CN101474868A - 连续纤维增强热塑性树脂复合材料预浸带的制备设备及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及连续纤维增强热塑性树脂复合材料预浸带的制备设备，该设备包括纱架(10)、张力调节装置(20)、静电消除装置(30)、预加热烘箱(40)、张力调节装置(50)、双挤出模头(60)、三辊浸渍装置(70)、冷却辊压装置(80)和牵引卷绕装置(90)，该设备采用交错的双挤出模头(60)对连续纤维带进行预浸渍。与现有技术相比，本发明设备简单，采用该设备制造连续纤维增强热塑性树脂复合材料预浸带成本低，纤维浸润完全而保持空隙率不高于0.2％。

Description

连续纤维增强热塑性树脂复合材料预浸带的制备设备及其应用
技术领域
本发明涉及连续纤维增强热塑性树脂复合材料预浸带，尤其是涉及一种连续纤维增强热塑性树脂复合材料预浸带的制备设备以及应用该设备制备预浸带的方法。
背景技术
连续纤维增强热塑性树脂复合材料预浸带具有优异的机械性能如高的拉伸强度、弯曲强度/模量、高低温冲击强度等，并具有相对较低的密度和可回收利用等特点，因此近年来得到了巨大的发展，相应的制备技术也得到了重大的突破。制备该材料的关键在于纤维的分散与浸润以及纤维与树脂间的界面粘接，因此相关技术主要解决纤维的分散和树脂对纤维的浸润。
目前通过熔融树脂浸渍连续纤维制造预浸带都采用设计复杂的熔融浸渍的模头，例如美国专利US5158806，US4588538，US5037284，US5529652等。一方面这些模头设计复杂，制造成本高：首先需要将高温熔融的树脂通过螺杆挤出机挤到浸渍模头中，然后利用各自设计的浸渍单元实现纤维的完全浸润，浸渍后的连续纤维通过出口控制树脂的含量；另一方面，由于纤维的浸润发生在浸渍模头的内部，因此纤维的浸渍情况难以控制，且模头的清理和纤维的排布和穿纱较为困难。
中国专利CN129465A公开了一种连续纤维增强热塑性树脂预浸带的方法，它采用预先分散好的混纤纱例如Vetrotex生产的TwinTex
Figure A200810201216D0004132756QIETU
混纤纱通过加热熔融辊压浸渍的方法制造连续纤维增强热塑性树脂复合材料预浸带。该方法能够制造浸渍完全的连续纤维增强热塑性树脂复合材料预浸带，但由于原材料采用的是预先制造好的混纤纱，即需要先将热塑性树脂进行熔融纺丝，然后再与其它纤维混杂，因此材料的制造成本和技术难度较高，不符合该材料低成本制造的要求。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种成本低、纤维分散均匀浸润完全、空隙率低的连续纤维增强热塑性树脂复合材料预浸带的制备设备及其应用。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种连续纤维增强热塑性树脂复合材料预浸带的制备设备，该设备包括纱架(10)、张力调节装置(20)、静电消除装置(30)、预加热烘箱(40)、张力调节装置(50)、双挤出模头(60)、三辊浸渍装置(70)、冷却辊压装置(80)和牵引卷绕装置(90)，其特征在于，该设备采用交错的双挤出模头(60)对连续纤维带进行预浸渍。
