CN107866954A - 连续纤维增强热塑性树脂预浸带的制造方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种连续纤维增强热塑性树脂预浸带的制造方法及设备，主要解决现有技术对树脂形态(膜、粉末或粉末悬浮液)要求高、浸渍效果差、生产成本高等技术问题，通过采用连续纤维增强热塑性树脂预浸带的挤出模具，其特征在于包括口模(9)，所述口模(9)具有环状出口(18)和芯模(16)，所述芯模(16)中间有允许连续纤维束(2)通过的通孔(17)的技术方案，较好地解决了该问题，可用于连续纤维增强热塑性树脂预浸带低成本、批量化连续生产。

Description

连续纤维增强热塑性树脂预浸带的制造方法及设备

技术领域

本发明属于预浸料制造技术领域，特别涉及连续纤维增强热塑性树脂预浸带的制造方法及设备。

背景技术

按树脂基体的类型，纤维增强树脂基复合材料可分为两类：热固性树脂基复合材料和热塑性树脂基复合材料。热固性树脂基复合材料是目前的主流，但是由于一些固有的缺点，如韧性差、损伤容限低、成型周期长，难以回收等，其应用领域受到一定的限制。热塑性树脂基复合材料一直是人们关注的热点，具有韧性好、疲劳强度高、成型周期短、可室温长期储存、易回收等优点。连续纤维增强热塑性复合材料早期主要用于航天航空及军事应用，2003年开始大幅度增长，并逐步应用于汽车、运动器材、运输、工业及其它领域。据不完全统计，2014年全球连续纤维增强热塑性复合材料的产值超过18亿美元，并将保持20％左右的年均增长速度。

连续纤维增强热塑性复合材料面临的主要技术难题是如何提高高黏度树脂基体对连续纤维的浸渍效果。从已发表的论文和已公开的专利分析，连续纤维增强热塑性复合材料的浸渍工艺主要包括溶液浸渍法、熔融浸渍法、原位聚合法等。其中，如果将熔融浸渍法进一步细分，可分为直接熔融浸渍法、覆膜法、粉末法、拉挤法、热塑性纤维混编法等。尽管浸渍方法很多，但每种方法都有各自的优缺点。

溶液浸渍法工艺简便，设备简单，但溶剂回收困难、能耗大，很难用于连续化的批量生产中。

熔融浸渍法是将热塑性树脂加热熔融后浸渍连续纤维，是目前研究最多的浸渍工艺。由于热塑性树脂熔化后的黏度很高(通常超过100Pa.s)，很难将纤维完全浸润。覆膜法、粉末浸渍法、拉挤法、热塑性纤维混编法等都是针对这一问题提出的具体解决方案。其中，覆膜法、粉末法和拉挤法是目前相对成熟的浸渍工艺。相对而言，覆膜法和粉末法要求热塑性树脂可加工成树脂膜或树脂粉末，对树脂的形态要求较高，因而相应的生产成本也更高，其应用领域受到一定限制。而拉挤法对树脂形态没有具体要求，只要能满足挤出工艺就行，因而具有普适性，生产成本也最低，其缺点是树脂含量难以精确控制。热塑性纤维混编法是针对浸渍问题提出新工艺，与覆膜法、粉末法一样，它对树脂的形态也有特殊要求，必须制成纤维状，这无疑将增加制造成本。

原位聚合法是最具想象空间的一种新型浸渍方法，纤维浸渍与树脂聚合在线完成。但原位聚合的工艺条件需要严格控制，否则很难得到质量均一的复合材料。另外，一些通用塑料如PE、PP等几乎不可能通过原位聚合的方式实现纤维浸渍。而PET、PBT、PA等工程塑料的缩聚反应一般需要几个小时，采用原位聚合进行纤维浸渍将极大地影响生产效率。

杰士杰新材料股份有限公司专利CN200810201216.9、CN200910048973.1、CN201310613752.0披露了一种连续纤维增强热塑性树脂预浸带的制备方法，该方法采用交错的双挤出模头挤出淋膜，连续纤维的两侧分别于双挤出模头接触，进行熔融浸渍。

东华大学专利CN201410197798.3、CN201410198628.7披露一种改进型粉末浸渍法用于连续纤维增强热塑性树脂预浸带的制备，该发明在粉末喷洒装置的前面设置了开纤装置，可以将连续纤维展宽至原来的1～3倍，从而改善了热塑性树脂对连续纤维的浸渍效果。

