CN108214980B - 一种制备连续纤维增强热塑性预浸带的设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于树脂基复合材料技术领域，涉及一种制备连续纤维增强热塑性复合材料预浸带的设备及方法。该发明设备由纤维开卷装置、展纱装置、粉末浸渍槽、加热通道、辊压装置、树脂含量监控系统、粉末涂覆装置、导向装置、牵引装置和收卷装置组成。实施方法：经过展纱扩纤的纤维束进入粉末浸渍槽，粘附上一定量的树脂粉末后加热使树脂熔融，使用非接触测厚仪对预浸带厚度测量计算出树脂含量，预浸带经过导向辊使背面翻折到上方，进入粉末涂覆装置对其背面进行二次粉末涂覆，然后经过熔融、定型、收卷即得到最终成品。本发明适用于高温高粘度树脂对纤维的浸渍，能实现预浸料树脂含量和预浸带宽度的精确可控。

Description

一种制备连续纤维增强热塑性预浸带的设备及方法

技术领域

本发明属于热塑性复合材料技术领域，具体涉及一种制备连续纤维增强热塑性复合材料预浸带的设备及其方法。。

背景技术

与传统的热固性复合材料相比，连续碳纤维增强的热塑性聚合物基复合材料（CFRTP）具有更高的抗冲击韧性和损伤容限，环境稳定性高，成型周期短，容易回收再生、可重复使用，大量应用连续纤维增强热塑性聚合物复合材料已成为新的发展趋势。在连续纤维增强热塑性树脂成型过程中，树脂对纤维的浸渍是一个公认的关键步骤。这是因为热塑性树脂在常温时则基本上是固体，并且具有很高的熔融粘度(>100Pa·S)，如此高的熔融粘度，使得热塑性基体树脂很难充分浸渍增强纤维，尤其是纤维束内浸渍。为解决热塑性树脂对连续纤维的浸渍难题，国内外开发了一系列的连续纤维增强热塑性复合材料的浸渍技术，概括为熔融浸渍、溶液浸渍、粉末浸渍、混纤纱浸渍、原位聚合浸渍等，这些技术的特点均是将热塑性树脂转换成容易分散和流动的熔融状态、溶液状态、粉末状态、纤维状态，以便于更加均匀的分散到连续纤维束内。但是由于热塑性树脂体系物化性质的巨大差异，尤其是针对一些高温高粘树脂这些工艺的应用结果并不能令人满意，对上述浸渍工艺进行改进提高显得十分必要。

在粉末浸渍领域，静电粉末涂覆法、粉末流化床法、粉末悬浊液法、粉末浸渍槽法是几种常见工艺技术。传统的粉末浸渍槽法是让连续纤维通过堆满树脂粉末的浸渍槽，通过纤维、粉末和浸渍辊的挤压摩擦作用实现粉末在纤维中的分散，但是该工艺极不稳定，制备的预浸带树脂含量差异较大。专利号CN1107096A发明了一种静电预浸处理设备及工艺方法，通过静电发生装置使树脂粉末带上静电，依靠静电作用将树脂粉末吸附到展宽展平的连续纤维或纤维织物上，调整静电室电压，可以改变树脂的涂覆量，然后进入熔融炉，加热使树脂融化，压平后通过β射线测厚仪测量树脂含量，然后收卷后获得预浸物，但是该工艺静电压轻微波动使得树脂粉末的涂覆均匀度不一致，树脂粉末浸渍量在加热后即无法改变，测厚仪虽然能测量树脂含量却已经无法对不符合要求的预浸带做出改变，预浸带树脂含量的控制精度较差。

专利号CN106163756A公开了一种在流化床中生产预浸渍有热塑性聚合物的纤维质材料的方法，它利用流化床的特性使热塑性树脂粉末呈悬浮状态，当连续纤维从流化床中经过时被涂覆上树脂粉末，熔融压平后得到预浸带，通过控制流化床气压和纤维行进速率来控制树脂含量，但是该工艺粉末的一次利用率较低，必须进行大量回收，而且流化床能耗较大，裹挟着粉末的气流对纤维的损伤较大，它同样存在着树脂粉末附着不均，预浸料树脂含量精度受到限制的不足。

