CN106476161A - 一种热塑性树脂预浸料及其制备设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热塑性树脂预浸料及其制备设备。该设备包括恒张力放卷装置，第一撒粉装置，第一加热装置，纤维织物正反面转向装置，第二撒粉装置，第二加热装置，压平浸渍装置和收卷装置。该设备采用撒粉法工艺，适用于将不同粒径大小的树脂和不同织物形式的各类纤维复合，制备热塑性树脂预浸料。本发明设备结构简单，造价低廉，无其他物料引入，经济环保；该设备制备的热塑性树脂预浸料，具有室温长期贮存、成型周期短、生产效率高等特点，其制成的热塑性树脂基复合材料具有优异的抗冲击韧性、耐疲劳损伤性能、可修补和回收再利用等一系列优点，是一种绿色环保材料。

Description

一种热塑性树脂预浸料及其制备设备

技术领域

本发明涉及一种纤维织物热塑性树脂预浸料及其制备设备，属于高分子材料加工技术领域。

背景技术

热塑性树脂基复合材料是以热塑性树脂为基体，以纤维及其织物为增强材料，通过适当的方法复合成的一种新材料。与热固性树脂基复合材料相比，热塑性树脂基复合材料具有优异的抗冲击韧性、耐疲劳损伤性能、成型周期短、生产效率高、可长期贮存、可进行修补和回收再利用等一系列优点。因而在航空航天、医疗、电子、机械等领域得到了越来越广泛的发展和应用。特别是随着刚性、耐热性及耐介质性好的新型芳香族热塑性树脂基体复合材料的出现，使得热塑性复合材料克服了以往弹性模量低、抗溶剂性差、纤维与树脂结合强度低等缺点，可用于性能要求较高的结构材料。

目前，连续纤维增强热塑性树脂的预浸料的生产工艺主要有以下几种:溶液浸渍法、熔融浸渍法、粉末工艺法等。这些工艺方法都一些局限性，例如溶液浸渍法，需要选择一种合适的溶剂，或者是几种溶剂配成的混合溶剂，将热塑性树脂完全溶解，制得低粘度的溶液，并以此浸渍纤维，然后将溶剂挥发制得预浸料，该工艺不仅浪费材料，造成环境污染，而且只能通过喂纱架的形式输送单向平行的纤维丝束，仅能制备单向热塑性预浸料。熔融浸渍法虽然可省去喂纱架部件，但该工艺要求和纤维复合的热塑性树脂先制备成胶膜，这样就要增设制膜的胶膜机，并且需要热塑性树脂满足在成膜温度下形成稳定胶膜的限制，从而约束了热塑性树脂种类的选择。粉末工艺法是将粉状树脂以各种不同方式施加到纤维上。这种工艺生产速度快，效率高，工艺控制方便，目前粉末工艺法主要的形式有悬浮液浸渍法、流态化床浸渍工艺、静电流态化床工艺、热塑性纤维预浸束工艺，要么需要引入溶剂(悬浮液浸渍法)，要么需要增设设备(流态化床浸渍工艺需要流态化床、静电流态化床工艺需要静电流化室)，这样就会造成设备结构复杂，价格昂贵，更有局限性的是有些工艺法仅能复合纤维束，不能对纤维织物进行整体复合制备纤维织物热塑性预浸料。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种采用撒粉工艺制备热塑性树脂预浸料的设备及其通过上述设备制备得到的热塑性预浸料。本发明设备结构简单，造价低廉，无其他物料引入，经济环保，可实现制备连续纤维(如碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维等)织物(如单向带、平纹、缎纹、斜纹等)的热塑性预浸料。

