CN104723583A - 一种利用电子束固化技术制备复合材料Z-pin的设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用电子束固化技术制备复合材料Z-pin的设备及方法，设备包括依次连接的放料机构、导向机构、浸胶槽、固化装置、牵引装置以及卷收机构，所述固化装置包括含胶量调节模具、预成型模具以及电子束固化成型模具，所述含胶量调节模具上设有一条以上前后贯通的模腔，浸胶后的纤维材料穿过模腔后进入预成型，预成型模具的模腔与含胶量调节模具上的至少一条模腔口径一致，所述的电子束固化成型模具由内部电子加速器及外部的屏蔽罩组成。本发明通过电子束固化部分取代传统的电阻丝加热烘箱固化，可实现低温固化，可避免由于升温而导致的树脂流失，也可减小固化复合材料Z-pin时的残余应力，实现胶液的快速固化，显著提高生产效率，降低了能耗。

Description

一种利用电子束固化技术制备复合材料Z-pin的设备及方法

技术领域

本发明涉及复合材料加工技术领域，具体为一种利用电子束固化技术制备复合材料Z-pin的设备及方法。

背景技术

复合材料Z-pin技术是指将细杆针状Z-pin复合材料植入到铺迭好的预浸料中形成三维增强，经共固化形成的整体结构。Z-pin能显著增强复合材料层合板的层间韧性、损伤容限以及胶连强度等性能，并具有操作简单，可设计性强及易于整体成型的特点，应用前景广泛。目前复合材料Z-pin多采用拉挤技术成型，即将玻璃纤维、碳纤维等增强材料通过浸胶后在模具中凝胶定型，然后通过烘道固化的一种连续生产复合材料针状型材的技术。在传统Z-pin制造过程中，一般采用电阻加热的方法实现树脂的凝胶定型及固化，且拉挤过程中存在拉挤速度慢，能源消耗高，生产效率较低，且拉挤前需提前升温等不足。因此将电子束固化技术运用于拉挤设备。

树脂基复合材料的电子束固化与复合材料的热固化成型工艺相比较具有许多独特的优点，可以实现室温或者低温固化（可避免由于升温而导致的树脂流失），利于制件的尺寸控制，并减小了固化复合材料的残余应力；固化速率快，成型周期短，适于制造大型复合材料制件；可选择区域固化；减小了对环境和人体的危害；固化工艺便于实现连续化操作；改善了材料的工艺操作性；不需加热，不用热压罐，能耗大大降低。

发明内容

本发明的技术目的是针对现有技术存在的问题，提供一种利用电子束固化技术快速拉挤制备复合材料Z-pin的设备，以克服现有技术的弊端。

为实现上述技术目的，本发明公开的技术方案为：

一种利用电子束固化技术制备复合材料Z-pin的设备，包括依次连接的放料机构（1）、导向机构（2）、浸胶槽（3）、固化装置、牵引装置（7）以及卷收机构（8），纤维料卷在牵引装置的牵拉下自放料机构经由导向机构和浸胶槽进入固化装置，所述固化装置包括含胶量调节模具（4）、预成型模具（5）以及电子束固化成型模具（6），所述含胶量调节模具（4）、预成型模具上分别设有若干口径依次递增或递减的模腔，且所述含胶量调节模具、预成型模具（5）上的相同口径模腔分别互相对应；浸胶后的纤维材料依次穿过含胶量调节模具（4）和预成型模具上同一口径的模腔后进入电子束固化成型模具（6），所述电子束固化成型模具固化成型后的Z-pin材料被卷收到所述卷收机构上。

所述的利用电子束固化技术制备复合材料Z-pin的设备，其进一步设计在于，所述的含胶量调节模具及预成型模具均由分别设置有定位槽的上模和下模相对连接组成，所述定位槽内置有确保各自上模、下模不发生相对位移的定位块。

所述的利用电子束固化技术制备复合材料Z-pin的设备，其进一步设计在于，所述的浸胶槽、预成型模具分别设置有加热单元。

所述的利用电子束固化技术制备复合材料Z-pin的设备，其进一步设计在于，所述电子束固化成型模具中部具有固化槽道，所述固化槽道的上部具有空腔，所述空腔内放置有线型电子加速器，该电子束固化成型模具壳体外部为屏蔽罩，固化槽道两端设置有便于Z-pin材料进出的锥形孔。

