RU2392285C1

RU2392285C1 - Device for prepreg production

Info

Publication number: RU2392285C1
Application number: RU2008143889/15A
Authority: RU
Inventors: Ильдус Мухаметгалеевич Закиров (RU); Ильдус Мухаметгалеевич Закиров; Александр Владимирович Никитин (RU); Александр Владимирович Никитин; Ниаз Ирекович Акишев (RU); Ниаз Ирекович Акишев; Кирилл Анатольевич Алексеев (RU); Кирилл Анатольевич Алексеев
Priority date: 2008-11-05
Filing date: 2008-11-05
Publication date: 2010-06-20

Abstract

FIELD: paper industry.

SUBSTANCE: roll of polymer paper is installed on unit of paper unwinding 1. Beginning of paper roll is pulled through transport rolls 3, lubricating roll 4, impregnation bath 5, rolling mangles 6, floating roll 7, pulling roll 8, driving roll 9, and fixed on winding unit 10. After stabilisation of device technological parametres paper is pulled through working path of device. Paper is wound from winding unit 1, goes along lubricating roll 4 through bath 5 and enters thermal block 12, where organic dissolvents are removed, and binding coating is polymerised. Paper that has passed through thermal unit with coating goes through a system of pulling rolls and arrives to winding unit 10. Invention makes it possible to produce prepregs from aramid papers of Nomex® and Kevlar® type with various thickness and various thickness of binder coating and its extent of polymerisation.

EFFECT: invention may be used to produce prepregs of aramid papers applied to create light fillers of multilayer aviation panels.

2 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для получения препрегов из листовых материалов и может быть использовано в производстве препрегов из арамидных бумаг типа Nomex® и Kevlar®, используемых для создания легких заполнителей многослойных. авиационных панелей.The invention relates to devices for producing prepregs from sheet materials and can be used in the manufacture of prepregs from aramid papers of the type Nomex® and Kevlar® used to create lightweight multi-layer fillers. aviation panels.

Известна машина для пропитки и сушки стеклоткани, содержащая механизм размотки и намотки с проводом, пропиточное устройство, сушильную камеру и систему отжимных и перевалочных роликов (Коновалов В.И., Коваль A.M. Пропиточно-сушильное и клеепромазочное оборудование. М.: Химия, 1989, 224 с., рис.1.7).A known machine for the impregnation and drying of fiberglass containing a mechanism for unwinding and winding with a wire, an impregnating device, a drying chamber and a system of squeezing and transshipment rollers (Konovalov V.I., Koval AM Impregnating-drying and gluing equipment. M: Chemistry, 1989, 224 p., Fig. 1.7).

Недостаток данной машины заключается в том, что пропитка осуществляется методом втирания состава в ткань, что приемлемо для тканей, но неприемлемо для более плотных и однородных арамидных бумаг, т.к. бумаги не впитывают аппретирующий и связующий составы.The disadvantage of this machine is that the impregnation is carried out by rubbing the composition into the fabric, which is acceptable for fabrics, but unacceptable for more dense and uniform aramid papers, because paper does not absorb sizing and binder compositions.

В авиационном производстве типовыми установками для изготовления препрегов из тканей и бумаг являются линии типа УПСТ и МЛП (Технология производства изделий и интегральных конструкций из композиционных материалов в машиностроении / Научные редакторы А.Г.Братухин, B.C.Боголюбов, О.С.Сироткин. - М.: Готика, 2003, 516 с., рис.II.12, рис.II.13).In aviation production, typical installations for the manufacture of prepregs from fabrics and paper are the lines of the type UPST and MLP (Technology for the production of products and integrated structures from composite materials in mechanical engineering / Scientific editors A.G. Bratukhin, BC Bogolyubov, O.S. Sirotkin. - M .: Gothic, 2003, 516 p., Fig. II.12, fig. II.13).

