CN101525848B - 一种聚乙烯纤维单取向预浸带的生产线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种制备聚乙烯纤维单取向预浸带的生产线，依次包括用于支撑纱锭的纱架；静电生成装置，所述静电生成装置包括与纤维摩擦使纤维带上静电的摩擦体；静电消除装置；上胶装置，所述上胶装置包括上胶槽、安装在上胶槽上的上胶辊，所述上胶辊外表面具有若干条凹槽；干燥装置。本发明提供的聚乙烯纤维单取向预浸带生产线，适用于连续制备聚乙烯纤维单取向预浸带，本发明通过提供表面具有储胶槽的上胶辊，并且可以对预浸带两面同时上胶，提高了工作效率，优化了制备工艺。
Description
技术领域
本发明涉及预浸带生产线，具体涉及聚乙烯纤维单取向预浸带的生产线。
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。目前制备聚乙烯纤维增强复合材料一般采用如下工艺步骤：单取向预浸带的制备—单取向预浸带的层压成型—纤维增强复合材料的定型。单取向预浸带又称无纬布(UD布)或经向布，是指由聚乙烯纤维通过均匀、平行、挺直排成连续带之后对此进行浸胶、干燥、获得单取向纤维的连续预浸带。同经纬纺织布相比，单取向预浸带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，而单取向预浸带则是纤维平行排列，因此复合材料会在最大程度上继承纤维的力学性能。
在单取向预浸带的制备工艺中，上胶工序是影响预浸带纤维的最重要的工艺步骤，其主要作用是将基体树脂均匀的分布到单取向纤维之间，基体树脂作为粘结剂与单取向纤维构成复合材料。胶粘剂的成分、含量以及上胶工艺是在预浸带的制备过程中要考虑的重要问题。作为防弹材料，要求聚乙烯纤维增强复合材料具有一定的弹性变形能力，因此一般选择弹性体胶粘剂作为基体树脂。控制合适的上胶量也是单取向预浸带的制备过程中要考虑的重要问题，如果上胶量不足，纤维和纤维之间的粘结剂较少，甚至会互相接触，界面性能较差，会严重影响预浸带的力学性能；当上胶量过多时，预浸带中纤维比例减少，由于预浸带的力学性能继承的是作为增强体的聚乙烯纤维的力学性能，因此当预浸带中纤维比例减少后，预浸带的力学性能也会相应的降低。另外，在上胶时，还要考虑上胶量的均匀，即保证胶粘剂均匀的分布在纤维之间，防止出现预浸带单面上胶的问题。
目前，在制备单取向预浸带的方法中，上胶辊多为表面光滑的不锈钢辊，在上胶过程中，多根平行排列的纤维受到张力绷紧，上胶辊上的胶液会通过纤维的下层渗透进入上层，这种浸胶方式相对于从纤维上部涂胶得到的纤维，胶液涂覆均匀。然而，此种胶液涂覆方式得到的聚乙烯纤维预浸带，在靠近上胶辊的那部分预浸料的胶液相对于预浸料另一面的胶液要少。聚乙烯纤维预浸带的胶液分布不均匀会给后续做出性能均一稳定的聚乙烯纤维增强复合材料带来很大的影响。
因此，需要一种能够同时进行双面上胶、连续制备聚乙烯纤维单取向预浸带的生产线。
发明内容
本发明解决的技术问题在于，提供一种能够进行双面上胶、连续制备聚乙烯纤维单取向预浸带的生产线。
为解决上述技术问题，本发明提供一种聚乙烯纤维单取向预浸带的生产线，依次包括：
用于支撑纱锭的纱架；
静电生成装置，所述静电生成装置包括与纤维摩擦使纤维带上静电的摩擦体；
静电消除装置；
上胶装置，所述上胶装置包括上胶槽、安装在上胶槽上的上胶辊，所述上胶辊外表面具有若干条凹槽；
干燥装置。
优选的，所述摩擦体的表面材质为氧化铬、氧化镁或氧化铝。
优选的，所述摩擦体为多边棱形体或圆形体。
优选的，所述凹槽相互平行并与聚乙烯纤维成大于零度的角。
优选的，所述相互平行的凹槽与聚乙烯纤维垂直。
优选的，所述凹槽包括第一组相互平行的凹槽及第二组相互平行的凹槽，所述第一组凹槽的方向与第二组凹槽的方向垂直，所述第一组凹槽的方向与聚乙烯纤维方向成角为45°。