专利号CN102417600A公开了一种粉末悬浊液法制备连续纤维预浸带的方法，利用高沸点溶剂N,N-二甲基乙酰胺与低沸点溶剂丙酮作为混合溶剂，使加入的聚醚醚酮粉末形成稳定悬浊液，连续纤维浸入悬浮液会附着树脂粉末，实现粉末浸渍，但是存在预浸料含溶剂，不易保存和铺层，且在加压过程中无法除去溶剂等，对成型后复合材料性能有不良影响。

为提高热塑性树脂对纤维的浸渍效果，实用新型专利号CN204451234U发明了一种连续纤维增强热塑性树脂预浸料双面涂胶与浸胶装置、浸渍模具，设置了两个浸渍模具，模具上开有熔融树脂的通道，对贴合在模具上的纤维进行双面浸渍涂胶，以期实现对较厚纤维束的包裹和浸润，但纤维连续通过高温模具表面时会产生较严重的损伤。

发明内容

针对现有技术存在的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种制备连续纤维增强热塑性复合材料预浸带的设备及方法，可用于解决以上各浸渍法存在的预浸带树脂含量不稳定、控制精度低、难以实时调整以及纤维损伤大和杂质无法完全去除问题，从而制备出树脂含量和预浸带宽度稳定、精确、可控的高性能连续纤维增强热塑性预浸带；且本发明设备简单，方法易于操作。

为实现以上目的，本发明提供了一种制备连续纤维增强热塑性复合材料预浸带的设备及方法，具体设备包括以下装置：连续纤维径向退绕纱架、展纱装置、粉末浸渍槽、限制器、加热通道、对压辊、导辊、非接触式测厚仪、树脂含量监控系统、压平定型装置、牵引装置、纤维卷绕装置。

本发明制备连续纤维增强热塑性树脂预浸料的方法，具体包括如下步骤：

(1)放纱展纱：将连续纤维从放纱架上引出，通过展纱装置展宽、薄层化；

(2)一次粉末浸渍：在牵引作用下将薄层化纤维束通过粉末浸渍槽，在挤压和摩擦作用下使粉末浸入纤维束内，调整限位器的位置，使纤维上表面粉末厚度合适，分布均匀；

(3)加热、辊压：一次粉末浸渍后的纤维束进入加热通道，使树脂熔融，而后经过对压辊将一次预浸带压平；

(4)树脂含量监控：使用非接触式测厚仪检测一次预浸带的厚度，并将测量结果传输给树脂含量监控计算机，由计算机依据厚度换算出预浸带的树脂含量，并根据与目标值之间的差值，控制粉末涂覆装置树脂涂覆量；

(5)二次粉末涂覆：利用导辊使一次预浸带反向折返，使得预浸带的背面翻折到上方，进入粉末涂覆装置，对预浸带进行二次粉末涂覆；

(6)二次加热、定型：经过二次粉末涂覆的预浸带再次进入加热通道，使树脂熔融，而后经过压平定型装置预浸带压平定型；

(7)树脂含量测定：采用第二台非接触测厚仪测量最终预浸带厚度，确定树脂含量，并将测量结果反馈给二次粉末涂覆装置进行补偿控制，形成一个闭环控制系统；

(8)收卷：连续纤维增强热塑性预浸带通过卷绕机收卷。

所述的连续纤维退绕纱架主要目的是将连续纤维束从纤维卷上平行展开。纱架上设有水平转动的锭子支架，用于放置连续纤维卷。为了控制连续纤维从连续纤维卷上展开时的稳定性和张紧力的均匀性，锭子支架上设有锭子，锭子支架上放置连续纤维卷，每个水平转动的锭子上设有阻尼装置用来控制连续纤维卷在展开连续纤维时的张力的均匀性，保证纤维的平行排列和张力的均匀性。每行纱架的头部设有一排横向排列的导丝孔，以确保每根丝束按一定顺序导出。

所述的展纱装置可以是机械式展纱杆、超声波展纱器、气流展纱器、静电展纱器，或将几种展纱器的组合使用。

所述的粉末浸渍槽内充满热塑性树脂粉末，槽内设置有5-9根平行的浸渍辊，浸渍辊使用金属或有机玻璃制成，表面光滑，外径20mm-60mm，长度100mm-1500mm，具体长度由纤维束的数量决定。

所述的限制器，垂直于纤维束方向为弧形，与纤维接触面为半圆形以避免刮断纤维；限制器可上下移动用以刮掉纤维束上表面多余树脂粉末，控制第一次粉末浸渍过程中纤维上的树脂厚度，并使树脂粉末在纤维束上表面分布均匀；并且在限位器下方应设有一个回收树脂粉末的容器。

