CN102947496B - 用于伸展纤维束以供预浸料的连续生产的设备及方法 - Google Patents

Abstract

本文提供通过对整个装置策略性地采用张力控制及在从动辊与移动纤维束的线速度之间采用较高差速来生产伸展纤维束的设备，以及用于生产伸展纤维、预浸料的方法及从所述方法得到的制造物品。

Description

用于伸展纤维束以供预浸料的连续生产的设备及方法

技术领域

本发明涉及均匀伸展连续复丝纤维束及单向平行布置以连续生产具有减小的间隙及改进的纤维-树脂分布的预浸料。更明确地说，本发明涉及对整个设备采用张力控制及在从动辊的表面圆周速度与纤维束的线速度(或移动速度)之间采用较高差速的设备，以及使用其来获得用于制造具有均匀厚度及极少外观缺陷的纤维增强塑料制品的预浸料材料的方法。

背景技术

所属领域众所周知增强纤维经基质树脂浸渍的预浸料，且其被广泛用于比如飞机及汽车材料、医用材料、及供运动及休闲用的成形材料(例如钓杆、高尔夫球杆、羽毛球拍、网球拍等)等多种工业/高性能领域。

生产具有较小厚度不规则性的较均匀的预浸料为优选的且对于总体产品质量至关重要。为实现此目的，必需于形成预浸料时，在用基质树脂浸渍增强纤维束之前展开(即伸展)增强纤维束，以减小增强纤维束的厚度及使基质树脂充分填充增强纤维束的单根纤维之间的空隙。

因此，有效并适当展开或伸展未加工的增强纤维束的技术对于生产具有均匀厚度、减小的纤维间的间隙及适当纤维-树脂分布的预浸料至关重要。所属领域已知用于伸展纤维束及/或制造预浸料的不同设备及方法，且包括例如美国专利第4,495,017号、第5,042,122号、第5,182,839号及第6,743,392号中所描述的设备及方法。

另外，一般已知张力是用于伸展含复丝的纤维束的原动力。因此，较高的张力通常引起束中纤维的较宽伸展。然而，张力过高会因纤维相对于树脂的渗透率减小、纤维拧成绳状及纤维的损坏(由此导致起毛)或纤维的断裂而使浸渍变得困难。张力增加也增加整个设备中的力及转矩，而导致工艺成本增加。

因此，需要进一步改进用于伸展具有复丝的多股相邻纤维束以连续生产预浸料的设备及方法。均匀伸展连续复丝纤维束及单向平行布置所述伸展纤维以连续生产具有经减小的间隙及经改进的纤维-树脂分布的预浸料的设备及方法将是所属领域中一个有用的进步且可在工业中快速地被接受。

发明内容

现已发现连续复丝纤维束可于较低张力下均匀地伸展，由此增加对树脂的渗透性，减小间隙而防止拧成绳状(roping)，并减少因损坏而导致的起毛，从而提供优异的预浸料产品且最终提供由其制造的优异的制造物品。这些改进是通过针对整个伸展设备策略性地采用张力控制来实现。此进展驱使纤维束的张力达到极高，然后使其降低，以致通过在整个设备中采用中等张力，增加纤维伸展，无需采用另外认为是实现所述目标所需的极高张力。另外，也已显示在从动辊棒与移动纤维束之间采用较高差速可改进纤维伸展力学。

因此，在一方面中，本发明提供一种用于生产伸展纤维束的设备，所述设备具有张力控制模块，所述模块包括配置成一系列静态棒的张力增大单元及配置成一系列从动辊的张力减小单元，其中所述静态棒及从动辊配置成垂直于直接缠绕接触这些系列的静态棒及从动辊的表面的移动纤维束的方向，且其中所述从动辊的圆周表面速度是以所述移动纤维束的线速度的至少3倍操作。

在另一方面中，本发明提供用于生产伸展纤维束的方法，所述方法采用本文所述设备，通过使纤维束以直接缠绕接触一系列静态棒及/或从动辊的表面的方式移动，并通过以相对于所述移动纤维束的速度的较高差速操作所述从动辊来控制通过所述设备的所述纤维的张力，由此伸展所述纤维束。

本文中详细描述的本发明也涉及预浸料的生产。因此，在另一方面中，本发明提供用于连续生产经单向布置且具有纤维间均匀分布的轧制预浸料的方法，所述方法是通过集成本文中所述设备作为复合加工机器的一部分，使多股相邻纤维束以直接缠绕接触一系列静态棒及/或从动辊的表面的方式移动，通过以相对于移动纤维束的速度的较高差速操作所述从动辊来伸展这些多股相邻纤维束，并用预定量的树脂浸渍所述伸展纤维束来进行。

