CN104890260A - 用于生产耐高温热塑性复合材料单向预浸带的浸渍设备 - Google Patents

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CN104890260A CN201510275013.4A CN201510275013A CN104890260A CN 104890260 A CN104890260 A CN 104890260A CN 201510275013 A CN201510275013 A CN 201510275013A CN 104890260 A CN104890260 A CN 104890260A
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李树军
张德宾
刘秀菊
梁旭
邹积洋
赵秀芬
袁保国
魏化震
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B29C70/504—Shaping or impregnating by compression not applied for producing articles of indefinite length, e.g. prepregs, sheet moulding compounds [SMC] or cross moulding compounds [XMC] using rollers or pressure bands
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    • B29C70/545—Perforating, cutting or machining during or after moulding

Abstract

本发明提供一种用于生产耐高温热塑性复合材料单向预浸带的浸渍设备，包括放纱装置、束纱孔盘、展纱装置、淤浆浸渍装置、预烘装置、隔离膜放卷收卷装置、热熔浸渍装置、定型装置、冷却与压光装置、分切装置、张力检测装置及螺旋收卷装置，所述放纱装置、展纱装置、淤浆浸渍装置、预烘装置、隔离膜放卷收卷装置、热熔浸渍装置、定型装置、冷却与压光装置、分切装置、张力检测装置及螺旋收卷装置依次安装。本发明采用该预浸带浸渍设备制备的预浸料的树脂含量均一稳定，对热熔效果也起到促进作用。能有效控制预浸带树脂含量，制备均一的，孔隙率低的耐高温热塑性复合材料单向预浸带。

Description

用于生产耐高温热塑性复合材料单向预浸带的浸渍设备
技术领域
本发明涉及高分子复合材料制备设备技术领域，尤其涉及一种用于生产耐高温热塑性复合材料单向预浸带的浸渍设备。
背景技术
热塑性复合材料单向预浸带具有良好的力学性能(高拉伸强度、高弯曲强度、高冲击强度、高韧性、高抗疲劳性)、抗老化、抗腐蚀、较强的可设计性及可加工性、成型周期短、对环境友好等优异特性。正是由于热塑性复合材料单向预浸带具有上述优异的特性，被越来越多的应用到轻质交通轨道，航空航天等领域。但是由于所用树脂基体多是PP(Polypropylene，聚丙烯)、PA(Polyamide，聚酰胺)等普通工程塑料，使得热塑性复合材料的弹性模量较低、抗溶剂性较差、纤维与树脂结合强度低等缺点，不能应用于性能要求较高的结构材料。同时随着RTM(Resin Transfer Molding，树脂传递模塑成型)成型，热压灌成型等成型工艺的逐渐成熟，热塑性复合材料单向预浸带作为复合材料的中间体也开始受到越来越多的关注。因此，近年来连续纤维增强热塑性预浸带在开发以及应用上得到了快速的发展，尤其是在耐高温热塑性树脂基体的单向预浸带。这也促使其相应制造技术不断优化。