一种应用设备制备连续纤维增强热塑性树脂复合材料预浸带的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(a)将连续纤维带从纱架(10)上引出后经过张力调节装置(20)，再经过静电消除装置(30)，然后将连续纤维经带预加热烘箱(40)预热，再经张力调节装置(50)导到双挤出模头(60)，连续纤维带先与一个挤出模头(61)接触，接着连续纤维带的另一侧与另一个挤出模头(62)接触，使熔融树脂对连续纤维带进行预浸渍；
(b)将预浸渍后的连续纤维带导入三辊浸渍装置(70)，浸渍后的连续纤维带经冷却辊压装置(80)后导入牵引卷绕装置(90)卷绕成型，即可得到纤维分散均匀、浸渍完全的连续纤维增强热塑性树脂复合材料预浸带。
所述的连续纤维带经预加热烘箱达到的预热温度大于等于树脂的熔融温度，小于连续纤维带表面处理剂的破坏温度，预热采用红外加热方式或电加热方式。
所述的熔融树脂采用单螺杆挤出机或双螺杆挤出机供料。
所述的熔融树脂采用单一挤出机通过分流道分别对双挤出模头供料，并通过调节螺杆转速或喂料速度控制预浸带中树脂的含量。
所述的三辊浸渍装置的压延辊的表面温度必须保持树脂处于熔融流动状态，树脂为结晶聚合物时，压延辊的表面温度高于聚合物的熔融温度，树脂为非晶聚合物时，压延辊的表面温度高于其加工流动温度。
所述的压延辊的加热方式采用电加热热电偶控制方式或导热油加热方式。
所述的连续纤维带的纤维为无机纤维，有机纤维或金属纤维；所述的树脂为聚烯烃，热塑性聚酯，聚酰胺，聚碳酸酯PC，其他通用树脂或高性能工程塑料。
所述的无机纤维包括玻璃纤维、碳纤维、硼纤维和玄武岩纤维，所述的有机纤维包括芳香族聚酰胺纤维、超高分子量聚乙烯纤维，所述的金属纤维包括不锈钢纤维；所述的聚烯烃包括均聚聚丙烯、共聚聚丙烯和聚乙烯，所述的热塑性聚酯包括PET、PTT和PBT，所述的聚酰胺包括尼龙6、尼龙66、尼龙12、尼龙1212、尼龙612，所述的其他通用树脂包括聚氯乙烯PVC、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物ABS、聚苯乙烯PS和高抗冲聚苯乙烯HIPS，所述的高性能工程塑料包括聚醚醚酮PEEK、聚苯硫醚PPS、改性聚苯醚MPPO和聚醚酰亚胺PEI；本发明所用到的树脂优选上述提及的树脂及相应共混物但不限于以上树脂和共混物。
所述的树脂中添加添加剂，该添加剂选自抗氧剂、抗紫外光稳定剂、阻燃剂、接枝改性剂、抗静电剂等中的一种或几种。
与现有技术相比，本发明提供一种连续纤维增强热塑性树脂复合材料预浸带的制备设备及相关工艺和方法，该设备包括纱架、张力调节装置、静电消除装置、预加热烘箱、张力调节装置、双挤出模头、三辊浸渍装置、冷却定型辊和牵引卷绕装置，采用交错的双挤出模头对连续纤维带进行预浸渍，通过工艺的特殊设计，可以得到纤维分散均匀和浸渍完全的连续纤维增强热塑性树脂复合材料预浸带，该连续纤维增强热塑性树脂复合材料预浸带的制造方法成本低，预浸带中树脂的含量可以很容易的控制，并确保所制造的连续纤维增强热塑性树脂复合材料预浸带中的纤维浸润完全而保持空隙率不高于0.2％。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
一种连续纤维增强热塑性树脂复合材料预浸带的制备设备如图1所示，包括放置连续纤维纱的纱架10、调整纤维束张紧力的张力调节装置20、静电消除装置30、预加热烘箱40，张力调节装置50、双挤出模头60、三辊浸渍装置70、冷却辊压装置80和牵引卷绕装置90；与其他发明相比，本发明最主要的特征是采用交错的双挤出模头60对连续纤维带进行预浸渍。
