CN107415286B - 一种可在线调整张力的纤维增强复合材料熔融浸渍装置及制备方法 - Google Patents

一种可在线调整张力的纤维增强复合材料熔融浸渍装置及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可在线调整张力的纤维增强复合材料熔融浸渍装置及制备方法，该装置包括分丝预热装置、熔融浸渍模具、多个可旋转的浸渍调整装置、挤出机、冷却装置和牵引装置；分丝预热装置用于对连续纤维束进行分丝解捻并预热；挤出机用于将塑化好的树脂熔体挤入熔融浸渍模具内；各可旋转的浸渍调整装置等距安装在熔融浸渍模具内，纤维束从该浸渍调整装置穿过，浸渍过程中，纤维束在浸渍辊表面的包覆角和所受张力由各可旋转浸渍调整装置在线调整；冷却装置用于对预浸复合材料进行冷却定型；牵引装置安装在冷却装置的出口处，用于牵引连续纤维束。利用本发明装置，可以在线调整纤维束的包覆角和张力，使纤维束充分分散，树脂充分浸润纤维束，从而提高复合材料的力学性能。

Description

一种可在线调整张力的纤维增强复合材料熔融浸渍装置及制 备方法
技术领域
本发明涉及连续纤维增强复合材料加工领域，尤其涉及一种可在线调整张力的纤维增强复合材料熔融浸渍装置及制备方法。
背景技术
连续纤维增强复合材料的抗化学和环境腐蚀的能力强，固化过程中不发生化学反应，可以重复利用且性能不下降，生产周期短，效率高，成型的适应性较广，力学性能和热稳定性能优异，能更充分地发挥增强纤维的作用，具有更广阔的发展前景，其主要应用在汽车工业、化工环保、航天通讯等部门及行业。
制备连续纤维增强复合材料的难点主要在于热塑性树脂的高粘度和纤维丝束的分散，为了实现良好的分散与浸渍，对浸渍流道结构进行了研究探索。
在公开号为CN104723576A的中国专利中，公开了一种连续纤维增强热塑性树脂预浸片材的成型设备与方法。该成型设备采用螺旋式熔融浸渍模具，二次辊压装置。螺旋式熔融浸渍模具内布置有1-3根螺旋浸渍辊，螺旋浸渍辊的外表面开有螺旋沟槽，并通过电机驱动在螺旋式熔融浸渍模具内旋转。通过转动螺旋浸渍辊，树脂沿螺旋内流动，实现纤维纵向方向浸渍，同时由于挤压作用，熔体沿垂直纤维方向流动，实现横向浸渍。
现有连续纤维增强热塑性树脂浸渍装置主要存在以下技术问题或缺陷：1)纤维束浸渍流道形式固定，更换繁琐；2)生产中纤维束所受张力及包覆角无法在线调整，导致浸渍程度低于90％，制得的复合材料断裂率高于5％；3)浸渍装置形状复杂，加工生产比较困难。
发明内容
本发明的目的是解决目前连续纤维增强热塑性树脂浸渍装置的上述技术问题。
为实现以上发明目的，一方面，本发明提供一种可在线调整张力的纤维增强复合材料熔融浸渍装置，包括分丝预热装置、熔融浸渍模具、多个可旋转浸渍装置、挤出机、冷却装置和牵引装置；
所述分丝预热装置安装在所述熔融浸渍模具的入口处，用于对连续纤维束进行分丝解捻并预热；
所述挤出机与所述熔融浸渍模具熔体相连接，用于将塑化好的热塑性树脂熔体挤入所述熔融浸渍模具内；
各所述可旋转的浸渍调整装置等距安装在所述熔融浸渍模具内，所述纤维束从该所述浸渍调整装置穿过，浸渍过程中，所述纤维束在所述浸渍辊表面的包覆角和所受张力由所述各可旋转浸渍调整装置在线调整；
所述冷却装置安装在所述熔融浸渍模具的出口处，用于对所述预浸复合材料进行冷却定型；
所述牵引装置安装在所述冷却装置的出口处，用于牵引所述连续纤维束。
进一步地，各所述旋转浸渍装置包括一对旋转盘和一对浸渍辊，一对所述浸渍辊平行地固定安装在两片所述旋转盘之间；
所述连续纤维束交替绕过各所述浸渍辊，通过改变各所述旋转盘的旋转角度来调整所述连续纤维束在各所述浸渍辊上所绕的包覆角及所受张力。
