CN101683639A - 用于制备聚乙烯纤维增强复合材料的上胶装置及上胶方法 - Google Patents
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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，包括第一上胶辊、第一储胶槽、第二上胶辊和第二储胶槽，所述第一上胶辊在第一储胶槽的上方，所述第二上胶辊在第二储胶槽的下方，所述第二储胶槽的下方有开口。本发明所提供的用于制备聚乙烯纤维增强复合材料的上胶装置，在完成第一次上胶之后，可以对由多束聚乙烯纤维束形成的聚乙烯纤维束组的另一面进行第二次上胶，这样可以对多束聚乙烯纤维束形成的聚乙烯纤维束组进行双面上胶，得到的聚乙烯纤维预浸带内部的胶液更加均一，为生产出性能稳定的聚乙烯纤维增强复合材料提供了前提条件。另外，本发明还提供一种用于制备聚乙烯纤维增强复合材料的上胶方法。
Description
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和上胶方法，属于聚乙烯纤维增强复合材料生产领域。
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。
如图1所示，图1为现有技术中一种上胶装置的正视剖面示意图。在聚乙烯纤维和胶粘剂复合的工艺中，涂覆胶液或称为上胶的一种方式是：使得平行排列的聚乙烯纤维束1在拉直的条件下通过一个带有胶液4的上胶辊2，上胶辊2位于储胶槽3的上方，由于聚乙烯纤维束1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2上的胶液会通过纤维的下层渗透进入上层，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带的胶液相对于预浸带另一面的胶液要少，亦即出现聚乙烯纤维预浸带的两个面上胶不均匀，从而会导致聚乙烯纤维预浸带内部的胶液分布不均匀。聚乙烯纤维预浸带内部的胶液分布不均匀会给后续生产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内部胶液分布均匀，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，包括第一上胶辊、第一储胶槽、第二上胶辊和第二储胶槽，所述第一上胶辊在第一储胶槽的上方，所述第二上胶辊在第二储胶槽的下方，所述第二储胶槽的下方有开口。
本发明所提供的用于制备聚乙烯纤维增强复合材料的上胶装置，在完成第一次上胶之后，可以对由多束聚乙烯纤维束形成的聚乙烯纤维束组的另一面进行第二次上胶，第二次上胶过程中，第二储胶槽中的胶液从其下方的开口流到第二上胶辊的表面上，由第二上胶辊带动胶液与聚乙烯纤维束组接触，以对多束聚乙烯纤维束形成的聚乙烯纤维束组中第一次上胶中没有直接接触到的面进行上胶，这样可以对多束聚乙烯纤维束形成的聚乙烯纤维束组进行双面上胶，得到的聚乙烯纤维预浸带内部的胶液更加均一，为生产出性能稳定的聚乙烯纤维增强复合材料提供了前提条件。
优选地，所述第二储胶槽的下方的开口为线形开口。
优选地，所述线形开口的宽度小于或者等于3mm(毫米)。
优选地，所述线性开口平行于第二上胶辊的轴线。
优选地，所述线性开口在第二上胶辊的轴线的正上方。
优选地，所述第一上胶辊的外表面有凹陷。
优选地，所述第一上胶辊的轴线和第二上胶辊的轴线之间的距离为0.4～1.4m。
本发明还提供一种用于制备聚乙烯纤维增强复合材料的上胶方法，包括如下步骤：
a)利用第一上胶辊对多束聚乙烯纤维束形成的聚乙烯纤维束组的一面上胶；