一种利用本发明所说的设备制备连续纤维增强热塑性树脂复合材料预浸带的方法，包括如下几个步骤：
(1)将连续纤维束平行展开：
将连续纤维卷11安装在纱架10的锭子13上，使连续纤维束12从连续纤维卷11上平行展开；每个水平转动的锭子都设有阻尼装置以控制连续纤维卷在展开连续纤维时张力的均匀性，保证连续纤维展开时的稳定性和平行排列；
(2)将连续纤维束平行均匀排布：
为了进一步保证从纱架10引出的连续纤维12的均匀平行排列，避免产生扭曲或变形，本发明设计了张力调节装置20，它主要由排丝口21和张力调节辊22组成，排丝口的主要目的是实现从纱架引出、展开的连续纤维束12平行均匀排布，以保证最终产品厚度的均匀性和不变性，而张力调节辊通过调节张力辊的交错的角度，调节纤维的张力；
(3)消除连续纤维束表面的静电：
连续纤维从纱架10引出、展开经张力调节装置20的张力调节后，会由于此过程中不可避免的摩擦而产生静电，造成连续纤维束起毛，影响产品的质量和生产的连续性，因此在平行排布的连续纤维束进入烘箱进行预热前设置静电消除装置30用于消除纤维表面的静电；
(4)将连续纤维束预热：
为实现纤维的完全浸润，连续纤维在与熔融树脂接触前需要经预加热烘箱40预热到一定温度，以确保纤维在与熔融树脂接触时不会造成树脂在纤维的表面结晶而影响纤维的浸润，这一温度必须大于等于所用基体树脂的熔融温度，小于纤维表面处理剂的破坏温度，保证纤维在与熔融树脂接触时的温度处于基体树脂的熔融温度和表面处理剂破坏温度之间；纤维的预热可采用红外加热方式或电加热方式；
(5)再次对连续纤维束进行张力调节：
经预加热烘箱40预热到一定温度的平行排列的连续纤维束经张力调节装置50的调整，达到平行和得到预定张力的目的；
(6)采用交错的双挤出模头对连续纤维带进行预浸渍：
本发明采用交错的双挤出模头60，预热到一定温度的平行排列的连续纤维带先与挤出模头61接触并产生一定的张力，使熔融树脂对连续纤维带进行预浸渍，接着纤维带的另一侧与另一挤出模头62接触并也产生一定的张力，使树脂对纤维带的另一侧进行预浸渍；交错的双挤出模头有利于高温的熔融树脂对纤维实现预浸渍，在纤维带进入压延辊进行完全浸渍前产生良好的润滑作用，不仅降低了纤维与压延辊的摩擦，减少了对纤维的损害，同时由于交错的双挤出模头对纤维施加一定的张力，也保证了连续纤维带的初步浸润，采用双侧浸渍的模式大大缩短了熔融树脂实现纤维完全浸润所需通过的扩散距离，保证了连续纤维带的完全浸渍；
熔融树脂可用单螺杆挤出机或双螺杆挤出机供料；采用单一挤出机通过分流道分别对双挤出模头供料，并通过调节螺杆转速或喂料速度控制预浸带中树脂的含量；本发明采用直接将粒料挤出的方式加料，不必经过将粒料纺丝的工艺，可以大大降低制造成本；
(7)实现树脂对连续纤维带的完全浸渍：
将预浸渍后的连续纤维带导入三辊浸渍装置70，它由压延辊71、72、73组成，给预浸渍的连续纤维带足够的张力，同时三辊的表面温度必须足够高以保持基体树脂处于熔融流动状态，实现熔融树脂对纤维的完全浸渍；对于结晶聚合物，辊的表面温度应高于聚合物的熔融温度，对于非晶聚合物，辊的表面温度应高于其加工流动温度；压延辊的加热方式可采用电加热热电偶控制的方式或导热油加热的方式；
(8)冷却辊压、定型：