北京航空材料研究院专利CN200310101850.2采用“淤浆法”制备了连续纤维增强热塑性复合材料。该以可溶性热塑性为载体、以不溶性热塑性粒子为分散粒子，配制成稳定粉体悬浮液，连续纤维经该悬浮液浸渍后经过湿法缠绕成型制成热塑性预浸料。

中科院宁波材料技术与工程研究所专利CN201410317817.1采用原位聚合法制备了续纤维增强热塑性预浸带，使复合材料韧性提高的同时极大地降低了树脂基体与纤维之间的孔隙率。

专利CN202242003U披露了一种改进熔融浸渍设备，在初次浸胶槽后面增设了可快速开合的二次浸胶槽，从而解决了浸渍过程中断纱后难以重新穿纱的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是现有技术对树脂形态(膜、粉末或粉末悬浮液)要求高、浸渍效果差、生产成本高等技术问题，提供了一种连续纤维增强热塑性树脂预浸带的挤出模具，该模具简单易行，树脂膜制备、树脂膜与连续纤维复合、树脂膜对连续纤维浸渍等多道工序在同一台设备上一步完成，具有对树脂形态(膜、粉末或粉末悬浮液)要求低、浸渍效果好、生产成本低等优点。

本发明所要解决的技术问题之二是提供一种与解决技术问题之一相对应的连续纤维增强热塑性树脂预浸带的制造设备。

本发明所要解决的技术问题之三是提供一种与解决技术问题之一或二相对应的连续纤维增强热塑性树脂预浸带的制造方法。

为解决以上技术问题之一，本发明采用的技术方案为：一种连续纤维增强热塑性树脂预浸带的挤出模具，包括口模9，所述口模9具有环状出口18和芯模16，所述芯模16中间有允许连续纤维束2通过的通孔17。

上述技术方案中，所述环状出口18优选为圆形、椭圆形或类似圆形。

为解决以上技术问题之二，本发明采用的技术方案为：一种连续纤维增强热塑性树脂预浸带的制造设备，包括依次设置的带张力控制的纱架1、分丝梳3、预加热装置4、展纱装置5、挤出机7、前置热压辊11、S型热压辊组12、后置热压辊13和收卷装置15；其中，所述挤出机7上设置有解决技术问题之一所述技术方案中任一所述的挤出模具8。

上述技术方案中，所述的预加热装置4优选采用电阻丝加热或红外辐射加热。

上述技术方案中，所述的展纱装置5优选为气流展纱装置、罗拉展纱装置或超声波展纱装置。

上述技术方案中，所述的前置热压辊11、S型热压辊组12、后置热压辊13优选采用导热油加热、电阻丝加热或红外辐射加热。

上述技术方案中，所述的前置热压辊11优选能上下、左右、前后自如地调整位置。

上述技术方案中，所述的S型热压辊组12优选由1～5对热压辊组成。

为解决以上技术问题之三，本发明采用的技术方案为：一种连续纤维增强热塑性树脂预浸带的制造方法，包括以下步骤：

将连续纤维束2从带张力控制的纱架1上的连续纤维卷中引出，依次经过分丝梳3、预加热装置4、展纱装置5、导向辊6后进入挤出模具8，从口模9的通孔17出来后，与经挤出机7熔融塑化后从模具8的口模9环状出口18挤出的热塑性树脂膜10一起进入前置热压辊11，再依次经过S型热压辊组12、后置热压辊13、导向辊14，最后导入收卷装置15，得到连续纤维增强热塑性树脂预浸带。

上述技术方案中，所述的连续纤维包括无机纤维、有机纤维或金属纤维；所述的热塑性树脂选自聚烯烃类树脂、热塑性聚酯类树脂、聚酰胺类树脂、聚醚砜树脂、聚醚酰亚胺树脂或其他市售热塑性树脂中的一种或几种。

采用本发明提供的连续纤维增强热塑性树脂预浸带制造方法及设备，其优点在于：1)树脂膜的制备和与纤维的复合、浸渍在同一条设备上完成，操作简单，可实现连续纤维增强热塑性树脂预浸带的低成本、批量化生产；2)利用S型热压辊组延长预浸带的加热、加压历程，以提高树脂对纤维的浸渍效果，取得了较好的技术效果。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明中制备连续纤维增强热塑性树脂预浸带的设备的结构示意图；