При изготовлении препрегов на линии типа УПСТ выполняется комплекс операций, включающий размотку сухой ткани, ее подсушку с удалением влаги и замасливателя, пропитку раствором смол, конвективно-радиационную сушку и намотку препрега и разделительной пленки на гильзы приемного устройства. Для выполнения этих операций устройство содержит устройство подачи ткани, накопитель с подвижным натяжным валком, сушильную камеру с каналом предварительной подсушки стеклоткани и основными каналами сушки препрега, пропиточную ванну с неподвижным валком, оснащенным водяной системой термостабилизации, тянущим устройством, оснащенным приводом, стабилизированным по скорости, и приемным устройством, имеющим механизм натяжения ткани с регулируемым моментом натяжения.In the manufacture of prepregs on a line of type UPST, a complex of operations is performed, including unwinding of dry tissue, drying it with moisture and a sizing agent, impregnating with a resin solution, convective-radiation drying and winding of the prepreg and separation film on the liners of the receiving device. To perform these operations, the device comprises a tissue feed device, a drive with a movable tension roll, a drying chamber with a pre-drying fiberglass channel and the main prepreg drying channels, an impregnation bath with a fixed roller equipped with a water thermal stabilization system, a pulling device equipped with a speed-stabilized drive, and a receiving device having a fabric tension mechanism with an adjustable tension moment.

Линии серии МЛП отличаются от линий УПСТ агрегатным исполнением устройств, закрепленных на специальном фундаменте и не имеющих общей станины. Линии моделей МЛП имеют следующие основные узлы и устройства, установленные последовательно: устройство подачи ткани, фотодатчик системы слежения за кромкой ткани, устройство соединения ткани, накопитель, рентгенометрический датчик плотности ткани, пропиточная ванна, отжимные валки, сушильную камеру, измеритель содержания связующего, вторую систему слежения за кромкой ткани, протяжное устройство и приемное устройство.The lines of the MLP series differ from the UPST lines in the aggregate execution of devices mounted on a special foundation and not having a common bed. The lines of MLP models have the following main units and devices installed in series: tissue feed device, tissue edge tracking photo sensor, tissue connection device, storage device, X-ray tissue density sensor, impregnation bath, squeeze rolls, drying chamber, binder content meter, second system fabric edge tracking, broaching device and receiving device.

Недостаток данных устройств заключается в том, что данные линии являются специализированными для получения препрегов из рулонных тканевых материалов (стеклоткань, углеткань, органоткань). В процессе получения препрега из рулонных тканевых материалов основным параметром является масса нанесенного связующего. Применяемый метод нанесения связующего, а именно окунание с отжимом, и способы регулирования количества нанесенного связующего на наполнитель, заложенные в конструкцию данных устройств, не позволяют получить препреги из полимерных бумаг с заданной толщиной и степенью полимеризации.The disadvantage of these devices is that these lines are specialized for producing prepregs from rolled fabric materials (fiberglass, carbon fabric, organo-fabric). In the process of obtaining a prepreg from rolled fabric materials, the main parameter is the mass of the applied binder. The applied method of applying a binder, namely dipping with an extraction, and methods for controlling the amount of applied binder on a filler embedded in the design of these devices do not allow prepregs from polymer papers with a given thickness and degree of polymerization.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является «Аппарат для получения препрега» методами пропитки и подсушки тканых наполнителей гибридными связующими, заявка №2002101671 от 20.09.03 г., МПК C08J 5/24, содержащий отпускные и приемные механизмы для поддержания непрерывного и равномерного движения наполнителя с заданными скоростями и натяжением, пропиточную ванну с греющим поддоном и вмонтированными в нее пропиточными валиками и дополнительными греющими пластинами, установленными снизу и сверху пропиточных валиков, камеру для предварительного разогрева наполнителя и основную сушильную камеру с опорно-транспортировочными и отжимными валиками для контроля наноса связующего, расположенными на входе в сушильную камеру.Closest to the technical nature of the claimed invention is the "Apparatus for producing prepreg" by the methods of impregnation and drying of woven fillers with hybrid binders, application No. 20022101671 of 09/20/03, IPC C08J 5/24, containing tempering and receiving mechanisms to maintain continuous and uniform the movement of the filler at predetermined speeds and tension, the impregnation bath with a heating tray and impregnation rollers mounted in it and additional heating plates mounted on the bottom and top of the impregnation rollers, to measure for pre-heating the filler and the main drying chamber and support-conveying nip rolls to control the binder is applied, arranged at the entrance to the drying chamber.