利用上述的设备制备复合材料Z-pin的方法，包括以下步骤：

a）装料，将纤维料卷安装在放料机构上，并拉出起始段纤维材料蘸取酒精后进行加捻，将加捻好的纤维材料拉直铺放在所述含胶量调节模具的下模中，合上上模，通过所述定位块确保含胶量调节模具的上模、下模对齐后将两者锁紧，使得相应纤维材料位于含胶量调节模具的模腔中；此时，位于含胶量调节模具之前的纤维材料段受引导机构引导后平直穿过所述浸胶槽；继而，从调节模具牵出纤维材料并依次穿过预成型模具、电子束固化成型模具、牵引装置，最终连接到卷收机构上，并使放料机构、卷收机构之间的纤维材料保持张紧；

b）向浸胶槽中加入配置好的电子束固化专用胶液，该电子束固化专用胶液包含树脂基体和光引发剂，树脂基体为阳离子固化环氧树脂和稀释体系或者双马来酰亚胺树脂和稀释体系，常用光引发剂多为芳香族碘翁盐或硫翁盐，所述光引发剂在电子束固化专用胶液中的重量百分比为1%-3%，加热浸胶槽至30-40℃，使电子束固化专用胶液粘度降低；

c）加热预成型模具至预成型温度，该预成型温度不大于所述电子束固化专用胶液的起始固化温度，使得Z-pin在预成型模具中凝胶定形；

d）根据电子束固化专用胶液胶液的固化温度及固化时间设定牵引装置的拉挤速度和电子加速器的电子束辐射剂量，继而打开电子加速器；

e）启动牵引装置，开始拉挤制备复合材料Z-pin，干燥的纤维材料在牵引力的作用下进入浸胶槽（3)中完成浸胶，含胶的纤维材料在预成型模具中凝胶定型，在电子束固化成型模具中被完全固化。

所述的制备复合材料Z-pin的方法，其进一步设计在于，所述的纤维材料可以是碳纤维或玻璃纤维或芳纶纤维

本发明的有益效果：

通过电子束加热取代传统电阻丝加热，加热速度快，无需提前升温预热，在低温下即可固化，降低材料的残余应力，有效缩短固化时间，提高拉挤速度，方便快捷；不需加热，能耗大大降低。

附图说明：

图1为本发明设备的结构示意图；

图2为本发明设备中的含胶量调节模具横截面示意图；

图3为本发明设备中的预成型模具横截面示意图；

图4为本发明设备中的电子束固化成型模具示意图。

图中，1-放料机构，2-导引机构，3-浸胶槽，4-含胶量调节模具，5-预成型模具，6-电子束固化成型模具，7-牵引装置，8-卷收机构，9-定位块，10-模腔，11-含电阻丝加热板，12-线型电子加速器、13-电子束、14-屏蔽罩，15-锥形孔，16-未固化Z-pin，17-已固化Z-pin。

具体实施方式

为了阐明本发明的技术方案，下面结合附图与具体实施例对本发明做进一步的说明。

如图1-图4所示，该利用电子束固化技术制备复合材料Z-pin的设备具体包括依次连接的放料机构1、导向机构2、浸胶槽3、固化装置、牵引装置7以及卷收机构8，纤维料卷在牵引装置的牵拉下自放料机构经由导向机构和浸胶槽进入固化装置，固化装置包括含胶量调节模具4、预成型模具5以及电子束固化成型模具6，含胶量调节模具4、预成型模具5上分别设有若干口径依次递增或递减的模腔10，且含胶量调节模具、预成型模具5上的相同口径模腔分别互相对应；浸胶后的纤维材料依次穿过含胶量调节模具4和预成型模具上同一口径的模腔后进入电子束固化成型模具6，经电子束固化成型模具固化成型后的Z-pin材料被卷收到卷收机构8上。

为了便于维护，含胶量调节模具及预成型模具均由分别设置有定位槽的上模和下模相对连接组成，考虑到该结构安装定位的需要，在定位槽内置有确保各自上模、下模不发生相对位移的定位块9。

浸胶槽、预成型模具分别设置有加热单元，即连接有温控开关的含电阻丝加热板11，预成型模具加热单元结构如图3所示，浸胶槽的加热单元在槽壁部位设置有弧形的含电阻丝加热板，结构与预成型模具的加热单元类似，故而图中未画出。

电子束固化成型模具中部具有固化槽道，固化槽道的上部具有空腔，空腔内放置有对未固化Z-pin辐射电子束13的线型电子加速器12，该电子束固化成型模具壳体外部为屏蔽罩14，固化槽道两端设置有便于Z-pin材料进出的锥形孔15。

利用上述的设备制备复合材料Z-pin的方法，包括以下步骤：

a）装料，将纤维料卷安装在放料机构上，并拉出起始段纤维材料蘸取酒精后进行加捻，将加捻好的纤维材料拉直铺放在含胶量调节模具的下模中，合上上模，通过定位块确保含胶量调节模具的上模、下模对齐后将两者锁紧，使得相应纤维材料位于含胶量调节模具的模腔中；此时，位于含胶量调节模具之前的纤维材料段受引导机构引导后平直穿过浸胶槽；继而，从调节模具牵出纤维材料并依次穿过预成型模具、电子束固化成型模具、牵引装置，最终连接到卷收机构上，并使放料机构、卷收机构之间的纤维材料保持张紧；

