CN108099052A - 一种连续性热塑树脂基体纤维预浸料的制备生产线及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种连续性热塑树脂基体纤维预浸料的制备生产线，按照纤维纱的走向，所述制备生产线由碳纤维丝束扩展设备、碳纤维丝束纱筒架、导向辊、第一牵引装置、热浸装置、压延机构、喷涂机构、辊压机构、导出辊、冷却箱、第二牵引装置、预浸料厚度检测机构、收卷辊依次衔接构成；热浸装置包括热浸槽，热浸槽内部设有若干整理辊；压延机构包括一对第一热轧辊；辊压机构包括一对第二热轧辊；一对所述第二热轧辊之间的距离大于一对所述第一热轧辊之间的距离，且一对所述第二热轧辊的表面温度低于一对所述第一热轧辊表面的温度。本发明能够克服预浸料中树脂分布不均、树脂含量不好控制且含量低、强度低、制得的预浸料宽幅较小等问题。
Description
技术领域
本发明属于复合材料预浸料技术领域，尤其涉及一种连续性热塑树脂基体纤维预浸料的制备生产线及制备方法。
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，将树脂压入具有一定张力的纤维中形成预浸料，但其多适于树脂粘度相对较低或预浸料相对较薄时浸胶，当树脂粘度较高或浸渍的纤维较厚时，树脂压入纤维就很困难,现在使用得比较多的单面浸胶法就存在以上问题，并且，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；如专利号为CN105583961A的“一种撒粉工艺制备碳纤维增强热塑性预浸料的方法”，该方法通过撒粉装置将热塑性树脂粉末均匀撒在单向碳布上，然后通过烘箱加热熔融，冷却压平后收卷成型，能够连续生产碳纤维增强热塑性预浸料，具有工艺流程短等特点，但是仅仅对单向碳布的单面撒树脂粉末进行加工制备碳纤维增强热塑性预浸料，导致碳纤维增强热塑性预浸料中上下两面的树脂分布不均，产品强度低；专利号为CN201410557345.7的“一种采用双面撒粉工艺制备热塑性预浸料的方法”，该方法先通过第一撒粉装置将热塑性树脂粉末均匀撒在单向织物的第一面，通过第一烘箱加热熔融，出烘箱后冷却压平，然后织物通过导辊翻面，通过第二撒粉装置在织物的第二面撒粉，同样通过第二烘箱加热熔融，再经压辊冷却压平后收卷成型，能够连续生产热塑性预浸料，能够在织物的两面都均匀撒上热塑性树脂，但是在第二次撒粉时需要将单向织物通过导辊翻面，翻面效果直接影响二次撒粉，增加了加工设备和操作难度。
因此，基于这些问题，提供一种能够克服预浸料中树脂分布不均、树脂含量不好控制且含量低、强度低、制得的预浸料宽幅较小等问题的连续性热塑树脂基体纤维预浸料的制备生产线及制备方法，具有重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能够克服预浸料中树脂分布不均、树脂含量不好控制且含量低、强度低、制得的预浸料宽幅较小等问题的连续性热塑树脂基体纤维预浸料的制备生产线及制备方法。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种连续性热塑树脂基体纤维预浸料的制备生产线，按照纤维纱的走向，所述制备生产线由碳纤维丝束扩展设备、碳纤维丝束纱筒架、导向辊、第一牵引装置、热浸装置、压延机构、喷涂机构、辊压机构、导出辊、冷却箱、第二牵引装置、预浸料厚度检测机构、收卷辊依次衔接构成；
所述热浸装置包括热浸槽，所述热浸槽外围设有热浸槽加热机构，所述热浸槽加热机构采用导热油加热方式或电热丝加热方式，所述热浸槽内部设有若干整理辊；
