料中产生界面缺陷，从而降低复合材料的质量。因此，改善基体树脂和纤维之间的浸润性及界面结合性成为充分发挥复合材料综合力学性能的关键因素之一。

目前，国内外对此已有广泛的研究，主要集中在纤维表面改性技术、超声振荡胶液处理技术及超声窄带处理技术方面。其中，研究最为广泛的是纤维表面改性技术，包括化学改性技术、等离子体处理技术、高能射线辐照等技术，这些技术可有效地提高纤维表面的活性，增强与基体树脂之间的反应性，但是对浸润性的改善并不明显，而且存在着不易连续处理的缺点。随着现代成型技术及新型基体树脂及增强纤维的发展，纤维的单一模式改性方法已经难以适应现代高性能特种复合材料的需求，必须采用特殊的方法对纤维乃至其织物进行改性，以满足高性能材料的要求；超声振荡胶液处理技术是将超声振荡器放置在胶槽底部，对胶液持续作用，促使胶液浸润纤维，这种方法可以实现生产过程中的连续处理，而且改善浸润性的效果较好。这种方法是超声持续对胶液进行处理，因此适用于热塑性树脂体系，但是对于含有溶剂的热固性树脂体系，如酚醛树脂、环氧树脂等，在处理过程中会改变胶液质量，影响复合材料的性能，因此不能采用这样的方法；俄罗斯开发了超声强迫浸润窄带处理技术，它采用功率换能器型超声处理***，既可以对胶液进行处理、又可作用于浸胶之后的纤维，特别适用于湿法缠绕成型制备的复合材料，但对于宽度在1m左右的纤维布缠绕来说，由于功率超声的作用面积小，只能对极小区域进行处理，若采用多套超声沿纤维布宽度方向排放进行处理，虽然可以扩大处理区域，但是这种方式不但需要较大的空间，而且存在着多套超声处理***匹配的问题，因而不适用于对宽幅纤维布浸胶处理。

发明内容：

本发明的目的是为解决预浸料在生产过程中，采用纤维表面改性技术不能改善预浸料的浸润性；采用超声振荡胶液处理技术不适用于热固性树脂体系；采用超声强迫浸润窄带处理技术无法实现宽幅纤维布浸胶处理问题而提供的一种改善宽幅预浸料浸润性的方法及所用的装置。本发明的改善宽幅预浸料浸润性的方法是：将烘干后的纤维布19浸入热固性树脂后，再次烘干、卷成捆；浸入热固性树脂后的纤维布19在烘干之前在组合式换能器14上的振板14-1上通过，振板14-1的振动频率由超声功率源15控制，振板14-1的振动频率为48±1.5kHz，超声功率为20～700W，纤维布19的运行速度为40～120m/h，纤维布19的张力为10～300N，纤维布19的幅宽W为0.1～1.5m；本发明的改善宽幅预浸料浸润性的装置包括第一烘干炉1、第一导辊3、第二导辊4、胶槽5、第三导辊6、第四导辊7、皮带轮8、第二烘干炉9、卷绕机11、框架、连接板17、卷辊10、卷辊架12、并联导线16；它还包括组合式换能器14和超声功率源15；胶槽5的左侧放置有第一烘干炉1，第一烘干炉1的左侧通过卷辊架12固定有卷辊10，胶槽5的右侧放置有第二烘干炉9，第二烘干炉9的右侧放置有卷绕机11，胶槽5放置在框架内，组合式换能器14上的振板14-1的两端分别与框架的前上横梁13-1和后上横梁13-2固定连接，组合式换能器14通过并联导线16与固定在框架上的超声功率源15相连接，组合式换能器14的左侧胶槽5内装有第二导辊4，组合式换能器14的右侧胶槽5内装有第三导辊6，第二导辊4的两端和第三导辊6的两端分别通过连接板17与框架的前上横梁13-1和后上横梁13-2固定连接，第一导辊3通过底座3-1与框架的左端前上横梁13-1和后上横梁13-2固定连接，第四导辊7与皮带轮8同轴，第四导辊7通过支座7-1与框架的右端前上横梁13-1和后上横梁13-2固定连接；所述的第一烘干炉1、第一导辊3、第二导辊4、胶槽5、第三导辊6、第四导辊7、第二烘干炉9、卷绕机11、卷辊10及框架同轴。

