CN101525840A - 一种制备聚乙烯纤维增强层压布的复合装置及复合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种制备聚乙烯纤维增强层压布的复合装置，依次包括将聚乙烯纤维无纬布卷放开的放卷装置；对所述放开的无纬布卷进行层压成型的成型装置，所述成型装置包括压辊、驱动压辊旋转的驱动装置、安装在压辊下方的支承辊、支承辊升降装置，所述压辊包括一中空辊筒及安装在中空辊筒内的加热装置；将层压成型后的聚乙烯纤维层压布收卷的收卷装置。本发明同时提供采用本装置制备聚乙烯纤维增强层压布的方法，可以连续制备两层及两层以上的聚乙烯纤维增强层压布。

Description

一种制备聚乙烯纤维增强层压布的复合装置及复合方法

技术领域

本发明涉及制备纤维增强层压布的复合装置及复合方法，具体涉及制备聚乙烯纤维增强层压布的复合装置及复合方法。

背景技术

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维也称高强高模聚乙烯(HSHMPE)纤维或伸长链(ECPE)聚乙烯纤维，是指相对分子质量在(1～6)×10⁶的聚乙烯，经纺丝-超拉伸后制成的超高分子质量聚乙烯纤维。它是继碳纤维、芳纶(Kevlar)纤维之后的第三代高性能纤维，本文简称聚乙烯纤维。聚乙烯纤维增强复合材料与其它纤维增强复合材料相比，具有质量轻、耐冲击、介电性能高等优点，在现代化战争和航空航天、海域防御、武器装备等领域发挥着举足轻重的作用。同时，该纤维在汽车、船舶、医疗器械、体育运动器材等领域亦有广阔的应用前景。因此，聚乙烯纤维自问世起就倍受重视，发展很快。

由聚乙烯纤维无纬布经交错复合而成的复合材料(又称UD复合材料)在防弹领域有着重要的应用。目前通常采用层压方法制备聚乙烯纤维增强复合材料，经过如下工艺步骤：无纬布的制备-无纬布层压成型-纤维增强复合材料的定型。无纬布(UD布)又称单向布或者经向布，是指将基体树脂涂布在单向纤维上，然后经过干燥制成薄布。同经纬纺织布相比，无纬布避免了经纬纱线的交织，纤维不会发生多次的折压弯曲，因此不会降低纤维的原始力学性能；另外，经纬交织处容易出现空隙，影响复合材料性能，而无纬布则是纤维平行排列，因此复合材料会在最大程度上继承纤维的力学性能。无纬布层压成型工艺是指按照需要将多层无纬薄布在一定的温度和压力下初步成型，各层间纤维薄布叠层角度随性能要求可呈(0/90°)_n、(0°)_n、(0/+45°/-45°/90°)_n等多种分布。无纬布进行层压成型后，再进行一步的加压固化制成纤维增强复合材料。无纬布层压成型工艺对于最终的复合材料性能有着重要的影响，层压时的温度和压力是无纬布层压成型工艺的两个重要参数，层压过程中，基体树脂被加热到玻璃化温度与熔点之间，然后冷却成型。另外，铺设时，还要注意以下问题：层与层之间的错位，如果层与层之间发生错位，会影响下一层的铺设，并造成最终尺寸的偏差，严重的还会导致材料的报废；避免产生气包，即在铺设无纬布时，要防止空气被压到布层之间产生气包；保证压力均匀，如果压力不均，最终会出现复合材料板性能不均的现象。

目前，国内比较成熟的制备聚乙烯纤维增强复合材料的方法一般为手工操作，按照需要的尺寸，将裁减后的多层无纬布放在模具内热压成型，这种生产方式主要缺点就是生产效率较低。

因此，需要一种能够连续进行聚乙烯纤维增强无纬布层压成型的装置。

发明内容

本发明解决的技术问题在于，提供一种制备聚乙烯纤维增强层压布的复合装置及复合方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种制备聚乙烯纤维增强层压布的复合装置，依次包括：