在其它方面中，本发明提供通过使预定量的树脂浸入根据本文中详细描述的方法制得的伸展纤维束中来生产预浸料的方法。

在另一方面中，本发明提供根据本文中详细描述的方法制得的预浸料，以及由根据所述方法制得的预浸料制造的制造物品。

在另一方面中，本发明提供一种具有两个或两个以上根据本文中详细描述的本发明的纤维伸展装置的复合加工系统，其中每一伸展装置位于不同路径中且接收不同组的多股相邻纤维束。

从结合附图及实例的本发明不同方面的以下详细描述将了解本发明的这些及其它目的、特征及优点。

附图说明

图1提供根据本发明一个实施例的设备的侧视图，其中可见具有复丝的单一纤维束，其直接缠绕接触一系列静态棒及从动辊的表面，以提供具最佳张力且经均匀分布的伸展纤维。

图2为根据本发明另一实施例的设备的透视图，所述设备提供张力调节单元作为设备的一部分。

图3为根据本发明的设备的另一实施例的透视图，所述设备被提供作为复合加工机器的组件。此装备可用于进行根据本发明的连续生产轧制预浸料的方法。在所描述的特定实施例中，两个根据本发明的纤维伸展装置位于不同路径中且各自可用以接收缠绕在定位于一个或一个以上张力线架(图中未示)上的多个线轴上的一组多股相邻纤维束。所述纤维伸展装置位于所述张力线架的下游及复合加工系统(比如具有浸渍构件的预浸料加工机器)的上游。

具体实施方式

本发明提供一种通过对整个伸展装置策略性采用张力控制及在从动辊与纤维束的线速度之间采用较高差速来生产伸展纤维束的设备，以及用于生产伸展纤维及预浸料的方法及由其制造的制造物品。如上所概述，已发现可通过对整个伸展设备策略性采用张力控制及在辊棒表面与纤维线速度之间采用较高差速来极大地改进所属领域已知的纤维伸展机械。张力为伸展复丝纤维束的主要因素，但其也为(例如张力过高)导致拧成绳状、减小树脂浸渍的渗透率以及比如起毛(也称为起球)、堆积性间隙(pilling gap)、纤维无序等缺陷的主要因素。增加、维持且然后减小整个伸展循环中的张力提供了防止拧成绳状及其它非所要的纤维性质，而且最大化伸展，由此展开纤维束并控制(即增加或减小)树脂浸渍的渗透率的必需方式。当辊棒的表面速度与纤维束的线速度/移动速度的比率增加超过2倍时，观察到伸展的明显增益。然而，所述增益以对数行为衰减。纤维伸展力学的改进最终引起预浸料产品及由其制得的物品的改进，因为厚度的均匀度及间隙的出现以及纤维-树脂分布对于总体产品质量至关重要。

设备

因此，在一方面中，本发明提供一种用于生产伸展纤维束的设备，其具有张力控制模块，所述模块包括经配置为一系列静态棒的张力增大单元及经配置为一系列从动辊的张力减小单元，其中所述静态棒及从动辊是经配置为垂直于直接缠绕接触这些系列的静态棒及从动辊的表面的移动纤维束的方向，且其中所述张力增大单元的从动辊是以使得它们的圆周表面速度为所述移动纤维束线速度的至少3倍的方式操作。

用于根据本发明的设备中的纤维束为由大量单丝(例如，6K/束，12K/束，或更多)构成的纤维束，且优选其为由连续长丝束构成的纱或丝束。例如，所述纤维束可包括(但不限于)有机纤维，比如聚酰胺纤维、聚酯纤维、聚丙烯腈纤维、聚乙烯醇纤维等；有机耐热纤维，比如芳族聚酰胺(例如，(美国杜邦公司(Dupont，U.S.))纤维、聚氟烃纤维、酚树脂(美国卡波丹姆公司(Carbonrandam，U.S.))纤维、聚酰胺-酰亚胺纤维、聚酰亚胺纤维等；人造纤维及天然纤维；无机纤维，比如玻璃纤维、氮化硼纤维、碳纤维(包括碳质纤维、石墨化纤维及耐火纤维)、氮化硅纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、氧化锆纤维、石棉纤维等；金属纤维，比如铜纤维、钨合金纤维、铁纤维、铝纤维、不锈钢纤维等；复合纤维，比如具有钨芯的硼纤维、具有钨芯的碳化硼纤维，具有钨芯、硼芯的碳化硅纤维等，及所有其它具有纤维形式的纤维。也可使用由以上提及的纤维中的两者或两者以上的组合构成的纤维束。所述纤维束可具有施胶剂或油沉积于其上，以便于处理及防止对纤维造成损坏。所属领域的技术人员已知典型且适宜的施胶剂，且其可包括例如美国专利第4,495,017号中所述者。在一个实施例中，移动纤维束是选自碳、玻璃、聚酰胺、聚酰胺-酰亚胺、聚酰亚胺、芳族聚酰胺及其组合。