本发明中的一种热塑性树脂预浸料的制备设备，包括：

(1)恒张力放卷装置：对纤维织物进行放卷；

(2)第一撒粉装置、第二撒粉装置：保证热塑性树脂粉末均匀地分布在纤维织物表面；

(3)第一加热装置、第二加热装置：对纤维织物表面的树脂粉末进行加热熔融；

(4)纤维织物正反面转向装置：将经过纤维织物转面；

(5)压平浸渍装置：将纤维织物表面已熔融的树脂压平并和纤维织物浸渍；

(6)收卷装置：对热塑性树脂预浸料进行收卷。

本发明具体技术方案描述如下。

一种热塑性树脂预浸料的制备设备，其包括恒张力放卷装置，第一撒粉装置，第一加热装置，纤维织物正反面转向装置，第二撒粉装置，第二加热装置，压平浸渍装置和收卷装置；纤维织物由恒张力放卷装置放卷、依次经过第一撒粉装置、第一加热装置熔融、纤维织物正反面转向装置、第二撒粉装置、第二加热装置和压平浸渍装置，最后由收卷装置完成热塑性预浸料的收卷；所述第一撒粉装置和第二撒粉装置均包括雕刻辊、滚刷针布辊和振动器；所述雕刻辊表面均匀设置若干形状、大小同一的坑；所述滚刷针转动时，将雕刻辊坑中的树脂粉刷下来；所述振动器为3层振动筛结构，使撒粉更均匀；所述第一加热装置中设置特氟龙网带，纤维织物置于特氟龙网带上；所述第二加热装置中设置若干冷却钢辊，冷却钢辊表面涂有PTFE，冷却钢辊和冷却机相连，用冷却机的制冷水循环，纤维织物通过冷却钢辊进行输送；所述纤维织物正反面转向装置为一组导辊，并配置纠偏器；所述纠偏器设置于第一加热装置的出口处，和导辊相连，用于控制纤维织物走向。

本发明中，所述恒张力放卷装置是采用磁粉制动器对纤维织物进行放卷，将磁粉制动器与气胀轴连接，当纤维织物经向张力过大或过小时，同步感应器发出信号控制张力，使碳布在整个放卷过程中张力恒定。

本发明中，所述第一撒粉装置和第二撒粉装置的上部设置除尘回收装置。

本发明中，所述第一加热装置和第二加热装置采用远红外加热方式；所述第一加热装置和第二加热装置的电热管上侧安装不锈钢集热罩。

本发明中，所述冷却压平装置包括气动系统和两支平行设置的钢辊，所述两支钢辊表面经过硬铬处理，所述气动系统控制两支钢辊之间的间隙。

本发明中，所述收卷装置是通过变频控制的电动机带动磁粉制动器，由气胀轴完成收卷。

本发明还进一步提供根据上述制备设备得到的热塑性树脂预浸料，其由粒径范围在20微米～1000微米的热塑性树脂和不同纤维织物复合得到。

本发明中，热塑性树脂预浸料中的热塑性树脂含量控制在20％～60％之间，精度控制为±4％。

本发明的有益效果在于：本发明设备通过一个收放卷装置可实现各类纤维织物热塑性树脂预浸料的制作，避免了要求张力控制严格的喂纱架，简化了设备；同时通过撒粉的方式将热塑性树脂附着在纤维织物表面，这样可以不需要树脂具有成膜性或流化床装置的要求，实现热塑性树脂和纤维的复合。本发明通用性强，适用于各种纤维织物和各类树脂的复合，不引入多余的溶剂，环境友好，并且该设备简单，造价低廉。

附图说明

图1为本发明中热塑性预浸料制备设备的示意图。

图2是实施例1的热塑性预浸料模压成型的复合材料试样形貌图。

图3是超声扫描实施例1得到的热塑性复合材料的内部质量情况图示。

图中标号：1-恒张力放卷装置；2-第一撒粉装置；3-第一加热装置；4-特氟龙网带；5-纠偏装置；6-纤维织物正反面转向装置；7-第二撒粉装置；8-第二加热装置；9-冷却钢辊；10-压平浸渍装置；11-收卷装置；12-除尘回收装置。

具体实施方式

图1是本发明中热塑性树脂制备设备的示意图，即撒粉法热塑性树脂预浸机的示意图。

该设备主要工艺流程如下：恒张力放卷装置1→第一撒粉装置2→第一加热装置3→纤维织物正反面转向装置6→第二撒粉装置7→第二加热装置8→冷却压平装置10→收卷装置11。

1、恒张力放卷装置1：采用磁粉制动器纤维织物进行放卷。将磁粉制动器和气胀轴连接，当纤维织物张力过大或过小时，同步感应器发出信号控制张力，使纤维织物在整个放卷过程中张力恒定。