所述压延机构包括一对第一热轧辊，且一对所述第一热轧辊分别固定在相对距离可调的两个位置，使其之间相距微米级距离；
所述辊压机构位于所述压延机构正上方，且所述辊压机构和所述压延机构之间的垂直距离为10cm-20cm；所述辊压机构包括一对第二热轧辊，且一对所述第二热轧辊分别固定在相对距离可调的两个位置，使其之间相距微米级距离；一对所述第二热轧辊之间的距离大于一对所述第一热轧辊之间的距离，且一对所述第二热轧辊的表面温度低于一对所述第一热轧辊表面的温度。
进一步的，所述第一热轧辊和第二热轧辊表面依次涂覆有钛金属层和硬铬金属层。
进一步的，所述第一热轧辊和第二热轧辊表面涂覆的铬金属层厚度为200-500μm，钛金属层厚度为100-300μm。
进一步的，所述喷涂机构包括树脂粉末料仓、螺旋进料器、加热段、雾化喷头、空压机，所述树脂粉末料仓设于所述螺旋进料器进料端上方，所述加热段一端与所述螺旋进料器的出料端固定连接，另一端与所述雾化喷头固定连接，所述空压机通过输气管路给予所述雾化喷头喷洒压力，且所述喷涂机构通过滚珠丝杠结构在预浸料宽度方向上移动进行喷涂。
进一步的，所述加热熔料机构采用导热油加热方式或电热丝加热方式。
进一步的，所述喷涂机构包括树脂粉末加热料仓、高温高压泵、雾化喷头，所述高温高压泵的进料端与所述树脂粉末加热料仓连接，出料端与所述雾化喷头连接，且所述喷涂机构通过滚珠丝杠结构在预浸料宽度方向上移动进行喷涂。
进一步的，所述树脂粉末加热料仓采用导热油加热方式或电热丝加热方式。
进一步的，所述热塑树脂基体为聚甲醛树脂、聚乙烯树脂、聚氯乙烯树脂、聚丙烯树脂、聚苯乙烯树脂、改性聚苯乙烯树脂、聚酰胺树脂、聚酯树脂、聚对苯二甲酸乙二醇酯树脂、聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂、聚碳酸酯树脂或聚酰亚胺。
一种连续性热塑树脂基体纤维预浸料的制备方法，包括以下步骤：
(1)碳纤维扩展放纱：首先将碳纤维丝锭通过碳纤维丝束扩展设备进行扩展，形成碳纤维丝束，碳纤维丝束在第一牵引装置作用下分别经过碳纤维丝束纱筒架和导向辊后被整理导向；
(2)碳纤维浸渍：步骤(1)中得到的导向后的碳纤维丝束进入热浸装置，并依次经过整理辊前进，在热浸槽内放入树脂粉末，在热浸槽加热机构作用下树脂粉末熔化，其中，热浸槽加热机构的加热温度高于热浸槽内树脂的熔点温度，熔化后的树脂在碳纤维丝束前进过程中被浸渍到碳纤维丝束上下面上；
(3)表面喷涂：步骤(2)中得到的预浸料初级产品在第二牵引装置的牵引作用下，依次由一对所述第一热轧辊之间和一对所述第二热轧辊之间穿过，且喷涂机构位于压延机构和辊压机构之间，对前进的预浸料初级产品进行表面涂覆；其中，一对第一热轧辊向预浸料初级产品前进的相反方向旋转，对步骤(2)得到的预浸料初级产品表面多余的树脂进行挤压浸润，一对第二热轧辊向预浸料前进的相反方向旋转，对喷涂后的预浸料初级产品表面的树脂进行挤压整理；
(4)产品冷却：步骤(3)中得到预浸料在第二牵引装置作用下经导出辊进入冷却箱，在冷却箱中进行冷却；
(5)牵引收卷：步骤(4)冷却后的预浸料在收卷辊作用下完成收卷，同时预浸料厚度检测机构在收卷之前对预浸料进行厚度均匀度检测。
进一步的，所述第一热轧辊的表面温度比热浸槽内树脂熔点温度高10℃-25℃，所述第二热轧辊的表面温度比所述第一热轧辊的表面温度低30℃-50℃。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明在碳纤维扩展放纱后首先对碳纤维进行浸渍熔化后的热树脂，使碳纤维纱上下表面及内部浸渍布满热树脂，经第一热轧辊挤压使得热树脂充分浸润到碳纤维丝之间的空隙内，并去掉碳纤维纱两面多余热树脂，且可通过调节一对第一热轧辊之间的距离来控制碳纤维丝之间浸润的热树脂的量；喷涂机构能够对预浸料初级产品表面进行喷涂，达到再次增加预浸料中树脂的含量或者增加预浸料中树脂种类的目的，且通过控制雾化喷头的喷射速率可控制喷涂的树脂的量，经第二热轧辊对预浸料作最后的挤压浸润，使预浸料表面的树脂分布均匀；