进一步地，一对所述旋转盘中的其中之一的一端延伸出所述熔融浸渍模具，并在其端部安装有旋钮，所述旋钮带有指针；在所述旋钮四周刻有角度，用于标示所述旋转盘的旋转度数。起始所述指针指向0°时，一对所述浸渍辊处于竖直状态，不与纤维接触。
进一步地，所述旋转盘的旋转角度范围为0-180°。
进一步地，所述浸渍辊的直径范围为10-50mm，所述旋转盘的直径范围为40-200mm，相邻所述旋转浸渍装置间的距离为50-250mm。
进一步地，所述熔融浸渍模具分为上下可拆卸安装的两层，上下两层接触面上对应设有半圆形凹槽，相邻所述半圆形凹槽等距排列；
所述半圆形凹槽用于安装所述旋转浸渍装置，并可调整相邻两个所述旋转浸渍装置的间距。
另一方面，本发明还提供一种连续纤维增强热塑性树脂的熔融浸渍制备方法，包括如下步骤：
(1)对连续纤维束进行分丝解捻和预热处理；
(2)将所述连续纤维束牵引入熔融浸渍模具中，通过所述熔融浸渍模具内设置的多个可旋转浸渍装置调整所述连续纤维束所绕包覆角及所受张力，使所述连续纤维束得到分散；同时，将塑化好的热塑性树脂熔体挤入所述熔融浸渍模具内，使所述连续纤维束得到浸渍，生成预浸复合材料；
(3)对所述预浸复合材料进行冷却定型。
进一步地，步骤(1)中所述连续纤维束包括但不限于玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维或芳纶。
进一步地，步骤(2)中所述热塑性树脂包括但不限于聚乙烯、聚丙烯、尼龙、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚氨酯。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明可以按实际生产要求手动或机械调整旋转盘的旋转角度，通过旋转盘的旋转带动浸渍辊的转动，使交替绕过浸渍辊的连续纤维束形成合适的包覆角，使连续纤维束得到充分分散和浸渍；并可在生产过程中，根据连续纤维束分散浸渍情况及时手动或机械调整旋转盘，改变连续纤维束在浸渍辊上的包覆角与所受张力，达到最优的浸渍效果；本发明结构简单，构件易加工安装，实际生产操作简便。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是旋转浸渍装置的结构示意图；
图3是旋钮的结构示意图；
图4是旋转浸渍装置旋转角度示意图；
图1中，连续纤维束1；分丝预热装置2；熔融浸渍模具3；旋转浸渍装置4；旋转盘5；浸渍辊6；冷却装置7；牵引装置8；挤出机9；旋钮10。
图4中，装置1旋转角度为180°，装置2旋转角度为145°，装置3旋转角度为90°，装置4旋转角度为60°，装置5旋转角度为0°。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的可在线调整包覆角及张力的纤维增强复合材料熔融浸渍装置，包括分丝预热装置2、熔融浸渍模具3、至少一个可旋转浸渍调整装置4、旋转盘5、浸渍辊6、冷却装置7和牵引装置8、挤出机9；
分丝预热装置2安装在熔融浸渍模具3的入口处，用于对连续纤维束1进行分丝解捻并预热；
挤出机9与熔融浸渍模具3通过管路相连接，用于将塑化好的热塑性树脂熔体挤入熔融浸渍模具3内；
各可旋转浸渍调整装置等距安装在熔融浸渍模具3内，连续纤维束1从中穿过，可以对连续纤维束进行分散，然后在热塑性树脂熔体内进行浸渍形成预浸复合材料，连续纤维束在各旋转浸渍装置上的包覆角和所受张力由各旋转浸渍装置在线调整；
冷却装置7安装在熔融浸渍模具3的出口处，用于对预浸复合材料进行冷却定型；
牵引装置8安装在冷却装置7的出口处，用于牵引连续纤维束并控制牵引速度。
优选地，如图2所示，各旋转浸渍装置4包括一对旋转盘5和一对浸渍辊6，一对浸渍辊平行地固定安装在一对旋转盘之间，沿旋转盘的径向，在1/2半径处对称开设两孔用于安装浸渍辊6；
