CN106758481A - 一种制备短切纤维连续取向毡的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种制备短切纤维连续取向毡的方法及装置属于纤维织物领域。本发明方法包括以下工序：分散工序：取向工序：将储料装置中分散好的短切纤维悬浮液导入渐缩取向喷头，经渐缩取向喷头后平铺在不断运行的传送网带上；分离工序：通过位于传送网带下方的负压抽吸箱分离在传送网带上的短切纤维悬浮液中的水分及分散剂，后洗涤获得湿态的短切纤维连续取向毡；干燥后收卷。本发明的装置自动化程度高，制备的短切纤维连续取向毡的厚度、宽度和长度及纤维含量可控性高，短切纤维连续取向毡中短切纤维的取向度高且取向结构均匀；本发明节能环保、优质高效，解决了制备效率低、无法连续和规模化生产的问题，为短切纤维取向毡的工业化应用提供了技术保障。

Description

一种制备短切纤维连续取向毡的方法及装置
技术领域：
本发明属于纤维织物材料领域，特别涉及一种规模化制备短切纤维连续取向毡的方法及装置。
背景技术：
短切纤维增强复合材料不仅具有一般纤维增强复合材料的优点，如抗腐蚀、耐疲劳、高比强度和比模量、较好的热稳定性以及可设计性等特点，同时具有加工工艺简单，生产成本较低等优点，已经越来越受到工业界及学术界的广泛关注。
短切纤维长度一般在3-15cm,具有高度各项异性，其增强复合材料的性能与纤维种类、纤维与基体之间的界面结合状态、纤维长度、纤维含量、纤维取向状态有关。对于某一特定短纤维增强复合材料，其力学性能主要取决于纤维的取向状态及纤维含量：沿着纤维取向方向，短切纤维复合材料具有较高的强度及模量；纤维含量越高，其复合材料力学性能越好。
制备短纤维取向增强复合材料传统方法主要采用将短纤维直接加入树脂等基体材料当中，利用挤出等工艺手段产生流体流动获得短纤维取向增强复合材料。但这些方法获得的复合材料其纤维含量相对较低，纤维分散及取向均匀性相对较差，一定程度上限制了其力学性能的增加。为了弥补传统方法的不足，通过单独使短切纤维取向制备短切纤维取向毡，再与树脂等基体复合获得短切纤维取向增强复合材料越来越受到人们的广泛关注。
近年来，国内外研究人员对短纤维取向毡制备技术进行了大量研究。Timbrell等(Journal of Applied Physics，1972，43(11)：4839-4840)利用磁场方法，将纤维置于强磁场中，利用磁矩力的作用驱动短纤维沿磁场力的方向进行一定的取向排列，获得一定取向度的短切纤维取向毡，但这种方法其取向装置相对比较复杂，且要求纤维具有导磁性，限制了可取向纤维的种类，此外，利用磁场法获得的短切纤维取向毡取向程度较低，通常沿纤维方向在±20°范围内只有70％的取向程度，无法获得高取向短切纤维取向产品。Vyakarnam等(U.S.Patent 5 846 356)利用电场法制备短纤维取向毡，其取向原理与磁场法类似，要求纤维具有一定的导电性能，限制了取向纤维的种类，同时，电场法获得的取向程度与磁场法类似，取向程度相对较低，通常沿纤维取向方向在±30°范围内只有80％的纤维实现取向。另外，Bagg等人(Composites,1969，1(2)：97-100)开发了一种湿法短切纤维取向技术：短切纤维在分散介质中的分散、短切纤维取向、取向介质分离，从而实现短切纤维取向毡的制备；KACIR等人(Polymer Engineering&Science，1975,15(7)：525-537)在此湿法纤维取向技术的基础上制备短切玻璃纤维取向毡，所制得的短切玻璃纤维取向毡沿纤维取向方向在±15°范围内的取向程度为90％，纤维取向程度相对较高，但其制备的取向毡是大小为254mm*152mm的块状纤维取向毡，无法实现规模化生产短切纤维连续取向毡。