CN106239937A - 一种制备连续纤维增强热塑性预浸带的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制备连续纤维增强热塑性预浸带的装置，包括顺序排列的纱架、导纱辊、开纤装置、预热烘箱、熔融纺丝涂覆装置、加热装置、热压辊组、冷压辊和收卷辊，熔融纺丝涂覆装置和热压辊组同时由加热装置进行加热；熔融纺丝涂覆装置包括螺杆挤出机、数控滑台、纺丝组件、喷丝板、粘结辊和收集装置，螺杆挤出机、粘结辊和收集装置自上而下排列，喷丝板和粘结辊分别位于单向连续增强纤维带走丝方向的后方和前方，喷丝板平行于单向连续增强纤维带，收集装置位于喷丝板的正下方。本发明实现熔融纺丝涂覆与预浸料制备的一步法成型，简化工艺步骤，提高效率，制得的连续纤维增强热塑性预浸料带纤维分布均匀、尺寸稳定、孔隙率低。

Description

一种制备连续纤维增强热塑性预浸带的装置
技术领域
本发明属于复合材料预浸带制备设备领域，涉及一种制备连续纤维增强热塑性预浸带的装置。
背景技术
连续纤维增强热塑性复合材料具有比强度大、比刚度高、抗冲击性好、结构可设计性强的优点，逐渐取代金属成为轻量化的结构材料，在航空航天、汽车等领域有着广泛应用。以连续纤维作为增强材料的预浸料制备工序繁多，采用连续化生产的设备是提高预浸料生产效率的关键。
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和铺膜法，针对混纤法的制备设备较少。CN 105599322A专利采用了新型的计量辊和涂覆辊装置用于连续纤维添加热塑性树脂的过程，改善了传统熔融浸渍法在上下模具中浸润高粘度树脂的工艺，提高了涂覆树脂的效率，减少浪费。但是该方法难以控制涂覆树脂的质量，连续纤维间涂覆的树脂分布不均匀，容易产生树脂聚集区。CN 105346200A专利提出一种连续层压法制备热塑性预浸料，将增强纤维夹在以相同速度进行放卷的上下树脂薄膜间层叠热压，连续化程度高，但热塑性薄膜不利于成型过程中气泡的排出，导致预浸带缺陷较多。CN103552170A专利是针对铺膜法制备预浸带的设备，将热塑性纤维单向带引入增强纤维表面作为增韧层，再添加树脂薄膜进行热压。该方法改善了层间增韧的效果，但是直径为1-20μm热塑性纤维制备困难，且需要将热塑性纤维带展开至增强纤维带的宽度，工艺难度较大；此外，同时引入热塑性纤维与薄膜，降低了增强纤维的体积含量，制备的预浸带力学性能较差。
发明内容
本发明的目的是克服传统熔融浸渍法热耗大以及连续铺膜法浸渍效果差的缺点，简化工艺步骤，实现熔融纺丝涂覆与预浸料制备的一步法成型，降低加工热耗与生产成本。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种制备连续纤维增强热塑性预浸带的装置，所述装置包括顺序排列的纱架、导纱辊、开纤装置、预热烘箱、熔融纺丝涂覆装置、加热装置、热压辊组、冷压辊和收卷辊，纱架上卷绕有单向连续增强纤维带，熔融纺丝涂覆装置和热压辊组同时由加热装置进行加热；
熔融纺丝涂覆装置用于将热塑性树脂经喷丝板挤出成半熔融态丝条，并直接使其平行均匀排列在单向连续增强纤维带的纤维间；
熔融纺丝涂覆装置包括螺杆挤出机、数控滑台、纺丝组件、喷丝板、粘结辊和收集装置，螺杆挤出机、纺丝组件和喷丝板顺序连接，数控滑台与纺丝组件连接，用于调节喷丝板与单向连续增强纤维带之间的距离，螺杆挤出机、粘结辊和收集装置自上而下排列，喷丝板和粘结辊分别位于单向连续增强纤维带走丝方向的后方和前方，喷丝板平行于单向连续增强纤维带，收集装置位于喷丝板的正下方，收集装置的接收面积大于喷丝板的水平投影面积；所述单向连续增强纤维带的纤维是指对制备的预浸带起增强作用的连续纤维。