2、第一撒粉装置2、第二撒粉装置7：本装置配有一支雕刻辊，它表面很均匀的排列着无数个坑，每个坑的形状、大小完全一致，确保了无数个坑存粉量的一致。当雕刻辊以一定转速转动时，滚刷针布辊逆向转动，将雕刻辊坑中的树脂粉刷下来。为了保证热塑性树脂粉末均匀地分布在纤维织物表面，采用先进的3层振动筛，解决了树脂粉分布不均匀的情况，使树脂涂层更均匀，效果更好。在撒粉口上部安装除尘回收装置12，回收树脂粉扬尘，防止树脂粉末污染环境。

3、第一加热装置3：第一加热装置3为烘箱，采用石英玻璃管远红外加热方式(自动恒温)对纤维织物表面的树脂粉末进行加热熔融。为了防止树脂粉末在熔融过程中纤维织物变形，在烘箱内配置特氟龙网带4，纤维织物放置在特氟龙网带4上，由变频控制电机带动特氟龙网带4向前输送，减少纤维织物的张力，使得纤维织物平整地输送到下个装置中。烘箱采用全封闭结构，双组份保温材料，提高保温效果，达到节能的目的；为了提高加热效率，在烘箱内的电热管上侧安装不锈钢集热罩。

4、纤维织物正反面转向装置6：在第一加热装置3的出口安置一套纠偏器5，在进行纤维织物正反面转向的同时，保证纤维织物不出现“跑偏”的情况，防止纤维织物出现挤皱的现象，从而提高产品质量。

5、第二加热装置8：第二加热装置8为烘箱，纤维织物经过转面，进行背面二次撒粉后，进入烘箱二次熔融。为防止树脂与特氟龙网带在加热的环境中粘连，采用输送导辊的方式的纤维织物进行输送。在烘箱内装若干支表面经特殊处理的冷却钢辊9，冷却钢辊9内采用冷却机制冷水循环，使冷却钢辊9表面一直处于较低温度下，确保冷却钢辊9不会同正面树脂产生粘连，以保证正面树脂质量不受破坏。

6、压平浸渍装置10：使用两支表面硬铬处理的钢辊，由气动系统控制两支钢棍的间隙，将纤维织物表面已熔融的树脂压平并和纤维织物浸渍。

7、收卷装置11：采用中心收卷和气缸压紧摩擦收卷相结合的方式对热塑性树脂预浸料进行收卷，确保产品不会产生因卷绕弯曲产生破坏。

下面通过实施例对本发明的设计和制备技术做进一步详细说明。

实施例1

1、将经过脱挥处理过粒径为20μm的尼龙6放入在两个撒粉装置的料斗中；并且将连接好引头布牌号为U3220T的碳纤维单向带安装在放卷架上的气涨轴上，将引头布穿过整个传输路径，至收卷辊上。

2、打开冷却水水源，在制冷机上设置水温为30℃，并开启第一、第二加热装置的加热开关，设置其内温度为220℃。

3、待第一、第二加热装置内实际温度到了设定温度后，将碳布传输速度设置为3m/min；“第一撒粉装置”、“第二撒粉装置”工作频率设置为900Hz。

4、开启织物速度开关，当碳纤维单向带距第一个撒粉装置2大约20cm，开启第一撒粉装置2开关及其相应的第一除尘风机开关；当碳纤维单向带距第二撒粉装置7大约20cm，开启第二撒粉装置开关及其相应的第二除尘风机开关。

5、待碳纤维单向带全部通过第一撒粉头时，关闭第一撒粉装置2开关；待碳纤维单向带全部通过第二撒粉装置7时，关闭第二撒粉装置7开关；待碳纤维单向带完成收卷，从收卷辊取下制备好的热塑性预浸料(该热塑性预浸料树脂含量约为39％)，装箱待用。通过模压成型制备了热塑性复合材料，从图2、图3可以看出，该热塑性复合材料质量优良，从而进一步说明用撒粉方式制备的热塑性预浸料满足使用要求。热塑性复合材料的力学性能见表1。

实施例2

1、将粒径为500μm的聚丙烯粉料分别放置在两个撒粉装置的料斗中；并且将连接好引头布牌号为EW100a的平纹玻璃布安装在放卷架上的气涨轴上，将引头布穿过整个传输路径，至收卷辊上。