2、本发明通过采用热浸槽熔化树脂，使树脂充满碳纤维丝之间，再通过热轧辊挤压浸润的方式使树脂与碳纤维丝分散均匀，能够克服热辊熔融浸胶方法导致的长时间加热使热辊表面变形、制得的预浸料表面树脂分布不均、强度不够好，且不能制备较大宽幅预浸料；
3、本发明制得的T700级碳纤维丝预浸料中树脂含量能够低达30％-45％，且其制得的层压合板拉伸强度能够高达2800MPa-3500MPa；制得的T300级碳纤维丝预浸料中树脂含量比市售产品的低，而其制得的层压合板拉伸强度及层间剪切强度均比市售产品的高。
附图说明
以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述，但是应当知道，这些附图仅是为解释目的而设计的，因此不作为本发明范围的限定。此外，除非特别指出，这些附图仅意在概念性地说明此处描述的结构构造，而不必要依比例进行绘制。
图1为本发明实施例1提供的连续性热塑树脂基体纤维预浸料的制备生产线示意图；
图2为本发明实施例2提供的连续性热塑树脂基体纤维预浸料的制备生产线示意图；
图中：
1、碳纤维丝束扩展设备 2、碳纤维丝束纱筒架
3、导向辊 4、第一牵引装置
5、热浸装置 6、压延机构
7、喷涂机构 8、辊压机构
9、导出辊 10、冷却箱
11、第二牵引装置 12、预浸料厚度检测机构
13、收卷辊 14、热浸槽
15、热浸槽加热机构 16、整理辊
17、第一热轧辊 18、第二热轧辊
19、树脂粉末料仓 20、螺旋进料器
21、雾化喷头 22、加热段
23、树脂粉末加热料仓 24、高温高压泵
25、空压机
具体实施方式
首先，需要说明的是，以下将以示例方式来具体说明本发明的具体结构、特点和优点等，然而所有的描述仅是用来进行说明的，而不应将其理解为对本发明形成任何限制。此外，在本文所提及各实施例中予以描述或隐含的任意单个技术特征，或者被显示或隐含在各附图中的任意单个技术特征，仍然可在这些技术特征(或其等同物)之间继续进行任意组合或删减，从而获得可能未在本文中直接提及的本发明的更多其他实施例。另外，为了简化图面起见，相同或相类似的技术特征在同一附图中可能仅在一处进行标示。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面就结合图1至图2来具体说明本发明。
实施例1
如图1所示，本实施例提供的一种连续性热塑树脂基体纤维预浸料的制备生产线，按照纤维纱的走向，所述制备生产线由碳纤维丝束扩展设备1、碳纤维丝束纱筒架2、导向辊3、第一牵引装置4、热浸装置5、压延机构6、喷涂机构7、辊压机构8、导出辊9、冷却箱10、第二牵引装置11、预浸料厚度检测机构12、收卷辊13依次衔接构成；
所述热浸装置5包括热浸槽14，所述热浸槽14外围设有热浸槽加热机构15，所述热浸槽加热机构15采用导热油加热方式或电热丝加热方式，所述热浸槽14内部设有若干整理辊16；
所述压延机构6包括一对第一热轧辊17，且一对所述第一热轧辊17分别固定在相对距离可调的两个位置，使其之间相距微米级距离；
所述辊压机构8位于所述压延机构6正上方，且所述辊压机构8和所述压延机构6之间的垂直距离为10cm-20cm；所述辊压机构8包括一对第二热轧辊18，且一对所述第二热轧辊18分别固定在相对距离可调的两个位置，使其之间相距微米级距离；一对所述第二热轧辊18之间的距离大于一对所述第一热轧辊17之间的距离，且一对所述第二热轧辊18的表面温度低于一对所述第一热轧辊表面17的温度。
