CN103921454B - 一种加热均匀且耐高温的复合材料生产系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种加热均匀且耐高温的复合材料生产系统，它包括传送系统（1），还包括依次连接的加热系统（2）、熔融浸渍系统（3）和冷却系统（4）。该系统利用电磁感应原理和特点，采用模块化、温控区域化设计方法，突破了耐高温高性能复合材料熔融浸渍困难的设备瓶颈，同时解决了材料在高温塑化过程中加热不均、温控精度不高的技术缺陷；加热系统温度在0℃-420℃之间可任意调节，温控精度高。

Description

一种加热均匀且耐高温的复合材料生产系统

技术领域

本发明属于复合材料生产设备领域，具体涉及一种加热均匀且耐高温的复合材料生产系统。

背景技术

目前，国内连续增强纤维复合材料采用传统的生产工艺，工业化程度相对较低，对加工温度大于300℃以上的热塑树脂材料的浸渍设备匮乏，传统设备存在加热速度慢、温控精度低、浸渍不均匀且不透彻、能源消耗大和工作环境差等诸多问题，难以满足耐高温复材生产工艺的条件，使我国高端复材的生产与应用受到浸渍工艺与设备的限制和影响。

国外对耐高温复合材料的制备技术进行了专利控制，普通的进口生产线设备造价高昂，例如英国Reliant所提供的复合设备生产线（每套高达800万）采用红外加热方式对材料进行加热，加热温度在0--260℃左右，温差控制精度±5℃，只能满足诸如GMT板之类的中低端性能材料的加热塑化；其传送系统采用铁氟龙输送带，而铁氟龙只能在300℃以下温度工作，高于此温度将产生老化、破损且易拉长，从而无法实现对聚苯硫醚（PPS）、聚醚醚铜（PEEK）等耐高温、高性能复合材料的制备及工业化生产。

发明内容

针对现有技术复合材料生产设备加热速度慢，加热不均匀，温控精度低，不能耐高温，浸渍不均匀等不足，本申请旨在提供一种加热均匀且耐高温的复合材料生产系统，该生产系统解决了高温熔融树脂因粘度大流动性差，解决了增强纤维浸渍困难的技术瓶颈，如聚苯硫醚（PPS）、聚醚醚铜（PEEK）等高温树脂等，该系统加热速度快，加热均匀，可以耐300℃以上的高温，该生产系统将生产钢板或铝板的“电磁加热设备”以及“防粘不锈钢带”的应用相结合，生产耐高温高性能的复合材料，弥补原有生产设备的缺陷和不足。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种加热均匀且耐高温的复合材料生产系统，包括传送系统，所述传送系统设有不锈钢传送带；该生产系统还包括依次连接的加热系统、熔融浸渍系统和冷却系统；

所述加热系统依次包括预热区、低温区、中温区和高温区；所述预热区包括至少一组预热辊组合，所述预热辊组合由上电磁加热辊和下电磁加热辊组成；所述低温区、中温区和高温区分别包括至少一组电磁加热平板组合，所述电磁加热平板组合由上电磁加热平板和下电磁加热平板组成；所述低温区、中温区和高温区的电磁加热平板组合分别与不同的温控设备连接；

所述熔融浸渍系统包括至少两组浸渍组合，所述浸渍组合由上浸渍辊和下浸渍辊组成；所述上浸渍辊和下浸渍辊为腰鼓型棍体，且腰鼓型棍体表面设有一层高温保护层；

所述冷却系统包括至少两组冷却组合以及位于冷却组合之后的至少一组冷却定型组合，所述冷却组合由上冷却循环通道和下冷却循环通道组成，所述冷却定型组合由上冷却定型辊和下冷却定型辊组成；所述上冷却循环通道和下冷却循环通道均由上下两层通道组成，靠近基材一侧的通道为进水通道，远离基材一侧的通道为出水通道。

所述传送系统包括传送辊、设置在传送辊外的不锈钢传送带，设置在传送带两侧的张紧辊。

优选方案：所述预热区、低温区、中温区和高温区外围设有保温隔罩，进一步提高加热效率。

进一步优选，所述预热区为加热温度低于160℃的预热区，所述低温区为加热温度在160℃-240℃的低温区，所述中温区为加热温度在240℃-320℃的中温区，所述高温区为加热温度在320℃-400℃的高温区，分区域加热，加热更均匀。

