連續纖維增強熱塑性預浸料的連續化制備裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種連續纖維增強熱塑性預浸料的連續化制備裝置，包括纖維厚度調節設備、擠出機、與擠出機對接的浸漬模頭和與浸漬模頭對接的二次浸漬設備。所述纖維厚度調節設備主要實現纖維絲束的薄層化；浸漬模頭主要實現纖維與樹脂的初次接觸浸漬；二次浸潤設備通過特殊的結構組合，實現充分浸潤。本實用新型解決了高溫高粘度熱塑性樹脂對纖維的充分浸漬問題。
【專利說明】
連續纖維増強熱塑性預浸料的連續化制備裝置
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種制備預浸料的裝置，具體地涉及一種連續纖維增強熱塑性預浸料的連續化制備裝置。
【背景技術】
[0002]連續纖維增強熱塑性預浸料是制備熱塑性復合材料的最主要的原材料，熱塑性復合材料具有突出優點:(I)線性柔韌的高分子結構賦予熱塑性復合材料優異的抗沖擊性能和抗損傷性能；(2)使用溫度區間廣；(3)熱塑性復合材料的加工過程是一個加熱熔融、冷卻固化的物理過程，成形周期短；(4)易于二次加工，能夠多次成型以精確控制尺寸和纖維含量；(5)熱塑性樹脂在常溫條件下不會發生化學變化，因此沒有儲存條件的限制；(6)能回收再利用。因此，纖維增強熱塑性復合材料發展迅猛，近年來的增長速度己經趕超纖維增強熱固性復合材料，特別是連續纖維增強熱塑性復合材料已在全球各個領域有著重大應用，例如對材料性能要求較高的大型客機、運輸機、戰斗機、無人機、火箭、衛星等航空航天領域，高鐵動車、廂式貨車、汽車、空投車等交通運輸領域，體育運動器材、電子產品外殼、醫療防護件等民用產品領域。
[0003]目前連續纖維增強熱塑性預浸料制備設備及方法眾多，包括熔融浸漬、溶劑浸漬、薄膜層合、粉末包覆、混纖法以及熔體拉擠等。其中熔融浸漬法制備預浸料(如美國Cytec公司)工藝簡單，但是對樹脂的熱穩定性要求較高，需能經受長時高溫熔融而不發生氧化劣化;溶劑浸漬法制備預浸料時溶劑有害且不易排除干凈，從而影響成品質量，而且熱塑性樹脂由于分子量普遍較大而不易溶于溶劑，只會發生溶脹，因此該方法基本沒有被生產企業所廣泛采用；薄膜層合法有部分國外公司采用(如德國Lanxess公司)，其初期投入成本較大，需要高溫的模壓設備以及精確的張力牽引設備，而且其連續化生產需要一定的實踐積累，對設備要求較高;粉末包覆法在世界范圍內有較多公司采用，主要由于其有利于制備大尺寸以及各種單向或織物預浸料，但其制備的預浸料存在較多的空隙缺陷，降低了成品質量，若要有效提高成品質量，需深入研究靜電撒粉工藝以及超細樹脂粉末的研制工藝，周期長經費投入大，目前可借鑒經驗少；至于混纖法，其成品質量較差，不適宜用于制備高質量熱塑性預浸料。綜合考量，本實用新型涉及一種適于采用熔體拉擠法制備連續纖維增強熱塑性預浸料的裝置，其能促使纖維與熔體強制性的浸漬，從而得到高質量的熱塑性預浸料。
[0004]當然，國內也有很多專利涉及連續纖維增強熱塑性預浸料的制備方法及設備，如專利 CN101856782A、專利 CN103131170A、專利 CN102328443A、專利 CN104494170A 等。但是在國內相關專利涉及的連續纖維增強熱塑性預浸料制備裝置能夠實現連續碳纖維或玻璃纖維與耐高溫高粘度熱塑性樹脂體系的充分浸漬尚屬空白。本實用新型涉及一種適于采用熔體拉擠法制備連續纖維增強熱塑性預浸料的裝置。熔體拉擠法是實現纖維和高粘度熱塑性樹脂浸潤的最優方法，雖然前期投資偏高且技術難度大，但是該方法制備的連續纖維增強熱塑性預浸料性能穩定，便于連續化生產。【實用新型內容】
[0005]本實用新型的目的是解決如何實現連續纖維與耐高溫高粘度熱塑性樹脂體系的充分浸漬的問題。所述問題通過提供一種連續纖維增強熱塑性預浸料的連續化制備裝置而解決。