纤维束包括经布置成可缠绕于线轴上的平行的增强纤维形式的多股丝。可将纤维线轴置于张力线架上，以致在将其提供于所述设备时，可通过梳或耙以规则分隔的间隔布置这些多股增强纤维束。本文中所用术语“移动纤维束”具有所属领域的技术人员所知的一般含义，且是指例如通过拉鼓(pull-drum)或卷绕辊(take-up roll)自张力线架上的线轴拉动通过所述设备的纤维。在某些实施例中，移动纤维束可包括多重相邻束。在其它实施例中，两组或两组以上的多重相邻纤维束可提供于不同路径中，以通过对应数量的根据本发明的纤维伸展装置伸展。

在从动辊之前增加纤维束的张力使纤维伸展最大化，而不需过度增加张力。在本发明中，张力最初是通过使用张力增大单元增加。在某些实施例中，所述张力增大器包括选自张力线架；以比移动纤维束的线速度慢的速度操作的一个或一个以上从动辊(即慢速辊)；一个或一个以上静态棒(即无法旋转的固定型棒)；及其组合的部件。在一些实施例中，可由一系列的慢速从动辊及静态棒提供张力增大单元。在其它实施例中，可由一个或一个以上静态棒提供张力增大单元。

在某些实施例中，设备可包括张力调节段，其位于张力增大段的下游且具有一系列静态棒及以比移动纤维束的线速度快的速度操作的一个或一个以上从动辊(即快速或高速辊)。所述段可用以在从动辊上调整纤维束的张力下降，而在纤维直接缠绕接触静态棒的表面时使纤维束的张力重新增大，由此利用每一个重复循环进一步展开/伸展所述纤维束。在一些实施例中，所述张力调节段可具有交替定位的高速从动辊及静态棒。在其它实施例中，所述高速从动辊可夹入一个或一个以上所述静态棒。纤维伸展设备的静态棒及从动辊可以水平或垂直排列布置，只要移动纤维束是直接缠绕接触从动辊及静态棒的表面即可。

根据本发明的设备还包括具有一系列高速从动辊的张力减小段/单元，其帮助减小移动纤维束的张力。如本文中所使用，术语“系列”具有所属领域的技术人员所知的一般含义，且是指其所修饰的两个或两个以上对象。

纤维束的移动速度(即传送速度)可在2m/min到20m/min范围内，且优选为2到10m/min。在一些实施例中，高速从动辊的圆周表面速度介于移动纤维束的速度的3到100倍范围内。例如，在某些实施例中，高速辊的圆周表面速度可介于移动纤维束的速度的3到50倍范围内；介于移动纤维束的速度的3到25倍范围内；或介于移动纤维束的速度的3到10倍范围内。

具有柱体或圆柱体的至少一部分曲面的静态棒及从动辊(或其有时被称为的伸展器主体为实心或空心柱体或圆柱体，且还可使用从大直径柱体或圆柱体切下的一部分曲面。材料并无特别规定，但优选地选择具有小摩擦系数、不会因与纤维束摩擦而产生极度变形或磨损且不会氧化而具有尖锐结晶结构的材料。通常，使用不锈钢，但也可使用由经比如特氟隆(teflon)等合成树脂覆盖的金属(铁、铜等)及无机物质(比如玻璃、氧化铝等)制得的静态棒或从动辊。在考虑纤维束的伸展宽度与损坏度间的平衡下选择直径、数量、组合类型及空间布置，且因此它们是无法明确确定的，但对于具有高弹性模量的纤维束，使用具有大直径的伸展器主体，且期望应考虑纤维束与曲面间的接触长度及由张力所引起的对所述伸展器主体的压制力来选择所述伸展器主体的数量、组合类型及空间布置。伸展器主体的类型(无论它们是固定型(即静态)，还是于纤维束的行进方向上产生差别圆周速度的驱动型)都会对伸展效果(纤维束的伸展宽度及损坏度)产生极大影响。因此，在实施本发明的方法时，期望考虑以上提及的效应，单独地使用不同类型辊或者将两种或两种以上类型组合地使用。此外，纤维束的张力及速度当然应为均匀的以便所述纤维束不会呈现任何无序，且它们是与伸展效果相关地进行选择。

根据本发明的设备也可包括对静态棒及从动辊两者使用表面抛光，由此进一步减小展开纤维束并达到特定纤维宽度所需的张力。所述静态棒及从动辊可(例如)由不锈钢制成且利用不同粒度的砂纸进行轴向砂磨。例如，在一些实施例中，所述静态棒及从动辊棒可具有通过用180粒度到400粒度砂纸且优选用180粒度到220粒度砂纸砂磨而赋予的表面抛光。在其它实施例中，一些伸展器主体可利用1粒度尺寸进行表面抛光，而其它伸展器主体是利用不同粒度尺寸进行表面抛光。类似地，所述伸展器主体也可具有不同的表面抛光度。例如，在一些实施例中，所述伸展器主体可同时经压窝及砂磨，或经某种程度的压窝及某种程度的砂磨。在其它实施例中，伸展器主体可通过所属领域的普通技术人员所知的可减小纤维于所述伸展器主体上的摩擦系数且同时于较低张力下伸展纤维束的任何方式进行表面抛光。