Недостатками данного устройства являются те же недостатки, которые присущи вышеописанному аналогу, а именно: его узкая специализация, позволяющая наносить покрытия только на тканые материалы (стеклоткань, углеткань, органоткань), а регулирование нанесенного связующего по массе путем отжима излишков связующего отжимными валиками не позволяет получать препреги из полимерных бумаг с заданной толщиной и степенью полимеризации, что снижает технические возможности устройства.The disadvantages of this device are the same disadvantages that are inherent in the above analogue, namely: its narrow specialization, which allows coating only woven materials (fiberglass, carbon fabric, organotissue), and the regulation of the applied binder by weight by squeezing the excess binder by squeezing rollers does not allow to obtain prepregs from polymer papers with a given thickness and degree of polymerization, which reduces the technical capabilities of the device.

Решаемой технической задачей изобретения является расширение технических возможностей устройства.Solved the technical problem of the invention is to expand the technical capabilities of the device.

Указанный технический результат достигается в устройстве для получения препрега методами пропитки и подсушки бумажных полимерных наполнителей аппретирующим или связующим составами, содержащем отпускные и приемные механизмы для поддержания непрерывного и равномерного движения наполнителя с заданными скоростями и натяжением, подогреваемую пропиточную ванну со связующим и вмонтированным в нее промазочным валом и системой обеспечения постоянного количества связующего в ванне, термоблок с системой регулирования и поддержания заданной температуры, опорно-транспортные и перекатные валы, в него введены оголовок, установленный над термоблоком, вентилятор с регулируемым электроприводом, расположенный в оголовке, термоанемометры, размещенные на входных и выходных участках газового тракта термоблока, главный и вспомогательные шиберы, установленные соответственно в оголовке и на входах внизу каждой из секций термоблока, механизм регулирования высоты пропиточной ванны относительно промазного вала и систему регулирования скорости движения нагретого газа в термоблоке.The specified technical result is achieved in a device for producing prepreg by impregnation and drying of paper polymer fillers with sizing or binder compositions containing tempering and receiving mechanisms to maintain continuous and uniform movement of the filler with given speeds and tension, a heated impregnation bath with a binder and a spreading shaft mounted in it and a system for providing a constant amount of binder in the bath, a fuser with a control and preset system temperature, support and roll shafts, a head mounted above the fuser, a fan with an adjustable electric drive located in the head, thermal anemometers located at the inlet and outlet sections of the gas path of the fuser, the main and auxiliary gates installed in the head and at the entrances at the bottom of each section of the fuser, a mechanism for regulating the height of the impregnating bath relative to the coating shaft and a system for controlling the speed of movement of the heated gas in the fuser.

Заявленное устройство обеспечивает получение препрега из полимерной бумаги различной толщины и с различной толщиной покрытия связующим и его степенью полимеризации.The claimed device provides for the preparation of a prepreg from polymer paper of various thicknesses and with different thicknesses of the binder and its degree of polymerization.

Существующие аналоги и прототипы предназначены для получения препрега из тканных наполнителей (стеклоткань, углеткань, органоткань). Регулирование количества нанесенного связующего обеспечивается скоростью перемещения наполнителя в тракте устройств и системой отжимных валков, удаляющих излишнюю массу связующего. Существенное отличие тканных наполнителей от полимерных бумаг при нанесении покрытия состоит в том, что полимерные бумаги в отличие от тканных наполнителей не впитывают связующий состав, а только адгезируют по своей поверхности, что требует других подходов к нанесению связующего состава на их поверхность и контроль.Existing analogues and prototypes are intended to produce prepreg from woven fillers (fiberglass, carbon fabric, organotissue). The regulation of the amount of applied binder is provided by the speed of movement of the filler in the path of the devices and the system of squeeze rolls that remove excess binder mass. A significant difference between fabric fillers and polymer papers during coating is that polymer papers, unlike fabric fillers, do not absorb a binder composition, but only adhere on their surface, which requires other approaches to applying a binder composition to their surface and control.

Для пояснения сущности рассмотрим более подробно чертежи.To clarify the essence, we consider in more detail the drawings.

На фиг.1 представлен общий вид устройства для получения препрегов методами пропитки и подсушки бумажных полимерных наполнителей.Figure 1 presents a General view of the device for producing prepregs by impregnation and drying of paper polymer fillers.

На фиг.2 изображена кинематическая схема устройства.Figure 2 shows the kinematic diagram of the device.

