CN108340599A - 一种新型连续纤维制作热塑性预浸料的工艺及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新型连续纤维制作热塑性预浸料的方法及工艺，首先，纤维织物通过砂架和砂辊进行初步导流分散，然后进入分散装置，在分散装置中，通过滚轮和气流展丝技术使纤维得到充分分散，再进入热处理装置，通过微波加热清除掉纤维原带有的树脂和残留助剂，然后经浸渍装置使树脂粉末附着在纤维表面，经过高红外加热装置使胶体熔融，再经过感应加热压实、压辊整形和冷却定型，最后收卷得到连续纤维热塑性预浸料。本发明中采取了三种加热方式，分别是微波加热、高红外加热和感应加热，有效提高了处理效率。

Description

一种新型连续纤维制作热塑性预浸料的工艺及方法

技术领域

本发明属于复合材料中间体的设计与制备技术领域，特别涉及一种新型连续纤维制作热塑性预浸料的工艺及方法。

背景技术

在复合材料领域中，由高比强度、比模量的高性能纤维作为增强体的树脂基复合材料被称为先进树脂基复合材料，它一直是发达国家对复合材料应用和研究的主体。经过了40多年的研究开发和实际应用，先进复合材料已开发出多种类型的产品满足航空航天飞行器的不同使用需求，并在轨道交通、核能船舶和电力设施等民用领域取得了一系列的突破。近年来，随着尖端工业对更高性能复合材料的需求及节能环保的可持续发展理念的推动，传统的加工工艺周期长、制造成本高、低韧性、不可回收的热固性复合材料已不能满足新形势下对先进复合材料的要求，因此开发纤维增强的热塑性复合材料已成为国际学术界的共识。

目前研究较成熟的热塑性复合材料预浸料制备技术有多种：溶液浸渍法、熔融浸渍法、反应聚合浸渍法、粉末法、混合纤维法、纤维混编法、薄膜层叠法。前三种属于预浸渍法，其他几种属于后浸渍法。预浸渍法的理想效果是热塑性聚合物充分浸渍每根纤维，得到一定形态的束状、带状的预浸料。

粉末法是将热塑性树脂加工成一定颗粒的粉末以不同的方式施加到增强纤维上，这种浸渍工艺生产效率高，工艺控制方便。根据工艺过程的不同及树脂和增强纤维结合状态的差异，粉末浸渍法可以分为以下几种方法：流态化床浸渍法、静电流态化床浸渍法、悬浮液浸渍法；就目前的生产经验来看，以上的浸渍方法都存在各自的缺陷，并没有一种一劳永逸的方法能解决热塑性树脂预浸料制备。

发明内容

为了克服上述不足，本发明提供一种高质量、低成本的纤维增强热塑性预浸料的制备方法。通过使用微波热处理方式，使表面处理更好，采用静电流化床和撒粉相结合的树脂浸渍方式，克服树脂粉末不均匀和吸附树脂不足的问题；在熔融阶段采用高红外加热熔融树脂，使熔融效率更高；经过感应加热、压实得到性能更加优良的复合材料。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种新型连续纤维制作热塑性预浸料的装置，包括：顺序排列的纱架、导纱辊、分散装置、热处理装置、浸渍装置、高红外加热装置、感应加热装置、压实装置、冷压装置和收卷辊；所述浸渍装置为静电流化床，所述静电流化床包括壳体和设置在壳体内的上、下均压板，所述壳体的上下两端分别设置有出气通道和进气通道，纤维从上下均压板之间通过，在流化床上均压板与纤维之间设置有振动筛、流化床下均压板与纤维之间设置负高压喷枪。

现有的静电流化床制备长纤维增强热塑性复合材料时，由于树脂在气流、电压的作用下只能单向流动，导致树脂在长纤维上下两面分布不均匀。为此，本申请系统研究了气流、电压以及流化床结构对树脂颗粒在长纤维上下表面的沉积规律，尝试采用气流或电压的交替改变的方式来提高树脂颗粒在长纤维上下两面的分布情况，但效果不甚理想。后续研究中，本申请在大规模实验摸索中发现：通过在静电流化床内部增设一振动筛从而有效地增加了树脂颗粒在长纤维上表面的沉积数量。

优选的，所述分散装置设置有多组导辊，采用气流分散。

优选的，所用纤维选自玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维，存在状态为单向纤维丝，其纤维束为3K、6k、和12k。

优选的，为了保证振动筛中筛出的树脂颗粒能够有效地沉积到长纤维表面，减少流化床气流和电压对其沉积效率的不良影响，本申请优选的振动筛的树脂颗粒直径在50um-100um之间，流化床颗粒直径在10-40um之间(二者粒径相差40-60um)。同时，再对静电压和气压进行调整，以保证整个浸渍过程中，长纤维上下表面的树脂分布均匀、浸渍效率高。优选的，静电压数值：25kv,50kv,75kv,100kv；流化室气压：0.1MP,0.2MP,0.3MP,0.4MP；当气压低于0.3MPa时，树脂含量增加比较快；当气压高于0.3MPa后，树脂含量增长幅度减小。气压在0.3MPa、静电压在100MP最为合适，粉末在纤维的含量最高。