另外，可能希望通过使纤维束经过称为耙的梳状结构来布置彼此平行且相邻的单向纤维束的位置。在一些实施例中，可将此种耙定位于线架的下游及张力增大单元的上游，以便纤维束定位于对应于预浸料片的最终宽度的宽度范围内。在其它实施例中，可将另一个耙定位于张力增大单元与张力减小单元之间。如果不同路径中存在一组以上的多重相邻纤维束，那么每一路径中可存有一个耙供每一组多重相邻纤维束经过。在此种情况下，用于每一组多重相邻纤维束的所述耙可略微偏移，以便每一组的伸展束以可减少间隙发生率及促进均匀纤维-树脂分布的方式布置。

根据本发明的设备也可包括经定位以加热增强纤维束的加热源。可通过任何方式，包括(但不限于)传导、对流或辐射方式，来提供所述加热源。加热增强纤维束可有利于软化可能沉积于其上的施胶剂或油，且一般通过减小纤维与伸展器主体(即静态棒及从动辊)间的摩擦系数来提高伸展作用的效率。在一些实施例中，提供的加热源可为比如通过吹气或通过辐射加热等间接加热源。在其它实施例中，可加热静态棒及/或从动辊本身，以致所述辊棒的接触表面变热。优选将移动纤维束暴露于50℃到250℃范围的加热温度(取决于所用的纤维施胶剂)，其中70℃到180℃是最普遍。

在一些实施例中，本发明的纤维伸展设备可为单一组件。在某些实施例中，所述设备可为比如预浸料加工机器等复合加工机器的组件。在此种组合件中，根据本发明的设备可位于包括纤维束线轴的张力线架的下游及浸渍系统的上游。在某些实施例中，可将两个或两个以上纤维伸展装置集成到预浸料加工机器中，比如其中存在于不同路径中移动的两组或两组以上的多重相邻纤维束。在其它实施例中，根据本发明的纤维伸展设备可为织机的组件且可位于张力线架的下游及复合加工机器的上游。

以下将参照附图描述本发明的某些实施例。

图1显示如上所述的根据本发明的设备的透视图。在图1中，描绘了纤维伸展装置10且其包括张力增大段2及张力减小段3，其中由如在张力线架(图中未示)上的纤维线轴供应的单一移动纤维束1在箭头方向上行进并在到达张力减小段3的途中进入直接缠绕接触一系列静态棒2a的表面的张力增大段2，张力减小段3包括一系列高速从动辊3a，所述纤维束与高速从动辊3a维持直接缠绕接触。所述高速从动辊是通过驱动发动机3b或所属领域的技术人员所知的其它构件独立旋转。如所描绘，纤维伸展装置10经由张力增大单元2中的一系列静态棒2a驱使移动纤维束1的张力变得极高，然后经由张力减小单元3中的一系列高速从动辊3a使所述纤维束的张力降低，由此通过高速从动辊的每次交替且在不使用极高张力下更大程度地伸展/展开所述纤维束。紧接着纤维伸展装置10的下游且准备接收目前展开的纤维束的是所属领域的技术人员所知的复合加工机器或浸渍系统(图中未示)。虽然纤维伸展装置10仅仅用单一移动纤维束1来描绘，但所属领域的技术人员可轻易理解及了解可存有单向布置(即彼此平行)的多重纤维束，及对于在不同路径中存有对应数量的多重相邻纤维束组的实施例可存在额外的纤维伸展装置。

图2显示如上所述根据本发明另一实施例的设备的侧视图。在图2中，描绘了纤维伸展装置20且其包括张力增大段22、张力调节段23及张力减小段3，其中通过如在张力线架(图中未示)上的纤维线轴/线管供应的单一移动纤维束21于箭头方向上行进，且在到达张力调节段23的途中进入直接缠绕接触一系列静态棒S的表面的张力增大段22，其中所述移动纤维束是经放置成直接缠绕接触一系列交替的低速及/或高速从动辊D及静态棒S的表面，然后继续移动通过张力减小单元24，其中所述移动纤维束是经放置成直接缠绕接触一系列高速从动辊D的表面。如所描绘，纤维伸展装置20经由将移动纤维束21放置成直接缠绕接触张力增大单元22中的一系列静态棒S来驱使移动纤维束21的张力变得极高，然后通过将所述移动纤维束放置成直接缠绕接触张力调节单元23中的一系列低速及/或高速辊D及静态棒S来使张力交替地变低及变高，且最后通过将所述纤维束放置成直接缠绕接触张力减小单元24中的一系列高速辊来使所述纤维的张力降低，由此通过与驱动棒的每次缠绕接触且在不使用极高张力下更大程度地伸展/展开所述纤维束。如同图1中，紧接着纤维伸展装置20的下游可放置所属领域的技术人员所知的复合加工机器或浸渍系统(图中未示)以准备接收目前展开的纤维束。或者，可将纤维卷绕于鼓/拉辊上。

