CN101569879B

CN101569879B - 用于制备聚乙烯纤维增强复合材料的上胶装置

Info

Publication number: CN101569879B
Application number: CN2008100947114A
Authority: CN
Inventors: 周成程
Original assignee: Ningbo Rongyi Chemical Fiber Science and Technology Co Ltd
Current assignee: Yang Zhenfen
Priority date: 2008-05-04
Filing date: 2008-05-04
Publication date: 2011-04-27
Anticipated expiration: 2028-05-04
Also published as: CN101569879A

Abstract

本发明公开了一种用于制备聚乙烯纤维增强复合材料的上胶装置，包括上胶辊和储胶槽，其特征在于：上胶辊的外表面上有凹陷。本发明提供的上胶装置提高聚乙烯纤维复合材料制备过程中胶液涂覆的均匀性，得到性能稳定的聚乙烯纤维预浸料，为制备出性能均一稳定的聚乙烯纤维复合材料提供了良好的前提条件。本发明提供的上胶装置特别适用于聚乙烯纤维复合材料制备过程中对纤维的上胶工艺。

Description

用于制备聚乙烯纤维增强复合材料的上胶装置

技术领域

本发明涉及一种用于制备聚乙烯纤维增强复合材料的上胶装置及利用此装置制备的聚乙烯纤维预浸料。

背景技术

超高分子量聚乙烯(ultra high molecular weight polyethylene简称UHMWPE)纤维也称高强高模聚乙烯(high strength high module polyethylene简称HSHMPE)纤维或伸展链(elongation chain polyethylene简称ECPE)聚乙烯纤维或高性能聚乙烯(high performance polyethylene简称HPPE)纤维或高模量聚乙烯(high module polyethylene简称HMPE)纤维，一般是指重均分子量在(1～6)×10⁶的聚乙烯纤维，有时重均分子量还会高于此值，这种纤维在本发明中简称为聚乙烯纤维。

聚乙烯纤维是由荷兰的DSM公司首先开发制造的。采用的方法是凝胶纺丝-超倍拉伸法，基本原理是：超高分子量聚乙烯在一定的温度下以一定的浓度溶解在适当的溶剂中，此时聚乙烯分子得以解开缠结，然后此溶液通过喷丝板纺丝再经过拉伸，聚乙烯分子链进一步得到拉伸，分子链平行排列，规整度很高，形成高度结晶的聚乙烯纤维。聚乙烯纤维中的聚乙烯分子链高度伸展、取向度达到95％以上、结晶度达到85％以上。聚乙烯纤维的内部结构决定了其具有优异的力学性能、耐磨性能和化学稳定性等。因此，聚乙烯纤维一经问世就得到了世界各国的广泛关注，发展较快。我国的东华大学对此纤维的研究较为深入并取得了丰硕的研究成果。

将聚乙烯纤维与基体材料通过一定的工艺复合可以制得聚乙烯纤维增强复合材料。其中一种工艺是：将聚乙烯纤维均匀、平行、挺直的排列后将其涂覆胶液并干燥后得到单向聚乙烯纤维增强的预浸带，然后将此预浸带按照设计的铺层方式进行叠加复合，得到聚乙烯纤维增强复合材料，也称为UD材料。中国专利ZL03158881.6中公开了一种聚乙烯纤维增强复合材料的制备工艺，文中提到了聚乙烯纤维和胶粘剂在复合材料中的作用：聚乙烯纤维承担抵御冲击能，胶粘剂整合纤维即传递和消耗能量。因此，胶粘剂需要具备以下性能：(1)良好的力学性能和耐冲击性能；(2)与聚乙烯纤维有良好的界面性能；(3)纤维各层之间剥离强度高。

在聚乙烯纤维和胶粘剂复合的工艺中，涂覆胶液的一种方式是：使得平行排列的聚乙烯纤维在拉直的条件下通过一个带有胶液的上胶辊，由于聚乙烯纤维受到很大的拉力，并且与上胶辊的表面也产生了很大的压力，因此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。

发明内容

针对上述缺陷，本发明解决的技术问题在于，提供一种用于制备聚乙烯纤维增强复合材料的上胶装置，利用该上胶装置对聚乙烯纤维进行上胶处理，得到的聚乙烯纤维预浸料胶液分布均匀，性能稳定。