作为优选的技术方案：
如上所述的一种制备连续纤维增强热塑性预浸带的装置，所述开纤装置的开纤方式为空气开纤、超声波开纤、机械辊压开纤或罗拉开纤。
如上所述的一种制备连续纤维增强热塑性预浸带的装置，所述加热装置的加热方式为电阻丝加热、远红外加热或微波加热，加热装置同时用于熔融纺丝涂覆过程与热压浸润过程。
如上所述的一种制备连续纤维增强热塑性预浸带的装置，所述熔融纺丝涂覆装置为水平式，单向连续增强纤维带横向经过粘结辊，喷丝板和收集装置分别位于单向连续增强纤维带的上方和下方，水平式装置只在单向连续增强纤维带的单面涂覆半熔融态的丝条，适用于开纤后厚度为0.03-0.1mm的单向连续增强纤维带，熔融树脂的浸润难度较小。
如上所述的一种制备连续纤维增强热塑性预浸带的装置，所述熔融纺丝涂覆装置为立式，单向连续增强纤维带纵向经过粘结辊，喷丝板和收集装置成对位于单向连续增强纤维带的两侧，立式装置可在单向连续增强纤维带的上下表面同时均匀涂覆半熔融态的丝条，也可以在上下表面涂覆不同种类的热塑性树脂，适用于开纤后厚度为0.1～1mm的单向连续增强纤维带，熔融树脂的浸润难度较大。
如上所述的一种制备连续纤维增强热塑性预浸带的装置，所述喷丝板上微孔的孔径为200～300um。
如上所述的一种制备连续纤维增强热塑性预浸带的装置，所述喷丝板上微孔垂直于单向连续增强纤维带走丝方向呈一字形单列排布或多列错排；所述多列错排是指2～5列错排。
如上所述的一种制备连续纤维增强热塑性预浸带的装置，喷丝板与单向连续增强纤维带的距离为20～60cm。
如上所述的一种制备连续纤维增强热塑性预浸带的装置，收集装置用于收集未涂覆至单向连续增强纤维带上的热塑性树脂，收集装置中心与单向连续增强纤维带的距离为10～50cm。
如上所述的一种制备连续纤维增强热塑性预浸带的装置，所述热压辊组包括4～8组热压辊，对称分布于单向连续增强纤维带的两侧；热压辊表面温度为200～420℃，辊压压力为5～15MPa。
有益效果：
1)本发明将熔融纺丝装置直接应用于连续纤维增强热塑性预浸带的制备装置中，实现热塑性树脂熔融纺丝涂覆与预浸料制备的一步法成型，简化工艺，降低热耗；
2)本发明的装置通过在单向连续增强纤维带的纤维间形成平行均匀分布的半熔融态热塑性树脂丝条，有利于改善高粘度树脂在增强纤维间的浸润效果，可以得到纤维分布均匀，尺寸稳定，浸渍完善的连续纤维增强热塑性预浸料带；
3)本发明的装置通过改变走丝速度可以精确调节丝条的直径，有效控制预浸料中的树脂含量，制备出增强纤维体积含量较高、力学性能优异的单向纤维预浸带。
附图说明
图1为制备连续纤维增强热塑性预浸带的装置示意图；
图2为水平式熔融纺丝涂覆装置示意图；
图3为立式熔融纺丝涂覆装置示意图；
图4为喷丝板上微孔单列排布示意图；
图5为喷丝板上微孔3列错排示意图；
其中，1-纱架，2-导纱辊，3-开纤装置，4-预热烘箱，5-加热装置，6-螺杆挤出机，7-数控滑台，8-纺丝组件，9-喷丝板，10-收集装置，11-粘结辊，12-热压辊组，13-冷压辊，14-收卷辊，15-单向连续增强纤维带，16-半熔融态丝条。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
