CN107571585A - 碳纤维/涤纶工业丝复合材料、制备装置及制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳纤维/涤纶工业丝复合材料，依次包括上涤纶工业丝针织网眼布层、上溶胶塑滴层、碳纤维经编布层、下溶胶塑滴层和下涤纶工业丝针织网眼布层。本发明还公开了一种碳纤维/涤纶工业丝复合材料的制备装置及制备其工艺。本发明发挥涤纶工业丝高强低伸的特性，对外来冲击力和整体材料弯曲时产生的内应力实施缓冲过渡进而吸收衰减，达到保护核心层碳纤维材料使其免受折断的效果；同时，由于涤纶工业丝网状针织物的引入，也有利于在复合材料最终产品中骨架部分向基体部分的过渡和延伸，以消减树脂或工程塑料等基体材料在受到剧烈冲击时的脆化龟裂程度，改善和提高整体材料的性能与寿命。
Description
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，特别涉及一种碳纤维/涤纶工业丝复合材料、制备装置及制备工艺。
背景技术
碳纤维以其质轻、高强度、高模量、耐高低温和耐腐蚀等特点最早应用于航天及国防领域，如大型飞机、军用飞机、无人机及导弹、火箭、人造卫星和雷达罩等。民用方面，碳纤维较早开始应用于高尔夫球杆和钓鱼竿、自行车、网球拍、羽毛球拍等体育用品生产。在工业领域，碳纤维广泛应用在汽车、电缆、风能发电、压力容器、海洋产业、电子器件、工业器材和土木建筑等。碳纤维很少直接应用，大多是经过深加工制成中间产物或复合材料使用，常见的主要是碳纤维增强树脂基复合材料 (CFRP)，具有轻质、高强、耐高温、抗腐蚀、热力学性能优良等特点，被广泛应用作结构材料及耐高温烧蚀材料。碳纤维增强树脂复合材料所用树脂基体主要分为两类，一类是热固性树脂，另一类是热塑性树脂。碳纤维增强热塑性塑料是指碳纤维为分散质，热塑性塑料为基体的纤维增强塑料。用碳纤维增强热塑性塑料近年来发展较快，其特点是：强度与刚性高，蠕变小，热稳定性高，线膨胀系数小，减摩耐磨，不损伤磨件，阻尼特性优良。碳纤维增强热固性塑料是以热固性塑料为基体，以碳纤维及其织物为分散质的纤维增强塑料。碳纤维及其织物与环氧、酚醛等树脂制成的复合材料具有强度高、模量高、密度小、减摩耐磨、自润滑、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、热膨胀系数小、导热率大，耐水性好等特点。
碳纤维复合材料作为结构件或功能件，现已广泛应用在航空航天、军工及民用工业、体育休闲用品三大领域。随着碳纤维的不断发展，碳纤维在工业领域和航空航天领域的应用范围不断扩大，占比也呈上升趋势，预计到2020年，碳纤维的需求总量将达到15.73万吨，年均复合增长率达到13.62%；到2024年全世界总体需求有望达到21.92万吨，尽管增速有所放缓，但复合增长率仍达到11.38%。其中增速最快的工业领域，未来十年复合增长率将达到14.52%，工业领域碳纤维消费占总消费的比例将从2015年的63.55%逐步提升至81.63%。航空航天领域的需求在未来5年进入快速发展期，而体育休闲领域在世界范围内应用相对成熟，需求量每年稳定增加。