[0006]具體地，本實用新型涉及一種用于連續制備連續纖維增強熱塑性預浸料的裝置，其特征在于:所述裝置沿纖維的前進方向依次包括纖維厚度調節設備、浸漬模頭、與所述浸漬模頭對接的擠出機，和連接在所述浸漬模頭下游的二次浸漬設備。
[0007]所述纖維厚度調節設備包括兩組或更多組，優選2-10組，更優選3-8組，更優選4-6組交錯排列的張力輥。在厚度調節期間，連續纖維依次經過各組張力輥，在張力的作用下薄層化。所述張力輥優選具有小弧度，從而能夠高效薄層化纖維。
[0008]由于纖維在纖維厚度調節設備中實現薄層化，這有利于熱塑性樹脂對連續纖維的浸潤，減少缺陷。這使得即使對由于具有高熔點和/或高熔體粘度而采用現有技術無法獲得令人滿意的浸漬效果的高熔點和/或高熔體粘度熱塑性樹脂也能獲得滿意的浸漬效果。因此，本實用新型的裝置特別有利地適于高熔點和/或高熔體粘度熱塑性樹脂對連續纖維的浸潤。
[0009]薄層化的纖維然后進入浸漬設備進行浸漬。
[0010]作為所述預浸料連續化制備裝置的核心，本實用新型的裝置包括浸漬設備。所述浸漬設備由獨立且緊鄰的浸漬模頭和二次浸漬設備組成。所述浸漬設備的最高使用溫度可達500°C。所述浸漬模頭包括與所述擠出機對接的接口、纖維入口和與所述二次浸漬設備對接的纖維出口。優選地，該出口間隙在0.03-2.2_之間可調。
[0011]在浸漬期間，連續纖維被牽引輥牽引通過浸漬模頭，同時擠出機將熱塑性樹脂熔體經由擠出機對接口擠入浸漬模頭中，從而浸漬連續纖維，經浸漬的連續纖維從纖維出口牽引出去。通過使用本實用新型的浸漬模頭，可實現熱塑性樹脂熔體對纖維的快速浸漬，而且由于樹脂流動性好，其能充分浸漬纖維，從而制得具有良好浸漬效果的預浸料。
[0012]在浸漬期間，需要將熱塑性樹脂熔體經由擠出機對接口擠出到浸漬模頭中以浸漬纖維紗，在這種情況下，由于樹脂熔體粘度大，僅從纖維紗上表面或下表面單面滲透進纖維內部較困難。為了解決這個問題，浸漬模頭可具有兩個擠出機對接口，從而同時從纖維紗上下表面接觸浸漬，這大大提高了浸漬質量和浸漬效率。更進一步地，為了確保充分浸漬，甚至可使用更多的擠出機對接口。
[0013]在浸漬期間，為了避免從擠出機中擠出的熱塑性熔體在浸漬模頭中冷卻，從而影響浸漬效果，所述浸漬模頭還包括高溫腔體。所述高溫腔體具有加熱功能，從而保持擠出的熱塑性熔體具有足夠的流動性。所述高溫腔體工作溫度為100-500 °C，優選為200-450 °C，更優選為300-450 °C，最優選為350-420 °C。
[0014]然后，從浸漬模頭出來的經浸漬纖維進入二次浸漬設備中。
[0015]所述二次浸漬設備包括前高溫加熱輥、后高溫加熱輥以及介于前后高溫加熱輥之間的小弧形熱板。在二次浸漬期間，使從浸漬模頭出來的經浸漬纖維通過前高溫加熱輥的輥間隙，經小弧形熱板進一步加熱和擠壓;然后通過后高溫加熱輥的輥間隙。
[0016]所述高溫加熱輥間隙為0.03-6mm可調，輥表面光滑潔凈;所述小弧形熱板由上下兩組熱板構成，間隙為0.03-6mm可調。
[0017]優選地，為了避免浸漬纖維在二次浸漬期間發生冷卻，可將所述前高溫加熱輥、后高溫加熱輥以及介于前后高溫加熱輥之間的小弧形熱板置于高溫紅外箱中，其中前高溫加熱輥設置在高溫紅外箱中的入口處，而后高溫加熱輥設置在高溫紅外箱中的出口處。所述高溫紅外箱左右兩側均有進料的扁平入口及出口，從而維持腔體溫度，減少散熱。
[0018]所述小弧形熱板由上下兩塊熱板組成，所述上下兩塊熱板相對的表面上周期性地設有凸起，從而在上下熱板的相對表面上形成相互對應的波浪形流道。其中“相互對應”是指上下熱板的波浪形凸起相互對應，即上熱板流道的波峰對應于下熱板流道的波谷，上熱板流道的波谷對應于下熱板流道的波峰，反之亦然。所述凸起優選為圓弧形狀。