На фиг.1 и 2 цифрами обозначены следующие позиции: 1 - узел размотки бумаги, 2 - динамический фрикционный тормоз, 3 - транспортные валки, 4 - промазочный валок, 5 - пропиточная ванна, 6 - перекатные валки, 7 - плавающий валок, 8 - тянущий валок, 9 - приводной валок, 10 - узел намотки, 11 - механизм регулирования высоты ванны, 12 - термоблок, 13 - датчик температуры греющего экрана, 14 - датчик температуры вентилирующего газа, 15 - термоанемометры, 16 - оголовок, 17 - вентилятор, 18 - привод вентилятора, 19 - главный шибер, 20 - триммирующие шиберы.In figures 1 and 2, the numbers indicate the following positions: 1 - paper unwinding unit, 2 - dynamic friction brake, 3 - transport rolls, 4 - spreading roller, 5 - impregnation bath, 6 - roll rollers, 7 - floating roll, 8 - pulling roller, 9 - drive roller, 10 - winding unit, 11 - mechanism for regulating the height of the bath, 12 - thermoblock, 13 - temperature sensor of the heating screen, 14 - temperature sensor of the venting gas, 15 - hot-wire anemometers, 16 - head, 17 - fan, 18 - fan drive, 19 - main gate, 20 - trim gate.

Установка (фиг.1) включает в себя блочные устройства, обеспечивающие проводку бумажной основы через ванну 5 с растворами аппрета или связующего, а также через двухсторонний термоблок 12 для подсушки материала после нанесения жидкости. Для удаления выделяющихся при нагреве взрывоопасных паров сушильный тракт имеет индивидуальную систему вытяжной вентиляции, которая организует эвакуацию нагретого газа из оголовка 16 термоблока за пределы здания.The installation (Fig. 1) includes block devices that allow the paper base to be passed through a bath 5 with solutions of a sizing or a binder, as well as through a double-sided thermoblock 12 for drying the material after applying the liquid. To remove explosive vapors released during heating, the drying duct has an individual exhaust ventilation system that organizes the evacuation of heated gas from the head of the fuser unit 16 outside the building.