需要指出的是，所述第一热轧辊17和第二热轧辊18表面依次涂覆有钛金属层和硬铬金属层。
需要指出的是，所述第一热轧辊17和第二热轧辊18表面涂覆的铬金属层厚度为200-500μm，钛金属层厚度为100-300μm。
进一步的，所述喷涂机构7包括树脂粉末料仓19、螺旋进料器20、加热段22、雾化喷头21、空压机25，所述树脂粉末料仓19设于所述螺旋进料器20进料端上方，所述加热段22一端与所述螺旋进料器20的出料端固定连接，另一端与所述雾化喷头21固定连接，所述空压机25通过输气管路给予所述雾化喷头21喷洒压力，且所述喷涂机构7通过滚珠丝杠结构在预浸料宽度方向上移动进行喷涂。
需要指出的是，所述加热段22采用导热油加热方式或电热丝加热方式。
需要指出的是，所述热塑树脂基体为聚甲醛树脂、聚乙烯树脂、聚氯乙烯树脂、聚丙烯树脂、聚苯乙烯树脂、改性聚苯乙烯树脂、聚酰胺树脂、聚酯树脂、聚对苯二甲酸乙二醇酯树脂、聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂、聚碳酸酯树脂或聚酰亚胺。
在本实施例中，连续性热塑树脂基体纤维预浸料的制备方法，包括以下步骤：
(1)碳纤维扩展放纱：首先将碳纤维丝锭通过碳纤维丝束扩展设备进行扩展，形成碳纤维丝束，碳纤维丝束在第一牵引装置作用下分别经过碳纤维丝束纱筒架和导向辊后被整理导向；
(2)碳纤维浸渍：步骤(1)中得到的导向后的碳纤维丝束进入热浸装置，并依次经过整理辊前进，在热浸槽内放入树脂粉末，在热浸槽加热机构作用下树脂粉末熔化，其中，热浸槽加热机构的加热温度高于热浸槽内树脂的熔点温度，熔化后的树脂在碳纤维丝束前进过程中被浸渍到碳纤维丝束上下面上；
(3)表面喷涂：步骤(2)中得到的预浸料初级产品在第二牵引装置的牵引作用下，依次由一对所述第一热轧辊之间和一对所述第二热轧辊之间穿过，且喷涂机构位于压延机构和辊压机构之间，对前进的预浸料初级产品进行表面涂覆；其中，一对第一热轧辊向预浸料初级产品前进的相反方向旋转，对步骤(2)得到的预浸料初级产品表面多余的树脂进行挤压浸润，一对第二热轧辊向预浸料前进的相反方向旋转，对喷涂后的预浸料初级产品表面的树脂进行挤压整理；
(4)产品冷却：步骤(3)中得到预浸料在第二牵引装置作用下经导出辊进入冷却箱，在冷却箱中进行冷却；
(5)牵引收卷：步骤(4)冷却后的预浸料在收卷辊作用下完成收卷，同时预浸料厚度检测机构在收卷之前对预浸料进行厚度均匀度检测。
其中，所述第一热轧辊的表面温度比热浸槽内树脂熔点温度高10℃-25℃，所述第二热轧辊的表面温度比所述第一热轧辊的表面温度低30℃-50℃。
本发明在碳纤维扩展放纱后首先对碳纤维进行浸渍熔化后的热树脂，使碳纤维纱上下表面浸渍布满热树脂，经第一热轧辊挤压去掉碳纤维纱两面多余热树脂，且可通过调节一对第一热轧辊之间的距离来控制碳纤维纱中浸渍的热树脂的量；喷涂机构能够对预浸料初级产品表面进行喷涂，达到再次增加预浸料中树脂的含量或者增加预浸料中树脂种类的目的，且通过控制雾化喷头的喷射速率可控制喷涂的树脂的量，经第二热轧辊对预浸料作最后的挤压浸润，使预浸料中的树脂分布均匀；使用该方法能够克服热辊熔融浸胶方法导致的长时间加热使热辊表面变形、制得的预浸料表面树脂分布不均、强度不够好，且不能制备较大宽幅预浸料；