所述的加热通道根据生产效率不同，长度在0.6m-2.0m之间；根据热塑性树脂的熔点不同，加热温度在110℃～420℃之间连续可调；加热方式可采用红外加热、热空气加热、电热管加热、电磁加热等，且纤维束不能与加热通道有任何接触，热量通过空气对流、热传导或辐射直接传递给树脂。

所述的对压辊包括上压平金属辊和下压平金属辊，上下两辊之间的距离和压力可以连续调节，但是不足以将预浸带压断；对压辊的位置设置在加热通道下部出口，边缘处紧贴加热通道；对压辊的辊面宽度不低于1.2m。

所述的非接触式测厚仪为在线厚度轮廓测量系统，实时连续监测预浸带的厚度变化，可选用X射线测厚仪、激光测厚仪、红外测厚仪、超声波测厚仪，测量精度不低于±1μm，并能与计算机交互实时数据。

所述的树脂含量监控系统包括第一测厚仪、粉末涂覆装置、第二测厚仪、计算机四部分组成，是实现树脂含量精确控制的必要条件。使用时，第一测厚仪将一次预浸带的厚度测量结果传输给计算机，计算机换算出一次预浸带的树脂含量，并与目标值进行比较，根据一次预浸带树脂含量与目标值之间的差值，控制粉末涂覆装置的树脂粉末涂覆量；第二台测厚仪测定最终树脂含量，并将测定结果反馈给计算机，计算机判断是否需要再次对粉末涂覆量进行调整，最终形成一个闭环控制系统，实现对树脂含量的精确控制。

所述的粉末涂覆装置能够将粉末均匀的涂敷在连续纤维束上，涂覆宽度可控制在3mm-1200mm之间，涂覆厚度不低于0.5μm，具体涂覆厚度由一次预浸带树脂含量和目标值决定。

所述的压平定型装置，由两副对压辊组成，其中一副对压辊位于加热通道上部出口，边缘处紧贴加热通道，另一副对压辊相邻放置，通过两副对压辊压平定型，确保预浸带厚度均匀。

所述的牵引装置，为纤维的移动提供动力。牵引装置由直流电动机、变速器、直流电机调速器和牵引辊组成。其中牵引辊由一对位置上下配置的橡胶辊组成，纤维束从中间穿过，上下辊之间的间隙根据预浸带厚度进行调节。牵引速率由电机调速器调节，根据生产效率控制在0.6m/s-2.5m/s。

所述的收卷装置包括收卷辊、卷绕机。收卷辊的数量等于进入展纱器的纤维束数量，或所得预浸带是或由多根平行的单向带组成的宽幅预浸带时，采用一个收卷辊，此时收卷辊的长度大于预浸带的宽度。连续纤维增强热塑性树脂预浸带进过牵引装置后，最后由收卷装置收卷，收卷装置采用交流力矩电机的软特性保证收卷过程中张力和线速度基本恒定,通过调压器改变力矩电极定子绕组电压,保证各层松紧程度一致，可以自动调节收卷辊位置,得到边缘平齐的预浸带卷。

本发明的制备方法所采用的纤维为包含连续纤维，其选自碳纤维、玻璃纤维、碳化硅纤维、玄武岩纤维、硅石纤维、天然纤维，特别是亚麻、大麻、剑麻、丝或者纤维素纤维，或者热塑性纤维，所述热塑性纤维的玻璃化转变温度Tg高于所述聚合物或者所述聚合物的混合物的Tg，或者，当所述聚合物或者所述聚合物的混合物为半结晶的时，所述热塑性纤维的熔融温度Tf高于所述聚合物或者所述聚合物的混合物的Tf，或者所述纤维中的两种或更多种的混合物，优选碳纤维、玻璃纤维或碳化硅纤维的混合物，特别是碳纤维，优选6K、12K、24K碳纤维，更优选为12K碳纤维。