b)利用第二上胶辊对多束聚乙烯纤维束形成的聚乙烯纤维束组的另一面上胶。
本发明所提供的用于制备聚乙烯纤维增强复合材料的上胶方法，包括两个上胶步骤，分别对多束聚乙烯纤维束形成的聚乙烯纤维束组的两个面进行上胶处理，避免了单面上胶所造成的聚乙烯纤维预浸带内部胶液的不均匀性，利用本发明所述的上胶方法得到的聚乙烯纤维预浸带内部胶液均匀，为制备性能均匀的聚乙烯纤维增强复合材料提供了有利的前提条件。
优选地，步骤a)中所述的聚乙烯纤维束组的一面为聚乙烯纤维束组的下表面，步骤b)中所述的聚乙烯纤维束组的另一面为聚乙烯纤维束组的上表面。
优选地，步骤a)和步骤b)之间的时间间隔为1～7s(秒)。
本发明所提供的用于制备聚乙烯纤维增强复合材料的上胶装置，同现有技术相比，在完成第一次上胶之后，可以对由多束聚乙烯纤维束形成的聚乙烯纤维束组的另一面进行第二次上胶，第二次上胶过程中，第二储胶槽中的胶液从其下方的开口流到第二上胶辊的表面上，由第二上胶辊带动胶液与聚乙烯纤维束组接触，以对多束聚乙烯纤维束形成的聚乙烯纤维束组中第一次上胶中没有直接接触到的面进行上胶，这样可以对多束聚乙烯纤维束形成的聚乙烯纤维束组进行双面上胶，得到的聚乙烯纤维预浸带内部的胶液更加均一，为生产出性能稳定的聚乙烯纤维增强复合材料提供了前提条件。
本发明所提供的用于制备聚乙烯纤维增强复合材料的上胶装置和上胶方法，特别适用于聚乙烯纤维增强复合材料的生产。
附图说明
图1是现有技术中一种上胶装置的正视剖面示意图。
图2是本发明所提供的用于制备聚乙烯纤维增强复合材料的上胶装置的正视剖面示意图。
图3是现有技术和本发明中胶液浸渍聚乙烯纤维束过程的对比示意图。
图4是图2中所示第二储胶槽的俯视图。
图5是开口为曲线形的第二储胶槽的俯视图，
图6是具有凹陷的第一上胶辊的局部正视剖面示意图。
图7是具有凹陷的第一上胶辊的局部左视剖面示意图。
图8是第一上胶辊的另外一种实施方式的示意图。
图中各标记为：1——聚乙烯纤维束，2——上胶辊，3——储胶槽，4——胶液，5——第一上胶辊，6——第一储胶槽，7——第一上胶辊的轴，8——第二上胶辊，9——第二储胶槽，10——第二上胶辊的轴，11——开口，12——凹陷，13——刮胶刀。
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。
第一种实施方式
请参见图2，图2是本发明所提供的用于制备聚乙烯纤维增强复合材料的上胶装置的正视剖面示意图。
从图2可以看出，本发明所提供的上胶装置包括第一上胶辊5、第一储胶槽6、第二上胶辊8和第二储胶槽9，所述第一上胶辊5在第一储胶槽6的正上方，所述第二上胶辊8在第二储胶槽9的正下方，在所述第二储胶槽9的正下方有一个开口11。第一上胶辊5通过第一上胶辊的轴7安装在一个支架上，第一储胶槽6也安装在同一支架上。第二上胶辊8安装在另一个支架上，第二储胶槽9安装在与第二上胶辊8相同的支架上。图中的支架未示出。
请参见图3，图3是现有技术和本发明中胶液浸渍聚乙烯纤维束过程的对比示意图。图3中上图是现有技术中胶液4在浸渍聚乙烯纤维束1的过程示意图，下图是本发明中胶液4在浸渍聚乙烯纤维束1的过程示意图。从图上可以看出，现有技术对聚乙烯纤维束1的浸渍过程为从下到上，只有一个过程，而本发明中胶液4对聚乙烯纤维束的浸渍则有两个过程，两个方向，因此对聚乙烯纤维束的浸润比较均匀，得到的聚乙烯纤维预浸料内部的胶液比较均匀。