优选，所述低温区和中温区为两组电磁加热平板组合；所述高温区为三组电磁加热平板组合。

更优选，在所述上电磁加热平板下表面以及下电磁加热平板上表面分别设有远红外发热层，用于对电磁加热时所产生的热量吸收，并激发出远红外线，该远红外线有作用到被加热物体上，形成远红外加热。由此组成了电磁加热和远红外加热的加热组合，加热更均匀，加热效率更高。

优选，所述熔融浸渍系统为两组浸渍组合，且后一组浸渍组合的上、下浸渍辊最大直径大于前一组浸渍组合的上、下浸渍辊最大直径。

优选，所述加热系统的总长度为5m-6m，所述熔融浸渍系统的总长度为0.5m-1m,所述冷却系统的总长度为2.5m-3.5m。

所述生产系统还包括位于加热系统之前的多工位放卷装置和平整装置，以及位于冷却系统之后的裁剪装置。

下面对本发明做进一步解释和说明

本发明涉及一种加热均匀且耐高温的复合材料生产系统，利用电磁感应原理和特点，采用模块化、温控区域化设计方法，突破了耐高温复合材料熔融浸渍困难的设备瓶颈，同时解决了材料在高温塑化过程中加热不均、温控精度不高的技术缺陷；根据耐高温材料的特性和生产工艺的技术要求，加热系统采用温控区域化、模块化、组装一体化的新技术设计方案，使温度在0℃-420℃之间可任意调节，温控精度±2℃；传送系统采用防粘镜面抛光的不锈钢带，解决了铁氟龙传送装置高温易老化变形，难以满足塑化工艺温度（300℃之上）的设备缺陷。本发明的生产工艺及设备涉及连续增强纤维、热固复合材料等高性能材料的生产，其产品涉及航空航天、船舶轨道、汽车零件等领域。

本发明的一种加热均匀且耐高温的复合材料生产系统，包括：

（1）加热系统：加热系统采用先进电磁感应平板加热方式，并进行温控区域化、模块化、组装一体化的新技术方案设计，其间隙可实现0-150mm的上下调控；

（2）熔融浸渍系统：熔融浸渍系统采用先进电磁感应辊加热方式，对电磁感应辊进行“腰鼓形”结构设计，并在辊表面深覆一层镍铬碳化铬；

（3）冷却系统：冷却系统采用双通道平板设计方案，配置冷却水塔，并进行模块化组合设计，满足模块间独立调控的工艺要求；

（4）传送系统：传送系统采用防粘处理的镜面抛光的不锈钢带，不但耐腐蚀、耐高温，而且具有一定抗拉抗压的特性。

具体结构分析如下：

(1)加热系统

加热系统采用电磁感应平板加热方式（平板加热前首先要通过电磁辊进行预热），该加热系统加热温度范围为100℃-400℃，温控精度达到＜±2%。针对不同幅宽的材料，将其进行模块化、温控域化设计，设计诸如160--240℃为低温区、240-320℃中温区、320-400℃高温区等不同温区的加热系统，与导热油加热系统相比，可节省30%-60%的电能；另外，上钢带采用混合加热模式，即采用电磁平板加热和远红外加热相结合的方式进行，加热系统简易结构如图1和图2所示。

所述加热系统采用电磁感应平板加热方式，该设备通过电磁控制器将220V交变电流进行整流、滤波、逆变形成25-30KHz的高频交变电流，将此电流接到电磁加热圈后，该高频交变电流转换高频交变磁场，该高频交变磁场作用到金属材料上，从而将高频交变磁场又转换成高频交变电流，该电流通过金属材料的固有电阻快速产生大量的热量而使金属材料本体发热。

（2）浸渍系统

采用电磁感应辊浸渍辊压方案，使压辊的温度能达到300℃以上的高温，该设备根据工艺要求设置2-3组浸渍锟并可实现0-120mm的间隙调控（配置单向自锁装置避免加压跳动），为了防止压辊因长期负载而产生翘曲变形，辊镜面要有一定的挠度，即将浸渍辊设计成“腰鼓形”，并在辊表面深覆一层镍铬碳化铬，防止浸渍辊在高温下产生大变形，确保材料在高温塑化浸渍过程中均匀受热，达到温度均衡（温差±2度），浸渍系统简易结构如图2和图3所示。