本发明具有以下有益效果：一、本发明是将超声直接作用到浸有热固性树脂的纤维中，引起热固性树脂体系的变化，由于超声的空化作用，处理时间在5min内，即可降低热固性树脂体系的粘度(比未经超声处理的热固性树脂体系的粘度降低了5.7％)，而热固性树脂体系的密度和表面张力基本不变。由热固性树脂体系的结构分析表明，在整个超声处理过程中，热固性树脂体系没有发生化学反应，理论计算表明超声波在热固性树脂体系内引发了空化效应，这种作用一方面加速了热固性树脂体系的分子运动，另一方面提高了热固性树脂体系的温度，从而引起热固性树脂体系粘度的降低，但是这种空化效应不同于一般的温度升高，空化效应可以在瞬间完成，作用能量大，空化泡周围的热固性树脂分子获得巨大能量，引起粘度降低，但瞬间的空化效应并未影响到热固性树脂体系中的溶剂挥发，因而可保证热固性树脂体系的密度不变。低粘度的热固性树脂体系有益于对纤维布的浸润，进而提高了预浸料的浸润性，从而保证了预浸料的质量。二、将浸有热固性树脂的纤维布在组合式换能器上的振板上通过，通过超声功率源控制振板的振动频率及超声作用功率的大小，预浸料经超声处理后，截取一定的样品，经丙酮反复抽提后，对纤维布表面进行分析。结果表明：纤维布表面氧含量明显升高，O/C比未处理时提高了25％，且纤维布表面张力的极性分量提高了。这一结果表明，超声强迫浸润处理提高了纤维布的活性，增加了其对热固性树脂的吸附作用。三、采用本发明的方法，对制成后的预浸料进行浸润性和力学性能分析表明：未经超声处理的预浸料，表面浮胶多，且存在着未被热固性树脂浸润的区域。产生这种现象的原因是在浸入热固性树脂时，由于纤维布的纤维束与纤维束之间的空隙很小，纤维束上往往还附着有微气泡，仅通过挤胶辊的挤压是很难将这些微气泡从纤维布的表面赶走。而经过超声处理后的预浸料利用超声的高频振动引发空化效应和声流作用，一方面空化效应使这些气泡破裂，另一方面，空化效应的结果强迫热固性树脂的分子运动，并加速了这种运动，促使热固性树脂进入到纤维束中间，替代了这些气泡，形成热固性树脂在纤维束内的均匀分布，使预浸料的力学性能得到明显改善，复合材料的层间剪切强度(ILSS)比未处理前提高了22.5％，且复合材料的离散系数大大降低，由未处理前的11.9％降至超声处理后的2.0％，从而保证了复合材料使用的可靠性。三、本发明采用组合式换能器与超声功率源组合对宽幅预浸料完全作用，其超声作用面积大，同时还可大大改善宽幅预浸料的浸润性。四、组合式换能器的振板的振动频率选择在48±1.5kHz范围内可调，超声功率选择在20～700W范围内可调，其适用范围宽，并且不受环境的干扰。五、本发明可对碳布、无碱玻璃布、高硅氧布、芳纶布等纤维布进行预浸料处理。六、本发明能够在不改变现有预浸料生产工艺的条件下对纤维布进行浸热固性树脂处理，其操作简单、方便，所使用的装置的各部件安装容易。

附图说明：

图1是本发明的整体结构主视图，图2是图1的A向视图，图3是图1的俯视图，图4是组合式换能器14的主视图，图5是图4的B-B剖面图。

具体实施方式：

具体实施方式一：本实施方式的改善宽幅预浸料浸润性的方法是这样完成的：将烘干后的纤维布19浸入热固性树脂后，再次烘干、卷成捆；浸入热固性树脂后的纤维布19在烘干之前在组合式换能器14上的振板14-1上通过，振板14-1的振动频率由超声功率源15控制，振板14-1的振动频率为48±1.5kHz，超声功率为20～700W，纤维布19的运行速度为40～120m/h，纤维布19的张力为10～300N，纤维布19的幅宽W为0.1～1.5m。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：本实施方式的纤维布19在组合式换能器14上的振板14-1上通过后，在烘干之前再次浸热固性树脂。经超声处理后的纤维布19上的树脂含量会相应的减少，影响纤维布19的质量，因而在烘干之前，将浸有热固性树脂的纤维布19再一次浸热固性树脂，可弥补上述缺陷。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：本实施方式的振板14-1的振动频率为48kHz，超声功率为30W，纤维布19的运行速度为60m/h，纤维布19的张力为145N，纤维布19的幅宽W为1.0m。采用上述技术参数，可对幅宽W为1.0m的纤维布19进行有效的超声处理，从而提高了复合材料的质量。