Кинематическая схема установки включает в себя неприводной узел размотки 1 с динамическим фрикционным тормозом 2, транспортные валки 3, промазочный валок 4, установленный в пропиточной ванне 5, перекатные валки 6, плавающий валок 7, тянущий обрезиненный валок 8, приводной тянущий валок 9 и приводной узел намотки 10. Привод тянущего валка 9 имеет настройку ω=const, обеспечивая с помощью обрезиненного валка 8 постоянную окружную скорость (т.е. скорость протяжки материала) и одновременно необходимое натяжение ленты. Привод намоточного барабана 10 настраивается на постоянный момент М=const, что обеспечивает равномерную намотку бумажного полотна при увеличивающемся радиусе приемной бобины. Приводы управляемые: асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором получают питание от блоков с преобразованием частоты, в результате чего обеспечивается плавное изменение угловой скорости вращения валов редукторов. Плавающий валок 7, снабженный пружиной, способствует равномерному натяжению бумажного полотна и его плавному ходу. Ванна 5 для аппрета и связующего состава имеет систему обогрева жидкости и систему обеспечения постоянного количества жидкости в ванне. Системы обогрева и поддержания постоянного уровня жидкости условно не показаны. Пропиточная ванна 5 имеет механизм 11 регулирования ее высоты относительно промазочного вала. Термоблок 12 предназначен для тепловой обработки препрега. Газовый тракт состоит из двух идентичных секций. В первой секции бумажное полотно движется вверх, во второй - опускается вниз. Каждая из двух секций образует канал, представляющий собой проточную щель, с движущимся в плоскости симметрии нагреваемым препрегом. Термоблок 12 снабжен датчиком 13 для измерения температуры греющего экрана t_s и датчиком 14 для контроля температуры вентилирующего газа t_g. Для оперативного контроля температуры материала t_m при настройке рабочих режимов предусматривается использование пирометров с гибкими световодами. Для контроля расходов вентилирующего газа, контроля за присосами и увеличением объемного расхода газа при нагреве в термоблоке установлены термоанемометры 15 в нижней и верхней частях каждой из секций. Управление нагревом ТЭНами термоблока 12 осуществляется по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ), который позволяет подавать напряжение питания на нагреватели периодически. Над термоблоком 12 установлен оголовок 16, в котором смонтированы вентилятор 17 с регулируемым приводом 18 и главный шибер 19. Вентилятор 17, обеспечивающий необходимый расход вентилирующего газа, имеет регулируемый привод 18. Для ступенчатого изменения гидравлического сопротивления газового тракта предусматривается установка главного шибера 19, который монтируется в воздухопроводе выше оголовка 16 термоблока 12. Вспомогательные (триммирующие) шиберы 20, регулирующие подачу воздуха в термоблок, предусмотрены на входах внизу каждой из секций термоблока 12. Температура вентилирующего газа t_g внутри термоблока контролируется с использованием восьмиканального прибора (типа ТРМ138), работающего в режиме измерителя. Сигналы с термоанемометров 15, измеряющих величины скоростей на входах и выходах в секциях термоблока, используются для задания режима работы вентилятора 17 с переменной частотой вращения. Система контроля и регулирования температуры и скорости вентилируемого газа термоблока позволяет достаточно жестко держать заданный режим работы - это существенное отличие от промышленного аналога.The kinematic diagram of the installation includes a non-drive unwinding unit 1 with a dynamic friction brake 2, transport rolls 3, a spreading roller 4 installed in the impregnation bath 5, roll rollers 6, a floating roller 7, a rubberized pulling roller 8, a drive pulling roller 9 and a drive unit winding 10. The drive of the pulling roll 9 has the setting ω = const, providing with the help of the rubberized roll 8 a constant peripheral speed (i.e., the speed of drawing the material) and at the same time the necessary tension of the tape. The winding drum drive 10 is tuned to a constant moment M = const, which ensures uniform winding of the paper web with an increasing radius of the take-up reel. Drives controlled: asynchronous motors with a squirrel-cage rotor are powered by frequency converting units, as a result of which a smooth change in the angular speed of rotation of the gear shafts is ensured. The floating roller 7, equipped with a spring, contributes to the uniform tension of the paper web and its smooth running. Bath 5 for sizing and a binder composition has a heating system for the liquid and a system for ensuring a constant amount of liquid in the bath. Systems for heating and maintaining a constant liquid level are not conventionally shown. The impregnation bath 5 has a mechanism 11 for adjusting its height relative to the spreading shaft. Thermoblock 12 is designed for heat treatment of the prepreg. The gas path consists of two identical sections. In the first section, the paper web moves up, in the second - it goes down. Each of the two sections forms a channel, which is a flow slot, with a heated prepreg moving in the plane of symmetry. The fuser 12 is equipped with a sensor 13 for measuring the temperature of the heating screen t _s and a sensor 14 for monitoring the temperature of the vent gas t _g . For operational control of the temperature of the material t _m when setting the operating modes, the use of pyrometers with flexible fibers is provided. To control the flow of ventilating gas, to control the suction cups and increase the volumetric gas flow during heating, thermal anemometers 15 are installed in the fuser in the lower and upper parts of each section. Heating control by the heating elements of the fuser 12 is carried out according to the principle of pulse-width modulation (PWM), which allows you to supply voltage to the heaters periodically. A head 16 is mounted above the fuser 12, in which a fan 17 with an adjustable drive 18 and a main gate 19 are mounted. The fan 17, which provides the necessary flow rate of the venting gas, has an adjustable drive 18. For a step-wise change in the hydraulic resistance of the gas path, a main gate 19 is installed, which is mounted in the air duct above the head 16 of the fuser 12. Auxiliary (trim) gates 20, regulating the air supply to the fuser, are provided at the inlets at the bottom of each of the sections moblock 12. The temperature of the vent gas t _g inside the thermoblock is controlled using an eight-channel device (type ТРМ138) operating in the meter mode. The signals from the hot-wire anemometers 15, measuring the values of the velocities at the inputs and outputs in the sections of the fuser, are used to set the operating mode of the fan 17 with a variable speed. The control and regulation system for the temperature and speed of the ventilated gas of the thermoblock allows you to keep the set operating mode quite rigidly - this is a significant difference from the industrial analogue.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Рулон полимерной бумаги устанавливается на узел размотки бумаги 1, начало рулона бумаги пропускается через рабочий тракт устройства, а именно через транспортные валки 3, промазочный валок 4 и пропиточную ванну 5, перекатные валки 6, плавающий валок 7, тянущий валок 8, приводной валок 9 и фиксируется на узле намотки 10. В зависимости от наносимого состава (аппрет или связующее), толщины бумаги, потребной величины наноса и степени полимеризации получаемого препрега производят настройку технологических параметров устройства: скорость протяжки, высоту пропиточной ванны, температуру термоблока по зонам, температуру в пропиточной ванне, скорость движения нагретого газа в термоблоке. После стабилизации установленных технологических параметров устройства включают протяжку бумаги через рабочий тракт устройства. Бумага сматывается с узла размотки 1, проходит по промазочному валку 4 через ванну 5 и входит в термоблок 12, где удаляются органические растворители и происходит полимеризация связующего покрытия. Прошедшая термоблок бумага с покрытием проходит систему тянущих валков и попадает на узел намотки 10.The roll of polymer paper is installed on the paper unwinding unit 1, the beginning of the paper roll is passed through the working path of the device, namely through the transport rollers 3, the spreading roller 4 and the impregnating bath 5, the roll rollers 6, the floating roller 7, the pulling roller 8, the drive roller 9 and is fixed on the winding unit 10. Depending on the applied composition (sizing or binder), paper thickness, the required amount of deposit and the degree of polymerization of the obtained prepreg, the technological parameters of the device are adjusted: broaching speed, in cell impregnating bath, the temperature of the fuser zone, the temperature in the impregnating bath, the velocity of the heated gas in the thermoblock. After stabilization of the established technological parameters of the device include drawing paper through the working path of the device. The paper is wound from the unwinding unit 1, passes through the spreading roller 4 through the bath 5 and enters the fuser 12, where organic solvents are removed and the binder coating is polymerized. Passed fuser coated paper passes a system of pulling rolls and enters the winding unit 10.