目前连续纤维增强热塑性预浸带的制备设备主要针对熔融浸渍法，溶液浸渍法这两种与热固性预浸料制备相似制备工艺，针对热塑性预浸带制备所独有的粉末浸渍法制备热塑性树脂的制备设备较少。CN102950780A公开了一种粉末浸渍法添加热塑性树脂的制备设备，采用包含粉末和载气通道的双向火焰喷涂头，热塑性粉料熔融喷射到增强体表面，但是火焰法较难控制温度，并且较难有效的控制上粉量以及上粉的均匀性，同时喷涂头既有粉末通道又有载气通道很容易发生堵塞问题。
CN103978695A公开了一种采用粉末法浸渍工艺制备连续功能化碳纤维增强热塑性树脂基预浸料的设备，采用开纤装置和悬浊液的喷洒装置实现热塑性材料粉末法浸渍，并配有粉末收集器，该装置喷头喷孔容易发生堵塞，难以有效的控制上粉量及上粉量的稳定性，亦难免造成树脂粉末的浪费。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的问题是提供一种用于生产耐高温热塑性复合材料单向预浸带的浸渍设备，以克服现有技术中难以控制上粉量及上粉量的稳定性的缺陷。
(二)技术方案
为解决所述技术问题，本发明提供一种用于生产耐高温热塑性复合材料单向预浸带的浸渍设备，包括放纱装置、束纱孔盘、展纱装置、淤浆浸渍装置、预烘装置、隔离膜放卷收卷装置、热熔浸渍装置、定型装置、冷却与压光装置、分切装置、张力检测装置及螺旋收卷装置，所述放纱装置、展纱装置、淤浆浸渍装置、预烘装置、隔离膜放卷收卷装置、热熔浸渍装置、定型装置、冷却与压光装置、分切装置、张力检测装置及螺旋收卷装置依次安装，其中：放纱装置：由纱架和纱筒辊组成；纱筒辊上设有阻尼装置，与总控制系统和所述张力检测装置相连，纱架上设有与各纱筒辊相应的导纱孔进行限位，避免纤维丝之间的相互干涉；展纱装置：包括有三根展纱辊；所述的三根展纱辊排列在等边三角形的三个顶点的位置；淤浆浸渍装置：包括浸胶槽和储胶灌，各个纤维束在所述浸胶槽内设有独立的导纱路径，使纤维束浸渍均匀充分的同时避免相互干涉；预烘装置：包括第一预烘室、第二预烘室和第三预烘室；加热装置置于所述第一预烘室、第二预烘室和第三预烘室中，各预烘室温度独立可调；热熔浸渍装置：包括第一热熔浸渍高温压辊组和第二热熔浸渍高温压辊组，采用高温压辊组实现纤维增强热塑性树脂预浸料的熔融浸渍；定型装置：采用定宽度尺寸的高温模具，预浸带经过模具时为熔融状态，经过模具后得到所需宽度厚度的连续预浸料；冷却与压光装置：冷却压辊组中通冷却液；分切装置：由上、下刀轴，上、下圆刀和对刀机构组成；张力检测装置：通过张力检测器与收卷速度的配合实现恒张力收卷；螺旋收卷装置：包括丝杆副的传动和芯轴之间的传动两套传动系统，所述的丝杆副的传动实现芯轴的往复运动，所述芯轴之间的传动实现芯轴的回转运动，螺旋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，实现浸渍过程速度大小调整，控制恒速生产。
进一步，所述放纱装置中的阻尼装置，安装于纱架上纱筒辊的另一侧；所述阻尼装置与放卷张力控制系统相连，通过张力检测系统和总控制系统可实现各纱筒放纱张力的独立调节和同时调节。
进一步，所述展纱装置的三个展纱辊是通过中间辊的上下简谐振动来实现展纱的，所述简谐振动的振幅和频率可通过控制系统的编程设定。
进一步，所述浸胶槽包括前压纱轮、前导纱板、循环泵、后导纱板、浸胶槽体和后压纱轮，所述前导纱板和后导纱板位于所述浸胶槽体内前后两端，所述前压纱轮和后压纱轮位于所述浸胶槽体内前后两端的所述前导纱板和后导纱板之间，所述循环泵在所述浸胶槽和储胶灌之间并通过管道与所述浸胶槽和储胶灌连接。