在制备聚乙烯纤维增强预浸带的过程中，在第一储胶槽6和第二储胶槽9中放入胶液4，第一上胶辊5与胶液4接触，第一上胶辊5由电机驱动转动，第一上胶辊5的外表面将粘结胶液，聚乙烯纤维束1通过第一上胶辊5上方的时候与第一上胶辊5的外表面接触，由于聚乙烯纤维束1受到的拉力很大，因此聚乙烯纤维束1与第一上胶辊5之间的压力也很大，于是胶液4进入聚乙烯纤维束1的内部，完成对聚乙烯纤维束1的第一次浸渍。第一浸渍完成后，由于胶液是从多束聚乙烯纤维束形成的聚乙烯纤维束组的下表面到上表面，只完成了一次浸渍，而且两个表面的受力情况不一致，因此浸渍也会不均匀。第一次浸渍完成后，聚乙烯纤维束1通过第二上胶辊8，从第二储胶槽9下方开口11处来的胶液落到第二上胶辊8的外表面，当聚乙烯纤维束1通过第二上胶辊8时，胶液4即进入聚乙烯纤维束1，完成第二次浸渍。在第二次浸渍过程中，胶液是从多束聚乙烯纤维束形成的聚乙烯纤维束组的上表面到下表面，与第一次浸渍过程的胶液整体运动方向刚好相反。在这样两次浸渍完成后，既有由下到上的胶液运动过程，又有由上到下的胶液运动过程，双方向的浸渍比较全面，这样制得的聚乙烯纤维预浸带内部胶液非常均匀，为生产出性能稳定的聚乙烯纤维增强复合材料提供了前提条件。
请参见图2，第一上胶辊5和第二上胶辊8采用中空的圆柱形辊筒结构，外径为300mm，内径为200mm，第一上胶辊的轴7和第二上胶辊的轴10的直径为70mm。第一上胶辊5和第二上胶辊8的两端密封，以防止胶液进入上胶辊的内部。并且中空的第一上胶辊和第二上胶辊的内部可通过保温液体，使得第一上胶辊和第二上胶辊保持一定的温度。中空的圆柱形辊筒的外径和内径优选的范围分别为：50～500mm和1～400mm。并且在这个范围内，也尽量优选外径较大的辊筒，因为较大的上胶辊直径可以保证与平行排列的聚乙烯纤维束有较多的接触面接触，因此上胶更加均匀。
如图2所示，在本实施方式中，第一储胶槽6的横截面的形状为长方形和圆弧形的结合。另外，第一储胶槽的横截面的形状还可以为长方形、正方形、圆弧形等形状以及这些形状的组合，例如上面是圆弧形，下面是长方形或者正方形。优选使用的第一储胶槽的横截面应该为圆弧形，因为圆弧形的储胶槽加工方便，并且和第一上胶辊之间有较好的配合。
如图2所示，在本实施方式中，第二储胶槽9与第一储胶槽6形状相同，只是第二储胶槽9的下方有开口11。另外，第二储胶槽9和第一储胶槽6的选用原则也略有不同，由于第二储胶槽9在第二上胶辊8的上方，因此希望将第二储胶槽9的下部分要小于第二储胶槽9的上部分，最好形成一个倒棱锥形，在棱锥的下方开口，形成的胶液压力较大，可以为第二上胶辊8更好地提供胶液。
如图2所示，在本实施方式中，第一上胶辊5的轴线与第二上胶辊8的轴线的距离为0.8m。在聚乙烯纤维预浸料生产过程中所使用的胶液一般是有一定粘度的，因此胶液浸渍聚乙烯纤维束需要一定的时间，本发明人在研究两次上胶装置和工艺的过程中发现，在进行第一次上胶和第二次上胶之间如果有一段小的时间间隔可以更有利于胶液对聚乙烯纤维束的浸渍。针对本发明装置，发明人发现，在一般的聚乙烯纤维束前进速度下，第一上胶辊5的轴线和第二上胶辊8的轴线的距离为0.4～1.4m为宜。本发明中所述的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束的浸渍之后，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。本发明中所述上胶辊的轴线指的是上胶辊的中心轴线。
如图2所示，第一上胶辊5在第一储胶槽6的正上方，也可以在斜上方或者其他的一些改变。重要的是，在聚乙烯纤维生产过程中，第一上胶辊要充分没入到胶液中，能够充分的带胶，为浸润聚乙烯纤维束提供足够多的胶液。
