CN102205633B - 纤维增强热塑性聚合物两步法缠绕成型的加热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种连续纤维增强热塑性聚合物复合材料两步法缠绕成型的加热方法及其装置。该方法通过可摆动、伸缩的加热装置，使在烘道和芯模之间长度不断变化的预浸带得到良好的加热和保温，减少了预浸带暴露于室温空气中的时间，使预浸带在缠绕时能保持所需的温度，保证热塑性聚合物能在缠绕过程中形成良好的层间相互扩散使层间形成牢固的粘结。通过芯模压力辊加热系统，将芯模和压力辊加热至相同的温度，以控制预浸带的冷却，使预浸带在压力辊的作用下能形成良好的层间粘结，同时还可缓解由于芯模与压力辊温度不一致而在挤压区域所产生的热应力。相应的装置由远红外烘道、摆动伸缩加热装置、热风枪、芯模压力辊加热系统组成。

Description

纤维增强热塑性聚合物两步法缠绕成型的加热装置

技术领域

本发明涉及一种连续纤维增强热塑性聚合物复合材料两步法缠绕成型的加热方法及其装置，属于复合材料制备与成型领域。

技术背景

缠绕成型是制备纤维增强聚合物复合材料管道及储罐的重要途径，迄今为止，纤维增强热固性复合材料缠绕成型工艺及相应装置已相当成熟，已广泛应用于工业化生产。近年来，由于资源与环保的压力日益突出，容易再生、可重复使用的热塑性复合材料受到世界各国的普遍重视，各种类型的热塑性复合材料得到迅速发展，连续纤维增强热塑性聚合物复合材料的缠绕成型已开始受到关注。连续纤维增强热塑性聚合物复合材料的缠绕成型工艺与热固性聚合物复合材料的缠绕工艺有很大不同，热固性树脂在固化之前均为单体或预聚体，多呈液态，粘度较低低，容易浸渍纤维，与增强纤维形成良好的分散与接触，缠绕成型所需要的预浸料可在室温下完成浸渍，缠绕的层间亦容易形成良好的粘结。而热塑性聚合物多数分子量较高，室温下均处于固态，熔融状态下熔体的粘度很高，很难与增强纤维形成良好的浸渍，在缠绕前使纤维与聚合物形成良好的浸渍是获得性能优良的复合材料制品的前提。

目前，热塑性复合材料缠绕成型已出现两种工艺，即：两步法工艺(采用预先浸渍好的预浸料进行缠绕的工艺，预浸料的制备与缠绕过程分成两个部分)和一步法工艺(浸渍和缠绕同时进行)。两步法工艺尽管能耗要大一些，但对设备的要求相对较低、过程可控性好、产品质量的稳定性容易保证，容易实现产业化。

热塑性复合材料的两步法缠绕工艺过程中，预先制备的预浸料(通常为带状)必须经预热达到适当的温度，以保证缠绕到芯模上时预浸料间及各缠绕层间能融合粘结。将预浸料从室温加热至树脂熔融温度以上需要一定的时间，采用烘道可以保证预浸料在加热区的停留时间，如美国专利U S 5160568，将远红外加热烘道、加热导向器、触点式加热源(包括明火加热源，红外加热器，热空气枪式加热器)集成在相对芯模作往复运动的小车上，这种装置紧凑，充分利用了小车空间，但其远红外加热烘道的长度受到了限制，预浸料在加热烘道内的停留时间与烘道的长度及缠绕的速度密切相关，过短的烘道长度只能采用较慢的缠绕速度。为了提高缠绕速度，必须要有较长的加热烘道，因此需要将烘道从小车上独立出来，以获得加长烘道的空间。

但加热烘道从小车上独立出来会带来一个严重的问题，从烘道出来位于烘道与导向器之间的预浸带直接裸露在室温环境中，会造成很大的热量损失，使熔融的热塑性树脂冷却甚至凝固，无法完成预浸料间及缠绕层间的融合粘结。