将经过基体树脂完全浸渍的连续纤维带导入冷却辊压装置80，使结晶聚合物结晶或使非晶聚合物冷却至玻璃化转变温度以下，实现熔融树脂的冷却凝固和保持连续纤维带表面平整和光洁；冷却辊压装置80由上下两辊81、82组成，通过调节上下辊81、82的间距来控制最终预浸带的厚度；辊采用通冷凝水的方式冷却；
(9)卷绕成型：
冷却后的预浸带再经过风冷或水冷，当材料的温度降至室温即可通过牵引卷绕装置90卷绕成型，便于包装运输。
实施例1
连续玻璃纤维增强聚丙烯预浸带
如图1所示，将连续玻璃纤维卷(PPG公司4588 2400tex)安装在纱架10的锭子13上，小心的将纤维从纱架上的导丝口引出后通过张力调节装置的排丝口21，使纤维平行均匀排布，避免纤维间的相互交叉与磨损，然后平行排布的连续纤维穿过张力辊22，给纤维施加一定的张力保证纤维的初步分散；再使纤维经静电消除装置30消除产生的静电，然后连续纤维经预加热烘箱40(采用红外烘箱)预热到230℃；
预热后的连续纤维经张力调节装置50导到双挤出模头61、62进行预浸渍，采用单螺杆挤出机，挤出模头的温度设置在230℃，保证熔融的聚丙烯树脂(燕山石化的7726)具有较低的黏度；
通过交错的双挤出模头预浸渍的连续纤维带导入到三辊浸渍装置70，三辊71、72、73的温度都设定在210℃，使基体树脂聚丙烯具有较低的黏度和较好的流动性，实现熔融树脂对纤维的完全浸润。
完全浸渍后的连续纤维带进入冷却辊压装置80，冷却定型辊81、82通冷凝水，两辊的间隙调节到0.3mm，连续纤维带经冷却定型后得到厚度为0.3mm，表面光滑的连续玻璃纤维增强聚丙烯预浸带，经风冷却后进入牵引卷绕装置90卷绕成型、包装，就可得到浸渍完全的连续玻璃纤维增强聚丙烯预浸带。
实施例2
连续凯芙拉纤维增强聚对苯二甲酸乙二醇酯预浸带
如图1所示，将连续凯芙拉纤维卷安装在纱架10的锭子13上，小心的将纤维从纱架上的导丝口引出后通过张力调节装置的排丝口21，使纤维平行均匀排布，避免纤维间的相互交叉与磨损，然后平行排布的连续纤维穿过张力辊22，给纤维施加一定的张力保证纤维的初步分散；再使纤维经静电消除装置30消除产生的静电，然后连续纤维经预加热烘箱40(采用电加热烘箱)预热到300℃；
预热后的连续纤维经张力调节装置50导到双挤出模头61、62进行预浸渍，采用双螺杆挤出机，挤出模头的温度设置在280℃，保证熔融的聚对苯二甲酸乙二醇酯树脂具有较低的黏度；
通过交错的双挤出模头预浸渍的连续纤维带导入到三辊浸渍装置70，三辊71、72、73的温度都设定在280℃，使基体树脂聚对苯二甲酸乙二醇酯具有较低的黏度和较好的流动性，实现熔融树脂对纤维的完全浸润。
完全浸渍后的连续纤维带进入冷却辊压装置80，冷却定型辊81、82通冷凝水，两辊的间隙调节到0.4mm，连续纤维带经冷却定型后得到厚度为0.4mm，表面光滑的连续凯芙拉纤维增强聚对苯二甲酸乙二醇酯预浸带，经风冷却后进入牵引卷绕装置90卷绕成型、包装，就可得到浸渍完全的连续凯芙拉纤维增强聚对苯二甲酸乙二醇酯预浸带。
实施例3
连续碳纤维(东丽T70024K)增强聚碳酸酯预浸带
如图1所示，将连续碳纤维卷安装在纱架10的锭子13上，小心的将纤维从纱架上的导丝口引出后通过张力调节装置的排丝口21，使纤维平行均匀排布，避免纤维间的相互交叉与磨损，然后平行排布的连续纤维穿过张力辊22，给纤维施加一定的张力保证纤维的初步分散；再使纤维经静电消除装置30消除产生的静电，然后连续纤维经预加热烘箱40(采用红外烘箱)预热到300℃；