以往碳纤维复合材料的使用，只是以碳纤维束丝及其经编或机织布为骨架与热固性树脂、热塑性树脂或工程塑料等基体材料的简单包埋复合。最终材料虽然具有很高的抗拉伸和冲击性能，但冲击或剧烈弯曲后，由于树脂或塑料基材的脆化龟裂容易导致裂缝处碳纤维因剧烈弯曲而折断，在终端产品整体形态外表出现凹陷龟裂的同时，发生材料内部骨架局部断裂的“硬伤”。
发明内容
为了克服这种现象、提高复合材料抗冲击能力和使用寿命，实现更为剧烈冲击工况下的材料稳定性和耐久性，本发明提出一种碳纤维/涤纶工业丝复合材料、制备装置及其制备方法，在碳纤维束丝经编或机织成布后，再与涤纶工业丝网状针织物等进行涂胶热熔粘合，形成具有耐冲击力缓冲层的复合骨架双侧保护结构。
为达到上述目的，本发明的具体方案如下：
一种碳纤维/涤纶工业丝复合材料，依次包括上涤纶工业丝针织网眼布层、上溶胶塑滴层、碳纤维经编布层、下溶胶塑滴层和下涤纶工业丝针织网眼布层。
碳纤维/涤纶工业丝复合材料的制备装置，包括：
根据进碳纤维经编布的方向，依次包括碳布卷布辊，层挤压复合辊，高温层压箱，吹风冷却箱，复合材料卷绕辊；
根据上、下进涤纶工业丝针织网眼布的方向，还依次包括涤纶工业丝针织网眼布卷布辊，点胶辊，层挤压复合辊，高温层压箱，吹风冷却箱，复合材料卷绕辊；
所述上、下涤纶工业丝针织网眼布分别与碳纤维经编布正反面复合后共同经过的路径包括层挤压复合辊，高温层压箱，吹风冷却箱，复合材料卷绕辊。
优选的，
所述层挤压复合辊包括第一层挤压复合辊和第二层挤压复合辊。
所述碳纤维/涤纶工业丝复合材料的制备装置还包括粘合剂胶槽，所述粘合剂胶槽内设置有蘸胶辊，所述点胶辊与蘸胶辊接触设置。
所述高温层压箱内包括三对上下高温压辊。
所述高温层压箱上方设置有冷凝液化与余热回收装置。
所述吹风冷却箱上设置有鼓风机，所述吹风冷却箱内底部设置有喷嘴，鼓风机与喷嘴连接；所述吹风冷却箱内顶部设置有热空气收集罩，所述吹风冷却箱上还设置有空气净化与预热回收器，所述热空气收集罩与空气净化与预热回收器连接。
碳纤维/涤纶工业丝复合材料制备工艺，包括以下步骤：
第一步，将碳纤维经编布从碳布卷布棍上退解出来；
第二步，将上、下涤纶工业丝针织网眼布从涤纶工业丝针织网眼布卷布辊和上退解出来分别经过点胶辊进行上胶，形成熔胶塑滴；
第三步，将上、下层涤纶工业丝针织网眼布复合，使上、下层涤纶工业丝针织网眼布得分别位于碳纤维经编布的正反面，其中上、下熔胶塑滴和位于上、下层涤纶工业丝针织网眼布和与碳纤维经编布的接触面上，并经层挤压复合辊的挤压粘合在一起形成复合材料；
第四步，将所述复合材料导入高温层压箱体进行进一步层压；
第五步，将所述复合材料导入吹风冷却箱进行冷却；
第六步，将所述复合材料卷曲，形成成品卷装。
优选的，
所述第二步上胶步骤具体为：所述上、下涤纶工业丝针织网眼布受到点胶辊的滚刷点胶作用，把蘸胶辊上从粘合剂胶槽和中携带出的粘合剂熔胶分别以散点分布的形式传递给上、下涤纶工业丝针织网眼布上，形成熔胶塑滴。
所述第四步具体为，所述复合材料经过高温层压箱体中的三对上下高温压辊“S”形路径运行进一步层压，形成稳定的碳纤维/涤纶工业丝复合材料。
本发明的目的就在于发挥涤纶工业丝高强低伸的特性，对外来冲击力和整体材料弯曲时产生的内应力实施缓冲过渡进而吸收衰减，达到保护核心层碳纤维材料使其免受折断的效果；同时，由于涤纶工业丝网状针织物的引入，也有利于在复合材料最终产品中骨架部分向基体部分的过渡和延伸，以消减树脂或工程塑料等基体材料在受到剧烈冲击时的脆化龟裂程度，改善和提高整体材料的性能与寿命。因此，本发明提出的碳纤维复合结构是碳纤维复合材料的升级，将大幅度提高碳纤维复合材料及其终端产品的抗冲击、耐弯曲等功能特性，可广泛应用于汽车和轻型游艇壳体材料、风力发电机蜗轮叶片、轨道交通箱体材料和高层建筑墙体裂缝修复等新材料领域。
