CN102380956A - 热熔法制备纤维预浸丝的方法及其设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一种热熔法制备纤维预浸丝的方法及其设备，包括有以下步骤：1）根据预浸料生产需要将碳纤维纱筒置于热熔预浸机的放卷装置上；2）纤维丝进入浸胶过程，得到预浸纤维；3）通过吹风冷却，进入加膜装置，经过展平、限位、贴合和辊压，将预浸纤维压贴在隔离膜的中央，得到加膜预浸纤维；4）进入收卷装置，在收卷控制器和总体控制器的控制下，实现螺旋收卷，从而实现纤维预浸丝的制备。本发明的有益效果：本发明适用于纤维增强复合材料制品干法缠绕或铺放成型生产的原料制备，单卷预浸纤维的收卷长度可达到3000m以上，降低了生产过程换碳纤维纱团的频度，提高了生产效率；减少了制品中的纤维断头，提高了制品综合性能。

Description

热熔法制备纤维预浸丝的方法及其设备

技术领域

本发明涉及到一种热熔法制备纤维预浸丝的方法及其设备，适用于纤维增强复合材料制品干法缠绕或铺放成型生产的原料制备。

背景技术

预浸料可直接用于复合材料制品的制造，被广泛运用在航空航天以及国防设备，特别是飞机螺旋桨、机翼、机身和一些重要壳体结构的制造中。该材料的应用程度直接反映一个国家的航天航空工业和国防装备水平。欧美等发达国家长期对预浸料生产应用及制造的关键设备实行出口限制和技术封锁，国内这方面发展也比较缓慢。

目前的预浸料制备通常采用如下工艺制备：胶膜纸制备、纤维丝排纱络纱、两层胶膜纸与纱片加压加热热熔浸渍、剥离上层隔离纸、覆盖PE隔离膜和收纳成卷等，该工艺生产的预浸料为宽无纬带预浸料，具有胶量控制好、不用参入挥发份溶剂等优点，适用于作为大面积构件的手工铺叠成型生产的原料。但由于采用宽幅预浸料制备（通常为900mm、1200mm等），收卷时只能在径向逐层卷绕，不能在轴向排纱卷绕，因而受卷料外径和重量的限制，使得单卷预浸料纤维长不能太长，一般为300多米。这使得应用这种预浸料进行制品成型的机器自动生产时，需要频繁上料而严重影响生产效率的提高，而且会导致制品中纤维接头较多，张力均匀性差等问题。另外，换新纱停机时，树脂停留在加热板上，由于温度较高，树脂一直处于受热状态，将影响预浸料的粘性和成型性能。这些问题都直接影响了预浸料制品的质量和经济性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术而提出一种热熔法制备纤维预浸丝的方法，实现了预浸料单卷纤维丝长超过3000米的制备，以解决宽预浸带单卷带长过短造成使用过程中频繁停机换带的问题，提高干法复材制品的生产效率；而且简化了预浸料的制备过程和生产装备，极大提高了复合材料预浸料制品的性能和自动化成型效率。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：热熔法制备纤维预浸丝的方法，包括有以下步骤：

1）根据预浸料生产需要将碳纤维纱筒置于热熔预浸机的放卷装置上，采用张力控制器对纤维丝的张力进行控制，保证导纱过程中纤维丝的张力稳定在30±2N，保持纤维丝浸胶和收卷张力，各碳纤维纱筒设有独立的导纱路径进行限位，避免纤维丝之间的相互干涉，放卷装置采用卧式安装；

2）纤维丝从放卷装置出来，通过浸胶装置的展平和限位后，进入浸胶过程，使纤维丝和树脂合理结合，得到预浸纤维；

3）从浸胶装置出来的预浸纤维在冷却装置上通过吹风冷却，进入加膜装置，经过展平、限位、贴合和辊压，将预浸纤维压贴在隔离膜的中央，得到加膜预浸纤维，使得收卷后的预浸纤维相互间能得到可靠隔离，避免了预浸纤维之间的粘连；