优选的，所述上胶装置包括刮胶刀，所述刮胶刀的刮胶方向与纤维成15°～50°的角。
优选的，所述消除静电装置包括由碳纤维制成的摩擦刷。
本发明提供的聚乙烯纤维单取向预浸带生产线，适用于连续制备聚乙烯纤维单取向预浸带。本发明通过提供静电生成装置，聚乙烯纤维经过高度绝缘的摩擦体摩擦后，静电积累达2000～10000电子伏特，纤维带上静电后可以实现均匀铺展。本发明提供表面带有凹槽的上胶辊，纤维在张力的作用下绷紧，经过上胶辊时，凹槽里面会储存一定量的胶粘剂，因此预浸带和上胶辊接触的一面能和另一面同时上胶。本发明提供一组相互平行并与纤维垂直的储胶槽，当连续制备预浸带时稳定上胶工艺。本发明通过提供适当刮胶角度的刮胶刀来使上胶均匀。
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单取向预浸带生产线示意图；
图2是图1中静电消除装置示意图；
图3是图1中上胶装置示意图；
图4是本发明第二实施例中提供的制备聚乙烯纤维单取向预浸带生产线中上胶装置上上胶辊表面沟槽示意图。
具体实施方式
本发明提供一种聚乙烯纤维单取向预浸带的生产线，以下以实施例说明本发明提供的聚乙烯纤维单取向预浸带生产线具体实施方式。
参见图1至图3，图1为本发明第一实施例提供的聚乙烯纤维单取向预浸带生产线示意图，依次包括支撑聚乙烯纤维纱锭的纱架101，纱架101通过支撑若干个纱锭可以实现连续供丝，纱架上还有控制纱线张力的机械式阻尼器(未画出)，机械式阻尼器也可以由电子式阻尼器代替。
纱架上的纱锭经过集束架102，使各束纤维取向大致相同。集束架102后面为静电生成装置103，所述静电生成装置103包括2根多边棱形的摩擦辊，摩擦辊表面材质为氧化铬。根据聚乙烯电性能可知，聚乙烯纤维是一种绝缘体，当其与绝缘性质的氧化铬摩擦时极易带上负电，这种累积的静电达2000～10000电子伏特，纤维带上高压静电后，纤维之间互相排斥，可以均匀铺展，易于均匀上胶。另外，摩擦辊表面材质也可以为其他高度绝缘的材料如氧化铝、氧化镁等。摩擦辊为多边的棱形体，在棱尖处，聚乙烯纤维与摩擦体接触面小，正压力大，在张力不大的情况下易于产生高压静电。静电生成装置103之后为静电消除装置104，由于胶粘剂采用是低沸点易挥发的有机溶剂混合物，高压静电不安全，在纤维均匀铺展后，在涂胶前，需要消除纤维上的高压静电。在本实施例中，静电消除装置包括由碳纤维制成的摩擦刷104a(见图2)，由于碳纤维是优良的导电体，并且具有很高的模量，因此不容易变形，可以和聚乙烯纤维保持充分的接触，带走静电，并且使用碳纤维作为摩擦刷，不易对纤维造成损伤，本发明所述静电消除装置不局限于碳纤维摩擦刷，也可以采用其它静电消除器。
静电消除装置104之后为上胶装置105，所述上胶装置包括上胶槽105a、安装在上胶槽105内的直径为320mm上胶辊105b，上胶辊外表面具有260条平行于上胶辊母线的储胶槽105c(见图3)，储胶槽横截面为半径是1mm的半圆形状。在张力的作用下，纤维绷紧经过上胶辊时，胶粘剂主要附着在预浸带的外表面，但是由于储胶槽的作用，一部分胶粘剂储存在凹槽里面，可以保障预浸带与上胶辊接触的内表面也附着上适量的胶粘剂，达到使预浸带的内表面和外表面同时上胶的目的。上胶装置还包括驱动上胶辊旋转的驱动装置(未画出)，当上胶辊被驱动装置驱动旋转时，上胶槽内的胶粘剂在上胶辊的带动下着附在纤维上。本文所述预浸带的内表面是指预浸带经过上胶辊时，与上胶辊相接触的一面为内表面，内表面的背面为预浸带的外表面，本文所述的预浸带的内表面和外表面只在上胶工序中提到。
为了保证胶粘剂的均匀分配，本实施例的上胶装置105上进一步提供刮胶刀105d，所述刮胶刀可以为厚度是0.1～0.5mm的不锈钢片，本实施例中刮胶刀是厚度为0.4mm的不锈钢片，刮胶角度在15°～50°的范围内调节。本文所述刮胶角度按如下方式定义，如图3所示，当刮胶刀工作时，走胶方向与预浸带送给方向(箭头所示方向)相反，走胶方向到刮胶刀的角度105e即为刮胶角度。当刮胶角度105e小于15°时，刮胶效果不理想；当刮胶角度大于50°时，由于刮胶刀对纤维存在一定的压力，因此刮胶角度太大容易损伤纤维，更优选的，刮胶角度为25°～40°。