为了解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种用于制备聚乙烯纤维增强复合材料的上胶装置，包括上胶辊和储胶槽，其特征在于：上胶辊的外表面上有凹陷。

在制备聚乙烯纤维增强预浸带的过程中，储胶槽中放入一定的胶液，胶液要浸没上胶辊一段距离以利于上胶辊带胶，上胶辊的转动不断的将胶液带到上胶辊的上方，然后胶液与聚乙烯纤维接触并进入聚乙烯纤维内部达到浸渍纤维的目的。平行排列的聚乙烯纤维在拉直的条件下通过上胶辊，由于聚乙烯纤维受到的拉力很大，因此聚乙烯纤维与上胶辊之间的压力也很大，所以上胶辊所带的胶液绝大多数被压到了平行排列聚乙烯纤维的另一面。

在本发明中，上胶辊的外表面上有凹陷，因此在上胶辊转动的过程中，所述凹陷中可以储存胶液，随着上胶辊转动至上方，然后与聚乙烯纤维接触，对聚乙烯纤维进行浸润，由于只有凹陷区域不承受压力，所以随着聚乙烯纤维的运动，凹陷内储存的胶液可以粘附到纤维上，胶液不会被挤压到平行排列聚乙烯纤维的另一面，从而达到上胶均匀的目的。

所述胶液可以使用热塑性聚合物的有机溶液，比较优选使用的是苯乙烯类嵌段共聚物，例如苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SIS)、氢化苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)等，具体的商品名称可以选择KRATON D-1107、KRATON D-1161、KRATON G-1650、KRATON G-1651等。苯乙烯类嵌段共聚物可以溶解在一定的有机溶剂中，在完成对聚乙烯纤维的浸渍之后，有机溶剂挥发，然后苯乙烯类嵌段共聚物恢复原有的弹性，并且将聚乙烯纤维粘合在一起。

所述的凹陷可以是三角形、圆形、长方形、正方形、长圆形等形状。

上述的用于制备聚乙烯纤维增强复合材料的上胶装置，所述的凹陷可以是凹槽。

凹槽在上胶辊横截面上的形状可以是三角形、长圆形、椭圆形、半圆形、长方形、正方形、梯形、圆弧形等形状。

上述的用于制备聚乙烯纤维增强复合材料的上胶装置，所述凹槽沿着上胶辊的轴线方向。

上胶辊上的凹槽可以沿着上胶辊的轴线，也可以是螺旋形的绕着上胶辊的筒体。本发明优选使用互相平行的凹槽，凹槽形状优选使用直线型凹槽。

上述的用于制备聚乙烯纤维增强复合材料的上胶装置，所述凹槽的深度小于或者等于2mm，优选小于或者等于1mm。

上胶辊的直径优选使用100mm～500mm的上胶辊，上胶辊优选使用中空型上胶辊，优选使用上胶辊的厚度为5mm～50mm，所以凹槽的深度优选使用深度小于或者等于2mm，凹槽的深度要和上胶辊的直径向匹配，由于纤维丝直径较小，通常为微米级别，几十到几百微米不等，所以上胶辊上凹槽的宽度以小于3mm较为合适。另外，凹槽的尺寸小可以在上胶辊的外表面加工更加多的凹槽，提高凹槽的带胶量。优选使用平行于上胶辊的轴线方向的多条凹槽。

上述的用于制备聚乙烯纤维增强复合材料的上胶装置，优选地，上胶辊的外表面上有凹槽的面积占上胶辊的外表面的面积的1～25％，优选1～15％。

上述的用于制备聚乙烯纤维增强复合材料的上胶装置，上胶辊可以为密封的中空上胶辊。

中空的上胶辊直径范围在100mm以上，较大的上胶辊直径可以保证与平行排列聚乙烯纤维有较多的接触面积，因此可以上胶更加均匀。上胶辊优选使用中空的上胶辊，并且两端需要密封，以防止胶液进入上胶辊的内部。中空的内部可通过保温液体，使上胶辊保持一定的温度。中空的上胶辊的壁厚可以为10mm以上。