将聚乙烯纤维无纬布卷放开的放卷装置；

对所述放开的无纬布卷进行层压成型的成型装置，所述成型装置包括压辊、驱动压辊旋转的驱动装置、安装在压辊下方的支承辊、支承辊升降装置，所述压辊包括一中空辊筒及安装在中空辊筒内的加热装置；

将层压成型后的聚乙烯纤维层压布收卷的收卷装置。

优选的，所述放卷装置包括机架、安装在机架上的放卷轴。

优选的，所述中空辊筒为不锈钢光辊，所述支承辊表面为弹性材料制成。

优选的，所述复合装置还包括位于放卷装置和成型装置之间的张紧装置，所述张紧装置包括若干根张紧辊。

本发明同时提供一种制备聚乙烯纤维增强层压布的复合方法，包括以下步骤：

a)将放卷装置上的第一无纬布卷的放开端放置在成型装置的压辊与支承辊之间；

b)开启支承辊升降装置使支承辊与压辊保持压力接触，开启压辊内的加热装置对压辊升温；

c)将第二无纬布依次放置在放卷装置与成型装置之间的第一无纬布卷上，开启驱动压辊旋转的驱动装置，同时带动支承辊与第一无纬布运动得到第一张层压布，所述第二无纬布的纤维排列方向与第一无纬布纤维排列方向垂直。

优选的，所述c)步骤之后还包括：

d)将经过成型装置后得到的第一张层压布采用收卷装置卷绕，得到第一张层压布卷。

优选的，步骤c)中所述将若干张第二无纬布依次放置在放卷装置与成型装置之间的第一无纬布卷上时，后一张第二无纬布搭接在前一张第二无纬布的下面。

优选的，所述步骤b)中压辊与支承辊之间的压力为0.5MPa～10MPa。

优选的，所述步骤b)中压辊表面温度为50℃～100℃。

在制备聚乙烯纤维增强层压布时，为了保证相邻无纬布纤维排列方向垂直，因此在制备两层的层压布时，需要将第二张无纬布裁减成长度与第一聚乙烯纤维无纬布卷宽度相近的形状，优选的，将第二张无纬布裁减成边长与第一聚乙烯纤维无纬布卷宽度相等的正方形，然后手工依次放入第二张无纬布并使第二张无纬布的纤维方向与第一张无纬布卷纤维排列方向垂直。

优选的，所述d)步骤之后还包括：

e)将两卷第一层压布采用放卷装置放开，将两个放开端上下叠在一起通过张紧装置的张紧辊后放置在成型装置的压辊与支承辊之间，开启支承辊升降装置使支承辊与压辊保持压力接触，开启压辊内的加热装置对压辊升温，开启驱动压辊旋转的驱动装置，带动支承辊与两张第一层压布卷的放开端运动，所述两卷第一层压布上相邻无纬布的纤维排列方向垂直。

优选的，所述步骤e)中压辊与支承辊之间的压力为1MPa～12MPa，压辊表面温度为60℃～110℃。

本发明提供的复合装置，适用于连续制备聚乙烯纤维增强层压布。本发明提供放卷机用于放开聚乙烯纤维增强无纬布，提供一个带有内置加热装置的中空压辊和一个通过使用液压装置加压的支承辊可以对聚乙烯纤维无纬布在指定的温度和压力下进行层压成型。放卷机连续将聚乙烯纤维无纬布送入成型机成型后，采用收卷装置得到聚乙烯纤维增强层压布卷筒。本发明提供的制备聚乙烯纤维增强复合材料的方法，可以连续制备两层及两层以上的聚乙烯纤维增强层压布。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的制备聚乙烯纤维增强层压布的复合装置及复合方法示意图；