进一步，所述储胶灌包括储胶壳体、搅拌装置和超声波浓度监测装置，所述储胶灌位于所述浸胶槽的一侧并且其高度位于所述浸胶槽内悬浮液的液面以上，所述搅拌装置安装在所述储胶壳体上端，所述超声波浓度监测装置安装在所述储胶壳体内，在线监测悬浮液的浓度变化。
进一步所述预烘装置的加热装置为电阻丝加热装置、红外加热装置、远红外加热装置或微波加热装置，加热的温度为0-500℃。
进一步，所述热熔浸渍装置和定型装置的高温热压辊中装有加热装置，所述的加热装置为电阻丝加热装置、红外加热装置、远红外加热装置或微波加热装置，加热的温度为0-500℃。
进一步，所述热熔浸渍装置设有1-10个高温热压辊组，每个高温热压辊组包括纤维上方和下方各一个高温热压辊，上下高温热压辊间距0-3mm，上下高温热压辊之间设有调整定位机构，通过光栅尺测定上下高温热压辊的间距并反馈给所述调整定位机构，自动调整上下高温热压辊的间距至设定值。下高温热压辊与气缸活塞杆连接。压辊的压力由气缸推动活塞杆，再推动下高温热压辊产生向上的压力。
进一步，所述的热熔浸渍装置的上下高温压辊与热塑性预浸带之间均有耐高温的隔离膜。
进一步，所述收卷控制器和张力控制器、总体控制器连接，通过总体控制器向收卷控制器传输速度控制信号，以实现设定速度的耐高温单向预浸料恒定生产速度控制，向张力控制器传输张力补偿控制信号，实现设定的恒定的纤维张力控制。
(三)有益效果
本发明的用于生产耐高温热塑性复合材料单向预浸带的浸渍设备，采用该预浸带浸渍设备制备的预浸料的树脂含量均一稳定，对热熔效果也起到促进作用。能有效控制预浸带树脂含量，制备均一的，孔隙率低的耐高温热塑性复合材料单向预浸带。
附图说明
图1为本发明一种用于生产耐高温热塑性复合材料单向预浸带的浸渍设备的结构示意图；
图2为本发明一种用于生产耐高温热塑性复合材料单向预浸带的浸渍设备中淤浆浸渍装置的结构示意图。
图中，1为放纱装置，2为束纱孔盘，3为展纱装置，4为储胶灌，5为浸胶槽，6为第一预烘室，7为第二预烘室，8为第三预烘室，9为隔离膜放卷收卷装置，10为第一热熔浸渍高温压辊组，11为第二热熔浸渍高温压辊组，12为定型装置，13为冷却与压光装置，14为分切装置，15为张力检测装置，16为螺旋收卷装置，4-1为储胶壳体,4-2为搅拌装置,4-3为超声波浓度监测装置，5-1为前压纱轮,5-2为前导纱板,5-3为循环泵,5-4为后导纱板，5-5为浸胶槽体，5-6为后压纱轮。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例
如图1和图2所示，本发明的一种用于生产耐高温热塑性复合材料单向预浸带的浸渍设备，包括放纱装置1、束纱孔盘2、展纱装置3、淤浆浸渍装置、预烘装置、隔离膜放卷收卷装置9、热熔浸渍装置、定型装置12、冷却与压光装置13、分切装置14、张力检测装置15及螺旋收卷装置16，所述放纱装置1、展纱装置3、淤浆浸渍装置、预烘装置、隔离膜放卷收卷装置9、热熔浸渍装置、定型装置12、冷却与压光装置13、分切装置14、张力检测装置15及螺旋收卷装置16依次安装，其中：放纱装置1：由纱架和纱筒辊组成；纱筒辊上设有阻尼装置，与总控制系统和所述张力检测装置15相连，纱架上设有与各纱筒辊相应的导纱孔进行限位，避免纤维丝之间的相互干涉；展纱装置3：包括有三根展纱辊；所述的三根展纱辊排列在等边三角形的三个顶点的位置；淤浆浸渍装置：包括浸胶槽5和储胶灌4，各个纤维束在所述浸胶槽5内设有独立的导纱路径，使纤维束浸渍均匀充分的同时避免相互干涉；预烘装置：包括第一预烘室6、第二预烘室7和第三预烘室8；加热装置置于所述第一预烘室6、第二预烘室7和第三预烘室8中，各预烘室温度独立可调；热熔浸渍装置：包括第一热熔浸渍高温