[0019]在二次浸漬期間，從前端浸漬模頭出來的預浸料進一步被高溫輥壓以及在波浪形流道內反復擠壓，從而使得高粘度的熱塑性樹脂能夠有足夠的溫度、足夠的壓力和時間充分浸漬到纖維絲束內部，降低預浸料的缺陷。特別地，所述二次浸漬過程對高溫高粘度的熱塑性樹脂(如聚醚醚酮和聚苯硫醚等)與纖維的充分浸漬有決定性作用。此外，所述二次浸漬設備有助于對預浸料的厚度和表面質量進行控制。經二次浸漬的預浸料具有高表面質量和低孔隙率。一般而言，經二次浸漬的預浸料的孔隙率不超過I %。
[0020]本實用新型的裝置還可任選包括位于纖維厚度調節設備之后且位于浸漬模頭之前的纖維表面處理設備，其用于在纖維厚度調節之后，對纖維進行表面處理。所述纖維表面處理設備包括溶劑洗滌槽和/或上漿劑上漿槽。所述溶劑洗滌槽可選用能洗去上漿劑的溶劑如丙酮等，用于除去纖維表面的原始上漿劑，而所述上漿槽用于補充與隨后所用的熱塑性樹脂相容的上漿劑。任選地，在溶劑洗滌槽之后和/或在上漿槽之后，設置有干燥設備，優選為紅外烘道。所述干燥設備可用于干燥經溶劑洗滌槽處理的纖維，和/或干燥經上漿槽處理的纖維。因此，在優選的實施方案中，所述纖維表面處理設備包括溶劑洗滌槽、前紅外烘道、熱塑性上漿劑上漿槽和后紅外烘道。
[0021]所述裝置還可包括纖維紗架，其設置在所述纖維厚度調節設備之前。所述纖維紗架包括放紗立架，所述放紗立架由10-50組纖維紗筒芯軸構成，每組纖維紗筒芯軸可調節放紗的張力;所述纖維紗架還包括針形導紗設備，所述針形導紗設備由兩組或更多組(優選2-10組，更優選2-8組，最優選2-6組)間距可調的針形立柱組成，可均勻排布多條纖維紗及避免交纏。
[0022]本實用新型的裝置還可任選包括設置在二次浸漬設備之后的預浸料緊壓定型設備。所述預浸料緊壓定型設備用于將由二次浸漬設備獲得的預浸料冷卻定型。所述預浸料緊壓定型設備由多組，優選2-6組，更優選2-4組冷輥組成，冷輥間隙0.03-6_可調。
[0023]本實用新型的裝置還可任選包括冷卻設備，其設置在所述預浸料緊壓定型設備之后。所述冷卻設備由長距離金屬平臺構成，所述長距離金屬平臺表面光滑，長度為1-1.5m。
[0024]本實用新型的用于連續制備連續纖維增強熱塑性預浸料的裝置還包括牽引設備。所述牽引設備包括牽引輥。所述牽引設備用于牽引連續纖維，從而使得其通過本實用新型的裝置。所述牽引設備可位于本實用新型裝置的不同位置。本實用新型的裝置包括多組，例如2-10組，優選2-8組，更優選為2-6組牽引輥，優選為橡膠牽引輥。作為一個實例，本實用新型的牽引設備包括兩組共四個橡膠牽引輥，其中一組位于纖維表面處理設備的后段，另一組位于冷卻設備后段，所述兩處橡膠牽引輥轉速可調。
[0025]本實用新型的還可包括切割設備，其用于將預浸料切割成所需的尺寸，其設置在冷卻裝置之后。所述切割設備由金屬平臺，金屬導輥及位于導輥兩側的間距可調的兩個切刀構成。
[0026]本實用新型的裝置還可包括收卷設備。所述收卷設備設置在切割設備之后。所述收卷設備由多組，例如2-10組，優選2-8組，更優選2-4組收卷軸構成，所述多組收卷軸由電機控制，收卷速率可調。所述收卷軸包括預浸料小收卷軸和預浸料大收卷軸。
[0027]在一個特別優選的實施方案中，本實用新型的裝置沿纖維的前進方向依次包括:纖維紗架、纖維厚度調節設備、纖維表面處理設備、擠出機、與擠出機對接的浸漬模頭、與浸漬模頭對接的二次浸漬設備、預浸料緊壓定型設備、冷卻設備、切割設備和收卷設備。
[0028]本實用新型的有益效果是:
[0029]1、所述纖維預處理設備包括纖維厚度調節設備，可調節纖維紗層厚度;包括纖維表面處理設備，可改善纖維與熱塑性樹脂的界面結合性能；
[0030]2、能夠通過所述的浸漬設備即獨立且緊鄰的浸漬模頭和二次浸漬設備實現熱塑性樹脂對纖維的充分浸漬;可調節與浸漬模頭對接的擠出機擠出的熱塑性高溫熔體的擠出量以及所述浸漬模頭出口間距來控制連續纖維增強熱塑性預浸料的纖維含量；