Wong等人(In:SAE AeroTech Congress and Exhibition.SAE International,Seattle,Washington,US,Nov 10-12,2009)进一步对此湿法取向技术进行改进，采用甘油作为分散介质，圆柱形旋转体内部进行取向，并通过离心分离技术使悬浮液与纤维的分离，提高了分散介质的分离效率，从而制备了12cm*150cm高取向短切纤维取向毡，但其采用甘油作为短切纤维分散介质，在分离过程中需要完全除去纤维表面甘油，同时在除去甘油之后还需要添加一定的粘胶剂用于纤维取向毡的固定，增加了工艺难度，生产效率较低，不利于工业化应用，另外，此方法制备的短切纤维取向毡的大小受其旋转离心分离装置大小的限制，无法连续化生产制备短切纤维连续取向毡。因此，急需开发一种连续、高效、规模化制备短切纤维连续取向毡的方法及其装置。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种短切纤维连续取向毡的制备方法及生产装置解决现有技术中无法连续、高效、规模化制备短切纤维取向毡的技术问题。本发明的具体技术内容如下：
本发明一种制备短切纤维连续取向毡的方法，其特征在于包括以下工序：
分散工序：分散工序中包括分散装置及储料装置，首先将分散剂加入水中于分散装置中搅拌分散至粘度为0.5-20Pa.s，粘度测试方法为用美国博勒飞DV-旋转粘度仪，21号转子，扭矩75-80％，测试温度30℃；分散时间为10-30min，然后加入短切纤维继续搅拌分散5-20min形成短切纤维单丝状悬浮液，短切纤维长度为1-15mm，并将分散装置中分散好的短切纤维悬浮液导入储料装置中，分散工作在制备短切纤维连续取向毡的过程中持续进行，以补充储料装置中纤维悬浮液的消耗；
取向工序：将储料装置中分散好的短切纤维悬浮液导入渐缩取向喷头，经渐缩取向喷头后平铺在不断运行的传送网带上，其中在传送网带运行方向上根据所制备短切纤维连续取向毡厚度需求依次排列设置2-8组渐缩取向喷头进行堆叠平铺喷涂，单层短切纤维毡的厚度在0.05-0.10mm，根据所制备短切纤维取向毡宽度需求在30-2000mm范围内选择相等宽度的减缩取向喷头进行喷涂，渐缩取向喷头的渐缩角度为10-30°，渐缩取向喷头的狭缝宽度为1-2mm，渐缩取向喷头的液位高度为30-100cm；
分离工序：通过位于传送网带下方的负压抽吸箱分离在传送网带上的短切纤维悬浮液中的水分及分散剂，同时通过位于传送网带上方的喷淋装置喷洒水雾进一步洗涤短切纤维悬浮液中的分散剂，从而获得湿态的短切纤维连续取向毡；最终分离出来的水分及分散剂经回收后再次用于短切纤维的分散；
干燥工序：不断运行的传送网带将湿态的短切纤维连续取向毡运送至热鼓风干燥隧道中，获得干态的短切纤维连续取向毡，热鼓风干燥隧道中热风温度为100-200℃；
收卷工序：将干态的短切纤维连续取向毡进行裁边处，理通过收卷装置收卷，最终获得短切纤维连续取向毡；
上述制备过程是连续运行的。