本发明的制备方法所述进入展纱装置的纤维束数量为1束或多束，优选为50束，优选最高200束。

所述粉末形式的树脂是热塑性聚合物或者热塑性聚合物的混合物，粉末粒径10μm～200μm

本发明的制备方法适用的树脂粉末为热塑性树脂或者热塑性树脂的混合物选自：聚芳基醚酮(PAEK)，特别是聚醚醚酮(PEEK)；聚芳基醚酮酮(PAEKK)，特别是聚醚酮酮(PEKK)；芳族聚醚酰亚胺(PEI)；聚芳基砜，特别是聚苯砜(PPSU)；聚芳基硫醚，特别是聚苯硫醚(PPS)；聚酰胺(PA)，特别是任选地通过脲单元改性的芳香族聚酰胺；聚丙烯酸酯，特别是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)；或者氟化聚合物，特别是聚偏氟乙烯(PVDF)；以及它们的混合物。

本发明的制备方法成功解决了高熔点和/或高粘度树脂对纤维丝束的浸渍问题，并且制备的连续纤维增强热塑性树脂预浸料具有高表面质量和低孔隙率。适于本发明方法的热塑性树脂通常具有110-420℃，优选220-400℃，更优选340-380℃的熔点。适于本发明方法的热塑性树脂通常具有约20-90g/10min，优选约20-80g/10min，更优选约20-60g/10min，仍更优选约20-40g/10min的熔融指数。熔融指数根据GB/T3682-2000测定。

优选地，本发明的方法所制备的预浸带，第一次粉末浸渍后预浸带树脂含量为15%-35%，第二次粉末涂覆增加5%-35%的树脂，最终制备的预浸带树脂含量25%-70%；更优选的，第一次粉末浸渍后预浸带树脂含量为18%-22%，第二次粉末涂覆增加18%-22%的树脂，最终制备的预浸带树脂含量36%-44%。

本发明的方法制备的连续纤维增强热塑性复合材料预浸带，树脂含量的误差能控制在±1%以内。

本发明的方法制备的连续纤维增强热塑性复合材料预浸带，厚度通常在0.05mm-0.22mm之间，更优选的厚度0.08mm-0.17mm之间。

本发明的方法制备的连续纤维增强热塑性复合材料预浸带，单根宽度2mm-25mm，优选5-10mm；或所得预浸带是或由多根平行的单向带组成的宽幅预浸带时，预浸带宽度为100mm-1200mm，优选600mm-1200mm。

通过使用本发明的方法，可以获得以下技术效果：

(1)本发明方法制备的预浸带树脂含量稳定。由于采用了树脂含量监控系统，利用二次粉末涂覆装置，可以对一次粉末浸渍所得预浸带进行树脂含量的再次调整，保证了连续生产的预浸带树脂含量稳定可控。

(2)树脂含量控制精度高。虽然一次粉末浸渍槽的控制精度较差，但是二次粉末涂覆装置的粉末涂覆量精确可控，配合压平定型装置和高精度的测厚仪，可以实现较高的树脂含量控制精度。

(3)本发明方法对连续纤维损伤小。展纱装置、粉末浸渍槽和限制器与连续纤维有一定程度的接触和摩擦，对纤维有轻微损伤，除此之外的装置和过程对纤维基本无接触性损伤。特别是，树脂以粉末状态预浸到纤维束内，缩短了树脂流动历程，避免了高粘度热塑性树脂粘流作用对连续纤维的牵扯引起的较大损伤，使得制备的预浸带纤维损伤更小，性能更高。

(4)本发明方法实施过程中除纤维和热塑性树脂外，无其他杂质引入，不存在杂质去除问题，也有利于最终成型复合材料性能的提高。

(5)增大了浸渍接触面积，提高了浸渍效果。通过采用双面浸渍，使得连续纤维束的上下表面均有树脂涂覆，相比传统的粉末浸渍槽法，树脂与纤维的接触面积增大了一倍，减少了成型过程中树脂流动的路径，有利于浸渍效果的提高。

(6)本发明设备的能耗较低。相比传统熔融浸渍、流化床粉末浸渍、静电粉末浸渍等工艺，本发明的设备未出现挤出机、流化床、静电发生器等大功率动力设备，并且两次粉末浸渍后加热集成到一个加热通道中，实现了热能的集约化利用，因此能耗更低，成本效益更高。

附图说明

图1 制备连续纤维增强热塑性复合材料预浸料的设备和方法。

附图标记说明：

图1中，纱架1，连续纤维卷2，导辊3，平行的连续纤维束4，展纱装置5，粉末浸渍辊6，粉末浸渍槽7，限制器8，回收容器9，加热通道10，对压辊11，第一测厚仪12，导向辊13，粉末涂覆装置和计算机14，压平定型装置15，第二测厚仪16，牵引装置17，牵引橡胶辊18，收卷辊19，收卷装置20。