4）加膜预浸纤维进入收卷装置，在收卷控制器和总体控制器的控制下，实现加膜预浸纤维的螺旋收卷，从而实现纤维预浸丝的制备。

按上述方案，步骤2）浸胶过程的主要工艺参数控制如下：通过设置的温度压力控制器，在线测控浸胶温度，控制浸胶温度为80±1℃，在线调整控制浸胶压力，控制浸胶压力为70±5N；通过设置的收卷控制器，实现浸胶过程的速度大小调整，控制恒速度为9m/min；通过设置的张力控制器，实现纤维丝的浸胶张力的调整和控制，控制浸胶张力为30±2N。

按上述方案，步骤4）所述的螺旋收卷的缠绕角为60度。即收卷的预浸纱团的加膜预浸纤维与收卷轴的轴线之间夹角为60度。

本发明的另外一个目的是提供一种热熔法制备纤维预浸丝的热熔预浸机，其包括有放卷装置，浸胶装置，冷却装置，加膜装置、收卷装置、张力控制器、收卷控制器、总体控制器和温度压力控制装置，其中，

所述的放卷装置，包括有转轴、锁紧螺母、夹块、轴承、轴承座和支板，转轴、锁紧螺母和夹块由轴承、轴承座和支板支撑，纤维纱筒安装在两夹块中间并通过锁紧螺母与转轴锁紧成一体，放卷装置上还设有张力控制器，连接在转轴安装纤维纱筒的另一端，张力控制器接收与其相连的总体控制器送来的张力补偿控制信号，实现纤维丝的张力在30±2N的控制；

所述的浸胶装置包括有三个辊，其连接于放卷装置之后，上侧的两个辊与温度压力控制装置相连，用于放置热熔树脂，下侧的一个辊与上侧的两个辊紧密配合，以将纤维丝压紧在上侧的两个辊的底部；

所述的冷却装置连接于浸胶装置和加膜装置之间；

所述的加膜装置，包括有展平辊、限位辊、隔离膜放卷、压辊和支板，限位辊的限位中心与隔离膜放卷出来的隔离膜中心对齐，压辊设置在预浸纤维与隔离膜的贴合处，限位辊和压辊确保预浸纤维压帖在隔离膜中央，使得收卷后预浸纤维相互间能得到可靠隔离；

所述的收卷装置连接于加膜装置之后，包括有固定支板、出纱限位辊、收卷轴，床头、收卷回转伺服电机、收卷移动伺服电机和床头底座；固定支板与加膜装置固连，固定支板上设置有出纱限位辊，使得出纱限位辊和加膜装置的相对位置固定，收卷轴和收卷回转伺服电机相配合并安装在床头上，实现收卷轴的回转运动，床头与床头底座相连，收卷移动伺服电机与床头底座相配合，通过收卷移动伺服电机和丝杠螺母的传动使床头在床头底座上做往复移动，实现带隔离膜预浸纤维的螺旋收卷，收卷装置还连接有收卷控制器，对螺旋收卷过程的回转运动与往复运动进行控制，实现带隔离膜预浸纤维的螺旋收卷控制。

按上述方案，所述的总体控制器分别与收卷控制器和张力控制器电连接，向收卷控制器传输速度控制信号，以实现9m/min的预浸纤维恒定生产速度控制，向张力控制器传输张力补偿控制信号，实现30±2N的纤维丝张力控制。

本发明的收卷装置与现有技术的预浸带收卷装置的主要区别在于，预浸带收卷装置只有收卷回转一个运动，而本收卷装置在收卷芯轴进行转动收卷的同时，收卷装置的收卷轴还可在其轴线方向进行左右移动，设置的收卷控制器对收卷过程的回转运动与往复运动关系进行控制，实现加膜预浸纤维的60度缠绕角螺旋收卷，总体控制器根据预浸纤维的浸胶速度和收卷卷径变化情况确定收卷速度大小，并将速度控制信号传输给收卷控制器，实现9m/min的预浸料恒定生产速度控制。