预热后的连续纤维经张力调节装置50导到双挤出模头61、62进行预浸渍，采用双螺杆挤出机，挤出模头的温度设置在260℃，保证熔融的聚碳酸酯树脂具有较低的黏度；
通过交错的双挤出模头预浸渍的连续纤维带导入到三辊浸渍装置70，三辊71、72、73的温度都设定在260℃，使基体树脂聚碳酸酯具有较低的黏度和较好的流动性，实现熔融树脂对纤维的完全浸润。
完全浸渍后的连续纤维带进入冷却辊压装置80，冷却定型辊81、82通冷凝水，两辊的间隙调节到0.2mm，连续纤维带经冷却定型后得到厚度为0.2mm，表面光滑的连续碳纤维增强聚碳酸酯预浸带，经风冷却后进入牵引卷绕装置90卷绕成型、包装，就可得到浸渍完全的连续碳纤维增强聚碳酸酯预浸带。
实施例4
连续超高分子量聚乙烯纤维增强聚氯乙烯预浸带
如图1所示，将连续超高分子量聚乙烯纤维卷安装在纱架10的锭子13上，小心的将纤维从纱架上的导丝口引出后通过张力调节装置的排丝口21，使纤维平行均匀排布，避免纤维间的相互交叉与磨损，然后平行排布的连续纤维穿过张力辊22，给纤维施加一定的张力保证纤维的初步分散；再使纤维经静电消除装置30消除产生的静电，然后连续纤维经预加热烘箱40(采用电加热烘箱)预热到210℃；
预热后的连续纤维经张力调节装置50导到双挤出模头61、62进行预浸渍，采用单螺杆挤出机，挤出模头的温度设置在200℃，保证熔融的聚氯乙烯树脂具有较低的黏度；
通过交错的双挤出模头预浸渍的连续纤维带导入到三辊浸渍装置70，三辊71、72、73的温度都设定在200℃，使基体树脂聚氯乙烯具有较低的黏度和较好的流动性，实现熔融树脂对纤维的完全浸润。
完全浸渍后的连续纤维带进入冷却辊压装置80，冷却定型辊81、82通冷凝水，两辊的间隙调节到0.4mm，连续纤维带经冷却定型后得到厚度为0.4mm，表面光滑的连续超高分子量聚乙烯纤维增强聚氯乙烯预浸带，经风冷却后进入牵引卷绕装置90卷绕成型、包装，就可得到浸渍完全的连续超高分子量聚乙烯纤维增强聚氯乙烯预浸带。
实施例5
连续不锈钢纤维增强尼龙6预浸带
如图1所示，将连续不锈钢纤维卷安装在纱架10的锭子13上，小心的将纤维从纱架上的导丝口引出后通过张力调节装置的排丝口21，使纤维平行均匀排布，避免纤维间的相互交叉与磨损，然后平行排布的连续纤维穿过张力辊22，给纤维施加一定的张力保证纤维的初步分散；再使纤维经静电消除装置30消除产生的静电，然后连续纤维经预加热烘箱40(采用红外烘箱)预热到260℃；
预热后的连续纤维经张力调节装置50导到双挤出模头61、62进行预浸渍，采用单螺杆挤出机，挤出模头的温度设置在240℃，保证熔融的尼龙6树脂具有较低的黏度；
通过交错的双挤出模头预浸渍的连续纤维带导入到三辊浸渍装置70，三辊71、72、73的温度都设定在230℃，使基体树脂尼龙6具有较低的黏度和较好的流动性，实现熔融树脂对纤维的完全浸润。
完全浸渍后的连续纤维带进入冷却辊压装置80，冷却定型辊81、82通冷凝水，两辊的间隙调节到0.5mm，连续纤维带经冷却定型后得到厚度为0.5mm，表面光滑的连续不锈钢纤维增强尼龙6预浸带，经风冷却后进入牵引卷绕装置90卷绕成型、包装，就可得到浸渍完全的连续不锈钢纤维增强尼龙6预浸带。

Claims (10)

1.连续纤维增强热塑性树脂复合材料预浸带的制备设备，该设备包括纱架(10)、张力调节装置(20)、静电消除装置(30)、预加热烘箱(40)、张力调节装置(50)、双挤出模头(60)、三辊浸渍装置(70)、冷却辊压装置(80)和牵引卷绕装置(90)，其特征在于，该设备采用交错的双挤出模头(60)对连续纤维带进行预浸渍。
