CN102303412B - 一种拉挤预成型区的远红外加热方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种拉挤预成型区的远红外加热方法及其装置，该加热方法是利用远红外加热源对纤维树脂复合材料进行分区辐射加热，升温速度快，控温精确，加热均匀。该加热装置包括箱体、远红外加热器、加热器固定座、温度传感器、温度控制单元、加热控制单元、顶盖和固定连接，该装置通过固定连接件安装在原有的预成型模架上，箱体和顶盖采用上下开合式结构，箱体两端留有供纤维树脂复合材料通过的进、出口，温度控制单元将温度偏差反馈到加热控制单元中来调整对应区中远红外加热器的辐射功率，具有结构简单、操作使用方便等特点，将该装置集成在传统的预成型装置上，特别适用于快速拉挤成型工艺，不但节省成本，而且热效率高、节能效果明显。

Description

一种拉挤预成型区的远红外加热方法及装置

技术领域

本发明属于拉挤工艺及装备领域，特别涉及快速拉挤成型工艺中拉挤预成型区的远红外加热方法及装置。 

背景技术

拉挤成型于1951年首次在美国注册专利，60年代发展很慢，70－80年代进入快速发展阶段。我国起步则较晚，直到90年代随着拉挤专用树脂技术的引进生产才进入快速发展时期。目前，引进及国产拉挤生产线已超过200条。我国发展拉挤与欧美形式相似：先开发形状简单的棒材，然后随着化工防腐、电力、采矿等行业的发展与需求，开发了型材制品，目前这些技术已经比较成熟。 

拉挤工艺是一种连续生产复合材料型材的方法，它是将纱架上的无捻玻璃纤维粗纱和其他连续增强材料、聚酯表面毡等进行树脂浸渍，然后通过保持一定截面形状的成型模具，并使其在模内固化成型后连续出模，由此形成拉挤制品的一种自动化生产工艺。利用拉挤工艺生产的产品其拉伸强度高于普通钢材。表面的富树脂层又使其具有良好的防腐性，故在具有腐蚀性的环境的工程中是取代钢材的最佳产品，广泛应用于交通运输、电工、电气、电气绝缘、化工、矿山、海洋、船艇、腐蚀性环境及生活、民用各个领域。 

现有的拉挤成型工艺，其中的预成型部分，属于敞开型的，受外界环境的影响比较大。在外界环境温度低的情况下，带着树脂的纤维经过挤胶辊挤胶后在进入预成型区时，树脂粘度大，纤维在行走过程中，与预成型板上的孔或预成型环接触时易于被拉毛（大丝束碳纤维时尤为严重）。而对于需要高纤维体积含量（>70%）产品时，不容易通过预成型板上的孔或预成型环将多余的树脂挤掉，造成快速拉挤时纤维之间来不及分开粘连串孔、堵环。此外，退胶槽上的胶由于温度低，粘度大，通常不会流回浸胶槽，而是积攒在退胶槽上，造成胶的浪费。倘若通过一味的升高浸胶区浸胶槽的温度，往往造成胶液适用期的缩短。 

如何在传统设备基础上进行简单改造，使拉挤预成型免受外界环境的影响，促使树脂均匀受热，改善树脂流淌性，使纤维束之间易于分开，减少纤维粘连、起毛，挤下来的胶能够回流利用，是这个领域的研究者渴望解决的技术问题。 

发明内容

有鉴于此，为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的目的之一在于提出一种拉挤预成型区的远红外加热方法，可使拉挤预成型免受外界环境的影响，使树脂均匀受热，改善树脂流淌性，使纤维束之间易于分开，减少纤维粘连、起毛，挤下来的胶能够回流利用，以提高产品工艺稳定性、拉挤速度和纤维体积分数。 

本发明提供的一种拉挤预成型区的远红外加热方法，该加热方法是通过持续牵引，将纤维树脂复合材料从位于预成型区的箱体一端的进口拉进箱体内，并通过箱体内底部的远红外加热器对纤维树脂复合材料进行分区辐射加热；经过分区辐射加热后的纤维树脂复合材料从箱体另一端的出口牵引出。 

较优地，通过远红外加热器对纤维树脂复合材料进行分区辐射加热的具体方法为： 

通过设置在箱体内侧且位于预成型区各分区的温度传感器分别获得各分区的温度检测信号，并将各区的温度检测信号传至与各温度传感器相连接的温度控制单元中，由温度控制单元将各区的温度检测信号与预成型区中对应分区的预设温度进行比较；温度控制单元将比较后的温度偏差反馈到加热控制单元中，通过加热控制单元来调整对应分区中远红外加热器的辐射功率。