本发明一种制备短切纤维连续取向毡的方法，其特征在于所述纤维为碳纤维、玻璃纤维、聚酰亚胺纤维、天然纤维以及各种化学纤维中的一种或多种，纤维在分散过程中的添加量为0.5-10g/L分散液体积；分散液中分散剂为增稠类分散剂，包括羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、海藻酸钠、明胶、聚氧化乙烯(PEO)、甘油、聚丙烯酰胺中的一种或多种，其添加量以使溶液粘度达到0.5-20Pa.s为准。
本发明一种制备短切纤维连续取向毡的装置，包括搅拌分散装置(13)、搅拌储料装置(14)，其特征在于：还依次包括网状传送带(2)、热鼓风隧道干燥装置(7)、收卷装置(4)；网状传送带(2)部分位置的上方依次设置渐缩取向喷头(10)和水雾喷洗装置(6)、网状传送带(2)部分位置的下方设置负压抽吸箱(11)；热鼓风隧道干燥装置(7)，同时还包括传送网带自动张紧装置(12)、驱动装置、回收储料罐(15)以及总控制器(16)。
进一步，搅拌分散装置采用螺旋式搅拌器，转速可设定为200-1000r/min，容积为100-500L；搅拌储料装置采用框式搅拌器，转速可设定为50-500r/min，容积为200-1000L；网状传送带为连续运行的不锈钢带，传送网带上设置自动调偏装置，网带运行速度为5-80m/min，网孔大小为50-200目。
进一步，采用多组抽吸箱依次排列，每组负压抽吸箱负压值大小以及抽吸箱的高度单独调节，负压抽吸箱的个数可根据所制备短切纤维连续取向毡的厚度需求在5-30个范围内进行调节，抽吸箱分离出来的水分及分散剂经管道输送至储料罐中以备再次用于短切纤维的分散。
进一步，在热鼓风干燥隧道的前后两端各加装一组湿度传感器，用于监测短切纤维取向毡的湿度变化，并对热鼓风干燥隧道的温度进行自动调节。
发明效果
本发明效果：(1)本发明的装置自动化程度高，制备的短切纤维连续取向毡的厚度、宽度和长度及纤维含量可控性高，短切纤维连续取向毡中短切纤维的取向度高且取向结构均匀；(2)本发明的方法和装置节能环保、优质高效，解决了现有技术中短切纤维取向毡制备效率低、无法连续和规模化生产的问题，为短切纤维取向毡的工业化应用提供了技术保障。
附图说明
图1是本发明一种连续式制备短切纤维取向毡生产装置的结构示意图；
具体实施方式：
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
本发明一种制备短切纤维连续取向毡的方法，其特征在于包括以下工序：
分散工序：分散工序中包括分散装置及储料装置，首先将分散剂加入水中于分散装置中搅拌分散至粘度为0.5-20Pa.s，分散时间为10-30min，然后加入短切纤维继续搅拌分散5-20min形成短切纤维单丝状悬浮液，纤维长度为1-15mm，并将分散装置中分散好的短切纤维悬浮液导入储料装置，分散工作在制备短切纤维连续取向毡的过程中持续进行，以补充储料装置中纤维悬浮液的消耗；
取向工序：将储料装置中分散好的短切纤维悬浮液导入渐缩取向喷头，经渐缩取向喷头后平铺在不断运行的传送网带上，其中在传送网带运行方向上根据所制备短切纤维连续取向毡厚度需求依次排列设置2-8组渐缩取向喷头进行堆叠平铺喷涂，单层短切纤维毡的厚度在0.05-0.10mm，渐缩取向喷头宽度可根据所制备短切纤维取向毡宽度需求在30-2000mm范围内选择相等宽度的减缩取向喷头进行喷涂，渐缩取向喷头的渐缩角度为10-30°，渐缩取向喷头的狭缝宽度为1-2mm，渐缩取向喷头的液位高度为30-100cm；
分离工序：通过位于传送网带下方的负压抽吸箱分离在传送网带上的短切纤维悬浮液中的水分及分散剂，同时通过位于传送网带上方的喷淋装置喷洒水雾进一步洗涤短切纤维悬浮液中的分散剂，从而获得湿态的短切纤维连续取向毡；最终分离出来的水分及分散剂经回收后再次用于短切纤维的分散；