方法

在另一方面中，本发明提供用于通过以下方式生产伸展纤维束的方法：使纤维束移动通过本文中详细描述的设备，并以相对于所述移动纤维束的速度的差速操作所述设备的从动辊，由此控制整个设备中纤维的张力并伸展/展开所述纤维束。

在生产伸展纤维束的方法中，可于如上所述生产伸展纤维束中使用不同的纤维。所述纤维也可取决于所用纤维而具有不同张力强度及弹性。纤维的最终伸展宽度最高可达纤维束原始宽度的4倍且更通常最高可达原始宽度的3.5倍。通常，周围缠绕有纤维束并安装于张力线架上的线管或线轴将充当移动纤维的供应器。可视需要改变所述线架上的张力以使纤维束的伸展状态稳定。在一个实施例中，将加热至少一个静态棒及/或从动辊。在另一实施例中，将(比如)通过辐射加热器加热移动纤维束本身。在有关生产伸展纤维束的方法的某些实施例中，可将耙定位于张力线架与纤维伸展设备之间，以便将任何多重相邻纤维均匀地分隔开。

在另一方面中，本发明提供用于连续生产经单向布置且具有纤维间均匀分布的轧制预浸料的方法。在某些实施例中，所述方法可如下实现：集成本文中详细描述的纤维伸展设备作为所属领域的技术人员众所周知的复合加工机器的一部分，使一组多股相邻纤维束移动以直接缠绕接触一系列静态棒及/或从动辊，由此伸展所述纤维束，并用预定量的树脂浸渍所述伸展纤维束以形成预浸料片。例如，一组多股相邻纤维束可包括2股或2股以上纤维束，且通常包括5到20股纤维束。第二组可包括与第一组相等数量的纤维束。

在某些实施例中，预浸料可由在不同路径(即2-模式或2-路径伸展)中移动的两组或两组以上的多股相邻纤维束生产。在此些实施例中，可将对应数量的根据本发明的纤维伸展装置集成到复合加工系统中。图3及实例1描述并例示此一实施例，但是本发明也涵盖其它多路径实施例。

在用于生产轧制预浸料的方法中，所用树脂及树脂浸渍法并无特殊限制，因为多种树脂及浸渍方法/设备是所属领域的技术人员已知的。可使用的树脂的实例包括(但不限于)热固性树脂，比如环氧树脂(例如双酚A环氧树脂、苯酚酚醛环氧树脂、甲酚酚醛环氧树脂、缩水甘油胺环氧树脂、脂环族环氧树脂、胺基甲酸酯改性的环氧树脂及溴化双酚A环氧树脂)、乙烯基酯树脂、不饱和聚酯树脂及苯酚树脂；热塑性树脂，比如聚酯树脂、聚乙烯树脂、聚碳酸酯树脂、聚醚树脂及聚酰胺树脂等。

虽然可使用一种树脂，但可一起使用两种或两种以上树脂。另外，可使用液体树脂或固体树脂，且通过例如以溶液或通过浆液槽浸渍而沉积于纤维上。可添加固化剂到所用树脂系统。关于浸渍，可将通过加热或溶于溶剂中而使粘度减小的树脂浸入纤维束中。在另一实施例中，可将纤维束固持于分别通过薄薄地且均匀地涂覆树脂到比如经处理可释离的纸或树脂薄膜等片状物而获得的两个树脂片之间，且利用热钳等对层压板进行施压。整个复合加工机器中可存有其它热钳、钳、加热/冷却板、耙、辊等。

在用于生产连续轧制预浸料的方法的某些实施例中，将比如耙或梳等纤维束分隔构件定位于张力线架与纤维伸展设备之间及纤维伸展设备与复合加工机器之间，以维持纤维束间的均匀度。在某些实施例中，比如在存有多组多股相邻纤维束的情况下，所述方法将包括多个分隔构件。在所述实例中，接近于复合加工系统的分隔构件可彼此略微地偏移，以确保当纤维束离开伸展器装置并进入所述复合加工系统时，在通过轧辊将其压实以进一步减小纤维间的间隙并促进纤维-树脂分布之前，所述纤维束彼此略有重叠。所述分隔构件的宽度可实质上对应于预浸料片的宽度。