本发明的另一目的在于提出一种可以实现上述加热方法的拉挤预成型区的远红外加热装置，其包括：

箱体，所述箱体的上端开口处设有一顶盖，箱体的外表面上设有用于将整个加热装置固定在预成型区的固定连接件；箱体的相对两端留有供纤维树脂复合材料进入、输出的进、出口；

远红外加热器，各远红外加热器成组嵌设在箱体内底部的加热器固定座上，并沿着纤维树脂复合材料的牵引方向设置，通过各组远红外加热器对纤维树脂复合材料进行分区加热；温度传感器，各温度传感器分布于各组远红外加热器所在分区的箱体内侧壁上；以及控制单元，该控制单元置于箱体外部，并与各温度传感器相连，该控制单元包括温度控制单元和加热控制单元；所述温度控制单元实时接收各温度传感器分别获得的所在分区的温度检测信号，并将温度检测信号与预成型区中对应分区的预设温度进行比较，再将比较后的温度偏差反馈到加热控制单元中以调整对应分区中远红外加热器的辐射功率。

其中，所述箱体两端进、出口的上、下两侧各设有一对插槽，每对插槽中分别插入一插板，通过插板的上下插拔来调节箱体两端进、出口的大小。 

其中，所述箱体为双层结构，双层结构之间留有间隙，间隙中填充有用于保温隔热的空气或岩棉。 

其中，所述加热器固定座上设有成组分布的凹槽，每个凹槽内均嵌设有一个远红外加热器，凹槽的分布方向与箱体两端进、出口的轴线方向一致。 

其中，所述加热器固定座上分布有2-3组凹槽，每组凹槽中有2-3个凹槽，每个凹槽中嵌设有一个远红外加热器。 

其中，所述远红外加热器选用远红外加热管、远红外灯或远红外定向辐射板。 

其中，所述箱体的内表面、顶盖的内表面以及加热器固定座的上表面均设有远红外反射层，该远红外反射层用于将远红外加热器向外发散的射线再次向内反射回来对纤维树脂复合材料进行加热，以降低能量损耗。 

其中，所述远红外反射层选用由电热涂层材料喷涂而成的反射层或者由陶瓷纤维制成的反射板。 

其中，所述顶盖上设有观察窗，所述观察窗上装有耐温玻璃；所述顶盖与箱体采用铰链相铰接，顶盖的一侧设有把手。 

其中，所述温度传感器通过支架固设于箱体内部的侧壁上，每组远红外加热器所在加热区中设有一个温度传感器，该温度传感器选用铂热电阻。 

本发明具有以下有益效果： 

（1）本发明是针对快速拉挤中预成型的特点，在传统的几组预成型板成型基础上的附加改进型方案，改造简单、结构紧凑，操作使用方便，节省了购买新装置的费用。

（2）本发明的远红外加热方法和装置改变了传统对纤维树脂复合材料的加热方式，与传统的蒸汽、热风和电阻等加热方式相比，热量可以直接传递，不需任何加热介质，具有升温快、冷却快、加热均匀、设备占地面积小、生产费用低和加热效率高等优点。用它代替电加热，其节电效果尤其显著，并进行分区域辐射加热，一般可节电30%左右。而设置在箱体内表面、顶盖内表面及加热器固定座上表面的远红外反射层，进一步节省了能源。 

（3）本发明的远红外加热装置对纤维树脂复合材料的拉挤预成型免受外界环境的影响，尤其适用于纤维树脂复合芯的快速拉挤成型。远红外热源能够促使树脂受热均匀，改善树脂流淌性，纤维束之间易于分开，减少纤维粘连、起毛，挤下来的树脂实现回流利用，简单的改造实现了产品工艺稳定性、拉挤速度和纤维体积分数的提高等一系列连锁叠加效果。 

附图说明

图1是本发明装置的左视结构示意图； 

图2是本发明装置的右视结构示意图；

图3是本发明装置的俯视结构示意图；

图4是本发明装置集成到预成型后整条拉挤生产线的示意图。

附图标记说明： 

1—纱架，2—加热除湿装置，3—浸胶装置，4—预成型装置，41—预成型板，42—预成型模架，43—退胶槽，5—远红外加热装置， 6—成型模具，7、8—后固化炉，9—牵引机，10—收卷机；