2.一种应用如权利要求1所述的设备制备连续纤维增强热塑性树脂复合材料预浸带的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(a)将连续纤维带从纱架(10)上引出后经过张力调节装置(20)，再经过静电消除装置(30)，然后将连续纤维经带预加热烘箱(40)预热，再经张力调节装置(50)导到双挤出模头(60)，连续纤维带先与一个挤出模头(61)接触，接着连续纤维带的另一侧与另一个挤出模头(62)接触，使熔融树脂对连续纤维带进行预浸渍；
(b)将预浸渍后的连续纤维带导入三辊浸渍装置(70)，浸渍后的连续纤维带经冷却辊压装置(80)后导入牵引卷绕装置(90)卷绕成型，即可得到纤维分散均匀、浸渍完全的连续纤维增强热塑性树脂复合材料预浸带。
3.根据权利要求2所述的连续纤维增强热塑性树脂复合材料预浸带的制备方法，其特征在于，所述的连续纤维带经预加热烘箱达到的预热温度大于等于树脂的熔融温度，小于连续纤维带表面处理剂的破坏温度，预热采用红外加热方式或电加热方式。
4.根据权利要求2所述的连续纤维增强热塑性树脂复合材料预浸带的制备方法，其特征在于，所述的熔融树脂采用单螺杆挤出机或双螺杆挤出机供料。
5.根据权利要求4所述的连续纤维增强热塑性树脂复合材料预浸带的制备方法，其特征在于，所述的熔融树脂采用单一挤出机通过分流道分别对双挤出模头供料，并通过调节螺杆转速或喂料速度控制预浸带中树脂的含量。
6.根据权利要求2所述的连续纤维增强热塑性树脂复合材料预浸带的制备方法，其特征在于，所述的三辊浸渍装置的压延辊的表面温度必须保持树脂处于熔融流动状态，树脂为结晶聚合物时，压延辊的表面温度高于聚合物的熔融温度，树脂为非晶聚合物时，压延辊的表面温度高于其加工流动温度。
7.根据权利要求6所述的连续纤维增强热塑性树脂复合材料预浸带的制备方法，其特征在于，所述的压延辊的加热方式采用电加热热电偶控制方式或导热油加热方式。
8.根据权利要求2所述的连续纤维增强热塑性树脂复合材料预浸带的制备方法，其特征在于，所述的连续纤维带的纤维为无机纤维，有机纤维或金属纤维；所述的树脂为聚烯烃，热塑性聚酯，聚酰胺，聚碳酸酯PC，其他通用树脂或高性能工程塑料。
9.根据权利要求8所述的连续纤维增强热塑性树脂复合材料预浸带的制备方法，其特征在于，所述的无机纤维包括玻璃纤维、碳纤维、硼纤维和玄武岩纤维，所述的有机纤维包括芳香族聚酰胺纤维、超高分子量聚乙烯纤维，所述的金属纤维包括不锈钢纤维；所述的聚烯烃包括均聚聚丙烯、共聚聚丙烯和聚乙烯，所述的热塑性聚酯包括PET、PTT和PBT，所述的聚酰胺包括尼龙6、尼龙66、尼龙12、尼龙1212、尼龙612，所述的其他通用树脂包括聚氯乙烯PVC、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物ABS、聚苯乙烯PS和高抗冲聚苯乙烯HIPS，所述的高性能工程塑料包括聚醚醚酮PEEK、聚苯硫醚PPS、改性聚苯醚MPPO和聚醚酰亚胺PEI。
10.根据权利要求2所述的连续纤维增强热塑性树脂复合材料预浸带的制备方法，其特征在于，所述的树脂中添加添加剂，该添加剂选自抗氧剂、抗紫外光稳定剂、阻燃剂、接枝改性剂、抗静电剂等中的一种或几种。
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