上述的用于制备聚乙烯纤维增强复合材料的上胶装置，所述的储胶槽的横截面可以为圆弧形。

储胶槽的横截面形状可以为多种形状，长方形、正方形、圆弧形等形状或者这些形状的组合，例如上面是圆弧形，下方是长方形或者正方形。优选使用储胶槽的横截面为圆弧形的储胶槽，圆弧形的储胶槽加工方便，并且和上胶辊之间有较好的配合。

上述的用于制备聚乙烯纤维增强复合材料的上胶装置，还可以包括一个或者一个以上的刮胶刀。

刮胶刀可以刮除聚乙烯纤维表面多余的胶液，并且，在刮胶的过程中，刮胶刀的刀口位置上会形成一条胶液线，使得胶液可以对聚乙烯纤维进行更好的浸渍和浸润。

本发明提供的上胶装置提高聚乙烯纤维复合材料制备过程中胶液涂覆的均匀性，得到性能稳定的聚乙烯纤维预浸料，为制备出性能均一稳定的聚乙烯纤维复合材料提供了良好的前提条件。

本发明提供的上胶装置特别适用于聚乙烯纤维复合材料制备过程中对聚乙烯纤维的上胶工艺。

附图说明

图1是本发明用于制备聚乙烯纤维增强复合材料的上胶装置一种具体实施方式的横截面示意图。

图2是图1所示实施方式的在A-A处的纵截面示意图。

图3是图1中所示区域103处的放大的正视示意图。

图4是图1中所示区域103处的放大的左视示意图。

图5是利用本发明的上胶装置的上胶原理示意图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参见图1和图2。图1为本发明用于制备聚乙烯纤维增强复合材料的上胶装置一种具体实施方式的横截面示意图。图2是这种实施方式的在A-A处的纵截面示意图。

在这种实施方式中，上胶辊101包括上胶辊筒101a和上胶辊辊轴101b，分别简称为辊筒101a和辊轴101b。储胶槽102位于上胶辊101的下方。上胶辊101可以通过轴承等结构固定在支撑装置上，储胶槽102可以与上胶辊101固定在一个支撑装置上，或者分别固定在两个支撑装置上，并且支撑装置能够有足够的强度支撑工作时所受到的压力。支撑装置图中未示出。

储胶槽102的横截面的形状可以是长方形、正方形、半圆形、圆弧形或者它们的结合，如图2中的储胶槽102的横截面就是圆弧形和长方形的结合。

辊筒101a为圆柱形辊筒，外径和内径的范围可以分别选择为：50-500mm(毫米)和1-400mm；辊筒的长度可以为30-2000mm，具体的尺寸可以根据聚乙烯纤维复合材料制备过程中纤维的多少和复合材料的要求来确定。辊轴101b可以根据辊筒的设计尺寸来确定，以能够支撑辊筒为原则，并且适当考虑节约材料。

从图2中可以看出，辊筒101a的左右两端和辊筒的侧壁形成了一个封闭的区域，这样胶液不会进入此封闭区域，对于生产和检修过程中胶液的清洗等工作有利。辊筒101a的左右两端中可以有一端开口，也可以有两端开口，这些都不会影响上胶质量，优选使用左右两端都封闭的情况。

辊筒101a和辊轴101b的材料可以国标45号钢、35号钢等优质碳素钢，选择辊筒101a和辊轴101b的材料时的原则是：聚乙烯纤维对其的压力不能够造成其变形或者只是造成很小的变形，以利于上胶的均匀性和生产的可靠性。

请参见图3和图4。图3是图1中所示区域103处的放大的正视示意图，图4是图1中所示区域103处的放大的左视示意图。

在辊筒101a的外表面上有沟槽，图3中所示的沟槽形式为一个横截面为三角形的凹槽301。沟槽横截面的形状还可以有多种：长方形、正方形、半圆形、圆弧形、椭圆形的一部分、长圆形的一部分或者它们的组合。图3中所示的凹槽301的深度可以根据实际情况确定，选择的原则是：能够达到较好的上胶效果，另外还需要考虑加工难度等方面，图3和图4中所示的凹槽301的深度为0.5mm，是一种优选的方式。凹槽301的深度范围可以选择为小于或等于10mm，更优选为小于或等于2mm，最优选为小于或等于1mm。上胶辊101的外表面上有凹槽301的面积占上胶辊101的外表面的面积的1～25％，优选1～15％。