501—温度控制单元，502—加热控制单元，503—箱体；504—加热器固定座；505—插板；506—进口，507—出口，508—顶盖，5081—观察窗，5082—把手，509—远红外反射层，510—铰链，511-固定连接件，512—远红外加热器，513—温度传感器，514-支架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的拉挤预成型区的远红外加热方法及其装置做进一步详细的阐述。 

如图1-图3所示，本发明中拉挤预成型区的远红外加热装置5，主要包括箱体503、远红外加热器512、加热器固定座504、温度传感器513、控制单元和顶盖508。 

该装置的箱体503与顶盖508为上下开合的分体式结构，两者之间通过铰链510相铰接，为了使箱体起到更好的保温隔热作用，可以将箱体壁制成双层结构，双层结构之间留有间隙，间隙中可进一步填充有空气或岩棉。为了可以更好的了解对纤维树脂复合材料的加热情况、方便操作人员的在线观察和操作，可以在顶盖508上开设一观察窗5081，在顶盖的一侧安装把手5082；为了保持箱体的密封性，在观察窗上安装有透明耐温玻璃。 

箱体503外表面四周设有固定连接件511，通过该固定连接件将整个加热装置固定在预成型区域的预成型模架42上（如图4所示）。箱体503的左右两端留有供预成型件通过的进口506和出口507，箱体两端的进、出口在预成型区形成纤维树脂复合材料的走丝通道；为了在不影响拉挤预成型的情况下能够进一步改善整个加热装置的密封状态，可以在箱体两端进、出口506、507的上、下两侧各设有一对对称设置的插槽，在每对插槽中分别插入一插板505，通过插板的上下插拔来调节进、出口的大小，插拔的程度由预成型区纤维树脂复合材料所占空间的大小来确定，插板上靠近进、出口一端的形状与预成型件的形状相适应。 

箱体503内底部设有多个用于承载远红外加热器512的加热器固定座504，沿着纤维树脂复合材料的行走方向（即进、出口506、507的轴线方向）、在加热器固定座504上成组分布有各凹槽，每个凹槽中嵌设有一远红外加热器512，该凹槽的形状与远红外加热器512的外形相适应，通过远红外加热器的分组排布，对于拉挤预成型不同区域的实际要求分别进行强弱控温，提高能源利用效率；在加热器固定座504上最好设有2-3组远红外加热器分别对纤维树脂复合材料进行分区域辐射加热，每组中有2-3个远红外加热器，即加热器固定座上的凹槽数目也采用2-3组，每组凹槽中有2-3个凹槽；远红外加热器以选用远红外加热管、远红外灯或远红外定向辐射板为佳。 

箱体503内设有多个温度传感器513，每个温度传感器513均通过一支架514固定连接于箱体503内的侧壁上，每组远红外加热器所在的区域中可以设有一个或多个温度传感器，该温度传感器以选用铂热电阻为佳，铂热电阻对应于每组远红外加热器所在的加热区域。为了减少热量损失，可以在箱体503的内表面、顶盖508的内表面以及加热器固定座504的上表面均覆盖一远红外反射层509，远红外反射层将向外发散的射线再次向内反射回来，减少远红外加热器所产生的射线向外部散失，节约能源。远红外反射层可以选用喷涂有电热涂层材料的反射板，该反射板能将吸收的辐射热能转换成远红外热能传递，其自身变成远红外辐射热源，产生二次发射，提高加热效率；也可以选用陶瓷纤维材料制成的反射板，该反射板集保温、隔热、反射于一体，一改常规反射罩（铝或不锈钢材料）随时间推移反射效果衰减的弊端，长期使用，反射不衰。 

箱体503的外部连接有一控制单元，其包括温度控制单元501和加热控制单元；温度控制单元实时接收各温度传感器所获得的各区域的温度检测信号，并将该温度检测信号与预设温度进行比较，再将比较后的温度偏差反馈到加热控制单元中来调整对应区域中远红外加热器的辐射功率；预设温度为预先设定在温度控制单元中的对纤维树脂复合材料加热的理想温度，如果温度传感器探测到的某个区域的温度与该预设温度不符时，便控制加热控制单元来调整对应区域中的远红外加热器的辐射功率，使得箱体内各区域的加热温度始终保持该预设温度。 

本发明中拉挤预成型区的远红外加热方法主要是利用远红外热源对纤维树脂体系进行分区辐射加热，升温速度快，加热均匀，改善了树脂的流淌性，纤维束之间易于分开，实现复合材料的快速拉挤，具体步骤如下： 