具体实施方式四：结合图1、图2、图3说明本实施方式，本实施方式由第一烘干炉1、第一导辊3、第二导辊4、胶槽5、第三导辊6、第四导辊7、皮带轮8、第二烘干炉9、卷绕机11、框架、连接板17、卷辊10、卷辊架12、组合式换能器14、超声功率源15、并联导线16组成；胶槽5的左侧放置有第一烘干炉1，第一烘干炉1的左侧通过卷辊架12固定有卷辊10，胶槽5的右侧放置有第二烘干炉9，第二烘干炉9的右侧放置有卷绕机11，胶槽5放置在框架内，组合式换能器14上的振板14-1的两端分别与框架的前上横梁13-1和后上横梁13-2固定连接，组合式换能器14通过并联导线16与固定在框架上的超声功率源15相连接，组合式换能器14的左侧胶槽5内装有第二导辊4，组合式换能器14的右侧胶槽5内装有第三导辊6，第二导辊4的两端和第三导辊6的两端分别通过连接板17与框架的前上横梁13-1和后上横梁13-2固定连接，第一导辊3通过底座3-1与框架的左端前上横梁13-1和后上横梁13-2固定连接，第四导辊7与皮带轮8同轴，第四导辊7通过支座7-1与框架的右端前上横梁13-1和后上横梁13-2固定连接；所述的第一烘干炉1、第一导辊3、第二导辊4、胶槽5、第三导辊6、第四导辊7、第二烘干炉9、卷绕机11、卷辊10及框架同轴。组合式换能器14位于胶槽5的上方，并在组合式换能器14两侧的胶槽5内放置有第二导辊4和第三导辊6，可保证预浸料具有一定的张力，可以在组合式换能器14上平整地通过。

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式的组合式换能器14放置在框架的上端面的中间位置。采用上述结构，可保证预浸料的张力变化小，使预浸料在组合式换能器14上平稳的通过。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图1、图2、图3说明本实施方式，本实施方式的框架由前上横梁13-1、后上横梁13-2、左上顺梁13-3、右上顺梁13-4、前下横梁13-5、后下横梁13-6、左下顺梁13-7、右下顺梁13-8、底梁13-9、左前立梁13-10、右前立梁13-11、左后立梁13-12和右后立梁13-13组成；前上横梁13-1与后上横梁13-2之间固定连接有左上顺梁13-3和右上顺梁13-4，前下横梁13-5和后下横梁13-6之间固定连接有左下顺梁13-7和右下顺梁13-8，前上横梁13-1和前下横梁13-5之间分别固定连接有左前立梁13-10和右前立梁13-11，后上横梁13-2和后下横梁13-6之间分别固定连接有左后立梁13-12和右后立梁13-13，前下横梁13-5和后下横梁13-6之间固定连接有一组底梁13-9。该框架具有结构简单、加工容易、强度好的优点。其它组成及连接关系与具体

实施方式四相同。

具体实施方式七：结合图4、图5说明本实施方式，本实施方式的组合式换能器14由振板14-1、单元换能器14-2、底板14-4、固定板14-5组成；振板14-1的下端面固定连接有一组相互并联的单元换能器14-2，相邻两个单元换能器14-2之间的距离为L，一组单元换能器14-2通过所述的并联导线16相连接，每个单元换能器14-2的下端分别装在固定板14-5的连接孔内，固定板14-5固定装在由振板14-1和底板14-4组成的空腔内，振板14-1的两端通过底板14-4与框架固定连接，由单元换能器14-2和底板14-4之间的空腔构成散热腔14-3。采用上述结构的组合式换能器14与超声功率源15组合使用，可有效地对预浸料进行超声处理。单元换能器14-2和超声功率源15由中国船舶工业总公司第七研究院第七二六研究所(上海船舶电子设备研究所)生产制造，其型号为CQBF-1025。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式八：结合图4说明本实施方式，本实施方式的振板14-1的下端面固定连接有一～二十个单元换能器14-2。根据纤维布19的幅宽，选择适宜数量的单元换能器14-2，这样既节省能源，又可保证纤维布19在整个宽度方向上得到超声处理。其它组成及连接关系与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：结合图4说明本实施方式，本实施方式的相邻两个单元换能器14-2之间的距离L为5cm。选用上述参数，可避免振动板14-1产生弯曲振动和腐蚀振动板14-1。其它组成及连接关系与具体实施方式七相同。