将纤维上胶后，需要去除胶粘剂中的溶剂并使胶粘剂快速固化，使预浸带定型，因此，在上胶装置105之后，本实施例提供用于干燥预浸带的热甬道106，在合适的温度下，对预浸带进行干燥，使之定型。预浸带经干燥定型后，冷却，采用收布装置107进行收布。
下面具体说明本实施例提供的生产线的工作方式，将具有支数为600根、强度为35g/d、纤度为2.5d的一组聚乙烯纤维纱锭放置在纱架101上，丝头通过集束架102后，纤维大致排列成预浸带的形状。经过集束架后，纤维再经过静电生成装置103，与摩擦辊进行摩擦产生高压静电，纤维带上静电后均匀铺展。铺展后的纤维再与静电消除装置上的摩擦刷接触，将静电释放，以防止引起危险。消除静电后的纤维在上胶装置105内通过上胶辊上胶，本实施例将KRATON G-1650按照重量比17％溶于溶剂(120号溶剂油，添加抗氧剂)中作为胶粘结溶液放到上胶槽内浸没一部分上胶辊，当上胶辊转动时便可将胶粘剂带到上胶辊上为纤维上胶。对于胶粘剂溶液的液面高度本发明并无具体限制，优选的，胶粘剂液面浸没上胶辊横截面的1/5～1/2的面积，并根据耗胶量随时添加胶粘剂溶液。调整刮胶刀使刮胶角度105e为30°。由于上胶辊外表面具有相互平行的储胶槽，在张力作用下，可以使预浸带双面进行上胶，连续制备预浸带时，平行分布的储胶槽也可以使上胶工艺稳定。当纤维通过上胶辊进行上胶时，对纤维施加0.2cN/dtex的张力。在刮胶刀的作用下，可以去除多余的胶粘剂并使胶粘剂均匀分布在纤维之间。上胶后的纤维经过热甬道在58℃的温度下干燥定型，然后自然冷却，最后采用卷绕装置收卷得到聚乙烯纤维增强预浸带卷。
将上述所得的四层聚乙烯纤维单取向预浸带按照纤维排列方向为0°/90/0°/90°的方式叠在一起，放在热压模具内定型，为保护产品与外界摩擦而损伤，四层布的两侧复合有PE保护膜，热压温度为90℃，成型压力为8MPa，恒温保压15分钟，制成面密度为238g/m2的聚乙烯纤维增强复合布。
将上述15层聚乙烯纤维增强复合布叠加制造扁平形件，当受到9mmFMJ型枪弹(8g)冲击时，V50≥400m/s和SEA为210Jm2/kg。
按照本发明，胶粘剂可以选用聚苯乙烯三嵌段共聚体(SIS，苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯)，如KARTON D-1107、KARTON D-1161，或氢化聚苯乙烯三嵌段共聚体(SEBS，苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯)，如KARTON G-1650、KARTON D-1651。胶粘剂形式采用溶剂型胶粘剂，可以选用的溶剂有溶剂汽油、工业酒精、甲苯、丙酮、环已烷，优选的，本发明选用120号溶剂油(2，3-丁二酮)作为溶剂。胶粘剂与溶剂的重量比为2％～35％∶98％～65％。本文中，比能量吸收(SEA)指成型件的能量吸收(EA)被其表面密度(AD)除所得到的值。另外，在纤维通过上胶辊进行上胶时，对纤维施加0.1cN/dtex～0.5N/dtex的牵引力，当牵引力过大时，容易在纤维内形成内应力，这种内应力不利于预浸带的性能；当牵引力过小时，不利于胶粘剂的均匀分配。上胶辊表面的沟槽的形状可以为三角形、弧形或其它已知形状，上胶辊的外表面有沟槽的面积占上胶辊外表面面积的1％～60％。
按照本发明，也可以在所述的生产线中安装多个上胶装置进行多次上胶。
按照本发明，所用聚乙烯纤维强度大于35g/d，纤度为2～2.5d，在制备聚乙烯纤维增强复合布时，热压温度为40℃～110℃，成型压力可以为8MPa～20MPa，保压时间为5～15分钟，制成的单层复合布面密度为25～47g/m2。