本发明的收卷装置的螺旋收卷实现方式区别于现有技术的缠绕机螺旋缠绕实现方式的是，缠绕机通过芯轴的回转和丝嘴沿芯轴轴向往复运动实现螺旋缠绕，而收卷装置的出丝嘴是固定的，螺旋缠绕通过芯轴的回转和芯轴自身沿其轴向往复运动来实现。这种螺旋收卷方式的出丝嘴固定，使得螺旋收卷对预浸纤维的隔离膜施加工艺干扰很小，收卷装置与加膜装置间可以短距离安装，减小了设备占地空间，另外，如采用左右移动丝嘴方式进行螺旋收卷，由于隔离膜有一定宽度，在其宽度方向的弯曲势必造成隔离膜曲翘打皱和脱离预浸纤维现象，而本发明的收卷装置则避免了这些问题。

本发明的有益效果：本发明适用于纤维增强复合材料制品干法缠绕或铺放成型生产的原料制备。通过纤维丝与热熔环氧树脂的浸渍、隔离膜的贴合和螺旋收卷等工艺设备，实现了热熔预浸纤维的生产，若在设备上设置多条预浸通道，可实现多根预浸纤维的同时制备，本发明通过利用隔离膜将预浸纤维进行隔离，避免了预浸纤维收卷成团后的粘连问题；螺旋收卷采用出丝嘴固定，收卷轴的芯轴回转和轴向往复运动的形式，避免了螺旋收卷对加膜工艺的干扰，也避免了螺旋收卷过程隔离膜曲翘和脱离预浸纤维的问题；以螺旋方式收卷的预浸纤维，利用了在径向和轴向方向的卷绕空间，单卷预浸纤维的收卷长度可达到3000m以上，相比预浸带只能在径向方向卷绕的单卷300m收卷长度，使用这种预浸纤维进行制品的自动成型生产的优点有：降低了生产过程换碳纤维纱团的频度，提高了生产效率；减少了制品中的纤维断头，提高了制品综合性能；选择不同数量的碳纤维纱团并可得到生产所需的带宽，提高了生产工艺的灵活性；预浸纤维通过控制系统以螺旋方式缠绕收卷在芯轴上，还避免了预浸带同一位置缠绕可能出现的纤维塌落、边界不整齐和单卷丝长过短等缺点。

附图说明

图1所示为本发明制备方法的流程示意图；

图2所示为各个组成部分的连接简图；

图3所示为本发明热熔预浸机的收卷装置的结构示意图；

图4所示为本发明热熔预浸机的放卷装置的结构示意图；

图5所示为本发明热熔预浸机的加膜装置的结构示意图。

具体实施方式

以下即针对上述目的，结合附图详细说明本设计可行的实施实例。

本发明提供一种制备纤维预浸丝的方法的热熔预浸机，其包括有放卷装置1，浸胶装置2，冷却装置3，加膜装置4、收卷装置5、张力控制器6、收卷控制器7、总体控制器8和温度压力控制装置9，其中，

所述的放卷装置1，包括有转轴17、锁紧螺母18、夹块19、轴承21、轴承座23和支板22，转轴17、锁紧螺母18和夹块19由轴承21、轴承座23和支板22支撑，纤维纱筒20安装在两夹块19中间并通过锁紧螺母18与转轴17锁紧成一体，纤维纱筒20和转轴可以绕轴心转动实现纤维放卷，放卷装置1上还设有张力控制器6，连接在转轴17安装纤维纱筒20的另一端，张力控制器6接收与其相连的总体控制器8送来的张力补偿控制信号，实现纤维丝的张力在30±2N的控制；

所述的浸胶装置2包括有三个辊，其连接于放卷装置1之后，上侧的两个辊与温度压力控制装置9相连，用于放置热熔树脂，下侧的一个辊与上侧的两个辊紧密配合，以将纤维丝压紧在上侧的两个辊的底部；通过温度压力控制装置9实现热熔树脂温度80±1℃的控制，两辊转动后在辊表面附着一层树脂，与从辊下边通过纤维浸渍；下侧的一个辊将纤维压紧在上侧辊的底部，压紧力通过设置的温度压力控制装置9控制在70±5N内；