具体实施方式

下面根据附图和具体实施方式，对本发明做进一步说明。

实施例1

采用本发明的设备和方法制备连续碳纤维增强热塑性聚醚醚酮复合材料预浸带，并对其单向层合板的力学性能进行考察。使用原材料如下：

连续碳纤维(日本东丽T700SC,12K连续碳纤维)；

聚醚醚酮(PEEK)树脂粉末(Victrex 450PF,熔点343℃，粉末粒径50μm)。

连续碳纤维增强热塑性聚醚醚酮复合材料预浸带的制备步骤如下：

将1卷12K T700碳纤维放置到纱架1的锭子上，通过导辊3的引导，碳纤维进入展纤装置2，本实施例采用机械式展纱杆对碳纤维进行展纱使之薄层化。碳纤维经过展纤后，进入盛满PEEK树脂粉末的浸渍槽7，在与多根浸渍辊6的摩擦、挤压作用下，树脂粉末浸入纤维束内，过程中可以明显发现碳纤维束上表面不均匀的分布有大量树脂，而下表面仅粘附上少量树脂粉末。本实施例中浸渍辊采用有机玻璃棒制成。精细调整限制器8位置的高低，使碳纤维束上表面的树脂粉末均匀分布、厚度一致。回收容器9回收被限制器8刮掉的PEEK树脂粉末。经过第一次粉末浸渍后的连续碳纤维束进入加热通道，加热通道长0.8m，采用电热丝加热，温度设定为370℃，PEEK在加热通道内熔融。在对压辊11的压力作用下，熔融的PEEK树脂从碳纤维束上表面渗透到纤维束内，与部分碳纤维结合完成第一次浸渍，对压辊两辊筒间距设定为0.10mm。被对压辊11压平的预浸带进入第一测厚仪12，第一测厚仪12通过厚度测算出第一次预浸带的树脂含量，并将测量结果传输给粉末涂覆装置14。如附图1所示，在导向辊13的引导下，第一次预浸带折返，使得仅含有少量树脂的下表面翻折到上方，被浸渍过的上表面翻折到下方，进入粉末涂覆装置14。粉末涂覆装置14内置计算机根据设定值与第一测厚仪之间的差值，控制树脂的第二次涂覆量，使预浸带下表面也被树脂包裹。经过第二次粉末涂覆的预浸带再次进入加热通道，使涂覆的树脂完全熔融。从加热通道上部出来的预浸带进入压平定型装置15，在两副对压辊的压力作用下，熔融的PEEK树脂从碳纤维束表面渗透到纤维束内，完成第二次浸渍。紧接着由第二测厚仪16对所得预浸的厚度进行测量，计算出制备的预浸带的最终树脂含量，检验结果是否符合设定要求，并将测定结果反馈给计算机，计算机决定是否需要对粉末涂覆量进行补偿调整，最终形成一个闭环控制系统，实现对树脂含量的精确控制。整个过程中连续纤维的行进动力由牵引装置17来提供，牵引速率0.8m/s。橡胶牵引辊18两辊之间的间距设定为0.11mm。制备好的连续碳纤维增强热塑性聚醚醚酮预浸带通过收卷装置20收卷备用。

上述方法制备的连续碳纤维增强热塑性聚醚醚酮预浸带宽度为7mm，平均厚度为0.12mm，预浸带的树脂含量为46.4%，碳纤维体积分数53.6%。

对上述方法制备的连续碳纤维增强热塑性聚醚醚酮预浸带，采用以下步骤制备单向层合板，并测量其力学性能：

将制备的连续碳纤维增强热塑性聚醚醚酮预浸带剪成长度为20cm的预浸带，然后用电烙铁将剪短的预浸带平行的焊接成宽幅为18cm的单层预浸带片材，将12片单向预浸带片材层叠放入内部尺寸为20cm×18cm的模具，合模后在平板硫化机上进行热压成型。设定热压温度370℃，平均升温速率10℃/min，压力12MPa，保温时间70min，然后保压自然冷却。最后脱模，得到连续碳纤维增强热塑性聚醚醚酮复合材料单向层合板。