请参见图4，图4是图2中所示第二储胶槽9的俯视图。在第二储胶槽9底部的中心部位有开口11，开口11为直线形开口，直线形开口与第二上胶辊的轴线平行并且在第二上胶辊的轴线的正上方，开口的宽度w为1mm。开口用于漏胶，将第二储胶槽内的胶液漏给第二上胶辊，由第二上胶辊通过与聚乙烯纤维束接触完成对聚乙烯纤维束的浸润。对于直线形开口，中心部位也可以不是开在底部的中心，对图2中所示的开口11，开口11可以平行向左或者向右移动一段距离。开口的形状也可以为其它线形，例如螺旋线形，如图5所示。图5为开口为曲线形的第二储胶槽的俯视图，开口11的宽度为2mm左右。在同样开口宽度w的条件下，使用曲线形开口能够为第二上胶辊提供更多的胶液，提高上胶效率。开口的宽度可以根据需要选取，一般选用1～3mm。对于本发明中提到的胶液，线形开口的宽度最好小于或者等于1mm。在线形开口处还可以设置一个与开口形状相配合的密封件，在上胶工艺停止的过程中，可以将此密封件密封住线形开口，使得储胶槽中胶液不会流下。密封件的选取较为简单，可以选择金属片，也可以选择硬质橡胶片，都比较容易实现。
请参见图6和图7，图6为具有凹陷的第一上胶辊的局部正视剖面示意图，图7为具有凹陷的第一上胶辊的局部左视剖面示意图。在本实施方式中，第一上胶辊5的外表面还可以有一些凹陷12。第一上胶辊的外表面上有凹陷，因此在第一上胶辊转动的过程中，所述凹陷中可以储存胶液，随着第一上胶辊转动至上方，然后与聚乙烯纤维束接触，对聚乙烯纤维束进行更好地浸润，有凹陷区域不承受压力，所以随着聚乙烯纤维束的运动，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束的另一面，从而达到上胶均匀的目的。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，这里的形状指的是从垂直第一上胶辊外表面看时的形状。凹陷可以以凹槽的形式来体现，凹槽在第一上胶辊横截面上的形状为三角形，如图6所示；也可以是长圆形、椭圆形、半圆形、长方形、正方形、梯形、圆弧形等形状。如图6和图7所示，凹陷12为线形凹槽，并且此线形凹槽平行于第一上胶辊5的轴线方向。另外，第一上胶辊上的凹槽可以沿着第一上胶辊的轴线，也可以是螺旋形的绕着上胶辊的筒体。在本实施方式中，凹槽的深度为1.5mm，本领域的技术人员也可以根据需要在小于或者等于2mm的范围内选择一个具体的实施数值，更优选的是小于或者等于1mm。第一上胶辊的外表面上有凹槽的面积占第一上胶辊的外表面的面积的15％，优选的范围是1～25％，更优选1～15％。
请参见图8，图8为第一上胶辊5的另外一种实施方式的示意图。即在第一上胶辊5的上方设置刮胶刀13，刮胶刀可以刮除聚乙烯纤维束表面多余的胶液，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束进行更好的浸溃和浸润。
第二种实施方式
利用第一种实施方式中所述的上胶装置，对聚乙烯纤维束进行上胶。
第一次上胶：100束聚乙烯纤维束通过第一上胶辊5，第一储胶槽6中的胶液为KRATON D-1107，第一上胶辊的温度为80℃，聚乙烯纤维束的前进速度为10m/min(米/分)，第一次上胶时第一上胶辊与聚乙烯纤维束接触的面为聚乙烯纤维束组的下表面。
第二次上胶：在通过第一上胶辊5之后，聚乙烯纤维束经过5s之后与第二上胶辊8接触，第二储胶槽9中的胶液为KRATON D-1107，温度为80℃，第二次上胶时第二上胶辊与聚乙烯纤维束接触的面为聚乙烯纤维束组的下表面。
经过第二次上胶之后的聚乙烯纤维束，对形成的聚乙烯纤维预浸带利用显微镜观察发现，内部胶液分布均匀，性能良好。
利用第一种实施方式中所述的上胶装置，对聚乙烯纤维束进行上胶。
第一次上胶：100束聚乙烯纤维束通过第一上胶辊5，第一储胶槽6中的胶液为KRATON D-1161，第一上胶辊的温度为75℃，聚乙烯纤维束的前进速度为12.5m/min，第一次上胶时第一上胶辊与聚乙烯纤维束接触的面为聚乙烯纤维束组的下表面。