Использование данного изобретения позволит получать препреги из арамидных бумаг типа Nomex® и Kevlar® различной толщины и с различной толщиной покрытия связующим и его степенью полимеризации, используемых для создания легких заполнителей многослойных авиационных панелей.The use of this invention will allow to obtain prepregs from aramid papers of the type Nomex® and Kevlar® of various thicknesses and with different coating thicknesses of the binder and its degree of polymerization, used to create lightweight aggregates of multilayer aircraft panels.

Claims

Устройство для получения препрега методами пропитки и подсушки бумажных полимерных наполнителей аппретирующим или связующим составами, содержащее отпускные и приемные механизмы для поддержания непрерывного и равномерного движения наполнителя с заданными скоростями и натяжением, подогреваемую пропиточную ванну со связующим и вмонтированным в нее промазочным валом и системой обеспечения постоянного количества связующего в ванне, термоблок с системой регулирования и поддержания заданной температуры, опорно-транспортные и перекатные валы, отличающееся тем, что в него введены оголовок, установленный над термоблоком, вентилятор с регулируемым электроприводом, расположенный в оголовке, термоанемометры, размещенные на входных и выходных участках газового тракта термоблока, главный и вспомогательные шиберы, установленные соответственно в оголовке и на входах внизу каждой из секций термоблока, механизм регулирования высоты пропиточной ванны относительно промазочного вала и систему регулирования скорости движения нагретого газа в термоблоке. A device for producing prepreg by impregnation and drying of paper polymer fillers with sizing or binder compositions, containing tempering and receiving mechanisms to maintain continuous and uniform movement of the filler with predetermined speeds and tension, a heated impregnation bath with a binder and a lubricating shaft mounted in it and a constant quantity supply system a binder in the bath, a thermoblock with a system for regulating and maintaining a given temperature, supporting-transport and erratic e shafts, characterized in that a head mounted above the fuser, a fan with an adjustable electric drive located in the head, thermal anemometers located at the inlet and outlet sections of the gas path of the fuser, main and auxiliary gates installed respectively in the head and at the bottom entrances are inserted into it each of the sections of the fuser, a mechanism for regulating the height of the impregnating bath relative to the coating shaft and a system for controlling the speed of movement of heated gas in the fuser.