将上述12层预浸料制备的单向层合板，按照ASTM D790-10标准制成弯曲测试样条，按照ASTM D2344标准制成短梁层间剪切测试样条，按照ASTM D256标准制成悬臂梁缺口冲击试验样条，分布测试所得材料的弯曲性能、层剪剪切强度和缺口冲击强度，测试结果见表1。

对比例1

采用不具备二次粉末涂覆和预浸带树脂含量监测系统功能的一次粉末浸渍槽法，制备连续碳纤维增强热塑性聚醚醚酮复合材料预浸带，并对其单向层合板的力学性能进行考察。使用原材料如下：

连续碳纤维(日本东丽T700SC,12K连续碳纤维)；

聚醚醚酮(PEEK)树脂粉末(Victrex 450PF,熔点343℃，粉末粒径50μm)。

连续碳纤维增强热塑性聚醚醚酮复合材料预浸带的制备步骤如下：

将1卷12K T700碳纤维放置到纱架1的锭子上，通过导辊3的引导，碳纤维进入展纤装置2，本实施例采用机械式展纱杆对碳纤维进行展纱使之薄层化。碳纤维经过展纤后，进入盛满PEEK树脂粉末的浸渍槽7，在与多根浸渍辊6的摩擦、挤压作用下，树脂粉末浸入纤维束内，过程中可以明显发现碳纤维束上表面不均匀的分布有大量树脂，而下表面仅粘附上少量树脂粉末。本实施例中浸渍辊采用有机玻璃棒制成。精细调整限制器8位置的高低，使碳纤维束上表面的树脂粉末均匀分布、厚度一致。回收容器9回收被限制器8刮掉的PEEK树脂粉末。经过粉末浸渍后的连续碳纤维束进入加热通道，加热通道长0.8m，采用电热丝加热，温度设定为370℃，PEEK在加热通道内熔融。在对压辊11的压力作用下，熔融的PEEK树脂从碳纤维束上表面渗透到纤维束内，与碳纤维结合完成浸渍，对压辊两辊筒间距设定为0.13mm。被对压辊11压平的预浸带进入第一测厚仪12，第一测厚仪12通过厚度测算出预浸带的树脂含量。在第一测厚仪后设置牵引装置17和收卷装置20。整个过程中连续纤维的行进动力由牵引装置17来提供，牵引速率0.8m/s。橡胶牵引辊18两辊之间的间距设定为0.12mm。制备好的连续碳纤维增强热塑性聚醚醚酮预浸带通过收卷装置20收卷备用。

对上述方法制备的连续碳纤维增强热塑性聚醚醚酮预浸带宽，挑选出树脂含量为46.6%，碳纤维体积分数53.4%的预浸带。

对上述方法制备的连续碳纤维增强热塑性聚醚醚酮预浸带，采用以下步骤制备单向层合板，并测试其力学性能：

将制备的连续碳纤维增强热塑性聚醚醚酮预浸带剪成长度为20cm的预浸带，然后用电烙铁将剪短的预浸带平行的焊接成宽幅为18cm的单层预浸带片材，将12片单向预浸带片材层叠放入内部尺寸为20cm×18cm的模具，合模后在平板硫化机上进行热压成型。设定热压温度370℃，平均升温速率10℃/min，压力12MPa，保温时间70min，然后保压自然冷却。最后脱模，得到连续碳纤维增强热塑性聚醚醚酮复合材料单向层合板。

将上述12层预浸料制备的单向层合板，按照ASTM D790标准制成弯曲测试样条，按照ASTM D2344标准制成短梁层间剪切测试样条，按照ASTM D256标准制成悬臂梁缺口冲击试验样条，分布测试所得材料的弯曲性能、层剪剪切强度和缺口冲击强度，测试结果见表1。

表1

从表1中实施例1和对比例1的对比可以看出，在使用同样的原材料的情况下，实施例1采用本发明的设备和方法制备的连续碳纤维增强聚醚醚酮热塑性复合材料预浸带上下两面都有树脂的涂覆和浸渍，表面无未经树脂浸渍包裹的碳纤维裸露，具有更好的表面质量，而对比例1采用传统的粉末浸渍槽法制备的预浸带其中一面有大量的碳纤维裸露，未见树脂浸渍，预浸带的表面质量较差。从力学性能的测试结果可以看出，采用本发明设备和方法的实施例1较仍采用传统一次粉末浸渍槽法制得的连续碳纤维增强聚醚醚酮热塑性复合材料单向层合板，弯曲性能、层间剪切强度均有明显提高，缺口冲击韧性基本相当。