连续纤维束1交替绕过各浸渍辊6，通过改变各旋转盘5的旋转角度来调整连续纤维束1在各浸渍辊6上所绕的包覆角及所受张力。
优选地，一对旋转盘5中的其中之一的一端延伸出熔融浸渍模具3，并在其端部安装有旋钮，所述旋钮带有指针；如图3所示，在旋钮10四周刻有角度，用于标示旋转盘的旋转度数。起始所述指针指向0°时，一对所述浸渍辊处于竖直状态，不与纤维接触。
优选地，浸渍辊6起始状态时不与连续纤维束1接触，在旋转一定角度后与连续纤维束1接触，随着旋转角度的增大，包覆角逐渐变大；各个旋转浸渍装置可独立调整，可以根据实际需要确定旋转角度，如图4所示，各个旋转浸渍装置的转动角度可以不相同，旋转角度范围为0-180°。
优选地，浸渍辊6的直径范围为10-50mm，旋转盘5的直径范围为40-200mm，相邻旋转浸渍装置4之间的距离范围为50-250mm。
优选地，熔融浸渍模具3分为上下可拆卸安装的两层，上下两层接触面上对应设有半圆形凹槽，相邻所述半圆形凹槽等距排列。
半圆形凹槽用于安装旋转浸渍装置4，并可调整相邻两个旋转浸渍装置的间距。
另一方面，本发明还提供一种连续纤维增强热塑性树脂的熔融浸渍制备方法，包括如下步骤：
(1)对连续纤维束1进行分丝解捻和预热处理；
(2)将连续纤维束1牵引入熔融浸渍模具3中，通过熔融浸渍模具3内设置的多个可旋转浸渍装置调整连续纤维束1所绕包覆角及所受张力，使连续纤维束得到分散；同时，将塑化好的热塑性树脂熔体挤入熔融浸渍模具3内，使连续纤维束1得到浸渍，生成预浸复合材料；
(3)对预浸复合材料进行冷却定型。
优选地，步骤(1)中连续纤维束1包括但不限于玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维或芳纶。
优选地，步骤(2)中热塑性树脂包括但不限于聚乙烯、聚丙烯、尼龙、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚氨酯。
使用本装置制备连续纤维增强热塑性树脂时，按照如下步骤：
1)将连续纤维束通过分丝预热装置进行分丝解捻，预热处理；
2)将处理后的连续纤维束交替绕过熔融浸渍模具中的浸渍辊；同时，通过挤出机将塑化好的热塑性树脂熔体挤入熔融浸渍模具中，连续纤维束在浸渍辊的作用下得到分散和浸渍，形成预浸复合材料；
3)将预浸复合材料通过冷却装置进行冷却定型，并切成10mm长的粒料，采用注塑机注塑成测试样条，对制得的复合材料的性能按照相关国家标准进行测试。
浸渍程度根据密度法测量，按GB/T 1463-2005进行；断裂率根据纤维束线密度变化测量，按GB/T 7690.1-2001进行；拉伸强度、弯曲强度及缺口冲击强度分别按照GB/T1447-2005、GB/T 1449-2005、GB/T 1043-2008进行。
为便于对本发明进一步理解，现结合具体实施例对本发明做进一步详细描述，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
一种连续纤维增强热塑性树脂的熔融浸渍制备方法，连续纤维束选择碳纤维，热塑性树脂选择尼龙66；熔融浸渍模具温度设为280℃，其中安装排列3个旋转浸渍装置，间距80mm；浸渍辊的直径为15mm，旋转盘的直径为60mm；挤出机喂料段、压缩段、计量段温度分别为260℃、275℃、285℃。
本实施例选择一组对比试验，方案1为3个旋转浸渍装置都转动90°，方案2为3个旋转浸渍装置都转动120°，方案3为3个旋转浸渍装置都转动150°，试验结果参见表1。
实施例2