图2是本发明第二实施例制备聚乙烯纤维增强层压布的复合装置及复合方法示意图。

具体实施方式

本发明提供一种制备聚乙烯纤维增强层压布的复合装置及复合方法，以下以具体实施例说明本发明提供的制备聚乙烯纤维增强层压布的复合装置及复合方法的具体实施方式。

参见图1，图1为本发明第一实施例提供的制备聚乙烯纤维增强层压布的复合装置示意图。本实施例提供的复合装置包括将聚乙烯纤维无纬布卷放开的放卷机101，放卷机101上包括机架101a、安装在机架上的放卷轴101b和101c。放卷机101后面是用于对聚乙烯纤维无纬布进行层压成型的成型机102，成型机102包括直径为320mm、壁厚为50mm、长度为1400mm的中空压辊102a。由于层压布是在一定的温度和压力下由胶粘剂固化定型而成，因此在中空压辊102a内设有为中空辊筒表面升温的感应加热装置(图中未画出)，感应加热装置通过加热中空辊筒从而加热聚乙烯纤维增强无纬布。为了保证层压布表面的光洁度，中空压辊102a为不锈钢光辊制成。在压辊102a的下方，有安装在机架上的直径为320mm、长度为1400mm的支承辊102b，为了增加支承辊和压辊的接触面积，保证充分的加压时间，支承辊102b表面由厚度为50mm的硬质弹性橡胶制成。另外，为了使支承辊102b与压辊102a在制备层压布时保持压力接触，成型机101上还进一步设有使支承辊上下移动的液压装置(图中未画出)，液压装置包括两个用于支撑所述支承辊102b的轴的两端的液压缸，两个液压缸由同一个液压马达驱动。液压马达通过同步驱动两个液压缸从而同步推动支承辊102b的轴的两端将支承辊102b平行地与压辊102保持压力接触。

当成型机102工作时，先将一层无纬布的一端放到压辊102a与支承辊102b之间，然后液压装置将支承辊102b升起与压辊102a保持压力接触，为了旋转压辊102a以带动无纬布运动，因此成型机机还包括驱动压辊102a作旋转运动的驱动装置(图中未画出)。在成型机102后面，设有卷绕层压布的收卷机103，收卷机103包括一根可旋转的收卷轴，收卷机工作时，在收卷轴上套上卷筒，将成型后的层压布卷绕在卷筒上。

下面以制备纤维排列方向为0°/90°的两层聚乙烯纤维增强层压布为例，具体说明本实施例提供的复合装置工作方式，本实施例中所用聚乙烯纤维增强无纬布的面密度为46g/m²，无纬布中聚乙烯纤维强度大于35g/d、纤度为2.5d，胶粘剂为KRATON D-1107。本实施例按照以下步骤：

1)将第一聚乙烯纤维增强无纬布卷筒104a套在放卷轴101b上，将放开端放置在成型机102的压辊102a与支承辊102b之间；

2)开启液压装置，使支承辊102b与压辊102a之间保持1MPa的压力接触，开启压辊102a的加热装置使压辊表面升温到65℃。

3)将第二聚乙烯纤维增强无纬布104b裁减成边长与第一聚乙烯纤维增强无纬布宽度相等长度的正方形，将若干张裁减好的第二聚乙烯纤维增强无纬布依次、连续放置在第一无纬布上，第二聚乙烯纤维增强无纬布的纤维排列方向与第一聚乙烯纤维增强无纬布的排列方向垂直，为了防止在层压时第二层无纬布在搭接处受热翘起，后一张无纬布搭接在前一张无纬布的下面，搭接长度可以为1mm～10mm，本实例中搭接5mm，如图1所示；

4)开启驱动装置使压辊102a按箭头方向旋转，在摩擦力的作用下，压辊102a带动支承辊102b和两层无纬布运动，基体树脂被压辊加热软化，在压辊和支承辊压力作用下，两层无纬布复合在一起，无纬布离开压辊和支承辊后，基体树脂被冷却，然后定型，得到第一张层压布；