一种制备连续纤维增强热塑性预浸带的装置如图1所示，包括顺序排列的纱架1、导纱辊2、开纤装置3、预热烘箱4、熔融纺丝涂覆装置、热压辊组12、冷压辊13和收卷辊14，熔融纺丝涂覆装置和热压辊组12同时由加热装置5进行加热；开纤装置3的开纤方式为空气开纤，加热装置5的加热方式为电阻丝加热；
熔融纺丝涂覆装置包括螺杆挤出机6、数控滑台7、纺丝组件8、喷丝板9、粘结辊11和收集装置10，螺杆挤出机6、纺丝组件8和喷丝板9顺序连接，数控滑台7与纺丝组件8连接，用于调节喷丝板与单向连续碳纤维带(即单向连续增强纤维带15)之间的距离，螺杆挤出机6、粘结辊11和收集装置10自上而下排列，喷丝板9上微孔的孔径为200um，喷丝板9上微孔沿垂直于单向连续碳纤维走丝方向呈一字形单列排布(如图4所示)，喷丝板9与单向连续碳纤维带的距离为20cm；熔融纺丝涂覆装置为水平式如图2所示，单向连续碳纤维带横向经过粘结辊11，喷丝板9和收集装置10分别位于单向连续碳纤维带的上方和下方，喷丝板9和粘结辊11分别位于单向连续碳纤维走丝方向的后方和前方，喷丝板9平行于单向连续碳纤维带，收集装置10位于喷丝板9的正下方，收集装置10的接收面积大于喷丝板9的水平投影面积，收集装置10中心与单向连续碳纤维带的距离为10cm；
将安放在纱架1上的单向连续碳纤维带由电机带动放卷，经导纱辊2输送至开纤装置3处，得到表面平整的单向连续碳纤维带，开纤后的单向连续碳纤维带在牵引电机带动下，输送至150℃预热烘箱4进行加热5min；聚丙烯粒料在螺杆挤出机6中180℃加热熔融，挤出到纺丝组件8中，调节喷丝板9的位置，使经喷丝板9微孔挤出的半熔融态聚丙烯丝条(即半熔融态丝条16)平行均匀涂覆至单向连续碳纤维间，未涂覆至单向连续碳纤维上的聚丙烯丝条由收集装置10回收利用，经粘结辊11使聚丙烯丝条与单向连续碳纤维粘结在一起水平运动，再通过热压辊组12进行压力浸润，热压辊组12包括4组热压辊，对称分布于单向连续碳纤维带的两侧，热压辊表面温度为200℃，辊压压力为5MPa，涂覆与浸润过程均发生在加热装置5中，最后经冷压辊13定型冷却后由收卷辊14进行收卷，得到一定厚度、尺寸均一的连续纤维增强热塑性预浸带。
实施例2
一种制备连续纤维增强热塑性预浸带的装置，包括顺序排列的纱架1、导纱辊2、开纤装置3、预热烘箱4、熔融纺丝涂覆装置、热压辊组12、冷压辊13和收卷辊14，熔融纺丝涂覆装置和热压辊组12同时由加热装置5进行加热；开纤装置3的开纤方式为超声波开纤，加热装置5的加热方式为远红外加热；
熔融纺丝涂覆装置包括螺杆挤出机6、数控滑台7、纺丝组件8、喷丝板9、粘结辊11和收集装置10，螺杆挤出机6、纺丝组件8和喷丝板9顺序连接，数控滑台7与纺丝组件8连接，用于调节喷丝板与单向连续玻璃纤维带(即单向连续增强纤维带15)之间的距离，螺杆挤出机6、粘结辊11和收集装置10自上而下排列，喷丝板9上微孔的孔径为300um，喷丝板9上微孔沿单向连续玻璃纤维走丝方向呈3列错排(如图5所示)，喷丝板9与单向连续玻璃纤维带的距离为60cm；熔融纺丝涂覆装置为立式如图3所示，单向连续玻璃纤维带纵向经过粘结辊11，喷丝板9和收集装置10为成对组合，且位于单向连续玻璃纤维带的两侧，喷丝板9和粘结辊11分别位于单向连续玻璃纤维走丝方向的后方和前方，喷丝板9平行于单向连续玻璃纤维带，收集装置10位于喷丝板9的正下方，收集装置10的接收面积大于喷丝板9的水平投影面积，收集装置10中心与单向连续玻璃纤维带的距离为50cm；