（3）冷却系统

采用单块双通道平板设计方案，附加配置冷却水塔，并进行模块化组合设计，冷却装置可实现0-120mm的间隙调控，配置自锁装置避免加载时反向跳动，另外，配置一组φ400的镜面压辊进一步对材料进行夯实，冷却系统简易结构如图4所示。

（4）传送系统

采用防粘镜面抛光的不锈钢带，不但耐腐蚀、耐高温，而且具有一定抗拉抗压的特性，解决了铁氟龙传送装置高温易老化变形，难以满足塑化工艺温度（300℃之上）的设备缺陷，使高聚物在熔融辊压浸渍过程中将增强材料浸渍透彻，设备满足了制备高端复合材料的工艺条件实现了新的技术突破，传送系统简易结构如图5所示。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

（1）本发明的一种加热均匀且耐高温的复合材料生产系统，其加热塑化设备和高温熔融浸渍设备分别采用电磁加热板和电磁加热辊，实现基材或板坯的高温塑化和高温熔融浸渍，其加热温度可达350℃-400℃；

（2）本发明的一种加热均匀且耐高温的复合材料生产系统，其加热塑化设备和冷却设备，采用模块化设计，且加热设备实现温控区域化，进行多点控制，温度精控可达＜±2%，同时该设备便于维修和故障检测，使材料表面受热均匀塑化完全；冷却系统配置冷却水塔采用双通道设计，大大提高冷却效率，并增加一组压辊，使基材或板坯在线压强的作用下进一步夯实；

（3）本发明的一种加热均匀且耐高温的复合材料生产系统，采用电磁加热的方式，与导热油加热方式相比，大大改善了工作环境，同时加热迅速均匀，工业化程度得到大幅提升，电能节省率能达到30%-60%；

（4）本发明的一种加热均匀且耐高温的复合材料生产系统，其高温熔融浸渍设备采用电磁加热辊的浸渍方式，即能保证300℃以上的高温熔融浸渍，又能实现材料浸渍均匀透彻的工艺要求；

（5）本发明的一种加热均匀且耐高温的复合材料生产系统，其传动系统采用防粘镜面抛光的不锈钢带，不但耐腐蚀、耐高温，而且具有一定抗拉抗压的特性，解决了铁氟龙传送装置高温易老化变形，难以满足塑化工艺温度（300℃之上）的设备缺陷。

（6）本发明的一种加热均匀且耐高温的复合材料生产系统，可实现耐高温高性能复合材料的工业化生产，弥补高性能材料在国内市场上供需不足的现象。

附图说明

图1是本发明所述生产系统主要部分结构示意图；

图2是本发明所述生产系统加热系统和熔融浸渍系统结构示意图；

图3是本发明所述生产系统熔融浸渍系统结构示意图；

图4是本发明所述生产系统冷却系统结构示意图；

图5是本发明所述生产系统的传送系统结构示意图；

图6是本发明所述生产系统整体结构示意图；

图7是本发明所述工艺流程图；

其中，1传送系统，2是加热系统，3是熔融浸渍系统，4是冷却系统，5是预热区，6是低温区，7是中温区，8是高温区，9是上电磁加热辊，10是下电磁加热辊，11是上电磁加热平板，12是下电磁加热平板，13是上浸渍辊，14是下浸渍辊，15是上冷却循环通道，16是下冷却循环通道，17是上冷却定型辊，18是下冷却定型辊，19是进水通道，20是出水通道，21是保温隔罩，22是传送辊，23是不锈钢传送带，24是张紧辊，25是放卷装置，26是平整装置，27是裁剪装置，28是运输装置。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的说明。

实施例1

一种加热均匀且耐高温的复合材料生产系统，包括传送系统1，还包括依次连接的加热系统2、熔融浸渍系统3和冷却系统4；

所述加热系统2依次包括预热区5、低温区6、中温区7和高温区8；所述预热区5包括至少一组预热辊组合，所述预热辊组合由上电磁加热辊9和下电磁加热辊10组成；所述低温区6、中温区7和高温区8分别包括至少一组电磁加热平板组合，所述电磁加热平板组合由上电磁加热平板11和下电磁加热平板12组成；所述低温区6、中温区7和高温区8的电磁加热平板组合分别与不同的温控设备连接；

所述熔融浸渍系统3包括至少两组浸渍组合，所述浸渍组合由上浸渍辊13和下浸渍辊14组成；所述上浸渍辊13和下浸渍辊14为腰鼓型棍体，且腰鼓型棍体表面设有一层高温保护层；