5)将第一张层压布采用收卷机103卷绕，得到第一聚乙烯纤维增强层压布卷。

将第一聚乙烯纤维增强层压布卷打开放置在热压模具内，升温至95℃，加压至15MPa，保持模具恒温恒压16分钟，得到纤维排列方式为0°/90°聚乙烯纤维增强复合布。

按照本发明，为增加无纬布与压辊和支承辊的加压面积以便充分加压，所述支承辊可以为硬质橡胶等弹性材料，但不限于此。所述内置在中空辊筒内的加热装置可以使用本领域技术人员熟知的加热方式，可以为电热棒加热或电磁感应加热。由于电磁感应加热具有加热快，易于操作等优点，可以作为优选加热方式。

参见图2，图2为本发明第二实施例提供的制备聚乙烯纤维增强层压布的复合装置示意图，在图1的基础上，本实施例提供的复合装置除了包括放卷机101、成型机102及收卷机103外，还包括张紧装置105。

张紧装置105位于放卷机101与成型机102之间，由三根可旋转的张紧辊星形排列构成。对两张层压布卷和/或无纬布卷进行成型时，由于是连续成型，因此应当避免产生气包，因此层压布卷和/或无纬布卷经放卷装置放开后，经过张紧装置保持一定的张力，两张层压布和/或无纬布预先接触，然后再经过成型机102成型，张紧辊的数量可以为多个，并无具体限制，张紧辊可以旋转，也可以不旋转，本实施例中，张紧辊可以旋转。

本实施例以制备纤维排列方向为0°/90°/0°/90°的四层聚乙烯纤维增强层压布为例，具体说明本发明制备聚乙烯纤维增强无纬布的实施方式，本实施例中所用聚乙烯纤维增强无纬布的面密度为46g/m²，无纬布中纤维强度大于35g/d、纤度为2.5d，胶粘剂为KRATON D-1107。本实施例按照以下步骤：

1)将第一无纬布卷筒套在放卷轴101b上放开，将放开端放置在成型机102的压辊102a与支承辊102b之间；

2)开启使支承辊上下移动的液压装置，使支承辊102b与压辊102a之间保持1MPa的压力接触，开启压辊102a的加热装置使压辊表面升温到65℃。

3)将第二无纬布裁减成边长为与第一无纬布宽度相等的正方形，将若干张裁减好的第二无纬布依次、连续地放置在第一无纬布上，第二无纬布的纤维排列方向与第一无纬布的纤维排列方向垂直，为了防止在层压时第二无纬布在搭接处受热翘起，后一张无纬布搭接在前一张无纬布的下面，搭接长度为5mm；

4)开启驱动装置使压辊102a旋转，在摩擦力的作用下，压辊102a带动支承辊102b和两层无纬布运动，基体树脂加热软化，在压辊和支承辊压力作用下，两层无纬布复合在一起，无纬布离开压辊和支承辊后，基体树脂被冷却，然后定型，得到第一张层压布；

5)将第一张层压布采用收卷装置103卷绕，得到第一聚乙烯纤维增强层压布卷204a；

6)以和制备第一聚乙烯纤维增强层压布卷相同的工艺制备第二聚乙烯纤维增强层压布卷204b；

7)将第一聚乙烯纤维增强层压布卷204a和第二聚乙烯纤维增强层压布卷204b套在放卷装置的放卷轴101b上放开后，将两个层压布的放开端通过张紧装置105的张紧辊后预先接触，然后放置在压辊102a和支承辊102b之间，第一聚乙烯纤维增强层压布204a压在第二聚乙烯纤维层压布204b上面，并且第一聚乙烯纤维增强层压布204a与第二聚乙烯纤维增强层压布204b相接触的无纬布中纤维排列方向垂直，四层无纬布按照纤维排列方向为0°/90°/0°/90°的方式排列；

8)开启液压装置，使支承辊102b与压辊之间保持4MPa的压力接触，开启压辊102b的加热装置使压辊表面升温到75℃；

9)开启驱动装置，驱动压辊102a旋转，在摩擦力的作用下，压辊带动两张层压布和支承辊运动，基体树脂被压辊加热软化或熔化，在压辊和支承辊的压力作用下，两张层压布复合在一起，层压布离开压辊和支承辊后，基体树脂经过自然冷却，然后定型，得到四层纤维排列方式为(0/90°)₂的第三张层压布；