b）向浸胶槽中加入配置好的电子束固化专用胶液，包含树脂基体和光引发剂，树脂基体主要为阳离子固化环氧树脂和稀释体系（低聚物，树脂基体的组分属本领域的公知技术故在此不做赘述），常用光引发剂多为芳香族碘翁盐或硫翁盐，用量最佳为1%-3%，打开胶槽温控开关，设定胶槽温度（30-40℃），使胶液粘度降低；

c）打开预成型模具温控开关，根据电子束固化专用胶液的起始固化温度设定预成型温度，预成型温度≤起始固化温度，使得Z-pin在预成型模具中凝胶定形；

d）根据电子束固化专用胶液的固化温度及时间设定牵引装置的拉挤速度和电子加速器的电子束辐射剂量，继而打开电子加速器；

e）启动牵引装置，开始拉挤制备复合材料Z-pin，干燥的纤维材料在牵引力的作用下进入浸胶槽（3)中完成浸胶，含胶的纤维材料在预成型模具中凝胶定型成为未固化Z-pin16，在电子束固化成型模具中被完全固化形成已固化Z-pin17。

本发明所采用的纤维材料为碳纤维或玻璃纤维或芳纶纤维。电子束固化专用胶液也可以是双马来酰亚胺树脂和稀释体系。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进。本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种利用电子束固化技术制备复合材料Z-pin的设备，其特征在于，包括依次连接的放料机构（1）、导向机构（2）、浸胶槽（3）、固化装置、牵引装置（7）以及卷收机构（8），纤维料卷在牵引装置的牵拉下自放料机构经由导向机构和浸胶槽进入固化装置，所述固化装置包括含胶量调节模具（4）、预成型模具（5）以及电子束固化成型模具（6），所述含胶量调节模具（4）、预成型模具上分别设有若干口径依次递增或递减的模腔，且所述含胶量调节模具、预成型模具（5）上的相同口径模腔分别互相对应；浸胶后的纤维材料依次穿过含胶量调节模具（4）和预成型模具上同一口径的模腔后进入电子束固化成型模具（6），所述电子束固化成型模具固化成型后的Z-pin材料被卷收到所述卷收机构上。

2.根据权利要求1所述的一种利用电子束固化技术制备复合材料Z-pin的设备，其特征在于，所述的含胶量调节模具及预成型模具均由分别设置有定位槽的上模和下模相对连接组成，所述定位槽内置有确保各自上模、下模不发生相对位移的定位块。

3.根据权利要求1所述的一种利用电子束固化技术制备复合材料Z-pin的设备，其特征在于，所述的浸胶槽、预成型模具分别设置有加热单元。

4.根据权利要求1所述的一种利用电子束固化技术快速拉挤制备复合材料Z-pin的设备，其特征在于，所述电子束固化成型模具中部具有固化槽道，所述固化槽道的上部具有空腔，所述空腔内放置有线型电子加速器，该电子束固化成型模具壳体外部为屏蔽罩，固化槽道两端设置有便于Z-pin材料进出的锥形孔。

5.利用权利要求1-4任意一项所述的设备制备Z-pin材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a）装料，将纤维料卷安装在放料机构上，并拉出起始段纤维材料蘸取酒精后进行加捻，将加捻好的纤维材料拉直铺放在所述含胶量调节模具的下模中，合上上模，通过所述定位块确保含胶量调节模具的上模、下模对齐后将两者锁紧，使得相应纤维材料位于含胶量调节模具的模腔中；此时，位于含胶量调节模具之前的纤维材料段受引导机构引导后平直穿过所述浸胶槽；继而，从调节模具牵出纤维材料并依次穿过预成型模具、电子束固化成型模具、牵引装置，最终连接到卷收机构上，并使放料机构、卷收机构之间的纤维材料保持张紧；

b）向浸胶槽中加入配置好的电子束固化专用胶液，该电子束固化专用胶液包含树脂基体和光引发剂，树脂基体为阳离子固化环氧树脂和稀释体系或者双马来酰亚胺树脂和稀释体系，常用光引发剂多为芳香族碘翁盐或硫翁盐，所述光引发剂在电子束固化专用胶液中的重量百分比为1%-3%，加热浸胶槽至30-40℃，使电子束固化专用胶液粘度降低；

c）加热预成型模具至预成型温度，该预成型温度不大于所述电子束固化专用胶液的起始固化温度，使得Z-pin在预成型模具中凝胶定形；

d）根据电子束固化专用胶液胶液的固化温度及固化时间设定牵引装置的拉挤速度和电子加速器的电子束辐射剂量，继而打开电子加速器；

e）启动牵引装置，开始拉挤制备复合材料Z-pin，干燥的纤维材料在牵引力的作用下进入浸胶槽（3)中完成浸胶，含胶的纤维材料在预成型模具中凝胶定型，在电子束固化成型模具中被完全固化。

6.根据权利要求5所述的一种利用电子束固化技术快速拉挤制备复合材料Z-pin的方法，其特征在于，所述的纤维材料为碳纤维或玻璃纤维或芳纶纤维。