在另一方面中，本发明也提供由根据详细描述于本文中的本发明制得的预浸料构成的制造物品。所述物品可包括由比如航空或高性能工业、汽车或休闲材料等经预浸渍的纤维或纤维片制得的任何复合物品。

在最后一个方面中，本发明也提供具有两个或两个以上根据本文中所述本发明的纤维伸展装置的复合加工系统，其中每一装置位于不同路径中且能够接收一组多股相邻纤维束。

本发明的其它实施例包括(但不限于)下列：

1.一种用于生产伸展纤维束的设备，其包括：

张力控制模块，所述模块包括：

i)配置成一系列静态棒的张力增大单元；及

ii)配置成一系列从动辊的张力减小单元，

其中所述静态棒及从动辊是垂直于直接缠绕接触所述静态棒及从动辊的表面的移动纤维束的方向定位，且其中所述从动辊的圆周表面速度为所述移动纤维束的速度的至少3倍。

2.根据实施例1的设备，其中所述移动纤维束是选自碳、玻璃、聚酰胺、聚酰胺-酰亚胺、聚酰亚胺、芳族聚酰胺及其组合。

3.根据实施例1或2的设备，其中所述移动纤维束包括多重相邻束。

4.根据前述实施例中任一项的设备，其进一步包括位于与所述第一设备不同的路径中的第二张力控制模块，其中包括多股多重相邻纤维束的第二移动纤维束直接缠绕接触所述第二设备的静态棒及从动辊的表面。

5.根据前述实施例中任一项的设备，其中所述移动纤维束的最终伸展宽度最高可达所述纤维束的原始宽度的3.5倍。

6.根据前述实施例中任一项的设备，其中所述张力增大单元是选择性地由选自以下的部件提供：张力线架；以比所述移动纤维束的速度慢的速度操作的一个或一个以上低速从动辊；及低速从动辊与静态棒的组合。

7.根据前述实施例中任一项的设备，其进一步包括含有一系列从动辊及静态棒的张力调节单元。

8.根据前述实施例中任一项的设备，其中所述张力减小单元是由一系列从动辊提供。

9.根据前述实施例中任一项的设备，其中所述从动辊的圆周表面速度介于所述移动纤维束速度的3到100倍范围内。

10.根据前述实施例中任一项的设备，其中所述从动辊的圆周表面速度介于所述移动纤维束速度的3到50倍范围内。

11.根据前述实施例中任一项的设备，其中所述从动辊的圆周表面速度介于所述移动纤维束速度的3到25倍范围内。

12.根据前述实施例中任一项的设备，其中所述从动辊的圆周表面速度介于所述移动纤维束速度的3到10倍范围内。

13.根据前述实施例中任一项的设备，其中所述静态棒及/或从动辊包括表面形态。

14.根据实施例13的设备，其中所述表面形态是与所述从动辊及静态棒的方向呈轴线关系。

15.根据前述实施例中任一项的设备，其进一步包括至少一个耙。

16.根据实施例15的设备，其中所述耙位于所述张力增大单元的上游。

17.根据实施例15或16的设备，其中所述耙位于所述张力增大单元与所述张力减小单元之间。

18.根据前述实施例中任一项的设备，其进一步包括经定位以加热所述移动纤维的至少一个加热源。

19.根据前述实施例中任一项的设备，其中所述设备为复合加工机器的组件且位于线架的下游及浸渍系统的上游。

20.根据前述实施例中任一项的设备，其中所述设备为织机的组件且位于线架的下游及复合加工机器的上游。

21.一种用于采用根据实施例1到20中任一项的设备来生产伸展纤维束的方法，其包括：

a)使纤维束以直接缠绕接触一系列静态棒及从动辊的表面的方式移动；及

b)通过以相对于所述移动纤维束的速度的较高差速操作所述从动辊来控制通过所述设备的纤维的张力，由此伸展所述纤维束。

22.根据实施例21的方法，其进一步包括在任何步骤加热至少一个静态棒及/或从动辊或加热所述纤维束本身。

23.根据实施例21到22中任一项的方法，其进一步包括在任何步骤利用耙将多重相邻纤维束均匀地分隔开。

24.根据实施例21到23中任一项的方法，其进一步包括施用表面形态于所述系列中的一个或一个以上辊。

25.根据实施例21到23中任一项的方法，其进一步包括利用卷绕鼓卷绕所述伸展纤维。

26.一种用于连续生产经单向平行布置且具有纤维间均匀分布的轧制预浸料的方法，所述方法包括：

a)集成根据实施例1到20中任一项的设备作为复合加工机器的一部分；

b)使一组多股相邻纤维束以直接缠绕接触所述设备的一系列静态棒及从动辊的表面的方式移动；

c)通过以相对于所述移动纤维束的速度的较高差速操作所述从动辊来伸展所述多股相邻纤维束；及

d)用预定量的树脂来浸渍所述伸展纤维束。

27.根据实施例29的方法，其中步骤(a)进一步包括在与所述第一设备不同的路径中将根据实施例1到20中任一项的第二设备集成到所述复合加工机器，且其中步骤(b)进一步包括使第二组多股相邻纤维束以直接缠绕接触所述第二设备的一系列静态棒及从动辊的表面的方式移动。