树脂处于熔融状态预浸料在压力辊的辅助作用下缠绕于芯模上，为缩小芯模与预浸带之间的温差，以利于熔融的预浸带与缠绕基层的粘结，必须将芯模加热，芯模温度一般选择在聚合物基体熔点附近。如果压力辊保持室温，会使刚缠绕上去的预浸料快速冷却，一不利于层间的融合与粘结，因此，压力辊亦需加热。在美国专利US 5039368中描绘了用钨灯加热压力辊，用芯模表面加热器加热芯模的连续纤维增强热塑性聚合物的缠绕装置，但其结构复杂，且加热不均匀，温度可控性差，能源浪费严重，难以使芯模表面与压辊表面的温度保持相近，而芯模表面与压辊表面的温度差异将会在缠绕制品中形成热应力，导致制品性能劣化。

发明内容：

本发明的目的在于，克服现有技术的不足，提供一种新的可用于连续纤维增强热塑性聚合物复合材料两步法缠绕成型的加热方法及其装置。

本发明首先增加一种摆动伸缩加热装置，不仅可以加长加热烘道，而且可使加热烘道与导向器之间的预浸带不外露于室温环境中而造成热量损失；其次在此基础上提供一种新型芯模与压力辊加热系统，实现芯模和压力辊的同步加热以保证两者温度相近。

其中，摆动伸缩加热装置由带有温控装置的两段长短不一的热流道加热圈以及套在两热流道加热圈外层的不锈钢管组成，管内较短的热流道加热圈两端被固定在不锈钢管里，通过底座与远红外烘道相连；较长的热流道加热圈前端在紧挨着导向辊处装有滑动轴承，滑动轴承在不锈钢管里可以自由滑动，另一端通过另一底座与滑动小车相连，两底座都安装有水平轴向的滚动轴承，竖直轴向的滚动轴承，通过小车的左右移动来带动滚动轴承转动，继而使长的加热圈跟着滑动轴承滑动伸缩，从而实现整个装置的摆动伸缩；

其中，芯模与压力辊加热系统，是将芯模、压力辊一端打孔，分别连接双向流通旋转接头，再用金属软管将芯模、压力辊、模温机相互连接构成一个完整的回路，管内充导热油，利用模温机加热导热油来控制芯模和压力辊的温度。

具体技术方案如下：

纤维增强热塑性聚合物两步法缠绕成型的加热装置，包括牵引辊1、烘道2、烘道架3、热风枪5、可移动拖板6、压力辊7和芯模8，牵引辊1和烘道2依次固定于烘道架3之上，压力辊7和芯模8相组合置于烘道架3相对于牵引辊1的另一侧，热风枪5同可移动拖板6一端相连，烘道架3相对于牵引辊1的另一端和压力辊7之间设置有一可摆动伸缩加热装置4，该可摆动伸缩加热装置4为一带有温控装置的可摆动伸缩管道装置，其一端固定于可移动拖板6上，另一端同烘道架3相对于牵引辊1的另一端相固定，并同烘道2相接。

进一步，所述可摆动伸缩加热装置4为分段热流道加热圈以及套在分段热流道加热圈外层的导管14组成，分段热流道加热圈可相对导管14滑动地相接于导管14内。

进一步，所述可摆动伸缩加热装置4为分段热流道加热圈，其中，分段热流道加热圈中同烘道2相连接的热流道加热圈分段固定于其外层导管14内，其余分段热流道加热圈可相对导管14滑动地相接于导管14内。