所述冷却系统4包括至少两组冷却组合以及位于冷却组合之后的至少一组冷却定型组合，所述冷却组合由上冷却循环通道15和下冷却循环通道16组成，所述冷却定型组合由上冷却定型辊17和下冷却定型辊18组成；所述上冷却循环通道15和下冷却循环通道16均由上下两层通道组成，靠近基材一侧的通道为进水通道19，远离基材一侧的通道为出水通道20。

所述传送系统1包括传送辊22、设置在传送辊外的不锈钢传送带23，设置在传送带两侧的张紧辊24。

所述预热区、低温区、中温区和高温区外围设有保温隔罩21。

所述低温区6和中温区7为两组电磁加热平板组合；所述高温区8为三组电磁加热平板组合。

所述熔融浸渍系统3为两组浸渍组合，且后一组浸渍组合的上、下浸渍辊最大直径大于前一组浸渍组合的上、下浸渍辊最大直径。

所述生产系统还包括位于加热系统之前的多工位放卷装置25和平整装置26，以及位于冷却系统之后的裁剪装置27。

所述加热系统分为低、中、高三个温控区，低温区和中温区分别采用两组电磁加热模块（每组800×2000mm），高温区采用三组电磁加热模块，加热系统总长5600mm，浸渍辊采用两组电磁感应辊，直径大小分别为φ250和φ300；冷区系统分为三组模块（每组700×2000mm），配置一组定型辊φ400，冷却系统总长3000mm。

实施例2

采用实施例1所述生产系统，进行工艺生产，工艺流程图如图7所示：

（1）选择0.5mm厚的玻璃纤维增强PEEK预浸渍带4张，0.25mm厚的聚四氟乙烯薄膜（PTFE）2张。将玻璃纤维增强PEEK预浸渍带、聚四氟乙烯薄膜放置在多工位放卷机上，并按照“夹心饼”的方式放置，即两层PTFE分别铺在上下表面，PEEK预浸渍带铺放在中间。

（2）将材料铺放好后，经过平整装置进行修正，匀速送入加热系统进行加热塑化，要提前启动复合材料加热设备，分别设置各个温控区（预热区、低温区、中温区、高温区）的温度，其中高温区的温度设置在380℃左右（360℃-390℃），设置传送带的速率，使材料按照一定的速率匀速前进，待材料通过加热区后保证材料能够完全塑化。

（3）调节压辊的间隙，并设置其压力为3-5MPa，待塑化后的材料送入熔融浸渍系统后进行热压，并利用冷却系统进行快速冷却，完成PEEK板材的生产；或者将塑化后的材料直接送入热压机进行模压成型，保压一定时间后进行脱模。

（4）修边、冲孔、检测，完成终端产品的开发和生产。

实施例3

采用实施例1所述生产系统，进行工艺生产：

（1）三维编织C/PEEK纤维：厚4mm，其中碳纤维体积含量18%，采用三维五向编制，编织角度为25°。

（2）将三维编织C/PEEK纤维送入表面处理装置进行氧化处理，在5wt%(NH₄)₂HPO₄溶液中煮1h后，用蒸馏水反复冲洗。

（3）将氧化处理后的三维编织C/PEEK纤维根据产品和工艺要求进行裁切。

（4）将裁切后的三维编织C/PEEK纤维送入干燥装置进行干燥处理，并进行监测，保证其含水量低于工艺要求。

（5）将干燥处理后的三维编织C/PEEK纤维送入加热系统进行加热塑化，在此过程中材料要经过不同的温控区进行加热，其中最高温控区的加热温度设置在370℃，待塑化完全后将材料快速送入热压机进行模压成型，保压一定时间后进行脱模。

（6）修边、冲孔、检测，完成终端产品的开发和生产。

实施例4

采用实施例1所述生产系统，进行工艺生产：

（1）选取连续碳纤维增强聚苯硫醚预浸渍带，该预浸渍带的平均质量为55%-60%，单层厚度为0.25mm，共8层；聚苯硫醚PPS薄膜，厚度为0.2mm。

（2）将成卷预浸渍带和PPS薄膜放置在多工位放卷机上，PPS薄膜铺放在上下表面，保证产品表面质量，改善外观。

（3）将预浸渍带和PPS薄膜铺放好并进行平整修正后，根据产品和工艺要求，采用裁切装置进行裁切。

（4）将裁切后的材料送入加热系统进行加热塑化，由于聚苯硫醚不能长期处于高温状态，所以将材料直接送入电磁加热设备高温区进行加热塑化，高温区温度设置在325℃左右，待塑化完全后，将材料通过浸渍辊，提前设置电磁浸渍辊的温度问300-310℃，完成预浸渍后，快速将材料送入热压机进行热压成型，压机温度设置在100℃左右，保压一定时间后，进行脱模。