参见图4，图4为本发明第二实施例提供的聚乙烯纤维单取向预浸带生产线中上胶辊表面沟槽示意图，本实施例与第一实施例提供的制备预浸带生产线的不同之处在于提供了表面形状不同的沟槽。在上胶辊105b外表面，具有第一组储胶槽和第二组储胶槽，所述第一组储胶槽是数量为120条相互平行的横截面是半径为1mm的半圆形储胶槽，所述第二组储胶槽是数量为120条相互平行的横截面是半径为1mm的半圆形储胶槽，第一组储胶槽与第二组储胶槽方向垂直并以上胶辊轴为轴心螺旋分布在上胶辊表面，第一组储胶槽与上胶辊母线成45°角。当纤维垂直于上胶辊的母线经过上胶辊时，两组交叉的储胶槽更加均匀的使预浸带的内表面附着上适量的胶粘剂，从而达到预浸带双面同时上胶的目的。
下面具体说明本实施例提供的生产线的工作方式，将具有支数为600根、强度为35g/d、纤度为2.5d的一组聚乙烯纤维纱锭放置在纱架101上，丝头通过集束架102后，纤维大致排列成一致方向。经过集束架后，纤维经过静电生成装置103，与摩擦辊进行摩擦产生高压静电，纤维带上静电后均匀铺展。铺展后的纤维再与静电消除装置上的摩擦刷接触、将静电释放，以防止引起危险。消除静电后的纤维在上胶装置105内通过上胶辊上胶，本实施例将KRATON G-1650按照重量比20％溶于溶剂(120号溶剂油，添加抗氧剂)中作为胶粘结溶液放到上胶槽内浸没一部分上胶辊，当上胶辊转动时便可将胶粘剂带动使预浸带上胶。调整刮胶刀使刮胶角度105e为30°。由于上胶辊表面具有平行交叉的储胶槽，可以对预浸带双面同时进行上胶。当纤维通过上胶辊时，对纤维施加0.15cN/dtex的张力。在刮胶刀的作用下，可使胶粘剂均匀分布在纤维之间。上胶后的纤维经过热甬道在56℃的温度下干燥定型，然后自然冷却，最后采用卷绕装置收卷得到聚乙烯纤维增强预浸带卷。
将上述所得的四层聚乙烯纤维单取向预浸带按照纤维排列方向为0°/90/0°/90°的方式叠在一起，放在热压模具内定型，为保护产品与外界摩擦而损伤，四层布的两侧复合有聚乙烯(PE)保护膜，热压温度为90℃，成型压力为8MPa，恒温保压15分钟，制成面密度为248g/m2的聚乙烯纤维增强复合布。
将上述15层聚乙烯纤维增强复合布叠加制造扁平形件，当受到9mmFMJ型枪弹(8g)冲击时，V50≥410m/s和SEA为215Jm2/kg。
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 (7)
1.一种聚乙烯纤维单取向预浸带的生产线，依次包括：
用于支撑纱锭的纱架；
静电生成装置，所述静电生成装置包括与纤维摩擦使纤维带上静电的摩擦体；
静电消除装置；
上胶装置，所述上胶装置包括上胶槽、安装在上胶槽上的上胶辊，所述上胶辊外表面具有若干条凹槽，所述上胶装置包括刮胶刀，所述刮胶刀是厚度为0.1～0.5mm的不锈钢片，所述刮胶刀的刮胶角度为25°～40°；在所述上胶槽内有胶粘剂，所述胶粘剂浸没上胶辊横截面积的1/5～1/2的面积；
干燥装置。
2.根据权利要求1所述的生产线，其特征在于，所述摩擦体表面材质为氧化铬、氧化镁或氧化铝。
3.根据权利要求2所述的生产线，其特征在于，所述摩擦体为多边棱形体或圆形体。
4.根据权利要求1所述的生产线，其特征在于，所述凹槽相互平行并与聚乙烯纤维成大于零度的角。
5.根据权利要求4所述的生产线，其特征在于，所述相互平行的凹槽与聚乙烯纤维垂直。
6.根据权利要求1所述的生产线，其特征在于，所述凹槽包括第一组相互平行的凹槽及第二组相互平行的凹槽，所述第一组凹槽的方向与第二组凹槽的方向垂直，所述第一组凹槽的方向与聚乙烯纤维方向成角为45°。
7.根据权利要求1所述的生产线，其特征在于，所述消除静电装置包括由碳纤维制成的摩擦刷。
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