以下通过附图说明和具体实施方式对本发明进行进一步阐述。
附图说明
图1为本发明碳纤维/涤纶工业丝复合材料的结构示意图；
图2 为本发明碳纤维/涤纶工业丝复合材料的制备装置的结构示意图。
标号说明
碳纤维/涤纶工业丝复合材料：
碳纤维经编布层1'，上涤纶工业丝针织网眼布层2'，下涤纶工业丝针织网眼布层3'，上溶胶塑滴层4'，下溶胶塑滴层5'。
碳纤维/涤纶工业丝复合材料的制备装置及制备工艺：
碳纤维经编布1，上涤纶工业丝针织网眼布2，下涤纶工业丝针织网眼布3，上溶胶塑滴4，下溶胶塑滴5，卷布辊6，引导辊7，第一层挤压复合辊8，第二层挤压复合辊9，上涤纶工业丝针织网眼布卷布辊11，上牵引喂入辊12，上粘合剂胶槽13，上粘合剂熔胶14，上蘸胶辊15，上点胶辊16，下涤纶工业丝针织网眼布卷布辊18，下牵引喂入辊19，下粘合剂胶槽20，下蘸胶辊21，下点胶辊22，高温压辊24，高温压辊25，高温压辊26，高温压辊27，高温压辊28，高温压辊29，高温层压箱30，牵引辊31，导向辊32，复合材料33，复合材料卷绕辊34，鼓风机35，送风管36，喷嘴37，吹风冷却箱38，热空气收集罩39，排风管40，空气净化与预热回收器41，排风口42，管道43，冷凝液化与余热回收装置45，阀门46，导布辊47，下粘合剂熔胶48。
具体实施方式
一种碳纤维/涤纶工业丝复合材料，如图1所示，依次包括上涤纶工业丝针织网眼布层2'、上溶胶塑滴层4'、碳纤维经编布层1'、下溶胶塑滴层5'、下涤纶工业丝针织网眼布层3'。
一种碳纤维/涤纶工业丝复合材料的制备装置，包括：根据进碳纤维经编布1的方向，依次包括碳布卷布辊6，引导辊7，第一层挤压复合辊8，第二层挤压复合辊9，导布辊47，高温层压箱30，牵引辊31，吹风冷却箱38，导向辊32，复合材料卷绕辊34。
根据进上涤纶工业丝针织网眼布2的方向，依次包括上涤纶工业丝针织网眼布卷布辊11，上牵引喂入辊12，上点胶辊16，与碳纤维经编布1复合进入的第一层挤压复合辊8，第二层挤压复合辊9，导布辊47，高温层压箱30，牵引辊31，吹风冷却箱38，导向辊32，复合材料卷绕辊34。
所述碳纤维/涤纶工业丝复合材料的制备装置还包括上粘合剂胶槽13，所述上粘合剂胶槽13装有上粘合剂熔胶14，所述上粘合剂胶槽13内设置有上蘸胶辊15，所述上点胶辊16与上蘸胶辊15接触设置，把上蘸胶辊15上从上粘合剂胶槽13中携带出的上粘合剂熔胶14以散点分布的形式传递给上涤纶工业丝针织网眼布2，上形成上熔胶塑滴4。
根据进下涤纶工业丝针织网眼布2的方向，依次包括下涤纶工业丝针织网眼布卷布辊18，下牵引喂入辊19，下点胶辊22，与碳纤维经编布1复合进入的第一层挤压复合辊8，第二层挤压复合辊9，导布辊47，高温层压箱30，牵引辊31，吹风冷却箱38，导向辊32，复合材料卷绕辊34。
所述碳纤维/涤纶工业丝复合材料的制备装置还包括下粘合剂胶槽20，所述下粘合剂胶槽20装有下粘合剂熔胶48，所述下粘合剂胶槽20内设置有下蘸胶辊21，所述下点胶辊22与下蘸胶辊21接触设置，把下蘸胶辊21上从下粘合剂胶槽20中携带出的下粘合剂熔胶48以散点分布的形式传递给下涤纶工业丝针织网眼布3上，形成下熔胶塑滴5。