进一步，所述分段热流道加热圈，其每段热流道加热圈在其近烘道2端设有一导向辊。

进一步，所述可摆动伸缩加热装置4两端通过内设有水平轴向的滚动轴承或/和竖直轴向的滚动轴承的底座分别固定于可移动拖板6和烘道架3上。

进一步，所述装置还包括金属软管20，该金属软管20同模温机相连并形成一回路，回路有两个延伸处分别同压力辊7和芯模8充分接触。

进一步，所述两个延伸处分别同压力辊7和芯模8充分接触之前的部分设有配套的双向流通旋转接头17、18。

采用了加热方法及加热装置后，热流道加热圈保证了对预浸带热量的供给，而且摆动伸缩加热装置的运用，有效地解决了由于预浸带长度变化而带来的加热难题，从而确保远红外烘道与导向辊之间的预浸带始终在加热装置里，防止了热量的损失。所采用的芯模、压力辊导热油加热系统，不仅结构简单，而且对芯模、压力辊加热快速稳定，两者温度均匀一致，有利于消除熔融预浸带与缠绕基层之间的热应力。

附图说明：

图1是本发明热塑性复合材料预浸带的缠绕装置示意图；

图2左图是本发明热塑性复合材料预浸带的缠绕装置中重要组分——摆动伸缩加热装置主视图，右图是摆动伸缩加热装置沿A-A线的剖视图；

图3是芯模压力辊导热油加热系统。

具体实施方式：

图1所示的热塑性复合材料预浸带的缠绕装置由牵引辊1、远红外烘道2、烘道架3、摆动伸缩加热装置4、热风枪5、压力辊7、缠绕机(包括小车拖板6和芯模8)组成，牵引辊1、远红外烘道2和摆动伸缩加热装置4前端(本说明书以牵引辊1方向为前，压力辊7方向为末，以下同，不再赘述)固定在烘道架3上，摆动伸缩加热装置4末端、热风枪5和压力辊7固定在小车拖板6上。

将预浸带通过牵引辊1后进入远红外烘道2，牵引辊1转动向前输送预浸带，并且可以通过张紧牵引辊来调节预浸带上的张力，远红外烘道2使基体树脂预热到熔点附近，然后利用摆动伸缩加热装置4使基体树脂进一步加热熔融，再通过热风枪将夹点区预浸带朝向芯模的一面加热至所需的温度，接着以一定的速度按照设计的轨迹缠绕在加热的芯模8上，最后在张力和热的压力辊7径向压力作用下固结冷却为密实的缠绕结构。

图2所示的摆动伸缩加热装置，由短热流道加热圈13、导管14、长热流道加热圈16、底座11、底座17和两热流道加热圈附近的三对导向辊组成。短热流道加热圈13前端同底座11相固定连接，并前设第一对导向辊121，该段热流道加热圈13末端同第二对导向辊122相接触，第二对导向辊固定于长热流道加热圈16的前端，滑动时，第二对导向辊122同加热圈16一起同步运动。短热流道加热圈13、第二对导向辊122和长同热流道加热圈16共同套接于导管14内，该导管的材质为不锈钢材料，但本发明不受其限制也可以为其他具有良好耐高温、耐摩擦性质的材料。短热流道加热圈13同导管14间通过石棉瓦131填充固定。长热流道加热圈16同导管14间通过滑动轴承15相连接，以使长热流道加热圈16相对导管14向末端滑动。该单侧滑动结构增强本加热装置工作时的稳定性。

预浸带从远红外烘道出来后，在第一对导向辊121之间进入热流道加热圈13，再依次通过第二对导向辊122、热流道加热套管16和第三对导向辊123，然后直接缠绕在加热的芯模上。热流道加热圈13和16内装有热电偶，通过外部配套的温控装置来控制预浸带加热至所需的温度。热流道加热圈13前端固定在底座11上，末端套在不锈钢管14里，中间的间隙用石棉瓦131填充固定。热流道加热圈16末端固定在底座17上，其前端第二对导向辊122套在不锈钢管14里，中间的间隙装有滑动轴承15。底座11紧挨着加热圈13依次装有竖直轴向滚动轴承91，水平轴向滚动轴承101，底座17也有相同的结构。底座11固定在远红外烘道架3上，底座17倒挂在小车拖板上的铁架上。