压辊组10和第二热熔浸渍高温压辊组11，采用高温压辊组实现纤维增强热塑性树脂预浸料的熔融浸渍；定型装置12：采用定宽度尺寸的高温模具，预浸带经过模具时为熔融状态，经过模具后得到所需宽度厚度的连续预浸料；冷却与压光装置13：冷却压辊组中通冷却液；分切装置14：由上、下刀轴，上、下圆刀和对刀机构组成；张力检测装置15：通过张力检测器与收卷速度的配合实现恒张力收卷；螺旋收卷装置16：包括丝杆副的传动和芯轴之间的传动两套传动系统，所述的丝杆副的传动实现芯轴的往复运动，所述芯轴之间的传动实现芯轴的回转运动，螺旋收卷装置16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，实现浸渍过程速度大小调整，控制恒速生产。
所述放纱装置1中的阻尼装置，安装于纱架上纱筒辊的另一侧；所述阻尼装置与放卷张力控制系统相连，通过张力检测系统和总控制系统可实现各纱筒放纱张力的独立调节和同时调节。
所述展纱装置3的三个展纱辊是通过中间辊的上下简谐振动来实现展纱的，所述简谐振动的振幅和频率可通过控制系统的编程设定。
所述浸胶槽5包括前压纱轮5-1、前导纱板5-2、循环泵5-3、后导纱板5-4、浸胶槽体5-5和后压纱轮5-6，所述前导纱板5-2和后导纱板5-4位于所述浸胶槽体5-5内前后两端，所述前压纱轮5-1和后压纱轮5-6位于所述浸胶槽体5-5内前后两端的所述前导纱板5-2和后导纱板5-4之间，所述循环泵5-3在所述浸胶槽5和储胶灌4之间并通过管道与所述浸胶槽5和储胶灌4连接。
所述储胶灌4包括储胶壳体4-1、搅拌装置4-2和超声波浓度监测装置4-3，所述储胶灌4位于所述浸胶槽5的一侧并且其高度位于所述浸胶槽5内悬浮液的液面以上，所述搅拌装置4-2安装在所述储胶壳体4-1上端，所述超声波浓度监测装置4-3安装在所述储胶壳体4-1内，在线监测悬浮液的浓度变化。纤维束经过导轮进入预浸胶槽5，浸胶槽5内装有耐高温热塑性树脂粉末悬浮液，悬浮液经由循环泵5-3在浸胶槽5和储胶灌4之间低速循环流动，以保证悬浮液各组分均一稳定。
所述预烘装置的加热装置为电阻丝加热装置、红外加热装置、远红外加热装置或微波加热装置，加热的温度为0-500℃，优选加热温度200℃-450℃。
所述热熔浸渍装置和定型装置12的高温热压辊中装有加热装置，所述的加热装置为电阻丝加热装置、红外加热装置、远红外加热装置或微波加热装置，加热的温度为0-500℃，优选加热温度200℃-450℃。
所述热熔浸渍装置设有1-10个高温热压辊组，优选2-5个，每个高温热压辊组包括纤维上方和下方各一个高温热压辊，上下高温热压辊间距0-3mm，优选0-1mm，上下高温热压辊之间设有调整定位机构，通过光栅尺测定上下高温热压辊的间距并反馈给所述调整定位机构，自动调整上下高温热压辊的间距至设定值。下高温热压辊与气缸活塞杆连接。压辊的压力由气缸推动活塞杆，再推动下高温热压辊产生向上的压力。
所述的热熔浸渍装置的上下高温压辊与热塑性预浸带之间均有耐高温的隔离膜。
所述收卷控制器和张力控制器、总体控制器连接，通过总体控制器向收卷控制器传输速度控制信号，以实现设定速度的耐高温单向预浸料恒定生产速度控制，向张力控制器传输张力补偿控制信号，实现设定的恒定的纤维张力控制。
所述浸胶槽体5-5、前导纱板5-2、后导纱板5-4、前压纱轮5-1、后压纱轮5-6、储胶槽壳体4-1、搅拌装置4-2及连接浸胶槽5和储胶灌4的管、阀均采用耐腐蚀耐溶剂材料，如不锈钢等。冷却与压光装置13中的冷却液可以是冷却水等其他冷却液。