28.根据实施例26到27中任一项的方法，其进一步包括在与所述纤维伸展设备接触之前利用分隔构件将所述多股相邻纤维束均匀地分隔开。

29.根据实施例26到28中任一项的方法，其进一步包括在所述浸渍步骤之前利用分隔构件将所述多股相邻纤维束均匀地分隔开。

30.根据实施例29的方法，其中在存有多组纤维束的情况下，使所述分隔构件彼此偏移。

31.根据实施例26到30中任一项的方法，其中所述树脂为热塑性或热固性树脂。

32.根据实施例26到31中任一项的方法，其中将所述树脂施用到所述伸展纤维的顶部及底部，或浸于溶液或浆料槽中。

33.根据实施例26到32中任一项的方法，其中通过一系列的一个或一个以上热钳、热板及冷却板，或通过溶液或浆料槽执行所述浸渍步骤。

34.一种用于生产经单向平行布置的预浸料的方法，所述方法包括使预定量的树脂浸入根据实施例21到25中任一项生产的伸展纤维束中。

35.一种根据实施例26到34中任一项的方法制得的经单向平行布置的预浸料。

36.一种制造物品，其包括根据实施例35的预浸料。

37.一种复合加工系统，其包括两个或两个以上根据实施例1到20中任一项的纤维伸展设备，其中每一设备位于不同路径中且能够接收一组多股相邻纤维束。

实例

提供以下实例以帮助所属领域的技术人员进一步了解本发明的某些实施例。所述实例用意在于说明目的而不应视为限制本发明不同实施例的范围。

实例1：具有70克/平方米(gsm)的低纤维面积重量(FAW)的预浸料片的制造。

参照图3，其中对应的元件被指定共同的标识符，且其描绘两个根据本发明的纤维伸展装置作为复合加工系统中的集成组件以实施根据本发明的连续预浸料生产方法，经显示当两组多股相邻纤维束31(比如T650-35，其为由苏泰克碳纤维公司(Cytec CarbonFibers)(南卡罗来纳州(South Carolina))供应且具有145gsm的标准伸展模量的12K丝/束纤维)自固定于张力线架(图中未示)上的线管展开，通过小包角静态棒32均匀设置，且利用梳33计量时，它们是以2-模式伸展形式于约2到5m/min(即：如由复合加工系统的拉辊(图中未示)的速度所测定，为2m/min、3m/min、4m/min、或5m/min)的线速度下移动。当多股相邻纤维束直接缠绕接触由根据本发明的纤维伸展设备34的张力增大单元34a所提供的一系列静态棒时，纤维束31的丝束张力增加，且所述静态棒包括在轴向上通过180粒度砂纸施加的表面形态。利用定位于张力增大单元34a附近的辐射加热器35a预加热所述纤维束上的胶料。移动纤维束的丝束张力是在其直接缠绕接触由根据本发明的纤维伸展设备34的张力调节单元34b提供的一系列从动辊时进行管理，且所述从动辊包括在轴向上通过180粒度砂纸施加的表面形态。所述从动辊是于所述移动纤维束的方向上以相较于线速度(即所述移动纤维束的速度)介于0.5到11倍范围内的不同速度旋转，以增加且然后减小张力值到恰低于纤维限度。然后，在最终通过将它们放置成直接缠绕接触由根据本发明的纤维伸展设备34的张力减小单元34c提供的一系列高速从动辊来减小纤维束的张力之前，再次利用辐射加热器35b加热丝束的网状物，且所述高速从动辊包括在轴向上通过180粒度砂纸施加的表面形态。张力减小单元34c是定位成与载有树脂薄膜39的轧辊38紧密接近，所述薄膜是放置于伸展纤维上，其然后(伸展纤维载树脂薄膜一起)于轧辊38之间拉伸且以每组纤维束35克/平方米压实。

因此，此工艺是利用各自以35gsm压实的上组及下组的多股相邻纤维束(来自同一或不同线架)同时进行。结果从通常仅能达到145gsm(即每组多重相邻束为72.5gsm)的FAW的纤维得到不具有间隙或起毛的高度浸渍、均匀伸展的70gsm条带40。温度及纤维张力是极其重要的，因为温度过高(例如，130°F以上)或张力过高(例如，每丝束为4000克力以上)会导致所述产品的丝束开始磨损且于高速从动辊上开始缠绕。因此，对于此种类型的纤维，应确保较低的张力及较低的加热器温度。