具体实施方式十：结合图1、图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式四的不同点是：本实施方式还增加有控制柜18；控制柜18固定在框架上，控制柜18内装有超声功率源15。将超声功率源15放置在控制柜18内，可避免纤维布19在预浸料生产过程中产生的纤维进入到超声功率源15中，干扰超声功率源15正常运行，特别是避免碳布预浸料在生产过程中产生的碳纤维进入到功率源15中引起短路。

具体实施方式十一：本实施方式的改善宽幅预浸料浸润性的方法是这样完成的：将烘干后的碳纤维布19浸入酚醛树脂后，再次烘干、卷成捆；浸入酚醛树脂后的碳纤维布19在烘干之前在组合式换能器14上的振板14-1上通过，振板14-1的振动频率由超声功率源15控制，振板14-1的振动频率为48±1.5kHz，超声功率为20～700W，碳纤维布19的运行速度为40～120m/h，碳纤维布19的张力为10～300N，碳纤维布19的幅宽W为0.1～1.5m。由于超声的空化作用，处理时间在5min内，酚醛树脂的粘度呈现下降趋势，比未经超声处理的体系降低了5.7％，而酚醛树脂的密度、表面张力基本不变。低粘度的酚醛树脂有益于对碳布的浸润，进而提高预浸料的浸润性，从而稳定预浸料质量。这是超声强迫浸润的第一个作用；超声强迫浸润处理过程中碳纤维布的变化，处理一定时间后，截取一定的样品，经丙酮反复抽提后，对碳纤维布表面进行分析。结果表明：碳纤维布表面氧含量明显升高，O/C比未处理时提高了25％，且碳纤维布表面张力的极性分量提高了。这一结果表明，超声强迫浸润提高了碳纤维布的活性，增加了其对酚醛树脂的吸附作用，这是超声强迫浸润技术改善预浸料浸润性的第二个作用；超声强迫浸润处理后，复合材料的层间剪切强度(ILSS)比未处理样品提高了22.5％，且样品的离散系数大大降低，由未处理时的11.9％降至超声处理后的2.0％。因此，通过组合式换能器14和超声功率源的组合作用在酚醛树脂体系内引发的空化效应和声流作用，强迫酚醛树脂浸润到碳纤维束间是改善预浸料浸润性的最为重要、最为关键的因素。它可有效地改善酚醛树脂在碳纤维布中的分布均匀性，提高复合材料的层间剪切强度(ILSS)，而且其离散性也大幅度降低，从而保证了复合材料在使用过程中的可靠性。本实施方式还可选用无碱玻璃布、高硅氧布或芳纶布代替碳纤维布；选用环氧树脂或聚酯树脂替代酚醛树脂。

Claims (10)

1、一种改善宽幅预浸料浸润性的方法，将烘干后的纤维布(19)浸入热固性树脂后，再次烘干、卷成捆；其特征在于浸入热固性树脂后的纤维布(19)在烘干之前在组合式换能器(14)上的振板(14-1)上通过，振板(14-1)的振动频率由超声功率源(15)控制，振板(14-1)的振动频率为48±1.5kHz，超声功率为20～700W，纤维布(19)的运行速度为40～120m/h，纤维布(19)的张力为10～300N，纤维布(19)的幅宽(W)为0.1～1.5m。

2、根据权利要求1所述的改善宽幅预浸料浸润性的方法，其特征在于纤维布(19)在组合式换能器(14)上的振板(14-1)上通过后，在烘干之前再次浸热固性树脂。

3、根据权利要求1所述的改善宽幅预浸料浸润性的方法，其特征在于振板(14-1)的振动频率为48kHz，超声功率为30W，纤维布(19)的运行速度为60m/h，纤维布(19)的张力为145N，纤维布(19)的幅宽(W)为1.0m。