缠绕时小车左右往复运动，带动滚动轴承102左右转动，使摆动伸缩加热装置左右摆动，由于热流道加热圈16前端没有被固定，摆动时热流道加热圈16带着滑动轴承15沿不锈钢管14内壁前后移动，实现了加热的预浸带左右伸缩的目的。滚动轴承91、92在摆动中可以上下转动进行微调，保证两加热圈在一条直线上。导向辊121、122、123自由转动，带着预浸带向前进，起到了良好的预浸带导向作用，防止了预浸带贴在热流道加热圈壁上。

前述实施例中，热流道加热圈13也可如热流道加热圈16相对滑动的设置于导管14内，以增加滑动长度。

图3所示的芯模压力辊导热油加热系统，由芯模7、压力辊8、以及与之配套的双向流通旋转接头17、18，模温机19和起连接作用的金属软管20组成。芯模7、压力辊8一端设有导入孔，分别连接双向流通旋转接头，再用金属软管将芯模、压力辊、模温机相互连接构成一个完整的回路，管内充导热油，利用模温机加热导热油来控制芯模和压力辊的温度。

工作时模温机将导热油加热，用内置的油泵将导热油依次输送至芯模7，压力辊8，再通过金属软管20流回模温机；也可以改变金属软管的接法，使加热的导热油依次输送至压力辊，芯模，同样也可以起到良好的加热。

本发明所述的连续纤维增强热塑性树脂预浸带缠绕成型的加热装置，结构精巧，布局紧凑，不仅有利于加长远红外烘道长度来提高缠绕速度，而且对芯模压力辊加热快速稳定，防止了熔融的树脂粘贴在压力辊上，有利于消除熔融预浸带与缠绕基层之间的热应力，制得的热塑性复合材料缠绕制品性能更优异。

Claims (7)

1.纤维增强热塑性聚合物两步法缠绕成型的加热装置，包括牵引辊（1）、烘道（2）、烘道架（3）、热风枪（5）、可移动拖板（6）、压力辊（7）和芯模（8），牵引辊（1）和烘道（2）依次固定于烘道架（3）之上，压力辊（7）和芯模（8）相组合置于烘道架（3）相对于牵引辊（1）的另一侧，热风枪（5）同可移动拖板（6）一端相连，其特征在于，烘道架（3）相对于牵引辊（1）的另一端和压力辊（7）之间设置有一可摆动伸缩加热装置（4），该可摆动伸缩加热装置（4）为一带有温控装置的可摆动伸缩管道装置，其一端固定于可移动拖板（6）上，另一端同烘道架（3）相对于牵引辊（1）的另一端相固定，并同烘道（2）相接。

2.如权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述可摆动伸缩加热装置（4）为分段热流道加热圈以及套在分段热流道加热圈外层的导管（14）组成，分段热流道加热圈可相对导管（14）滑动地相接于导管（14）内。

3.如权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述可摆动伸缩加热装置（4）为分段热流道加热圈，其中，分段热流道加热圈中同烘道（2）相连接的热流道加热圈分段固定于其外层导管（14）内，其余分段热流道加热圈可相对导管（14）滑动地相接于导管（14）内。

4.如权利要求2或3所述的加热装置，所述分段热流道加热圈，其每段热流道加热圈在其近烘道2端设有一导向辊。

5.如权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述可摆动伸缩加热装置（4）两端通过内设有水平轴向的滚动轴承或/和竖直轴向的滚动轴承的底座分别固定于可移动拖板（6）和烘道架（3）上。

6.如权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述纤维增强热塑性聚合物两步法缠绕成型的加热装置还包括金属软管（20），该金属软管（20）同模温机相连并形成一回路，回路有两个延伸处分别同压力辊（7）和芯模（8）充分接触。

7.如权利要求6所述的加热装置，其特征在于，所述两个延伸处分别同压力辊（7）和芯模（8）充分接触之前的部分设有配套的双向流通旋转接头（17、18）。

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