所述高温层压箱30内包括三对上下高温压辊27和24、28和25、29和26，所述碳纤维经编布1经过的路径为“S”形，依次为高温压辊24、 高温压辊27、高温压辊25、 高温压辊28、高温压辊26至 高温压辊29。所述高温层压箱30上方加装有供高温复杂气体回流的管道43和将加工过程中的小分子逸散物进行冷凝液化与余热回收装置45，进行有机气化逸散物及其携带热能的回收，所述冷凝液化与余热回收装置45上设置有阀门46，经所述阀门46可定期排放收集到的有机气化逸散物及其携带热能，送专业机构处理循环利用。
所述吹风冷却箱38上设置有送风管36，所述送风管36连接有鼓风机35，所述吹风冷却箱38内底部设置有喷嘴37，所述鼓风机35与喷嘴37连接。
所述吹风冷却箱38内顶部设置有热空气收集罩39.
所述吹风冷却箱38上还设置有排风管40，所述排风管40和热空气收集罩39连接，所述排风管40连接有空气净化与预热回收器41，所述空气净化与预热回收器41上设置有排风口42，所述空气净化与预热回收器41用于收集处理后经排风口42排出室外。
一种碳纤维/涤纶工业丝复合材料制备工艺，包括以下步骤：
首先，将碳纤维经编布1从碳布卷布棍6上退解出来经牵引喂入辊7送至第一层挤压复合辊8和第二层挤压复合辊9的工作部位，
其次，将上涤纶工业丝针织网眼布和下涤纶工业丝针织网眼布从上、下涤纶工业丝针织网眼布卷布辊11和上退解出来分别经过上、下牵引喂入辊12，并受到上、下点胶辊16和22的滚刷点胶作用，把上、下蘸胶辊15和21上从上、下粘合剂胶槽13和20中携带出的上、下粘合剂熔胶14和48分别以散点分布的形式传递给上、下涤纶工业丝针织网眼布2和3，形成上、下熔胶塑滴4和5。
接着，将上、下层涤纶工业丝针织网眼布2和3复合，分别位于碳纤维经编布1的正反面，其中上、下熔胶塑滴4和5位于上、下层涤纶工业丝针织网眼布2和3与碳纤维经编布1的接触面上，并经第一、第二层挤压复合辊8和9的挤压粘合在一起形成复合材料33。
由于粘合剂溶胶熔胶塑滴4和5的凝固需要一个过程才能稳定，因此，将上述复合材料33经导布辊47导向喂入高温层压箱体30，经过高温层压箱体30中的24和27、25和28、26和29等三对上下高温压辊“S”形路径运行进一步层压，使粘合剂熔胶塑滴4和5充分熔融扩散并把碳纤维经编布1与上下层涤纶工业丝针织网眼布2和3紧紧地粘合在一起，形成稳定的碳纤维/涤纶工业丝复合材料33，高温层压箱体30上方通过管道43连接的小分子逸散物冷凝液化与余热回收装置45进行有机气化逸散物及其携带热能的回收，并经阀门46定期排放收集，送专业机构处理循环利用。以确保生产过程的生态环保与节能降耗减排性能。
然后，所述复合材料33在牵引滚31的牵引作用下离开高温层压箱体30，进入吹风冷却箱38，所述鼓风机35通过送风管36输送常温空气，其中喷嘴37在复合材料33的下方喷射由送风管36输送常温空气，常温空气经过高温层压箱的复合材料33的接触后转变为热空气，并通过热空气收集罩39收集，最后通过排风管40输送至空气净化与预热回收器41等装置收集处理后经排风口42排出室外。