需要说明的是，本发明中的碳纤维丝束扩展设备1、预浸料厚度检测机构12分别在本申请人所申请的专利CN201621335589.1、CN201720058289.1中已详细介绍，在此不再赘述，但由于上述原因，不会影响本领域技术人员的重复再现；此外，第一牵引装置4和第二牵引装置11为普通的牵引辊构成的牵引模块，可采用现在技术中的牵引辊排布方式，只要能满足本装置中的牵引作用即可；最后，为了便于碳纤维丝束纱筒架2、导向辊3、第一牵引装置4、热浸装置5、压延机构6、喷涂机构7、辊压机构8、导出辊9、冷却箱10、第二牵引装置11等结构的安装，在安装的过程中可以配备一些支撑辅助结构，具体情况根据安装时设计，在此不再赘述。
实施例2
在本发明的另外一些实施例，还可以针对连续性热塑树脂基体纤维预浸料的制备生产线进行自由灵活的配置，以便能够充分发挥出本发明的技术优势。下面就对此进行举例性说明。
图2为本发明基于图1提供的另一种连续性热塑树脂基体纤维预浸料的制备生产线的示意图；如图2所示，本实施例提供的连续性热塑树脂基体纤维预浸料的制备生产线是实施例1中喷涂机构的另外一种形式：所述喷涂机构7包括树脂粉末加热料仓23、高温高压泵24、雾化喷头21，所述高温高压泵24的进料端与所述树脂粉末加热料仓23连接，出料端与所述雾化喷头21连接，且所述喷涂机构7通过滚珠丝杠结构在预浸料宽度方向上移动进行喷涂，其中，所述树脂粉末加热料仓23采用导热油加热方式或电热丝加热方式。
本实施例的其他结构与实施例1的结构相同，因此这里不再赘述。
结合以上对本发明的详细描述可以看出，本实施例提供的连续性热塑树脂基体纤维预浸料的制备生产线，在喷涂模块，首先对树脂进行熔化，然后通过高温高压泵24将液态树脂传输到雾化喷头21，这样可以避免在雾化喷头21内部熔化树脂时可能存在树脂熔化不完全的情况，使得喷出的树脂更加均匀，提高预浸料的质量。
实施例3
选择T300-12k级碳纤维、选用聚乙烯(简称PE)作为树脂基体制备预浸料，要求预浸料中的树脂含量为35％。
将碳纤维扩展放纱经导向后的碳纤维丝束进入热浸装置，并依次经过整理辊前进，其中，热浸槽加热机构的加热温度为140℃-145℃，热浸槽内的PE熔化为液态，熔化后的PE树脂在碳纤维丝束前进过程中被浸渍到碳纤维丝束之间的间隙及碳纤维丝束上下面上；在第二牵引装置的牵引作用下，浸渍了PE树脂的碳纤维丝束依次由一对所述第一热轧辊之间和一对所述第二热轧辊之间穿过，且喷涂机构位于压延机构和辊压机构之间，对前进的预浸料初级产品表面进行PE树脂涂覆，通过控制第一热轧辊对预浸料初级产品的挤压力度、雾化喷头的喷洒速率、雾化喷头的移动速率及雾化喷头喷洒上下宽幅实现对预浸料中树脂含量的调控；其中，一对第一热轧辊向预浸料初级产品前进的相反方向旋转，对得到的预浸料初级产品表面多余的树脂进行挤压浸润，一对第二热轧辊向预浸料前进的相反方向旋转，对喷涂后的预浸料初级产品表面的树脂进行挤压整理；其中，所述第一热轧辊的表面温度为160℃-165℃，所述第二热轧辊的表面温度为110℃-135℃；预浸料在第二牵引装置作用下经导出辊进入冷却箱，在冷却箱中进行冷却；最后，冷却后的预浸料在收卷辊作用下完成收卷，同时预浸料厚度检测机构在收卷之前对预浸料进行厚度均匀度检测。
实施例4
选择T300-12k级碳纤维、选用聚丙烯(简称PP)作为树脂基体制备预浸料，要求预浸料中的树脂含量为35％。