实例2：具有145克/平方米(gsm)的低纤维面积重量(FAW)的预浸料片的制造。

如同实例1，使用中间模量纤维(比如IM-7G′，由赫氏公司(Hexcel Corp.)(康乃迪克州斯坦福(Stamford，CT))供应的12K丝/束纤维)制得具有145克/平方米(gsm)的标准纤维面积重量(FAW)的预浸料片。然而，于张力增大段34a中仅使用两个静态棒且于根据本发明的纤维伸展装置34的张力管理段34b(低速从动辊及/或高速从动辊)及张力减小段34c(高速从动辊)中各自仅使用两个从动辊。未使用加热器35a及35b。对于上组及下组的多重相邻纤维束的每一者，将丝束网状物(或纤维束)伸展到72.5gsm的FAW，然后于钳38处组合得到具有145gsm的FAW而无间隙或起毛的高度浸渍、均匀伸展的预浸料片。

本申请案全文已参考不同的专利及/或科学文献参考书目。所述公开案的揭示内容全文是以引用的方式并入本文中，如同本文中书面陈述般。鉴于以上描述及实例，所属领域的技术人员将能在不进行过多试验下实践如所主张地揭示内容。

虽然先前描述已显示、描述并指出本发明教示的基本新颖特征，但应了解，所属领域的技术人员可在不脱离本发明教示的范围下对所说明设备的细节形式实施不同的省略、取代及变化，以及其应用。因此，本发明教示的范围不应受限于前面的论述，而是应由随附权利要求书界定。

Claims (16)

1.一种用于生产伸展纤维束的设备，其包括：

张力控制模块，所述模块包括：

i)包含一系列静态棒的张力增大单元，其经配置以增加在移动方向上移动的移动纤维束的张力；及

ii)包含一系列从动辊的张力减小单元，其经配置以减小所述移动纤维束的张力，各从动辊独立地可转动，

其中所述张力减小单元沿着所述移动纤维束的移动方向定位在所述张力增大单元的下游，以使得在操作中，所述移动纤维束先直接缠绕接触所述静态棒的表面，然后直接缠绕接触所述从动辊，且其中所述从动辊的圆周表面速度为所述移动纤维束的速度的至少3倍。

2.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括供应所述移动纤维束的纤维线轴，其中所述纤维线轴沿着所述移动纤维束的移动方向定位于所述张力增大单元的上游。

3.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括位于与所述张力控制模块不同的路径中的第二张力控制模块，所述第二张力控制模块包括：包含一系列静态棒的第二张力增大单元及包含一系列从动辊的第二张力减小单元，所述第二张力减小单元的各从动辊独立地可绕其自身轴转动，

其中所述第二张力减小单元沿着第二移动纤维束的移动方向定位在所述第二张力增大单元的下游，以使得在操作中，所述第二移动纤维束先直接缠绕接触所述第二张力增大单元的所述静态棒的表面，然后直接缠绕接触所述第二张力减小单元的所述从动辊的表面。

4.根据权利要求2所述的设备，其中离开所述张力减小单元的所述移动纤维束的最终伸展宽度最高可达所述纤维束的原始宽度的3.5倍。

5.根据权利要求1所述的设备，其中所述张力增大单元进一步包括以比所述移动纤维束的速度慢的速度操作的一个以上低速从动辊。

6.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括张力调节段，所述张力调节段含有一系列沿着所述移动纤维束的移动方向定位于所述张力增大单元和所述张力减小单元之间的交替的从动辊及静态棒。

7.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括用于独立转动各从动辊的单独的驱动发动机，以使得所述从动辊的圆周表面速度介于所述移动纤维束速度的3到100倍范围内。

8.根据权利要求1所述的设备，其中所述静态棒或所述从动辊包括砂纸打磨的表面抛光。

9.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括至少一个耙。

10.根据权利要求9所述的设备，其中所述耙位于所述张力增大单元的上游。

11.根据权利要求9所述的设备，其中所述耙位于所述张力增大单元与所述张力减小单元之间。

12.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括经定位以加热所述移动纤维束的至少一个加热源。

13.一种复合加工机器，其包括根据权利要求1所述的设备，所述设备位于用于供应移动纤维束的线架的下游及浸渍系统的上游。

14.一种用于生产伸展纤维束的方法，其包括：

a)使纤维束通过权利要求1所述的设备移动，以使得所述纤维束先直接缠绕接触一系列静态棒的表面，然后直接缠绕接触一系列从动辊；及

b)通过以所述纤维束的速度的至少3倍的圆周表面速度操作所述从动辊来控制通过所述设备的纤维束的张力，由此伸展所述纤维束。

15.根据权利要求14所述的方法，其进一步包括加热如下至少一者：所述静态棒、所述从动辊和所述纤维束。

16.根据权利要求14所述的方法，其进一步包括利用卷绕鼓卷绕所述伸展纤维束。