沟槽的形式还可以为在辊筒101a的外表面上有多个圆形沟槽、长圆形沟槽、半圆形沟槽、扇形沟槽、长方形沟槽、正方形沟槽、或其它形状的沟槽；或者由不同形状组合得到的沟槽形式，例如一个半圆形沟槽可以和一个边长为其直径的正方形组合起来的图形等；或者在外表面有多种沟槽形式的组合，例如：辊筒101a的外表面可以有圆形沟槽，同时也可以有长圆形沟槽，同时也可以有长方形沟槽，也可以有正方形沟槽、半圆形沟槽、扇形沟槽等，也可以有不同形状组合得到的沟槽形式。

请参见图5，图5为利用本发明的上胶装置的上胶原理示意图。下面结合图5说明工作过程中的上胶原理和方式。

在传统聚乙烯纤维预浸带制备过程中，聚乙烯纤维501由于受到牵引辊(牵引辊图中未示出)的牵引作用，按照图5中箭头所示的方向前进，由于聚乙烯纤维501受到的牵引力很大，所以在和上胶辊101接触的部分会产生很大的压力，进而带动上胶辊101的转动，上胶辊101将储胶槽102中的胶液粘连在其外表面上，当粘连有胶液的那部分上胶辊的外表面转动到上方时，与聚乙烯纤维501接触，由于压力作用，胶液从聚乙烯纤维501的下部被挤压至聚乙烯纤维501的上部，完成对聚乙烯纤维501的浸润，由于压力很大，所以聚乙烯纤维501的下部也就是与上胶辊101接触部分胶液反而较少，上部胶液较多。

不过在本实施方式中，由于上胶辊101外表面上存在凹槽301，在上胶辊101的转动过程中，凹槽301中会储存胶液，当凹槽301转动到与聚乙烯纤维501相接触时，由于凹槽301与聚乙烯纤维501接触受力的部分为凹槽301的边缘，凹槽301中的胶液只是通过胶液的粘附作用粘着至聚乙烯纤维501，在凹槽301与聚乙烯纤维501脱离时，胶液已经粘附在平行排列的聚乙烯纤维501的下部，并且由于粘附在聚乙烯纤维501下部的胶液没有受到很大的压力，所以不会被挤压至聚乙烯纤维501的上部，可以继续对聚乙烯纤维501进行浸渍，这样就可以使得平行排列的聚乙烯纤维501的上部和下部胶液均匀分布。

另外，还可以聚乙烯纤维501的上部或者下部设置刮胶刀502，或者在聚乙烯纤维501的上部和下部同时设置刮胶刀502，这样可以使得聚乙烯纤维501上部或者下部的胶液刮除，并提高胶液浸润聚乙烯纤维501的均匀性。

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

1.一种用于制备聚乙烯纤维增强复合材料的上胶装置，包括上胶辊和储胶槽，其特征在于，上胶辊的外表面上有凹陷，所述凹陷为线形凹槽，所述线形凹槽的横截面形状为三角形，所述线形凹槽沿着上胶辊的轴线方向。

2.根据权利要求1所述的用于制备聚乙烯纤维增强复合材料的上胶装置，其特征在于，所述凹槽的深度小于或者等于2mm。

3.根据权利要求2所述的用于制备聚乙烯纤维增强复合材料的上胶装置，其特征在于，所述凹槽的深度小于或者等于1mm。

4.根据权利要求1所述的用于制备聚乙烯纤维增强复合材料的上胶装置，其特征在于，上胶辊的外表面上有凹槽的面积占上胶辊的外表面的面积的1～25％。

5.根据权利要求1所述的用于制备聚乙烯纤维增强复合材料的上胶装置，其特征在于，上胶辊的外表面上有凹槽的面积占上胶辊的外表面的面积的1～15％。

6.根据权利要求1所述的用于制备聚乙烯纤维增强复合材料的上胶装置，其特征在于，所述上胶辊为密封的中空上胶辊。

7.根据权利要求1所述的用于制备聚乙烯纤维增强复合材料的上胶装置，其特征在于，所述储胶槽的横截面为圆弧形。

8.根据权利要求1所述的用于制备聚乙烯纤维增强复合材料的上胶装置，其特征在于，其还包括一个以上的刮胶刀。