将碳纤维扩展放纱经导向后的碳纤维丝束进入热浸装置，并依次经过整理辊前进，其中，热浸槽加热机构的加热温度为180℃-185℃，热浸槽内的PP熔化为液态，熔化后的PP树脂在碳纤维丝束前进过程中被浸渍到碳纤维丝束之间的间隙及碳纤维丝束上下面上；在第二牵引装置的牵引作用下，浸渍了PP树脂的碳纤维丝束依次由一对所述第一热轧辊之间和一对所述第二热轧辊之间穿过，且喷涂机构位于压延机构和辊压机构之间，对前进的预浸料初级产品表面进行PP树脂涂覆，通过控制第一热轧辊对预浸料初级产品的挤压力度、雾化喷头的喷洒速率、雾化喷头的移动速率及雾化喷头喷洒上下宽幅实现对预浸料中树脂含量的调控；其中，一对第一热轧辊向预浸料初级产品前进的相反方向旋转，对得到的预浸料初级产品表面多余的树脂进行挤压浸润，一对第二热轧辊向预浸料前进的相反方向旋转，对喷涂后的预浸料初级产品表面的树脂进行挤压整理；其中，所述第一热轧辊的表面温度为200℃-205℃，所述第二热轧辊的表面温度为150℃-175℃；预浸料在第二牵引装置作用下经导出辊进入冷却箱，在冷却箱中进行冷却；最后，冷却后的预浸料在收卷辊作用下完成收卷，同时预浸料厚度检测机构在收卷之前对预浸料进行厚度均匀度检测。
实施例5
选择T300-12k级碳纤维、选用聚碳酸酯(简称PC)作为树脂基体制备预浸料，要求预浸料中的树脂含量为35％。
将碳纤维扩展放纱经导向后的碳纤维丝束进入热浸装置，并依次经过整理辊前进，其中，热浸槽加热机构的加热温度为250℃-255℃，热浸槽内的PC熔化为液态，熔化后的PC树脂在碳纤维丝束前进过程中被浸渍到碳纤维丝束之间的间隙及碳纤维丝束上下面上；在第二牵引装置的牵引作用下，浸渍了PC树脂的碳纤维丝束依次由一对所述第一热轧辊之间和一对所述第二热轧辊之间穿过，且喷涂机构位于压延机构和辊压机构之间，对前进的预浸料初级产品表面进行PC树脂涂覆，通过控制第一热轧辊对预浸料初级产品的挤压力度、雾化喷头的喷洒速率、雾化喷头的移动速率及雾化喷头喷洒上下宽幅实现对预浸料中树脂含量的调控；其中，一对第一热轧辊向预浸料初级产品前进的相反方向旋转，对得到的预浸料初级产品表面多余的树脂进行挤压浸润，一对第二热轧辊向预浸料前进的相反方向旋转，对喷涂后的预浸料初级产品表面的树脂进行挤压整理；其中，所述第一热轧辊的表面温度为270℃-275℃，所述第二热轧辊的表面温度为220℃-245℃；预浸料在第二牵引装置作用下经导出辊进入冷却箱，在冷却箱中进行冷却；最后，冷却后的预浸料在收卷辊作用下完成收卷，同时预浸料厚度检测机构在收卷之前对预浸料进行厚度均匀度检测。
实施例6
选择T300-12k级碳纤维、选用尼龙6(简称PA6)作为树脂基体制备预浸料，要求预浸料中的树脂含量为35％。
将碳纤维扩展放纱经导向后的碳纤维丝束进入热浸装置，并依次经过整理辊前进，其中，热浸槽加热机构的加热温度为240℃-245℃，热浸槽内的PA6熔化为液态，熔化后的PA6树脂在碳纤维丝束前进过程中被浸渍到碳纤维丝束之间的间隙及碳纤维丝束上下面上；在第二牵引装置的牵引作用下，浸渍了PA6树脂的碳纤维丝束依次由一对所述第一热轧辊之间和一对所述第二热轧辊之间穿过，且喷涂机构位于压延机构和辊压机构之间，对前进的预浸料初级产品表面进行PA6树脂涂覆，通过控制第一热轧辊对预浸料初级产品的挤压力度、雾化喷头的喷洒速率、雾化喷头的移动速率及雾化喷头喷洒上下宽幅实现对预浸料中树脂含量的调控；其中，一对第一热轧辊向预浸料初级产品前进的相反方向旋转，对得到的预浸料初级产品表面多余的树脂进行挤压浸润，一对第二热轧辊向预浸料前进的相反方向旋转，对喷涂后的预浸料初级产品表面的树脂进行挤压整理；其中，所述第一热轧辊的表面温度为260℃-265℃，所述第二热轧辊的表面温度为210℃-235℃；预浸料在第二牵引装置作用下经导出辊进入冷却箱，在冷却箱中进行冷却；最后，冷却后的预浸料在收卷辊作用下完成收卷，同时预浸料厚度检测机构在收卷之前对预浸料进行厚度均匀度检测。
对实施例3-6中制得的预浸料通过模压法制得层压合板，并对层压合板分别根据ISO14130玻纤增强塑料(玻璃钢)剪切强度测试方法、ASTM D3039标准进行层压合板层间剪切强度、拉伸强度进行测试，得到结果如表1所示：
表1