图2是图1中挤出模具口模的结构示意图；

图1～2中的附图标记为：1.带张力控制的纱架、2.连续纤维束、3.分丝梳、4.预加热装置、5.展纱装置、6.导向辊、7.挤出机、8.挤出模具、9.口模、10.树脂膜、11.热压辊、12.S型热压辊组、13.热压辊、14.导向辊、15.收卷装置、16.树脂膜出口、17.连续纤维出口。

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详细说明，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而并不限定于此。

【实施例1】

本实施例中，用于制备连续纤维增强热塑性树脂预浸带的设备的结构示意图如图1所示，包括带张力控制的纱架(1)、分丝梳(3)、预加热装置(4)、展纱装置(5)、导向辊(6)、挤出机(7)、挤出模具(8)、热压辊(11)、S型热压辊组(12)、热压辊(13)、导向辊(14)和收卷装置(15)。本发明的主要特征是树脂膜制备、树脂膜与连续纤维复合、树脂膜对连续纤维浸渍等多道工序在同一台设备上一步完成，并采用S型热压辊组提高树脂对碳纤维的浸渍效果。

利用本发明所述的设备制造连续纤维增强热塑性树脂预浸带的方法，包括如下步骤：

(1)连续纤维束放卷与导纱：

将连续纤维束(2)从纱架(1)上放卷，通过分丝梳(3)使连续纤维束(2)平行排列。纱架上每个水平转动的锭子上都设有阻尼装置以控制放卷过程中连续纤维束上张力的均匀性。

(2)连续纤维束预热

为保证连续纤维束(2)经过展纱装置(5)时能很好的展开，需要对连续纤维束(2)进行预热，以软化纤维表面的上浆剂。预热方式可以采用电阻丝加热或红外辐射加热。

(3)连续纤维束展开

经预热后的连续纤维束(2)可以通过展纱装置(5)展宽，展纱方式为气流展纱、罗拉展纱或超声波展纱。

(4)连续纤维束穿过挤出模具口模并与口模挤出的树脂膜复合

经挤出机(7)塑化后热塑性树脂熔体从模具(8)的口模(9)连续挤出，将从芯模(16)的通孔(17)中穿出的连续纤维束(2)包裹在树脂膜(10)中间，在收卷装置(15)牵引力的作用下进入热压辊(11)，完成树脂膜(10)与连续纤维束(2)的复合并进行初步浸渍。热压辊(11)能上下、左右、前后自如地调整位置，以实现树脂膜(10)与连续纤维束(2)最佳的复合效果。另外，通过改变收卷装置(15)的运行速度，可以调节树脂膜(10)的厚度，从而最终控制预浸带的树脂含量。

(5)采用S型热压辊组对连续纤维带进行浸渍

从热压辊(11)出来的连续纤维束进入S型热压辊组(12)，在收卷装置(15)牵引力的作用下使连续纤维束(2)紧紧包裹在热压辊表面，每一对热压辊分别浸渍连续纤维束的两侧。

(6)连续纤维带收卷

从S型热压辊组(12)出来的连续纤维束(2)经热压辊(13)辗平后，经环境温度自然冷却后进入收卷装置(15)，即得连续纤维增强热塑性树脂预浸带。

【实施例2】

连续玻璃纤维增强聚丙烯预浸带。

根据实施例1中的步骤，将连续玻璃纤维束(巨石集团，362C，2400dtex)从纱架(1)上放卷，通过分丝梳(3)使连续纤维束平行排列，调节纱架上的阻尼装置以控制放卷过程中连续纤维束上张力。

使连续纤维束穿过预热装置(4)。预热方式为电阻丝加热，加热温度设定为230℃。

经预热后的连续纤维束通过展纱装置(5)展宽，展纱方式为罗拉展纱。

展纱后的连续纤维束从芯模(16)的通孔(17)中穿出，依次穿过热压辊(11)、S型热压辊组(12)、热压辊(13)、导向辊(14)，最后固定在收卷装置(15)上。