干燥工序：不断运行的传送网带将湿态的短切纤维连续取向毡运送至热鼓风干燥隧道中，获得干态的短切纤维连续取向毡，热鼓风干燥隧道中热风温度为100-200℃；
收卷工序：将干态的短切纤维连续取向毡进行裁边处理，通过收卷装置收卷，最终获得短切纤维连续取向毡；
上述制备过程是连续运行的。
如图1所示，本实施例提供一种连续式制备短切纤维取向毡的生产装置，包括搅拌分散装置(13)、搅拌储料装置(14)，其特征在于：还依次包括网状传送带(2)、热鼓风隧道干燥装置(7)、收卷装置(4)；网状传送带(2)部分位置的上方依次设置渐缩取向喷头(10)和水雾喷洗装置(6)、网状传送带(2)部分位置的下方设置负压抽吸箱(11)；热鼓风隧道干燥装置(7)，同时还包括传送网带自动张紧装置(12)、驱动装置、回收储料罐(15)以及总控制器(16)。
本实施例中的分散装置(13)为50L，搅拌储料装置(14)为200L。本实施例中所有粘度均采用美国博勒飞DV-III旋转粘度仪进行测量，转子为21号转子，扭矩在75-80％，测试温度为30℃；
实施例1
分散：首先在分散装置中加入水40L,称取羟乙基纤维素250g加入分散装置中(13)，开启搅拌分散装置，分散时间为20min，搅拌转速为200r/min；然后称取短切碳纤维(东丽公司T700短切碳纤维，纤维长度为4mm)160g加入至分散装置中，调高搅拌速度至500r/min，分散时间为5min，获得分散性良好的短切碳纤维悬浮液并加入至搅拌储料装置中(14)，此时纤维悬浮液的粘度为0.8Pa.s；，分散工作在制备T700短切碳纤维连续取向毡的过程中持续进行，以补充储料装置中纤维悬浮液的消耗；
取向：将储料装置中分散好的短切纤维悬浮液导入渐缩取向喷头，经渐缩取向喷头后平铺在不断运行的传送网带上，网带运行速度为30m/min，渐缩取向喷头数量为2组，间隔距离1m，渐缩取向喷头的宽度为30mm，渐缩取向喷头的渐缩角度为20°，渐缩取向喷头的狭缝宽度为1.2mm，渐缩取向喷头的液位高度为30cm；
分离：通过位于传送网带下方的10个负压抽吸箱分离在传送网带上的短切碳纤维悬浮液中的水分及分散剂，真空泵功率为20kw，同时通过位于传送网带上方的2组喷淋装置喷洒水雾进一步洗涤短切碳纤维悬浮液中的分散剂从而获得湿态的短切碳纤维连续取向毡；分离得到的水分及羟乙基纤维素输送至回收储料罐中以备用；
干燥：不断运行的传送网带将湿态的短切碳纤维连续取向毡运送至热鼓风干燥隧道中，获得干态的短切碳纤维连续取向毡，热鼓风干燥隧道长度为5m，热风温度为150℃；
收卷：将干态的短切碳纤维连续取向毡进行裁边处理，通过收卷装置收卷，最终获得短切碳纤维连续取向毡；
对获得的短切碳纤维取向毡进行表征得到：宽度25cm，长度20m，厚度为0.08mm，沿着纤维取向方向±5°内有92％的短切碳纤维取向，纤维毡中短切碳纤维含量为85％。
实施例2
分散：首先在分散装置中加入水40L,称取羟丙基纤维素200g加入分散装置中(13)，开启搅拌分散装置，分散时间为30min，搅拌转速为300r/min；然后称取短切玻璃纤维(纤维长度为10mm)150g加入至分散装置中，调高搅拌速度至800r/min，分散时间为10min，获得分散性良好的短切玻璃纤维悬浮液并加入至搅拌储料装置中(14)，此时纤维悬浮液的粘度为1.2Pa.s；，分散工作在制备短切玻璃纤维连续取向毡的过程中持续进行，以补充储料装置中纤维悬浮液的消耗；