[0031]3、連續纖維增強熱塑性預浸料的連續化制備裝置的擠出機以及所述的二次浸漬設備工作溫度最高可達500°C，因此可制備各種類型的連續纖維增強的熱塑性預浸料，可適用的纖維包括玻璃纖維及碳纖維，可適用的基體樹脂包括加工溫度低于450°C的所有熱塑性樹脂，即包括聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚醚酰亞胺、聚碳酸酯、聚酰胺等；
[0032]4、為了解決浸漬區域熔體的積聚問題，裝置結構設計時考慮到各系統結構的裝配及拆卸問題，使裝置內長期使用累積的熱塑性樹脂方便清理。所述擠出機及浸漬模頭容易拆卸，所述二次浸漬設備的罩于外部的高溫紅外箱容易拆卸。
【附圖說明】
[0033]圖1為本實用新型的連續纖維增強熱塑性預浸料的連續化制備裝置的一個實施方案的示意圖。
[0034]在圖中，各附圖標記的含義如下:1.紗架、2.纖維紗、3.針形導紗設備、4.纖維厚度調節設備、5.纖維表面處理設備、6.橡膠牽引輥、7.擠出機、8.浸漬模頭、9.高溫紅外箱、10.前高溫加熱輥、11.小弧形熱板、12.后高溫加熱輥、13.預浸料緊壓定型設備、14.冷卻設備、15.橡膠牽引輥、16.預浸料、17.切割設備、18.預浸料小收卷軸、19.預浸料大收卷軸；
[0035]圖2為本實用新型的針形導紗設備的示意圖。
[0036]圖中20.針形立柱，21.圓柱形金屬筒。
【具體實施方式】
[0037]請參考圖1，本實用新型的裝置包括纖維紗架I，纖維厚度調節設備4，纖維表面處理設備5，擠出機7，浸漬模頭8，二次浸漬設備，預浸料緊壓定型設備13，冷卻設備14，牽引設備，切割設備17及收卷設備。
[0038]首先連續纖維紗2放置于紗架I上，在橡膠牽引輥6的作用下將連續纖維紗2牽引至針形導紗設備3，使連續纖維紗2均勻排列;將均勻排列的連續纖維紗2穿過纖維厚度調節設備4以調整纖維紗厚度和幅寬；隨后連續纖維紗2通過纖維表面處理設備5進行表面處理，其中使連續碳纖維紗2通過溶劑洗滌槽，在其中洗去碳纖維表面的原始上漿劑，然后通過紅外烘道進行干燥，和/或任選地，進一步將經洗滌的纖維紗2在上漿槽中上漿，然后經紅外烘道干燥;在橡膠牽引輥14的作用下將表面處理后的連續纖維紗2牽引至浸漬模頭8，同時設定擠出機7和浸漬模頭8溫度，采用擠出機7將熱塑性樹脂熔體擠入浸漬模頭8以浸漬連續纖維紗2;為了保證熱塑性樹脂可以充分浸漬連續纖維紗2，對通過浸漬模頭8的被熱塑性樹脂初步浸漬的連續纖維紗2牽引至二次浸漬設備中，其中將連續纖維紗2牽引至高溫紅外箱9，通過調節前高溫加熱輥10的輥間壓力和間隙來調整連續纖維紗2中熱塑性樹脂含量，之后通過小弧形熱板11使熱塑性樹脂充分浸漬連續纖維紗2，再通過后高溫加熱輥12對預浸料進行厚度及表面質量的控制；隨后被充分浸漬的連續纖維紗2在橡膠牽引輥15的作用下依次通過預浸料緊壓定型設備13和冷卻設備14后得到預浸料16;最后采用切割設備17將預浸料16切割成不同幅寬，依次收卷至預浸料小收卷軸18和預浸料大收卷軸19。
[0039]具體地，本實用新型涉及如下方案:
[0040]1.一種連續化制備連續纖維增強熱塑性預浸料的裝置，其特征在于:所述裝置沿纖維的前進方向依次包括纖維厚度調節設備4、浸漬模頭8、與所述浸漬模頭8對接的擠出機7，和連接在所述浸漬模頭8下游的二次浸漬設備。
[0041 ] 2.根據實施方案I所述的裝置，其特征在于:所述纖維厚度調節設備4包括兩組或更多組張力輥。
[0042]3.根據實施方案I所述的裝置，其特征在于:所述浸漬模頭8包括與所述擠出機7對接的接口、纖維入口和與所述二次浸漬設備對接的纖維出口。
[0043]4.根據實施方案3所述的裝置，其特征在于:其中所述浸漬模頭8還包括高溫腔體。
[0044]5.根據實施方案I所述的裝置，其特征在于:所述二次浸漬設備包括前高溫加熱輥