设定挤出机(7)料筒一区、二区、三区、模具(8)、口模(9)的温度分别为200℃、210℃、220℃、225℃、230℃，加热至工艺温度后保温30分钟。启动挤出机，调节转速至5～50转/分钟，同时启动收卷装置(15)。经挤出机(7)塑化后聚丙烯(燕山石化7726)熔体从模具(8)的口模(9)连续挤出，将从芯模(16)的通孔(17)中穿出的连续纤维束(2)包裹在树脂膜(10)中间，在收卷装置(15)牵引力的作用下进入热压辊(11)，完成树脂膜(10)与连续纤维束(2)的复合并进行初步浸渍。热压辊(11)能上下、左右、前后自如地调整位置，以实现树脂膜(10)与连续纤维束(2)最佳的复合效果。另外，通过改变收卷装置(15)的运行速度，可以调节树脂膜(10)的厚度，从而最终控制预浸带的树脂含量。

从热压辊(11)出来的连续纤维束进入S型热压辊组(12)，在收卷装置(15)牵引力的作用下使连续纤维束(2)紧紧包裹在热压辊表面，每一对热压辊分别浸渍连续纤维束的两侧。

从S型热压辊组(12)出来的连续纤维束(2)经热压辊(13)辗平后，经环境温度自然冷却后进入收卷装置(15)，即得连续玻璃纤维增强聚丙烯预浸带。

【实施例3】

连续碳纤维增强尼龙6预浸带。

根据实施例1中的步骤，将连续碳纤维束(日本东丽，T700sc×12k)从纱架(1)上放卷，通过分丝梳(3)使连续纤维束平行排列，调节纱架上的阻尼装置以控制放卷过程中连续纤维束上张力。

使连续纤维束穿过预热装置(4)。预热方式为红外加热，加热温度设定为280℃。

经预热后的连续纤维束通过展纱装置(5)展宽，展纱方式为罗拉展纱。

展纱后的连续纤维束从芯模(16)的通孔(17)中穿出，依次穿过热压辊(11)、S型热压辊组(12)、热压辊(13)、导向辊(14)，最后固定在收卷装置(15)上。

设定挤出机(7)料筒一区、二区、三区、模具(8)、口模(9)的温度分别为220℃、230℃、250℃、260℃、280℃，加热至工艺温度后保温30分钟。启动挤出机，调节转速至5～50转/分钟，同时启动收卷装置(15)。经挤出机(7)塑化后尼龙6(巴陵石化YH 500)熔体从模具(8)的口模(9)连续挤出，将从芯模(16)的通孔(17)中穿出的连续纤维束(2)包裹在树脂膜(10)中间，在收卷装置(15)牵引力的作用下进入热压辊(11)，完成树脂膜(10)与连续纤维束(2)的复合并进行初步浸渍。热压辊(11)能上下、左右、前后自如地调整位置，以实现树脂膜(10)与连续纤维束(2)最佳的复合效果。另外，通过改变收卷装置(15)的运行速度，可以调节树脂膜(10)的厚度，从而最终控制预浸带的树脂含量。

从热压辊(11)出来的连续纤维束进入S型热压辊组(12)，在收卷装置(15)牵引力的作用下使连续纤维束(2)紧紧包裹在热压辊表面，每一对热压辊分别浸渍连续纤维束的两侧。

从S型热压辊组(12)出来的连续纤维束(2)经热压辊(13)辗平后，经环境温度自然冷却后进入收卷装置(15)，即得连续碳纤维增强尼龙6预浸带。

【实施例4】

连续凯夫拉纤维增强聚丙烯预浸带。

根据实施例1中的步骤，将连续凯夫拉纤维束(美国杜邦，Kevlar49，1270dtex)从纱架(1)上放卷，通过分丝梳(3)使连续纤维束平行排列，调节纱架上的阻尼装置以控制放卷过程中连续纤维束上张力。

使连续纤维束穿过预热装置(4)。预热方式为电阻丝加热，加热温度设定为230℃。

经预热后的连续纤维束通过展纱装置(5)展宽，展纱方式为罗拉展纱。

展纱后的连续纤维束从芯模(16)的通孔(17)中穿出，依次穿过热压辊(11)、S型热压辊组(12)、热压辊(13)、导向辊(14)，最后固定在收卷装置(15)上。