取向：将储料装置中分散好的短切玻璃纤维悬浮液导入渐缩取向喷头，经渐缩取向喷头后平铺在不断运行的传送网带上，网带运行速度为50m/min，渐缩取向喷头数量为2组，间隔距离1m，渐缩取向喷头的宽度为50mm，渐缩取向喷头的渐缩角度为20°，渐缩取向喷头的狭缝宽度为1.2mm，渐缩取向喷头的液位高度为50cm；
分离：通过位于传送网带下方的12个负压抽吸箱分离在传送网带上的短切玻璃纤维悬浮液中的水分及分散剂，真空泵功率为20kw，同时通过位于传送网带上方的2组喷淋装置喷洒水雾进一步洗涤短切玻璃纤维悬浮液中的分散剂从而获得湿态的短切玻璃纤维连续取向毡；分离得到的水分及羟丙基纤维素输送至回收储料罐中以备用；
干燥：不断运行的传送网带将湿态的短切玻璃纤维连续取向毡运送至热鼓风干燥隧道中，获得干态的短切玻璃纤维连续取向毡，热鼓风干燥隧道长度为5m，热风温度为180℃；
收卷：将干态的短切玻璃纤维连续取向毡进行裁边处理，通过收卷装置收卷，最终获得短切玻璃纤维连续取向毡；
对获得的短切玻璃纤维取向毡进行表征得到：宽度45cm，长度20m，厚度为0.075mm，沿着纤维取向方向±5°内有85％的短切玻璃纤维取向，纤维毡中短切玻璃纤维含量为80％。
实施例3
分散：首先在分散装置中加入水40L,称取羟乙基纤维素400g加入分散装置中(13)，开启搅拌分散装置，分散时间为30min，搅拌转速为400r/min；然后称取短切碳纤维(纤维长度为15mm)100g加入至分散装置中，调高搅拌速度至1000r/min，分散时间为20min，获得分散性良好的短切碳纤维悬浮液并加入至搅拌储料装置中(14)，此时纤维悬浮液的粘度为2.4Pa.s；，分散工作在制备短切碳纤维连续取向毡的过程中持续进行，以补充储料装置中纤维悬浮液的消耗；
取向：将储料装置中分散好的短切碳纤维悬浮液导入渐缩取向喷头，经渐缩取向喷头后平铺在不断运行的传送网带上，网带运行速度为60m/min，渐缩取向喷头数量为2组，间隔距离1m，渐缩取向喷头的宽度为30mm，渐缩取向喷头的渐缩角度为20°，渐缩取向喷头的狭缝宽度为1.0mm，渐缩取向喷头的液位高度为60cm；
分离：通过位于传送网带下方的15个负压抽吸箱分离在传送网带上的短切碳纤维悬浮液中的水分及分散剂，真空泵功率为20kw，同时通过位于传送网带上方的2组喷淋装置喷洒水雾进一步洗涤短切碳纤维悬浮液中的分散剂从而获得湿态的短切碳纤维连续取向毡；分离得到的水分及羟乙基纤维素输送至回收储料罐中以备用；
干燥：不断运行的传送网带将湿态的短切碳纤维连续取向毡运送至热鼓风干燥隧道中，获得干态的短切碳纤维连续取向毡，热鼓风干燥隧道长度为5m，热风温度为200℃；
收卷：将干态的短切碳纤维连续取向毡进行裁边处理，通过收卷装置收卷，最终获得短切碳纤维连续取向毡；
对获得的短切碳纤维取向毡进行表征得到：宽度25cm，长度20m，厚度为0.07mm，沿着纤维取向方向±5°内有83％的短切碳纤维取向，纤维毡中短切碳纤维含量为82％。

Claims (6)

1.一种制备短切纤维连续取向毡的方法，其特征在于包括以下工序：
分散工序：首先将分散剂加入水中于分散装置中搅拌分散至粘度为0.5-20Pa.s，粘度测试方法为用美国博勒飞DV-旋转粘度仪，21号转子，扭矩75-80％，测试温度30℃；分散时间为10-30min，然后加入短切纤维继续搅拌分散5-20min形成短切纤维单丝状悬浮液，短切纤维长度为1-15mm，并将分散装置中分散好的短切纤维悬浮液导入储料装置中，分散工作在制备短切纤维连续取向毡的过程中持续进行，以补充储料装置中纤维悬浮液的消耗；