10、后高溫加熱輥12以及介于前高溫加熱輥10和后高溫加熱輥12之間的小弧形熱板11。
[0045]6.根據實施方案5所述的裝置，其特征在于:所述小弧形熱板11由上下兩塊熱板組成，所述上下兩塊熱板相對的表面上周期性地設有凸起，從而在上下熱板的相對表面之間形成相互對應的波浪形通道。
[0046]7.根據實施方案I所述的裝置，其特征在于:所述裝置還包括設置在纖維厚度調節設備4之后且設置在浸漬模頭8之前的纖維表面處理設備5，所述纖維表面處理設備包括溶劑洗滌槽和/或上漿劑上漿槽。
[0047]8.根據實施方案I所述的裝置，其特征在于:所述裝置還包括設置在所述纖維厚度調節設備4之前的纖維紗架I。
[0048]9.根據實施方案8所述的裝置，其特征在于:所述纖維紗架I包括針形導紗設備，所述針形導紗設備由兩組或更多組間距可調的針形立柱20組成。
[0049]10.根據實施方案I所述的裝置，其特征在于:所述裝置還包括設置在二次浸漬設備之后的預浸料緊壓定型設備13;所述裝置還包括設置在所述預浸料緊壓定型設備13之后的冷卻設備14、牽引設備、切割設備17和/或收卷設備。
【主權項】
1.一種連續纖維增強熱塑性預浸料的連續化制備裝置，其特征在于:所述裝置沿纖維的前進方向依次包括纖維厚度調節設備(4)、浸漬模頭(8)、與所述浸漬模頭(8)對接的擠出機(7)，和連接在所述浸漬模頭(8)下游的二次浸漬設備。2.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于:所述纖維厚度調節設備(4)包括兩組或更多組張力輥。3.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于:所述浸漬模頭(8)包括與所述擠出機(7)對接的接口、纖維入口和與所述二次浸漬設備對接的纖維出口。4.根據權利要求3所述的裝置，其特征在于:其中所述浸漬模頭(8)還包括高溫腔體。5.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于:所述二次浸漬設備包括前高溫加熱輥(10)、后高溫加熱輥(12)以及介于前高溫加熱輥(10)和后高溫加熱輥(12)之間的小弧形熱板(11) O6.根據權利要求5所述的裝置，其特征在于:所述小弧形熱板(11)由上下兩塊熱板組成，所述上下兩塊熱板相對的表面上周期性地設有凸起，從而在上下熱板的相對表面之間形成相互對應的波浪形通道。7.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于:所述裝置還包括設置在纖維厚度調節設備(4)之后且設置在浸漬模頭(8)之前的纖維表面處理設備(5)，所述纖維表面處理設備包括溶劑洗滌槽和/或上漿劑上漿槽。8.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于:所述裝置還包括設置在所述纖維厚度調節設備(4)之前的纖維紗架(I)。9.根據權利要求8所述的裝置，其特征在于:所述纖維紗架(I)包括針形導紗設備，所述針形導紗設備由兩組或更多組間距可調的針形立柱(20)組成。10.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于:所述裝置還包括設置在二次浸漬設備之后的預浸料緊壓定型設備(13);所述裝置還包括設置在所述預浸料緊壓定型設備(13)之后的冷卻設備(14)、牽引設備、切割設備(17)和/或收卷設備。
【文檔編號】B29B15/14GK205631113SQ201620310648
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年4月14日
【發明人】肇研, 王凱, 陳俊林, 董安琪, 李學寬, 樊星
【申請人】北京航空航天大學