并使用航空工业行业标准(HB)HB7736.5-2004：“复合材料预浸料物理性能测试方法”，对表1的预浸料中树脂含量进行测定，测定结果如表2：
表2
| 纤维型号 | 树脂基体 | 树脂含量测定值(重量比)％ | 相对误差％ |
| TORAY T300-12K | PE | 34.6 | 1.2 |
| TORAY T300-12K | PP | 35.9 | -2.5 |
| TORAY T300-12K | PC | 35.6 | -1.7 |
| TORAY T300-12K | PA6 | 34.3 | 2.0 |
其中，相对误差的计算公式为:
(35-树脂含量测定值)*100％/树脂含量测定值
由表2数据可看出，由本申请中的装置及方法制得的预浸料中的树脂含量相对误差不超过3％，能很好的满足现代预浸料产品中树脂含量精度要求。
此外，还购买了分别以PE、PP、PC、PA6为树脂基体与T300-12k级碳纤维制备的预浸料，其中树脂含量均为50％，并对预浸料制成的层压合板分别根据ISO14130玻纤增强塑料(玻璃钢)剪切强度测试方法、ASTM D3039标准进行层压合板层间剪切强度、拉伸强度进行测试，得到结果如表3所示：
表3
综合表1和表3，表1中制得的预浸料在树脂含量为35％时达到的拉伸强度和层间剪切强度均高于表3中市售产品的，而预浸料中树脂含量越低，预浸料的质量就越轻，相应的预浸料应用到产品中使得产品的质量就越轻，这对于预浸料的后续应用的非常有优势的，也是现在碳纤维预浸料发展的方向及要求。
实施例7
此外，还分别以PE、PP、PC、PA6、聚酰亚胺(简称PI)为树脂基体与T700-12k级碳纤维制备了预浸料，其中树脂含量要求为35％，并对预浸料制成的层压合板分别根据ISO14130玻纤增强塑料(玻璃钢)剪切强度测试方法、ASTM D3039标准进行层压合板层间剪切强度、拉伸强度进行测试，得到结果如表4所示：
表4
由表4可以看出，分别以PE、PP、PC、PA6、PI为树脂基体与T700-12k级碳纤维制备的预浸料，在树脂含量低达35％时拉伸强度分别达到了2300MPa、2250MPa、2950MPa、2800MPa、3490MPa，实现了在保持较高的拉伸强度的前提下尽可能的降低树脂含量，从而减轻了预浸料质量，有利于预浸料用于航天等要求质量较轻、强度较高的场合。
以上实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (10)
1.一种连续性热塑树脂基体纤维预浸料的制备生产线，其特征在于：按照纤维纱的走向，所述制备生产线由碳纤维丝束扩展设备、碳纤维丝束纱筒架、导向辊、第一牵引装置、热浸装置、压延机构、喷涂机构、辊压机构、导出辊、冷却箱、第二牵引装置、预浸料厚度检测机构、收卷辊依次衔接构成；
所述热浸装置包括热浸槽，所述热浸槽外围设有热浸槽加热机构，所述热浸槽加热机构采用导热油加热方式或电热丝加热方式，所述热浸槽内部设有若干整理辊；
所述压延机构包括一对第一热轧辊，且一对所述第一热轧辊分别固定在相对距离可调的两个位置，使其之间相距微米级距离；
所述辊压机构位于所述压延机构正上方，且所述辊压机构和所述压延机构之间的垂直距离为10cm-20cm；所述辊压机构包括一对第二热轧辊，且一对所述第二热轧辊分别固定在相对距离可调的两个位置，使其之间相距微米级距离；一对所述第二热轧辊之间的距离大于一对所述第一热轧辊之间的距离，且一对所述第二热轧辊的表面温度低于一对所述第一热轧辊表面的温度。
2.根据权利要求1所述的一种连续性热塑树脂基体纤维预浸料的制备生产线，其特征在于：所述第一热轧辊和第二热轧辊表面依次涂覆有钛金属层和硬铬金属层。