取向工序：将储料装置中分散好的短切纤维悬浮液导入渐缩取向喷头，经渐缩取向喷头后平铺在不断运行的传送网带上，其中在传送网带运行方向上排列设置2-8组渐缩取向喷头进行堆叠平铺喷涂，单层短切纤维毡的厚度在0.05-0.10mm，根据所制备短切纤维取向毡宽度需求在30-2000mm范围内选择相等宽度的减缩取向喷头进行喷涂，渐缩取向喷头的渐缩角度为10-30°，渐缩取向喷头的狭缝宽度为1-2mm，渐缩取向喷头的液位高度为30-100cm；
分离工序：通过位于传送网带下方的负压抽吸箱分离在传送网带上的短切纤维悬浮液中的水分及分散剂，同时通过位于传送网带上方的喷淋装置喷洒水雾进一步洗涤短切纤维悬浮液中的分散剂，从而获得湿态的短切纤维连续取向毡；最终分离出来的水分及分散剂经回收后再次用于短切纤维的分散；
干燥工序：不断运行的传送网带将湿态的短切纤维连续取向毡运送至热鼓风干燥隧道中，获得干态的短切纤维连续取向毡，热鼓风干燥隧道中热风温度为100-200℃；
收卷工序：将干态的短切纤维连续取向毡进行裁边处理，通过收卷装置收卷，最终获得短切纤维连续取向毡；
上述制备过程是连续运行的。
2.根据权利要求1中所述的一种制备短切纤维连续取向毡的方法，其特征在于所述纤维为碳纤维、玻璃纤维、聚酰亚胺纤维、天然纤维以及各种化学纤维中的一种或多种，纤维在分散过程中的添加量为0.5-10g/L分散液体积；分散液中分散剂为增稠类分散剂，包括羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、海藻酸钠、明胶、聚氧化乙烯、甘油、聚丙烯酰胺中的一种或多种，其添加量以使溶液粘度达到0.5-20Pa.s为准。
3.一种连续式制备短切纤维取向毡的生产装置，包括搅拌分散装置(13)、搅拌储料装置(14)，其特征在于：还依次包括网状传送带(2)、热鼓风隧道干燥装置(7)、收卷装置(4)；网状传送带(2)部分位置的上方依次设置渐缩取向喷头(10)和水雾喷洗装置(6)、网状传送带(2)部分位置的下方设置负压抽吸箱(11)；热鼓风隧道干燥装置(7)，同时还包括传送网带自动张紧装置(12)、驱动装置、回收储料罐(15)以及总控制器(16)。
4.根据权利要求3中所述一种制备短切纤维连续取向毡的装置，其特征在于搅拌分散装置采用螺旋式搅拌器，转速设定为200-1000r/min，容积为100-500L；搅拌储料装置采用框式搅拌器，转速设定为50-500r/min，容积为200-1000L；网状传送带为连续运行的不锈钢带，传送网带上设置自动调偏装置，网带运行速度为5-80m/min，网孔大小为50-200目。
5.根据权利要求3中所述一种制备短切纤维连续取向毡的装置，其特征在于采用多组抽吸箱依次排列，每组负压抽吸箱负压值大小以及抽吸箱的高度单独调节，负压抽吸箱的个数根据所制备短切纤维连续取向毡的厚度需求在5-30个范围内进行调节，抽吸箱分离出来的水分及分散剂经管道输送至回收储料罐中以备再次用于短切纤维的分散。
6.根据权利要求3中所述一种制备短切纤维连续取向毡的装置，其特征在于在热鼓风干燥隧道的前后两端各加装一组湿度传感器，用于监测短切纤维取向毡的湿度变化，并对热鼓风干燥隧道的温度进行自动调节。
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