所述的冷却装置3连接于浸胶装置2和加膜装置4之间；采用风冷方式冷却，通过吹风将预浸纤维温度冷却至30℃附近；

所述的加膜装置4，包括有展平辊24、限位辊25、隔离膜放卷26、压辊27和支板28，限位辊25的限位中心与隔离膜放卷26出来的隔离膜中心对齐，压辊27设置在预浸纤维与隔离膜的贴合处，限位辊25和压辊27确保预浸纤维压帖在隔离膜中央，使得收卷后预浸纤维相互间能得到可靠隔离；

所述的收卷装置5连接于加膜装置4之后，包括有固定支板10、出纱限位辊11、收卷轴12，床头13、收卷回转伺服电机14、收卷移动伺服电机15和床头底座16；固定支板10与加膜装置4固连，固定支板10上设置有出纱限位辊11，使得出纱限位辊11和加膜装置4的相对位置固定，收卷轴12和收卷回转伺服电机14相配合并安装在床头13上，实现收卷轴的回转运动，床头13与床头底座16相连，收卷移动伺服电机15与床头底座16相配合，通过收卷移动伺服电机15和丝杠螺母的传动在床头底座16上做往复移动，实现带隔离膜预浸纤维的螺旋收卷，通过移动收卷床头而非通过移动出丝嘴的方法实现的螺旋收卷，可以保证带隔离膜预浸纤维不在隔离膜宽方向弯曲，避免了隔离膜打皱和脱离预浸纤维等问题；收卷装置5还连接有收卷控制器7，对螺旋收卷过程的回转运动与往复运动进行控制，实现带隔离膜预浸纤维的60度缠绕角螺旋收卷。

所述的总体控制器8分别与收卷控制器7和张力控制器6电连接，向收卷控制器7传输速度控制信号，以实现9m/min的预浸纤维恒定生产速度控制，向张力控制器6传输张力补偿控制信号，实现30±2N的纤维丝张力控制。

本发明的热熔预浸机适用于纤维和热熔环氧树脂进行复合，通过在预浸纤维表面覆盖一层PE隔离膜进行预浸纤维的隔离，再通过收卷装置进行加膜预浸纤维收卷制备。

下面详细介绍本发明的热熔预浸机的工作原理及过程：根据预浸料生产需要先将一定数量的碳纤维纱筒置于热熔预浸机的放卷装置1上，在退绕的过程中，碳纤维纱筒的直径是逐渐变小的，纤维丝的张力会随着发生变化。为了保证导纱过程中碳纤维的张力稳定在一定值，在每个放卷装置1包括有独立的张力控制器6，其接收与其相连的总体控制器8送来的张力补偿控制信号，实现工作过程中的恒张力控制，导纱过程中纤维丝的张力稳定在30±2N，，保持纤维丝浸胶和收卷张力，各碳纤维纱筒设有独立的导纱路径进行限位，避免纤维丝之间的相互干涉，放卷装置采用卧式安装。纤维丝从放卷装置1出来，通过浸胶装置2的展平和限位后，并通过加热的树脂以及辊挤压等工序，使碳纤维和树脂以一定的形式在一定的温度、速度、张力和压力下合理结合，浸胶装置2中采用的是热熔法浸胶，通过温度压力控制器9对树脂温度进行控制，在线测控树脂的浸胶温度为80±1℃，以控制树脂的粘性，从而在粘性适当的条件下对纤维进行浸胶处理，使得纤维丝被树脂充分地浸透，并在线调整控制浸胶压力，施加适当的压力为70 ±5N，使树脂均匀分布，浸胶后的纤维表面平整。通过设置的收卷控制器7，实现浸胶过程的速度大小调整，控制恒速度为9m/min，以提高生产效率，通过设置的张力控制器6即时调整和控制纤维丝的浸胶张力达到30±2N，使浸胶张力既能满足树脂完全浸透，又能保证预浸料的具有良好的外观和性能。