工作时，放纱装置1、束纱孔盘2、展纱装置3、淤浆浸渍装置、预烘装置、隔离膜放卷收卷装置9、热熔浸渍装置、定型装置12、冷却与压光装置13、分切装置14、张力检测装置15及螺旋收卷装置16从前往后依次排列。放纱装置1的纱架上设有与各纱筒辊相应的导纱孔进行限位，避免纤维丝之间的相互干涉，总体控制器通过放卷张力检测的反馈对纱筒辊上的阻尼装置进行调节，调整放卷张力。浸渍槽5和储胶灌4内为树脂粉末悬浮液，粉末粒度为0.1～100μm，通过循环管道、循环泵5-3和阀门在浸胶槽与储胶灌4之间缓慢流动，储胶灌4中的搅拌装置4-2为无极变速电动搅拌装置，通过超声波浓度监测装置4-3在线监测悬浮液的浓度，实现悬浮液浓度的均一稳定。前导纱板5-2和后导纱板5-4为梳行，各束纤维于不同的导纱板齿之间，进行独立浸渍，避免丝束间的干涉。前压纱轮5-1和后压纱轮5-6相距200mm-800mm。前导纱板5-2、后导纱板5-4、前压纱轮5-1和后压纱轮5-6均为可升降式，升起时高于胶槽上端面10mm-200mm。第一预烘室6、第二预烘室7和第三预烘室8分别内置加热装置，加热装置主要采用电阻丝加热装置、红外加热装置、远红外加热装置或微波加热装置，温度设定在50℃～450℃，纤维在预烘装置停留时间为1min～30min。三个预烘室温度可根据悬浮液的成分、浓度等参数分别调整。隔离膜在第一热熔浸渍高温压辊组10和第二热熔浸渍高温压辊组11之间，纤维上下两侧。
本发明的用于生产耐高温热塑性复合材料单向预浸带的浸渍设备采用该预浸带浸渍设备制备的预浸料的树脂含量均一稳定，对热熔效果也起到促进作用；能有效控制预浸带树脂含量，制备均一的，孔隙率低的耐高温热塑性复合材料单向预浸带；适用于制备纤维浸渍均匀、充分、无游离单丝、表面光洁、无气泡或气孔、外观无劈裂可连续化生产的耐高温热塑性复合材料单向预浸带。
综上所述，上述实施方式并非是本发明的限制性实施方式，凡本领域的技术人员在本发明的实质内容的基础上所进行的修饰或者等效变形，均在本发明的技术范畴。

Claims (10)

1.一种用于生产耐高温热塑性复合材料单向预浸带的浸渍设备，其特征在于：包括放纱装置(1)、束纱孔盘(2)、展纱装置(3)、淤浆浸渍装置、预烘装置、隔离膜放卷收卷装置(9)、热熔浸渍装置、定型装置(12)、冷却与压光装置(13)、分切装置(14)、张力检测装置(15)及螺旋收卷装置(16)，所述放纱装置(1)、展纱装置(3)、淤浆浸渍装置、预烘装置、隔离膜放卷收卷装置(9)、热熔浸渍装置、定型装置(12)、冷却与压光装置(13)、分切装置(14)、张力检测装置(15)及螺旋收卷装置(16)依次安装，其中：放纱装置(1)：由纱架和纱筒辊组成；纱筒辊上设有阻尼装置，与总控制系统和所述张力检测装置(15)相连，纱架上设有与各纱筒辊相应的导纱孔进行限位，避免纤维丝之间的相互干涉；展纱装置(3)：包括有三根展纱辊；所述的三根展纱辊排列在等边三角形的三个顶点的位置；淤浆浸渍装置：包括浸胶槽(5)和储胶灌(4)，各个纤维束在所述浸胶槽(5)内设有独立的导纱路径，使纤维束浸渍均匀充分的同时避免相互干涉；预烘装置：包括第一预烘室(6)、第二预烘室(7)和第三预烘室(8)；加热装置置于所述第一预烘室(6)、第二预烘室(7)和第三预烘室(8)中，各预烘室温度独立可调；热熔浸渍装置：包括第一热熔浸渍高温压辊组(10)和第二热熔浸渍高温压辊组(11)，采用高温压辊组实现纤维增强热塑性树脂预浸料的熔融浸渍；定型装置(12)：采用定宽度尺寸的高温模具，预浸带经过模具时为熔融状态，经过模具后得到所需宽度厚度的连续预浸料；冷却与压光装置(13)：冷却压辊组中通冷却液；分切装置(14)：由上、下刀轴，上、下圆刀和对刀机构组成；张力检测装置(15)：通过张力检测器与收卷速度的配合实现恒张力收卷；螺旋收卷装置(16)：包括丝杆副的传动和芯轴之间的传动两套传动系统，所述的丝杆副的传动实现芯轴的往复运动，所述芯轴之间的传动实现芯轴的回转运动，螺旋收卷装置(16)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，实现浸渍过程速度大小调整，控制恒速生产。