将安放在纱架1上的单向连续玻璃纤维带由电机带动放卷，经导纱辊2输送至开纤装置3处，得到表面平整的单向连续玻璃纤维带，开纤后的单向连续玻璃纤维带在牵引电机带动下，输送至200℃预热烘箱4进行加热8min；聚醚醚酮粒料在螺杆挤出机6中385℃加热熔融，挤出到纺丝组件8中，最后经喷丝板9微孔挤出半熔融态聚醚醚酮丝条(即半熔融态丝条16)平行均匀涂覆至单向连续玻璃纤维间，未涂覆至单向连续玻璃纤维上的聚醚醚酮丝条由收集装置10回收利用，经粘结辊11使聚醚醚酮丝条与单向连续玻璃纤维粘结在一起垂直运动，再通过热压辊组12进行压力浸润，热压辊组12包括4组热压辊，对称分布于单向连续玻璃纤维带的两侧，热压辊表面温度为420℃，辊压压力为15MPa，涂覆与浸润过程均发生在加热装置5中，最后经冷压辊13定型冷却后由收卷辊14进行收卷，得到一定厚度、尺寸均一的连续纤维增强热塑性预浸带。

Claims (10)

1.一种制备连续纤维增强热塑性预浸带的装置，其特征是：所述装置包括顺序排列的纱架、导纱辊、开纤装置、预热烘箱、熔融纺丝涂覆装置、加热装置、热压辊组、冷压辊和收卷辊，纱架上卷绕有单向连续增强纤维带，熔融纺丝涂覆装置和热压辊组同时由加热装置进行加热；
熔融纺丝涂覆装置用于将热塑性树脂经喷丝板挤出成半熔融态的丝条，并使其平行均匀排列在单向连续增强纤维带的纤维间；
熔融纺丝涂覆装置包括螺杆挤出机、数控滑台、纺丝组件、喷丝板、粘结辊和收集装置，螺杆挤出机、纺丝组件和喷丝板顺序连接，数控滑台与纺丝组件连接，用于调节喷丝板与单向连续增强纤维带之间的距离，螺杆挤出机、粘结辊和收集装置自上而下排列，喷丝板和粘结辊分别位于单向连续增强纤维带走丝方向的后方和前方，喷丝板平行于单向连续增强纤维带，收集装置位于喷丝板的正下方，收集装置的接收面积大于喷丝板的水平投影面积。
2.根据权利要求1所述的一种制备连续纤维增强热塑性预浸带的装置，其特征在于，所述开纤装置的开纤方式为空气开纤、超声波开纤、机械辊压开纤或罗拉开纤。
3.根据权利要求1所述的一种制备连续纤维增强热塑性预浸带的装置，其特征在于，所述加热装置的加热方式为电阻丝加热、远红外加热或微波加热。
4.根据权利要求1所述的一种制备连续纤维增强热塑性预浸带的装置，其特征在于，所述熔融纺丝涂覆装置为水平式，单向连续增强纤维带横向经过粘结辊，喷丝板和收集装置分别位于单向连续增强纤维带的上方和下方。
5.根据权利要求1所述的一种制备连续纤维增强热塑性预浸带的装置，其特征在于，所述熔融纺丝涂覆装置为立式，单向连续增强纤维带纵向经过粘结辊，喷丝板和收集装置成对位于单向连续增强纤维带的两侧。
6.根据权利要求1所述的一种制备连续纤维增强热塑性预浸带的装置，其特征在于，所述喷丝板上微孔的孔径为200～300um。
7.根据权利要求6所述的一种制备连续纤维增强热塑性预浸带的装置，其特征在于，所述喷丝板上微孔垂直于单向连续增强纤维带走丝方向呈一字形单列排布或多列错排；所述多列错排是指2～5列错排。
8.根据权利要求1所述的一种制备连续纤维增强热塑性预浸带的装置，其特征在于，喷丝板与单向连续增强纤维带的距离为20～60cm。
9.根据权利要求1所述的一种制备连续纤维增强热塑性预浸带的装置，其特征在于，收集装置中心与单向连续增强纤维带的距离为10～50cm。
10.根据权利要求1所述的一种制备连续纤维增强热塑性预浸带的装置，其特征在于，所述热压辊组包括4～8组热压辊，对称分布于单向连续增强纤维带的两侧；热压辊表面温度为200～420℃，辊压压力为5～15MPa。
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