第二次上胶：在通过第一上胶辊5之后，聚乙烯纤维束经过4s之后与第二上胶辊8接触，第二储胶槽9中的胶液为KRATON D-1161，温度为75℃，第二次上胶时第二上胶辊与聚乙烯纤维束接触的面为聚乙烯纤维束组的下表面。
经过第二次上胶之后的聚乙烯纤维束，对形成的聚乙烯纤维预浸带利用显微镜观察发现，内部胶液分布均匀，性能良好。
利用第一种实施方式中所述的上胶装置，对聚乙烯纤维束进行上胶。
第一次上胶：100束聚乙烯纤维束通过第一上胶辊5，第一储胶槽6中的胶液为KRATON G-1650，第一上胶辊的温度为75℃，聚乙烯纤维束的前进速度为8m/min，第一次上胶时第一上胶辊与聚乙烯纤维束接触的面为聚乙烯纤维束组的下表面。
第二次上胶：在通过第一上胶辊5之后，聚乙烯纤维束经过6.25s之后与第二上胶辊8接触，第二储胶槽9中的胶液为KRATON G-1650，温度为75℃，第二次上胶时第二上胶辊与聚乙烯纤维束接触的面为聚乙烯纤维束组的下表面。
经过第二次上胶之后的聚乙烯纤维束，对形成的聚乙烯纤维预浸带利用显微镜观察发现，内部胶液分布均匀，性能良好。
从上面的具体实施方式本发明所提供的用于制备聚乙烯纤维增强复合材料的上胶装置，同现有技术相比，在完成第一次上胶之后，可以对由多束聚乙烯纤维束形成的聚乙烯纤维束组的另一面进行第二次上胶，第二次上胶过程中，第二储胶槽中的胶液从其下方的开口流到第二上胶辊的表面上，由第二上胶辊带动胶液与聚乙烯纤维束组接触，以对多束聚乙烯纤维束形成的聚乙烯纤维束组中第一次上胶中没有直接接触到的面进行上胶，这样可以对多束聚乙烯纤维束形成的聚乙烯纤维束组进行双面上胶，得到的聚乙烯纤维预浸带内部的胶液更加均一，为生产出性能稳定的聚乙烯纤维增强复合材料提供了前提条件。本发明提供的用于制备聚乙烯纤维增强复合材料的上胶方法，对形成的聚乙烯纤维增强复合材料，利用显微镜观察发现，内部胶液分布均匀，性能良好。
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 (10)
1、一种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，包括第一上胶辊、第一储胶槽、第二上胶辊和第二储胶槽，所述第一上胶辊在第一储胶槽的上方，所述第二上胶辊在第二储胶槽的下方，所述第二储胶槽的下方有开口。
2、根据权利要求1所述的上胶装置，其特征在于，所述第二储胶槽的下方的开口为线形开口。
3、根据权利要求2所述的上胶装置，其特征在于，所述线形开口的宽度小于或者等于3mm。
4、根据权利要求2或3所述的上胶装置，其特征在于，所述线性开口平行于第二上胶辊的轴线。
5、根据权利要求4所述的上胶装置，其特征在于，所述线性开口在第二上胶辊的轴线的正上方。
6、根据权利要求1所述的上胶装置，其特征在于，所述第一上胶辊的外表面有凹陷。
7、根据权利要求1所述的上胶装置，其特征在于，所述第一上胶辊的轴线和第二上胶辊的轴线之间的距离为0.4～1.4m。
8、一种用于制备聚乙烯纤维增强复合材料的上胶方法，包括如下步骤：
a)利用第一上胶辊对多束聚乙烯纤维束形成的聚乙烯纤维束组的一面上胶；
b)利用第二上胶辊对多束聚乙烯纤维束形成的聚乙烯纤维束组的另一面上胶。
9、根据权利要求8所述的上胶方法，其特征在于，步骤a)中所述的聚乙烯纤维束组的一面为聚乙烯纤维束组的下表面，步骤b)中所述的聚乙烯纤维束组的另一面为聚乙烯纤维束组的上表面。
10、根据权利要求9所述的上胶方法，其特征在于，步骤a)和步骤b)之间的时间间隔为1～7s。
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