4、一种改善宽幅预浸料浸润性的装置，它包括第一烘干炉(1)、第一导辊(3)、第二导辊(4)、胶槽(5)、第三导辊(6)、第四导辊(7)、皮带轮(8)、第二烘干炉(9)、卷绕机(11)、框架、连接板(17)、卷辊(10)、卷辊架(12)、并联导线(16)；其特征在于它还包括组合式换能器(14)、超声功率源(15)；胶槽(5)的左侧放置有第一烘干炉(1)，第一烘干炉(1)的左侧通过卷辊架(12)固定有卷辊(10)，胶槽(5)的右侧放置有第二烘干炉(9)，第二烘干炉(9)的右侧放置有卷绕机(11)，胶槽(5)放置在框架内，组合式换能器(14)上的振板(14-1)的两端分别与框架的前上横梁(13-1)和后上横梁(13-2)固定连接，组合式换能器(14)通过并联导线(16)与固定在框架上的超声功率源(15)相连接，组合式换能器(14)的左侧胶槽(5)内装有第二导辊(4)，组合式换能器(14)的右侧胶槽(5)内装有第三导辊(6)，第二导辊(4)的两端和第三导辊(6)的两端分别通过连接板(17)与框架的前上横梁(13-1)和后上横梁(13-2)固定连接，第一导辊(3)通过底座(3-1)与框架的左端前上横梁(13-1)和后上横梁(13-2)固定连接，第四导辊(7)与皮带轮(8)同轴，第四导辊(7)通过支座(7-1)与框架的右端前上横梁(13-1)和后上横梁(13-2)固定连接；所述的第一烘干炉(1)、第一导辊(3)、第二导辊(4)、胶槽(5)、第三导辊(6)、第四导辊(7)、第二烘干炉(9)、卷绕机(11)、卷辊(10)及框架同轴。

5、根据权利要求4所述的改善宽幅预浸料浸润性的装置，其特征在于所述的组合式换能器(14)放置在框架的上端面的中间位置。

6、根据权利要求4所述的改善宽幅预浸料浸润性的装置，其特征在于所述的框架由前上横梁(13-1)、后上横梁(13-2)、左上顺梁(13-3)、右上顺梁(13-4)、前下横梁(13-5)、后下横梁(13-6)、左下顺梁(13-7)、右下顺梁(13-8)、底梁(13-9)、左前立梁(13-10)、右前立梁(13-11)、左后立梁(13-12)和右后立梁(13-13)组成；前上横梁(13-1)与后上横梁(13-2)之间固定连接有左上顺梁(13-3)和右上顺梁(13-4)，前下横梁(13-5)和后下横梁(13-6)之间固定连接有左下顺梁(13-7)和右下顺梁(13-8)，前上横梁(13-1)和前下横梁(13-5)之间分别固定连接有左前立梁(13-10)和右前立梁(13-11)，后上横梁(13-2)和后下横梁(13-6)之间分别固定连接有左后立梁(13-12)和右后立梁(13-13)，前下横梁(13-5)和后下横梁(13-6)之间固定连接有一组底梁(13-9)。

7、根据权利要求4所述的改善宽幅预浸料浸润性的装置，其特征在于所述的组合式换能器(14)由振板(14-1)、单元换能器(14-2)、底板(14-4)、固定板(14-5)组成；振板(14-1)的下端面固定连接有一组相互并联的单元换能器(14-2)，相邻两个单元换能器(14-2)之间的距离为(L)，一组单元换能器(14-2)通过所述的并联导线(16)相连接，每个单元换能器(14-2)的下端分别装在固定板(14-5)的连接孔内，固定板(14-5)固定装在由振板(14-1)和底板(14-4)组成的空腔内，振板(14-1)的两端通过底板(14-4)与框架固定连接，由单元换能器(14-2)和底板(14-4)之间的空腔构成散热腔(14-3)。

8、根据权利要求7所述的改善宽幅预浸料浸润性的装置，其特征在于所述的振板(14-1)的下端面固定连接有一～二十个单元换能器(14-2)。

9、根据权利要求7所述的改善宽幅预浸料浸润性的装置，其特征在于所述的相邻两个单元换能器(14-2)之间的距离(L)为5cm。

10、根据权利要求4所述的改善宽幅预浸料浸润性的装置，其特征在于它还包括控制柜(18)；控制柜(18)固定在框架上，控制柜(18)内装有超声功率源(15)。

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