3.根据权利要求2所述的一种连续性热塑树脂基体纤维预浸料的制备生产线，其特征在于：所述第一热轧辊和第二热轧辊表面涂覆的铬金属层厚度为200-500μm，钛金属层厚度为100-300μm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种连续性热塑树脂基体纤维预浸料的制备生产线，其特征在于：所述喷涂机构包括树脂粉末料仓、螺旋进料器、加热段、雾化喷头、空压机，所述树脂粉末料仓设于所述螺旋进料器进料端上方，所述加热段一端与所述螺旋进料器的出料端固定连接，另一端与所述雾化喷头固定连接，所述空压机通过输气管路给予所述雾化喷头喷洒压力，且所述喷涂机构通过滚珠丝杠结构在预浸料宽度方向上移动进行喷涂。
5.根据权利要求4所述的一种连续性热塑树脂基体纤维预浸料的制备生产线，其特征在于：所述加热段采用导热油加热方式或电热丝加热方式。
6.根据权利要求1-3任一项所述的一种连续性热塑树脂基体纤维预浸料的制备生产线，其特征在于：所述喷涂机构包括树脂粉末加热料仓、高温高压泵、雾化喷头，所述高温高压泵的进料端与所述树脂粉末加热料仓连接，出料端与所述雾化喷头连接，且所述喷涂机构通过滚珠丝杠结构在预浸料宽度方向上移动进行喷涂。
7.根据权利要求6所述的一种连续性热塑树脂基体纤维预浸料的制备生产线，其特征在于：所述树脂粉末加热料仓采用导热油加热方式或电热丝加热方式。
8.根据权利要求1、2、3、5、7任一项所述的一种连续性热塑树脂基体纤维预浸料的制备生产线，其特征在于：所述热塑树脂基体为聚甲醛树脂、聚乙烯树脂、聚氯乙烯树脂、聚丙烯树脂、聚苯乙烯树脂、改性聚苯乙烯树脂、聚酰胺树脂、聚酯树脂、聚对苯二甲酸乙二醇酯树脂、聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂、聚碳酸酯树脂或聚酰亚胺。
9.一种连续性热塑树脂基体纤维预浸料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)碳纤维扩展放纱：首先将碳纤维丝锭通过碳纤维丝束扩展设备进行扩展，形成碳纤维丝束，碳纤维丝束在第一牵引装置作用下分别经过碳纤维丝束纱筒架和导向辊后被整理导向；
(2)碳纤维浸渍：步骤(1)中得到的导向后的碳纤维丝束进入热浸装置，并依次经过整理辊前进，在热浸槽内放入树脂粉末，在热浸槽加热机构作用下树脂粉末熔化，其中，热浸槽加热机构的加热温度高于热浸槽内树脂的熔点温度，熔化后的树脂在碳纤维丝束前进过程中被浸渍到碳纤维丝束上下面上；
(3)表面喷涂：步骤(2)中得到的预浸料初级产品在第二牵引装置的牵引作用下，依次由一对所述第一热轧辊之间和一对所述第二热轧辊之间穿过，且喷涂机构位于压延机构和辊压机构之间，对前进的预浸料初级产品进行表面涂覆；其中，一对第一热轧辊向预浸料初级产品前进的相反方向旋转，对步骤(2)得到的预浸料初级产品表面多余的树脂进行挤压浸润，一对第二热轧辊向预浸料前进的相反方向旋转，对喷涂后的预浸料初级产品表面的树脂进行挤压整理；
(4)产品冷却：步骤(3)中得到预浸料在第二牵引装置作用下经导出辊进入冷却箱，在冷却箱中进行冷却；
(5)牵引收卷：步骤(4)冷却后的预浸料在收卷辊作用下完成收卷，同时预浸料厚度检测机构在收卷之前对预浸料进行厚度均匀度检测。
10.根据权利要求9所述的一种连续性热塑树脂基体纤维预浸料的制备方法，其特征在于：所述第一热轧辊的表面温度比热浸槽内树脂熔点温度高10℃-25℃，所述第二热轧辊的表面温度比所述第一热轧辊的表面温度低30℃-50℃。
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