浸胶工艺参数控制详细介绍如下：

1．浸胶温度  纤维的浸透性依赖于树脂和纤维的表面状态和浸胶条件，树脂粘度是影响纤维浸透性的重要因素，主要通过预浸温度来控制。提高预浸温度，可以提高树脂流动性，有利于纤维浸透，但过高温度会造成树脂的固化反应，影响预浸料的质量和储存期限，因此，选择一个既能保证浸透性又能保证的预浸树脂不产生固化反应的温度是制备预浸料的关键，温度的控制通过温度压力控制器9实现；

2．浸胶压力  在其他参数不变的情况下，适当大的压力可以使树脂均匀分布，纤维表面平整，但是过大的压力就会压伤纤维，造成树脂向辊子两端流失，从而使纤维中树脂含量降低，本发明设置有温度压力控制器9，可以对浸胶压力进行在线调整控制；

3．浸胶速度  在预浸温度和压力都不变的情况下，运行速度低，纤维浸透性好，但浸胶速度慢；运行速度高，浸胶速度快，生产效率高，但树脂与纤维接触时间短，流动树脂不能与纤维充分地接触和浸透，导致纤维浸透性差；因而浸胶速度的变化通常会影响预浸料树脂含量的变化，实际生产中由于收纱纱团的直径不断增大，需要通过控制收卷转速来保证浸胶速度的恒定，并且在保证纤维充分浸透的前提下，适当增加浸胶运行速度，本发明设置收卷控制器7和总控制器8，可以实现浸胶过程的速度大小调整和恒速度控制；

4．浸胶张力  张力对树脂的浸透有直接的影响。张力太大树脂不能完全充分浸透，张力太小会出现纤维弯曲，影响了预浸料的外观和收卷性能，本发明设置张力控制器6和总控制器8，以实现合适的纤维浸胶张力大小的调整和控制。

从浸胶装置2出来的预浸纤维在冷却装置3上通过吹风冷却，进入加膜装置4，经过展平、限位、贴合和辊压，将预浸纤维压贴在隔离膜的中央，得到加膜预浸纤维，使得收卷后的预浸纤维相互间能得到可靠隔离，避免了预浸纤维之间的粘连；

最后，加膜预浸纤维到达收卷装置5，进行预浸纤维丝收卷，完成预浸料的制备。预浸纤维丝采用螺旋方式收卷，所述的加膜预浸纤维与收卷装置的收卷轴的轴线之间夹角为60度，由芯轴回转运动和芯轴沿其轴向的往复运动实现，收卷装置5设有两个运动的传动系统：一个是同步齿形带及带轮组成的芯轴回转传动系统，另一个是由丝杆螺母副构成的芯轴沿其轴向往复运动传动系统。收卷控制器7和总控制器8对回转电机和往复运动电机进行控制，实现带膜预浸纤维在芯轴上的往复收卷排布控制和收卷速度控制。收卷控制器7能根据要求进行收卷排纱线型控制、收卷层纱排宽控制并结合总控制器8进行收卷转速控制和收卷恒线速的卷径补偿控制。

Claims (5)

1.热熔法制备纤维预浸丝的方法，包括有以下步骤：

1）根据预浸料生产需要将碳纤维纱筒置于热熔预浸机的放卷装置（1）上，采用张力控制器（6）对纤维丝的张力进行控制，保证导纱过程中纤维丝的张力稳定在30±2N，保持纤维丝浸胶和收卷张力，各碳纤维纱筒设有独立的导纱路径进行限位，避免纤维丝之间的相互干涉，放卷装置采用卧式安装；

2）纤维丝从放卷装置（1）出来，通过浸胶装置（2）的展平和限位后，进入浸胶过程，使纤维丝和树脂合理结合，得到预浸纤维；

3）从浸胶装置（2）出来的预浸纤维在冷却装置（3）上通过吹风冷却，进入加膜装置（4），经过展平、限位、贴合和辊压，将预浸纤维压贴在隔离膜的中央，得到加膜预浸纤维，使得收卷后的预浸纤维相互间能得到可靠隔离，避免了预浸纤维之间的粘连；