2.根据权利要求1所述的用于生产耐高温热塑性复合材料单向预浸带的浸渍设备，其特征在于：所述放纱装置(1)中的阻尼装置，安装于纱架上纱筒辊的另一侧；所述阻尼装置与放卷张力控制系统相连，通过张力检测系统和总控制系统可实现各纱筒放纱张力的独立调节和同时调节。
3.根据权利要求1所述的用于生产耐高温热塑性复合材料单向预浸带的浸渍设备，其特征在于：所述展纱装置(3)的三个展纱辊是通过中间辊的上下简谐振动来实现展纱的，所述简谐振动的振幅和频率可通过控制系统的编程设定。
4.根据权利要求1所述的用于生产耐高温热塑性复合材料单向预浸带的浸渍设备，其特征在于：所述浸胶槽(5)包括前压纱轮(5-1)、前导纱板(5-2)、循环泵(5-3)、后导纱板(5-4)、浸胶槽体(5-5)和后压纱轮(5-6)，所述前导纱板(5-2)和后导纱板(5-4)位于所述浸胶槽体(5-5)内前后两端，所述前压纱轮(5-1)和后压纱轮(5-6)位于所述浸胶槽体(5-5)内前后两端的所述前导纱板(5-2)和后导纱板(5-4)之间，所述循环泵(5-3)在所述浸胶槽(5)和储胶灌(4)之间并通过管道与所述浸胶槽(5)和储胶灌(4)连接。
5.根据权利要求1所述的用于生产耐高温热塑性复合材料单向预浸带的浸渍设备，其特征在于：所述储胶灌(4)包括储胶壳体(4-1)、搅拌装置(4-2)和超声波浓度监测装置(4-3)，所述储胶灌(4)位于所述浸胶槽(5)的一侧并且其高度位于所述浸胶槽(5)内悬浮液的液面以上，所述搅拌装置(4-2)安装在所述储胶壳体(4-1)上端，所述超声波浓度监测装置(4-3)安装在所述储胶壳体(4-1)内，在线监测悬浮液的浓度变化。
6.根据权利要求1所述的用于生产耐高温热塑性复合材料单向预浸带的浸渍设备，其特征在于：所述预烘装置的加热装置为电阻丝加热装置、红外加热装置、远红外加热装置或微波加热装置，加热的温度为0-500℃。
7.根据权利要求1所述的用于生产耐高温热塑性复合材料单向预浸带的浸渍设备，其特征在于：所述热熔浸渍装置和定型装置(12)的高温热压辊中装有加热装置，所述的加热装置为电阻丝加热装置、红外加热装置、远红外加热装置或微波加热装置，加热的温度为0-500℃。
8.根据权利要求1所述的用于生产耐高温热塑性复合材料单向预浸带的浸渍设备，其特征在于：所述热熔浸渍装置设有1-10个高温热压辊组，每个高温热压辊组包括纤维上方和下方各一个高温热压辊，上下高温热压辊间距0-3mm，上下高温热压辊之间设有调整定位机构，通过光栅尺测定上下高温热压辊的间距并反馈给所述调整定位机构，自动调整上下高温热压辊的间距至设定值。下高温热压辊与气缸活塞杆连接。压辊的压力由气缸推动活塞杆，再推动下高温热压辊产生向上的压力。
9.根据权利要求1所述的用于生产耐高温热塑性复合材料单向预浸带的浸渍设备，其特征在于：所述的热熔浸渍装置的上下高温压辊与热塑性预浸带之间均有耐高温的隔离膜。
10.根据权利要求1至9任一项所述的用于生产耐高温热塑性复合材料单向预浸带的浸渍设备，其特征在于：所述收卷控制器和张力控制器、总体控制器连接，通过总体控制器向收卷控制器传输速度控制信号，以实现设定速度的耐高温单向预浸料恒定生产速度控制，向张力控制器传输张力补偿控制信号，实现设定的恒定的纤维张力控制。
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