设定挤出机(7)料筒一区、二区、三区、模具(8)、口模(9)的温度分别为200℃、210℃、220℃、225℃、230℃，加热至工艺温度后保温30分钟。启动挤出机，调节转速至5～50转/分钟，同时启动收卷装置(15)。经挤出机(7)塑化后聚丙烯(燕山石化7726)熔体从模具(8)的口模(9)连续挤出，将从芯模(16)的通孔(17)中穿出的连续纤维束(2)包裹在树脂膜(10)中间，在收卷装置(15)牵引力的作用下进入热压辊(11)，完成树脂膜(10)与连续纤维束(2)的复合并进行初步浸渍。热压辊(11)能上下、左右、前后自如地调整位置，以实现树脂膜(10)与连续纤维束(2)最佳的复合效果。另外，通过改变收卷装置(15)的运行速度，可以调节树脂膜(10)的厚度，从而最终控制预浸带的树脂含量。

从热压辊(11)出来的连续纤维束进入S型热压辊组(12)，在收卷装置(15)牵引力的作用下使连续纤维束(2)紧紧包裹在热压辊表面，每一对热压辊分别浸渍连续纤维束的两侧。

从S型热压辊组(12)出来的连续纤维束(2)经热压辊(13)辗平后，经环境温度自然冷却后进入收卷装置(15)，即得连续凯夫拉纤维增强聚丙烯预浸带。

Claims (10)

1.一种连续纤维增强热塑性树脂预浸带的挤出模具，其特征在于包括口模(9)，所述口模(9)具有环状出口(18)和芯模(16)，所述芯模(16)中间有允许连续纤维束(2)通过的通孔(17)。

2.一种连续纤维增强热塑性树脂预浸带的挤出模具，其特征在于所述环状出口(18)为圆形、椭圆形或类似圆形。

3.一种连续纤维增强热塑性树脂预浸带的制造设备，包括依次设置的带张力控制的纱架(1)、分丝梳(3)、预加热装置(4)、展纱装置(5)、挤出机(7)、前置热压辊(11)、S型热压辊组(12)、后置热压辊(13)和收卷装置(15)；其中，所述挤出机(7)上设置有权利要求1或2任一所述的挤出模具(8)。

4.根据权利要求3所述的连续纤维增强热塑性树脂预浸带的制造设备，其特征在于，所述的预加热装置(4)采用电阻丝加热或红外辐射加热。

5.根据权利要求3所述的连续纤维增强热塑性树脂预浸带的制造设备，其特征在于，所述的展纱装置(5)为气流展纱装置、罗拉展纱装置或超声波展纱装置。

6.根据权利要求3所述的连续纤维增强热塑性树脂预浸带的制造设备，其特征在于，所述的前置热压辊(11)、S型热压辊组(12)、后置热压辊(13)采用导热油加热、电阻丝加热或红外辐射加热。

7.根据权利要求3所述的连续纤维增强热塑性树脂预浸带的制造设备，其特征在于，所述的前置热压辊(11)能上下、左右、前后自如地调整位置。

8.根据权利要求3所述的连续纤维增强热塑性树脂预浸带的制造设备，其特征在于，所述的S型热压辊组(12)由1～5对热压辊组成。

9.一种连续纤维增强热塑性树脂预浸带的制造方法，采用权利要求3～8任一所述的制造设备，包括以下步骤：

将连续纤维束(2)从带张力控制的纱架(1)上的连续纤维卷中引出，依次经过分丝梳(3)、预加热装置(4)、展纱装置(5)、导向辊(6)后进入挤出模具(8)，从口模(9)的通孔(17)出来后，与经挤出机(7)熔融塑化后从模具(8)的口模(9)环状出口(18)挤出的热塑性树脂膜(10)一起进入前置热压辊(11)，再依次经过S型热压辊组(12)、后置热压辊(13)、导向辊(14)，最后导入收卷装置(15)，得到连续纤维增强热塑性树脂预浸带。

10.根据权利要求8所述的连续纤维增强热塑性树脂预浸带的制造方法，其特征在于，所述的连续纤维包括无机纤维、有机纤维或金属纤维；所述的热塑性树脂选自聚烯烃类树脂、热塑性聚酯类树脂、聚酰胺类树脂、聚醚砜树脂、聚醚酰亚胺树脂或其他市售热塑性树脂中的一种或几种。