10)将第三张层压布采用收卷机103卷绕，得到第三聚乙烯纤维增强层压布卷。

将第三聚乙烯纤维增强层压布打开放置在热压模具内，升温至95℃，加压至18MPa，保持模具恒温恒压18分钟，得到四层排列方式为(0/90°)₂聚乙烯纤维增强复合布。

按照本发明，所述液压装置是用于使支承辊上下移动的驱动装置，也可以为气压等驱动装置。本文中所述无纬布、层压布均指由聚乙烯纤维和胶粘剂制成的复合材料，所述胶粘剂可以为聚苯乙烯三嵌段共聚体或氢化聚苯乙烯三嵌段共聚体的混合溶剂型胶粘剂，例如可以为KRATON D-1107、KRATON D-1161 KRATON G-1650或KRATON G-1651，作为胶粘剂溶剂的可以为溶剂汽油、苯、甲苯、氯仿、四氯化碳、己烷、环己烷、二乙醚、甲基异丁基醚、醋酸乙酯等。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1、一种制备聚乙烯纤维增强层压布的复合装置，依次包括：

将聚乙烯纤维无纬布卷放开的放卷装置；

对放开的无纬布卷进行层压成型的成型装置，所述成型装置包括压辊、驱动压辊旋转的驱动装置、安装在压辊下方的支承辊、支承辊升降装置，所述压辊包括一中空辊筒及安装在中空辊筒内的加热装置；

将层压成型后的聚乙烯纤维层压布收卷的收卷装置。

2、根据权利要求1所述的复合装置，其特征在于所述放卷装置包括机架和安装在机架上的放卷轴。

3、根据权利要求1所述的复合装置，其特征在于所述中空辊筒为不锈钢光辊，所述支承辊表面为弹性材料制成。

4、根据权利要求1所述的复合装置，其特征在于还包括位于放卷装置和成型装置之间的张紧装置，所述张紧装置包括若干根张紧辊。

5、一种制备聚乙烯纤维增强层压布的复合方法，包括以下步骤：

a)将放卷装置上的第一无纬布卷的放开端放置在成型装置的压辊与支承辊之间；

b)开启支承辊升降装置使支承辊与压辊保持压力接触，开启压辊内的加热装置对压辊升温；

c)将若干张第二无纬布依次放置在放卷装置与成型装置之间的第一无纬布卷上，开启驱动压辊旋转的驱动装置，同时带动支承辊与第一无纬布运动得到第一张层压布，所述第二无纬布的纤维排列方向与第一无纬布纤维排列方向垂直。

6、根据权利要求5所述的方法，其特征在于在步骤c)之后还包括：

d)将经过成型装置后得到的第一张层压布采用收卷装置卷绕，得到第一张层压布卷。

7、根据权利要求5所述的方法，其特征在于步骤c)中所述将若干张第二无纬布依次放置在放卷装置与成型装置之间的第一无纬布卷上时，后一张第二无纬布搭接在前一张第二无纬布的下面。

8、根据权利要求5-7任一项所述的方法，其特征在于步骤b)中压辊与支承辊之间的压力为0.5MPa～10MPa。

9、根据权利要求5-7任一项所述的方法，其特征在于步骤b)中压辊表面温度为50℃～100℃。

10、根据权利要求6所述的方法，其特征在于在步骤d)之后还包括：

e)将两卷第一层压布采用放卷装置放开，将两个放开端上下叠在一起通过张紧装置的张紧辊后放置在成型装置的压辊与支承辊之间，开启支承辊升降装置使支承辊与压辊保持压力接触，开启压辊内的加热装置对压辊升温，开启驱动压辊旋转的驱动装置，带动支承辊与两张第一层压布卷的放开端运动，所述两卷第一层压布上相邻无纬布的纤维排列方向垂直。

11、根据权利要求10所述的方法，其特征在于所述步骤e)中压辊与支承辊之间的压力为1MPa～12MPa，压辊表面温度为60℃～110℃。

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