最后，将吹风冷却箱38的复合材料33经导向辊32引导，卷曲在复合材料卷绕辊34上，形成成品卷装。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。
Claims (10)
1.一种碳纤维/涤纶工业丝复合材料，其特征在于：依次包括上涤纶工业丝针织网眼布层、上溶胶塑滴层、碳纤维经编布层、下溶胶塑滴层和下涤纶工业丝针织网眼布层。
2.根据权利要求1所述的碳纤维/涤纶工业丝复合材料的制备装置，其特征在于包括：
根据进碳纤维经编布的方向，依次包括碳布卷布辊，层挤压复合辊，高温层压箱，吹风冷却箱，复合材料卷绕辊；
根据上、下进涤纶工业丝针织网眼布的方向，还依次包括涤纶工业丝针织网眼布卷布辊，点胶辊，层挤压复合辊，高温层压箱，吹风冷却箱，复合材料卷绕辊；
所述上、下涤纶工业丝针织网眼布分别与碳纤维经编布正反面复合后共同经过的路径包括层挤压复合辊，高温层压箱，吹风冷却箱，复合材料卷绕辊。
3.根据权利要求2所述的碳纤维/涤纶工业丝复合材料的制备装置，其特征在于：所述层挤压复合辊包括第一层挤压复合辊和第二层挤压复合辊。
4.根据权利要求2所述的碳纤维/涤纶工业丝复合材料的制备装置，其特征在于：所述碳纤维/涤纶工业丝复合材料的制备装置还包括粘合剂胶槽，所述粘合剂胶槽内设置有蘸胶辊，所述点胶辊与蘸胶辊接触设置。
5.根据权利要求2所述的碳纤维/涤纶工业丝复合材料的制备装置，其特征在于：所述高温层压箱内包括三对上下高温压辊。
6.根据权利要求5所述的碳纤维/涤纶工业丝复合材料的制备装置，其特征在于：所述高温层压箱上方设置有冷凝液化与余热回收装置。
7.根据权利要求2所述的碳纤维/涤纶工业丝复合材料的制备装置，其特征在于：所述吹风冷却箱上设置有鼓风机，所述吹风冷却箱内底部设置有喷嘴，鼓风机与喷嘴连接；所述吹风冷却箱内顶部设置有热空气收集罩，所述吹风冷却箱上还设置有空气净化与预热回收器，所述热空气收集罩与空气净化与预热回收器连接。
8.根据权利要求2所述的碳纤维/涤纶工业丝复合材料制备工艺，其特征在于包括以下步骤：
第一步，将碳纤维经编布从碳布卷布棍上退解出来；
第二步，将上、下涤纶工业丝针织网眼布从涤纶工业丝针织网眼布卷布辊和上退解出来分别经过点胶辊进行上胶，形成熔胶塑滴；
第三步，将上、下层涤纶工业丝针织网眼布复合，使上、下层涤纶工业丝针织网眼布得分别位于碳纤维经编布的正反面，其中上、下熔胶塑滴和位于上、下层涤纶工业丝针织网眼布和与碳纤维经编布的接触面上，并经层挤压复合辊的挤压粘合在一起形成复合材料；
第四步，将所述复合材料导入高温层压箱体进行进一步层压；
第五步，将所述复合材料导入吹风冷却箱进行冷却；
第六步，将所述复合材料卷曲，形成成品卷装。
9.根据权利要求8所述的碳纤维/涤纶工业丝复合材料制备工艺，其特征在于，所述第二步上胶步骤具体为：所述上、下涤纶工业丝针织网眼布受到点胶辊的滚刷点胶作用，把蘸胶辊上从粘合剂胶槽和中携带出的粘合剂熔胶分别以散点分布的形式传递给上、下涤纶工业丝针织网眼布上，形成熔胶塑滴。
10.根据权利要求8所述的碳纤维/涤纶工业丝复合材料制备工艺，其特征在于，所述第四步具体为，所述复合材料经过高温层压箱体中的三对上下高温压辊“S”形路径运行进一步层压，形成稳定的碳纤维/涤纶工业丝复合材料。
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