因此，本发明的设备和方法，可用于制备连续纤维增强热塑性复合材料预浸带，得益于二次粉末涂覆和树脂含量监控系统的使用，所制备的预浸带树脂含量稳定、控制精度高，表面质量好，上下表面均无裸露的碳纤维，双面浸渍能实现较好的浸渍效果；该预浸带可以用以层压成型、铺放成型、缠绕成型、编织成型等，且制得的复合材料具有优异的机械性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例之一，本发明不限于上述实施例。本领域技术人员根据本发明的启示，不脱离本发明范畴所做出的修改、等同替换和改进都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (22)

1.一种制备连续纤维增强热塑性复合材料预浸料的方法，特征在于，所述预浸料是一根单向带，或由多根平行的单向带组成的宽幅预浸带，而且，特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤(1)：将连续纤维通过展纱装置展宽、薄层化；

将步骤(1)中获得的薄层化纤维束依次通过粉末浸渍槽、加热通道、对压辊，实现树脂对纤维的第一次浸渍；

步骤(2)：在牵引作用下将薄层化纤维束通过粉末浸渍槽，在挤压和摩擦作用下使粉末浸入纤维束内，所述的粉末浸渍槽内充满热塑性树脂粉末，槽内设置有5-9根平行的浸渍辊，所述的粉末浸渍槽内充满热塑性数值粉末；粉末浸渍槽和加热通道之间存在一个塑料或金属材质的限制器，该限制器垂直于纤维束方向为弧形，可上下移动用以刮掉纤维束上表面多余树脂粉末，控制第一次粉末浸渍过程中纤维上的树脂含量，并使树脂粉末在纤维束上表面分布均匀；

步骤(3)：使用测厚仪对步骤(2)所获得的初步预浸带的厚度进行测量，并将测量结果传输给粉末涂覆装置；

步骤(4)：利用导辊使步骤(3)预浸带反向折返，使得预浸带的背面翻折到上方，进入粉末涂覆装置，对预浸带背面进行粉末涂覆；

步骤(5)：步骤(4)的预浸带再次进入步骤(2)中的加热通道，然后经过对压辊进行压平、定型；

步骤(5)的预浸料通过卷绕机收卷。

2.根据权利要求1所述的一种制备连续纤维增强热塑性复合材料预浸料的方法，特征在于，同时进入展纱装置的纤维束数量为1束或多束。

3.根据权利要求2所述的一种制备连续纤维增强热塑性复合材料预浸料的方法，特征在于，同时进入展纱装置的纤维束数量为50束。

4.根据权利要求2所述的一种制备连续纤维增强热塑性复合材料预浸料的方法，特征在于，同时进入展纱装置的纤维束数量为200束。

5.根据权利要求1所述的一种制备连续纤维增强热塑性复合材料预浸料的方法，特征在于，所述粉末形式的树脂是热塑性聚合物或者热塑性聚合物的混合物，粉末粒径10μm～200μm。

6.根据权利要求5所述的一种制备连续纤维增强热塑性复合材料预浸料的方法，特征在于，所述热塑性树脂或者热塑性树脂的混合物选自：聚芳基醚酮(PAEK)，聚芳基醚酮酮(PAEKK)，芳族聚醚酰亚胺(PEI)；聚芳基砜，聚芳基硫醚，聚酰胺(PA)，聚丙烯酸酯，或者氟化聚合物；以及它们的混合物。

7.根据权利要求6所述的一种制备连续纤维增强热塑性复合材料预浸料的方法，特征在于，聚芳基醚酮(PAEK)为聚醚醚酮(PEEK)；聚芳基醚酮酮(PAEKK)为聚醚酮酮(PEKK)；聚芳基砜为聚苯砜(PPSU)；聚芳基硫醚为聚苯硫醚(PPS)；聚酰胺(PA)为任选地通过脲单元改性的芳香族聚酰胺；聚丙烯酸酯为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)；或者氟化聚合物为聚偏氟乙烯(PVDF)。