4）加膜预浸纤维进入收卷装置（5），在收卷控制器（7）和总体控制器（8）的控制下，实现加膜预浸纤维的螺旋收卷，从而实现纤维预浸丝的制备。

2.按权利要求1所述的热熔法制备纤维预浸丝的方法，其特征在于步骤2）浸胶过程的主要工艺参数控制如下：通过设置的温度压力控制器（9），在线测控浸胶温度，控制浸胶温度为80±1℃，在线调整控制浸胶压力，控制浸胶压力为70±5N；通过设置的收卷控制器（7），实现浸胶过程的速度大小调整，控制恒速度为9m/min；通过设置的张力控制器（6），实现纤维丝的浸胶张力的调整和控制，控制浸胶张力为30±2N。

3.按权利要求1或2所述的热熔法制备纤维预浸丝的方法，其特征在于步骤4）所述的螺旋收卷的缠绕角为60度。

4.热熔法制备纤维预浸丝的热熔预浸机，其包括有放卷装置（1），浸胶装置（2），冷却装置（3），加膜装置（4）、收卷装置（5）、张力控制器（6）、收卷控制器（7）、总体控制器（8）和温度压力控制装置（9），其中，

所述的放卷装置（1），包括有转轴（17）、锁紧螺母（18）、夹块（19）、轴承（21）、轴承座（23）和支板（22），转轴（17）、锁紧螺母（18）和夹块（19）由轴承（21）、轴承座（23）和支板（22）支撑，纤维纱筒（20）安装在两夹块（19）中间并通过锁紧螺母（18）与转轴（17）锁紧成一体，放卷装置（1）上还设有张力控制器（6），连接在转轴（17）安装纤维纱筒（20）的另一端，张力控制器（6）接收与其相连的总体控制器（8）送来的张力补偿控制信号，实现纤维丝的张力在30±2N的控制；

所述的浸胶装置（2）包括有三个辊，其连接于放卷装置（1）之后，上侧的两个辊与温度压力控制装置（9）相连，用于放置热熔树脂，下侧的一个辊与上侧的两个辊紧密配合，以将纤维丝压紧在上侧的两个辊的底部；

所述的冷却装置（3）连接于浸胶装置（2）和加膜装置（4）之间；

所述的加膜装置（4），包括有展平辊（24）、限位辊（25）、隔离膜放卷（26）、压辊（27）和支板（28），限位辊（25）的限位中心与隔离膜放卷（26）出来的隔离膜中心对齐，压辊（27）设置在预浸纤维与隔离膜的贴合处，限位辊（25）和压辊（27）确保预浸纤维压帖在隔离膜中央，使得收卷后预浸纤维相互间能得到可靠隔离；

所述的收卷装置（5）连接于加膜装置（4）之后，包括有固定支板（10）、出纱限位辊（11）、收卷轴（12），床头（13）、收卷回转伺服电机（14）、收卷移动伺服电机（15）和床头底座（16）；固定支板（10）与加膜装置（4）固连，固定支板（10）上设置有出纱限位辊（11），使得出纱限位辊（11）和加膜装置（4）的相对位置固定，收卷轴（12）和收卷回转伺服电机（14）相配合并安装在床头（13）上，实现收卷轴的回转运动，床头（13）与床头底座（16）相连，收卷移动伺服电机（15）与床头底座（16）相配合，通过收卷移动伺服电机（15）和丝杠螺母的传动使床头在床头底座（16）上做往复移动，实现带隔离膜预浸纤维的螺旋收卷，收卷装置（5）还连接有收卷控制器（7），对螺旋收卷过程的回转运动与往复运动进行控制，实现带隔离膜预浸纤维的螺旋收卷控制。

5.按权利要求4所述的热熔预浸机，其特征在于所述的总体控制器（8）分别与收卷控制器（7）和张力控制器（6）电连接，向收卷控制器（7）传输速度控制信号，以实现9m/min的预浸纤维恒定生产速度控制，向张力控制器（6）传输张力补偿控制信号，实现30±2N的纤维丝张力控制。

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