修边、冲孔、检测，完成终端产品的开发和生产。

Claims (10)

1.一种加热均匀且耐高温的复合材料生产系统，包括传送系统（1），其特征是，所述传送系统（1）设有不锈钢传送带（23）；该生产系统还包括依次连接的加热系统（2）、熔融浸渍系统（3）和冷却系统（4）；

所述加热系统（2）依次包括预热区（5）、低温区（6）、中温区（7）和高温区（8）；所述预热区（5）包括至少一组预热辊组合，所述预热辊组合由上电磁加热辊（9）和下电磁加热辊（10）组成；所述低温区（6）、中温区（7）和高温区（8）分别包括至少一组电磁加热平板组合，所述电磁加热平板组合由上电磁加热平板（11）和下电磁加热平板（12）组成；所述低温区（6）、中温区（7）和高温区（8）的电磁加热平板组合分别与不同的温控设备连接；

所述熔融浸渍系统（3）包括至少两组浸渍组合，所述浸渍组合由上浸渍辊（13）和下浸渍辊（14）组成；所述上浸渍辊（13）和下浸渍辊（14）为腰鼓型辊体，且腰鼓型辊体表面设有一层高温保护层；

所述冷却系统（4）包括至少两组冷却组合以及位于冷却组合之后的至少一组冷却定型组合，所述冷却组合由上冷却循环通道（15）和下冷却循环通道（16）组成，所述冷却定型组合由上冷却定型辊（17）和下冷却定型辊（18）组成；所述上冷却循环通道（15）和下冷却循环通道（16）均由上下两层通道组成，靠近基材一侧的通道为进水通道（19），远离基材一侧的通道为出水通道（20）。

2.根据权利要求1所述加热均匀且耐高温的复合材料生产系统，其特征是，所述预热区、低温区、中温区和高温区外围设有保温隔罩（21）。

3.根据权利要求1或2所述加热均匀且耐高温的复合材料生产系统，其特征是，所述预热区（5）为加热温度低于160℃的预热区，所述低温区（6）为加热温度在160℃-240℃的低温区，所述中温区（7）为加热温度在240℃-320℃的中温区，所述高温区（8）为加热温度在320℃-400℃的高温区。

4.根据权利要求1或2所述加热均匀且耐高温的复合材料生产系统，其特征是，所述低温区（6）和中温区（7）为两组电磁加热平板组合，所述高温区（8）为三组电磁加热平板组合。

5.根据权利要求1或2所述加热均匀且耐高温的复合材料生产系统，其特征是，所述上电磁加热平板（11）下表面以及下电磁加热平板（12）上表面分别设有远红外发热层。

6.根据权利要求1或2所述加热均匀且耐高温的复合材料生产系统，其特征是，所述熔融浸渍系统（3）为两组浸渍组合，且后一组浸渍组合的上、下浸渍辊最大直径大于前一组浸渍组合的上、下浸渍辊最大直径。

7.根据权利要求1或2所述加热均匀且耐高温的复合材料生产系统，其特征是，所述加热系统（2）的总长度为5m-6m，所述熔融浸渍系统（3）的总长度为0.5m-1m,所述冷却系统（4）的总长度为2.5m-3.5m。

8.根据权利要求1或2所述加热均匀且耐高温的复合材料生产系统，其特征是，所述传送系统（1）包括传送辊（22）、设置在传送辊（22）外的不锈钢传送带（23），设置在传送带（23）两侧的张紧辊（24）。

9.根据权利要求1或2所述加热均匀且耐高温的复合材料生产系统，其特征是，所述生产系统还包括位于加热系统（2）之前的多工位放卷装置（25）和平整装置（26），以及位于冷却系统（4）之后的裁剪装置（27）。

10.根据权利要求1或2所述加热均匀且耐高温的复合材料生产系统，其特征是，所述高温保护层为镍铬碳化铬层。