8.根据权利要求7所述的一种制备连续纤维增强热塑性复合材料预浸料的方法，特征在于，所述纤维为包含连续纤维，其选自碳纤维、玻璃纤维、碳化硅纤维、玄武岩纤维、硅石纤维、天然纤维，或者热塑性纤维，所述热塑性纤维的玻璃化转变温度Tg高于所述聚合物或者所述聚合物的混合物的Tg，或者，当所述聚合物或者所述聚合物的混合物为半结晶的时，所述热塑性纤维的熔融温度Tf高于所述聚合物或者所述聚合物的混合物的Tf，或者所述纤维中的两种或更多种的混合物。

9.根据权利要求8所述的一种制备连续纤维增强热塑性复合材料预浸料的方法，特征在于，所述天然纤维为亚麻、大麻、剑麻、丝或者纤维素纤维，所述纤维为碳纤维、玻璃纤维或碳化硅纤维的混合物。

10.根据权利要求9所述的一种制备连续纤维增强热塑性复合材料预浸料的方法，特征在于，所述碳纤维为6K、12K、24K碳纤维。

11.根据权利要求1所述的一种制备连续纤维增强热塑性复合材料预浸料的方法，特征在于，步骤(1)中的展纱装置，可以是机械式展纱杆、超声波展纱器、气流展纱器、静电展纱器，或将几种展纱器的组合使用。

12.根据权利要求1所述的一种制备连续纤维增强热塑性复合材料预浸料的方法，特征在于，限制器下方设有一个回收树脂粉末的容器。

13.根据权利要求1所述的一种制备连续纤维增强热塑性复合材料预浸料的方法，特征在于，加热通道可采用红外加热、热空气加热、电热管加热、电磁加热设备，加热温度在110℃～420℃之间连续可调，根据生产效率不同加热通道长度在0.6m～2.0m之间。

14.根据权利要求1所述的一种制备连续纤维增强热塑性复合材料预浸料的方法，特征在于，步骤(1)和步骤(5)中的对压辊是由金属制成，对压辊之间的压力或间距可以根据要求调节。

15.根据权利要求1所述的一种制备连续纤维增强热塑性复合材料预浸料的方法，特征在于，所述测厚仪为非接触式的在线厚度轮廓测量系统，可以采用X射线测厚仪、激光测厚仪、红外测厚仪、超声波测厚仪，能够实时精确测量预浸带的厚度，测量精度±1μm，并能与计算机交互实时数据，测定粉末浸渍后预浸带的树脂含量。

16.根据权利要求1～15任一项所述的一种制备连续纤维增强热塑性复合材料预浸料的方法，特征在于，所述粉末涂覆装置能够将粉末均匀的涂敷在连续纤维束上，涂覆宽度可控制在3mm-1200mm之间，涂覆厚度不低于0.5μm。

17.根据权利要求16所述的一种制备连续纤维增强热塑性复合材料预浸料的方法，特征在于，所述粉末涂覆装置内置计算机，该计算机能接收权利要求11中所述测厚仪的测量数据，可根据预浸带树脂含量设定值与权利要求11中测厚仪测量值之间的差值，控制粉末涂覆装置涂覆的树脂量。

18.根据权利要求1所述的一种制备连续纤维增强热塑性复合材料预浸料的方法，特征在于，第二对对压辊后设置有第二台测厚仪，该测厚仪通过计算机与粉末涂覆装置相连，并将测量结果反馈给粉末涂覆装置进行补偿控制，形成一个闭环控制系统。

19.根据权利要求1所述的一种制备连续纤维增强热塑性复合材料预浸料的方法，特征在于，纤维束的运行速率0.6m/s～2.5m/s，具体由生产效率决定。

20.根据权利要求1所述的一种制备连续纤维增强热塑性复合材料预浸料的方法，特征在于，第一次粉末浸渍后预浸带树脂含量为15％～35％，第二次粉末涂覆增加5％～35％的树脂，最终制备的预浸带树脂含量25％～70％。

21.根据权利要求1所述的一种制备连续纤维增强热塑性复合材料预浸料的方法，特征在于，还包括将所述预浸带卷绕在一个或多个卷筒上的步骤，卷筒的数量与预浸带的数量相同，给每根预浸带分配一个卷筒。

22.根据权利要求1所述的一种制备连续纤维增强热塑性复合材料预浸料的方法，特征在于，所述收卷装置采用交流力矩电机的软特性保证收卷过程中张力和线速度基本恒定,通过调压器改变力矩电极定子绕组电压,保证各层松紧程度一致，可以自动调节收卷辊位置,得到边缘平齐的预浸料卷。

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