一种连续纤维增强热塑性树脂的熔融浸渍制备方法，连续纤维束1选择玻璃纤维，热塑性树脂选择聚丙烯；熔融浸渍模具温度设为230℃，其中安装排列4个旋转浸渍装置，间距50mm；浸渍辊的直径为10mm，旋转盘的直径为40mm；挤出机喂料段、压缩段、计量段温度分别为150℃、220℃、230℃。
本实施例选择一组对比试验，方案1中4个旋转浸渍装置都转动135°，方案2中4个旋转浸渍装置转动的角度分别为180°、150°、120°和90°，试验结果参见表2。
由表1可见，通过对不同旋转角度的对比实验，比较相关数据，旋转角度小时浸渍程度不高，旋转角度大时会影响纤维束断裂，从而可以确定最佳的生产工艺参数；由表2可见，在总包覆角相同的情况下，一组旋转浸渍装置中，各浸渍辊包覆角递减有利于纤维束浸渍，减少断裂，提高力学性能。
表1不同旋转角度对浸渍的影响
表2旋转角度渐变对浸渍的影响
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (6)

1.一种可在线调整包覆角及张力的纤维增强复合材料熔融浸渍装置，其特征在于，包括分丝预热装置、熔融浸渍模具、多个可旋转浸渍调整装置、挤出机、冷却装置和牵引装置；
所述分丝预热装置安装在所述熔融浸渍模具的入口处，用于对连续纤维束进行分丝解捻并预热；
所述挤出机与熔融浸渍模具通过管路连接，用于将塑化好的树脂熔体挤入所述熔融浸渍模具内；
所述可旋转浸渍调整装置包括一对旋转盘和一对浸渍辊，该一对浸渍辊平行地固定安装在该一对旋转盘之间,多个可旋转浸渍调整装置等距安装在所述熔融浸渍模具内，连续纤维束从各可旋转浸渍调整装置穿过，交替绕过浸渍辊；
所述多个可旋转浸渍调整装置的旋转角度从所述熔融浸渍模具的入口到出口方向依次减小；所述冷却装置安装在所述熔融浸渍模具的出口处，用于对预浸复合材料进行冷却定型；
所述牵引装置安装在所述冷却装置的出口处，用于牵引所述连续纤维束。
2.如权利要求1所述的一种可在线调整包覆角及张力的纤维增强复合材料熔融浸渍装置，其特征在于，所述浸渍辊的直径范围为10-50mm，所述旋转盘的直径范围为40-200mm，相邻所述可旋转浸渍调整装置间的轴向距离范围为50-250mm。
3.如权利要求1所述的一种可在线调整包覆角及张力的纤维增强复合材料熔融浸渍装置，其特征在于，所述熔融浸渍模具分为上下可拆卸安装的两层，上下两层接触面上对应设有半圆形凹槽，相邻所述半圆形凹槽等距排列；所述半圆形凹槽用于安装所述可旋转浸渍调整装置，并可调整相邻两个所述可旋转浸渍调整装置的间距。
4.一种连续纤维增强热塑性树脂的熔融浸渍制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)对连续纤维束进行分丝解捻和预热处理；
(2)将所述连续纤维束牵引入熔融浸渍模具中，通过所述熔融浸渍模具内设置的多个可旋转浸渍调整装置调整所述连续纤维束所绕包覆角及所受张力从所述熔融浸渍模具入口到出口方向依次减小，使所述连续纤维束得到分散；同时，将塑化好的热塑性树脂熔体挤入所述熔融浸渍模具内，使所述连续纤维束得到浸渍，形成复合材料；
(3)对所述复合材料进行冷却定型。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述连续纤维束包括玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维或芳纶。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述热塑性树脂包括聚乙烯、聚丙烯、尼龙、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚氨酯。
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