2、打开冷却水水源，在制冷机上设置水温为30℃，并开启第一、第二加热装置加热开关，设置烘房温度为170℃。

3、待上述第一、第二加热装置的实际温度到了设定温度后，将平纹玻璃布传输速度设置为3m/min；“第一撒粉装置”、“第二撒粉装置”工作频率设置为1500Hz。

4、开启织物速度开关，当平纹玻璃布距第一撒粉装置2大约20cm，开启第一撒粉装置2开关及其相应的第一除尘风机开关；当平纹玻璃布距第二撒粉装置7大约20cm，开启第二撒粉装置7开关及其相应的第二除尘风机开关。

5、平纹玻璃布全部通过第一撒粉装置2时，关闭第一撒粉头开关；平纹玻璃布全部通过第二撒粉装置7时，关闭第二撒粉装置7开关；待平纹玻璃布完成收卷，从收卷辊取下制备好的热塑性预浸料，装箱待用。通过模压成型制备了热塑性复合材料，力学性能见表1。

表1 不同纤维和树脂的实施效果例

实施例	增强材料	树脂	纤维含量％	拉伸强度/MPa	弯曲强度/MPa
						实施例1	碳纤维单向布	尼龙6	60	1450	1237
实施例2	玻纤平纹布	聚丙烯	50	220	178

Claims (8)

1.一种热塑性树脂预浸料的制备设备，其特征在于：其包括恒张力放卷装置，第一撒粉装置，第一加热装置，纤维织物正反面转向装置，第二撒粉装置，第二加热装置，压平浸渍装置和收卷装置；工作时，纤维织物由恒张力放卷装置放卷、依次经过第一撒粉装置、第一加热装置、纤维织物正反面转向装置、第二撒粉装置、第二加热装置和压平浸渍装置，最后由收卷装置完成热塑性预浸料的收卷；所述第一撒粉装置和第二撒粉装置均包括雕刻辊、滚刷针布辊和振动器，所述雕刻辊表面均匀设置若干形状、大小同一的坑，所述滚刷针布辊转动时，将雕刻辊坑中的树脂粉刷下来；所述振动器为3层振动筛结构；所述第一加热装置中设置特弗龙网带，纤维织物置于特弗龙网带上；所述第二加热装置中设置若干冷却钢辊，冷却钢辊表面涂有PTFE，冷却钢辊和冷却机相连，用冷却机的制冷水循环，纤维织物通过冷却钢辊进行输送；所述纤维织物正反面转向装置为一组导辊，并配置纠偏器，所述纠偏器设置于第一加热装置的出口处，和导辊相连，用于控制纤维织物走向。

2.根据权利要求1所述的制备设备，其特征在于：所述恒张力放卷装置包括磁粉制动器、气胀轴和同步感应器，其采用磁粉制动器对纤维织物进行放卷，同时磁粉制动器与气胀轴连接，当纤维织物经向张力过大或过小时，同步感应器发出信号控制张力，使碳布在整个放卷过程中张力恒定。

3.根据权利要求1所述的制备设备，其特征在于：所述第一撒粉装置和第二撒粉装置的上部设置除尘回收装置。

4.根据权利要求1所述的制备设备，其特征在于：所述第一加热装置和第二加热装置采用远红外加热方式；所述第一加热装置和第二加热装置的电热管上侧均安装不锈钢集热罩。

5.根据权利要求1所述的制备设备，其特征在于：所述压平浸渍装置包括气动系统和两支平行设置的钢辊，所述两支钢辊表面经过硬铬处理，所述气动系统控制所述两支钢辊之间的间隙。

6.根据权利要求1所述的制备设备，其特征在于：所述收卷装置是通过变频控制的电动机带动磁粉制动器，由气胀轴完成收卷。

7.根据权利要求1～6之一所述的制备设备制备得到的热塑性树脂预浸料，其特征在于，其由粒径范围在20微米～1000微米的热塑性树脂和不同纤维织物复合得到。

8.根据权利要求7所述的热塑性树脂预浸料，其特征在于：热塑性树脂预浸料中的热塑性树脂含量控制在20％～60％之间，精度控制为±4％。