首先，是通过持续牵引，将纤维树脂复合材料从位于预成型区的箱体一端的进口拉进箱体内；

然后，通过箱体内底部的远红外加热器对纤维树脂复合材料进行分区辐射加热：通过设置在箱体内侧且位于预成型区各分区的温度传感器分别获得各分区的温度检测信号，并将各区域的温度检测信号传至与各温度传感器相连接的温度控制单元中，由温度控制单元将各区域的温度检测信号与预成型区中对应分区的预设温度进行比较；温度控制单元将比较后的温度偏差反馈到与加热控制单元中，通过加热控制单元来调整对应分区中远红外加热器的辐射功率；

最后，经过分区辐射加热后的纤维树脂复合材料从箱体另一端的出口牵引出。

图4是根据本发明的加热装置所改造的拉挤生产线示意图，该生产线包括纱架1、加热除湿装置2、浸胶装置3、预成型装置4（主要包括预成型板41、预成型模架42和退胶槽43等）、预成型件的远红外加热装置5、成型模具6、后固化炉7、后固化炉8、牵引机9以及收卷机10。 

本例中的纤维树脂复合材料是以环氧树脂基体、玻璃纤维、碳纤维拉挤Φ8的复合芯为例对整个生产线的工作原理做如下说明： 

与传统生产拉挤型材的工艺流程大体一样，玻璃纤维、碳纤维从纱架1牵引出，依次经过加热除湿装置2干燥，浸胶装置3浸胶挤胶，经过预成型区的预成型装置4预成型，成型模具6加热固化，后固化炉7、8提高固化度、自然冷却，牵引机9牵引，最后由收卷机10收卷。

改进之处在于：在预成型区添加了本发明的远红外加热装置5，即通过固定连接件511将本发明的加热装置5架设在位于预成型区的预成型模架42上，同时将预成型板41沿着纤维的牵引方向架设于箱体503中，这样在预成型区进行预成型的同时，通过本发明的远红外加热装置对树脂、玻璃纤维和碳纤维进行预热。该加热装置5能够根据环氧树脂基体的粘温特性来设置预成型区中各分区的预设温度，当玻璃纤维和碳纤维在箱体中的走丝通道行走时，温度控制单元501实时接收各温度传感器513（选用铂热电阻）分别获得的该温度传感器所在分区的温度检测信号，并将温度检测信号与预成型区中对应分区的预设温度比较后的温度偏差反馈到加热控制单元502，加热控制单元502调整对应分区中远红外加热器512的辐射功率。通过牵引机牵引浸有树脂的玻璃纤维和碳纤维在箱体503中行走时，由于加热装置的温度降低了树脂的粘度、改善了树脂的流淌性，纤维束之间易于分开，粘连的机会减小，纤维表面附着的树脂量减少，纤维通过预成型环时量易于控制，不易磨损起毛，减少堵环的机会。同时，退胶槽43位于箱体503中的预成型板下方，由于退胶槽位于加热装置的箱体中，所以退胶槽温度的升高将会提高树脂的流动性，使滴下来、挤下来的树脂能够流回浸胶装置3，真正达到树脂的循环利用。经过这样简单的改造，拉挤速度提高到0.4-1m/min，纤维体积分数提高到72-80%，产品性能和设备生产效率显著提高，同时预成型区可以免受外界环境的影响，提高了产品生产工艺的稳定性。 

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。 

Claims (2)

1.一种拉挤预成型区的远红外加热方法，其特征在于：该加热方法是通过持续牵引，将纤维树脂复合材料从位于预成型区的箱体一端的进口拉进箱体内，并通过箱体内底部的远红外加热器对纤维树脂复合材料进行分区辐射加热；经过分区辐射加热后的纤维树脂复合材料从箱体另一端的出口牵引出。

2.如权利要求1所述的拉挤预成型区的远红外加热方法，其特征在于，通过远红外加热器对纤维树脂复合材料进行分区辐射加热的具体方法为：通过设置在箱体内侧且位于预成型区各分区的温度传感器分别获得各分区的温度检测信号，并将各区的温度检测信号传至与各温度传感器相连接的温度控制单元中，由温度控制单元将各区的温度检测信号与预成型区中对应分区的预设温度进行比较；温度控制单元将比较后的温度偏差反馈到加热控制单元中，通过加热控制单元来调整对应分区中远红外加热器的辐射功率。