本申请中静电压是指高压喷枪的电压，高压喷枪通过静电压使粉末带电，静电压越大，粉末所带的电荷越多，所产生的静电力越大。

本申请中流化室的气压越大，粉末流化的程度越充分，空间内粉末颗粒的数量越多，粘附在碳纤维丝束表面的粉末越多。

本申请还提供一种新型连续纤维制作热塑性预浸料的方法，包括：

1)将初步分散后纤维通在多组导辊和气流分散作用下分散；

2)将步骤1)分散后的纤维进行微波加热；

3)将微波加热后的纤维通过流化床和撒粉工艺涂覆树脂粉末；

4)将涂覆树脂粉末后的纤维依次进行高红外加热、感应加热；

5)将加热处理后的纤维经过压实、冷却、收卷，即得连续性纤维的预浸料。

优选的，所述微波加热温度在300-400℃。

本申请还提供了任一项上述的方法制备的新型连续纤维制作热塑性预浸料。

本发明的有益效果

(1)在分散装置中主要采用气流分散技术，同时增加多组导辊，在避免机械分散破坏纤维表面的同时，使纤维得到充分的分散。

(2)热处理的加热方式为微波加热，微波加热相比于其他热处理加热方式，微波贯穿整个物体，存在使加热物体受热均匀的优势，有利于热处理效率，在温度方面，加热温度在300-400℃，其目的在于通过高温作用使纤维表面带有的胶料氧化分解，同时去除纤维表面由于存储而吸附的水。

(3)采用流化床和撒粉工艺相结合的方式，首先接通负高压的喷枪通过电晕放电的方式使粉末带负电，一部分通过振动筛撒在纤维表面，另一部分通过静电力的作用吸附在纤维表面，解决了部分纤维由于静电不足导致吸附粉末不足的问题，另外，撒粉工艺主要作用于上表面，静电吸附主要作用于下表面，两种方法结合使树脂粉末在纤维表面分布更加均匀。

(4)树脂熔融的加热方式采用高红外加热的方式；现阶段多采用近红外和远红外加热的方式其原理分别是电子振动和分子振动，方式都是辐射；红外加热原理是分子电子振动和分子振动，方式为高辐射，相比近红外和远红外加热，其高辐射和双重加热原理使高红外加热具有更高的加热效率。

(5)本发明制备方法简单、处理效率高、实用性强，易于推广。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为一种新型连续纤维制作热塑性预浸料的方法及工艺的工艺流程，

其中：1-放卷装置；2-纤维导辊；3-整经排砂装置；4-纤维传导辊；5-热处理装置；6-撒粉装置；7-流化床；8-高红外加热装置；9-感应加热装置；10整形装置；11-冷却装置；12-收卷装置；

图2为图1浸渍装置的详细图解，重点介绍了撒粉工艺和静电流化床相结合的工作原理；

图3是碳纤维增强热塑性预浸料；

图4是玻璃纤维增强热塑性预浸料。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

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，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的说明。

一种新型连续纤维制作热塑性预浸料的工艺及方法，包括以下步骤：

(1)将预先准备好的纤维置于砂架上，通过导辊整合得到初步分散后进入分散装置；

(2)在分散装置中，经过多组导辊和气流分散技术使纤维得到充分的分散，同时分散使用的气流为热风，在热风的作用下，去除纤维表残留的粉尘，进入热处理工序；

(3)纤维进入热处理装置，使用微波加热的方式，使玻璃表面原有的胶料氧化分解，同时去除纤维表面由于存储而吸附的水，经热处理后的纤维进入浸渍装置；

(4)所用的加热方式为微波加热，微波加热相比于其他加热方式，存在使加热物体受热均匀的优势，在温度方面，加热温度在300-400℃，其目的在于通过高温作用使纤维表面带有的胶料氧化分解，同时去除纤维表面由于存储而吸附的水。

(5)在高红外加热装置中，使用高频率的红外线，加热速率快，使树脂粉末在段时间内高温熔融浸渍在纤维表面，进入感应加热进行后热处理；

(6)通过感应加热处理后，再经过压实装置和冷却装置，使熔融的树脂和纤维定型，最后经过收卷得到连续性纤维的预浸料；

上述步骤(1)中：所用纤维选自玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维，存在状态为单向纤维丝，其纤维束为3K、6k、和12k。

上述步骤(2)中：在分散装置中主要采用气流分散技术，同时增加多组导辊，在避免机械分散破坏纤维表面的同时，使纤维得到充分的分散。

上述步骤(3)中：所用热处理的加热方式为微波加热，微波加热相比于其他热处理加热方式，微波贯穿整个物体，存在使加热物体受热均匀的优势，有利于热处理效率，在温度方面，加热温度在300-400℃，其目的在于通过高温作用使纤维表面带有的胶料氧化分解，同时去除纤维表面由于存储而吸附的水。

上述步骤(4)中：采用流化床和撒粉工艺相结合的方式，首先接通负高压的喷枪通过电晕放电的方式使粉末带负电，一部分通过振动筛撒在纤维表面，另一部分通过静电力的作用吸附在纤维表面，解决了部分纤维由于静电不足导致吸附粉末不足的问题，另外，撒粉工艺主要作用于上表面，静电吸附主要作用于下表面，两种方法结合使树脂粉末在纤维表面分布更加均匀。

上述步骤(5)中：树脂熔融的加热方式采用高红外加热的方式；现阶段多采用近红外和远红外加热的方式其原理分别是电子振动和分子振动，方式都是辐射；红外加热原理是分子电子振动和分子振动，方式为高辐射，相比近红外和远红外加热，其高辐射和双重加热原理使高红外加热具有更高的加热效率。上述步骤(6)中：红外加热后增加感应加热装置，通过感应加热对初步的预浸料进行后期的热处理，使树脂和纤维能更好的浸渍，然后通过压实、冷却、收卷，得到最终的连续纤维预浸料产品。

实施例1

如图1所示为一种新型连续纤维制作热塑性预浸料的方法及工艺的工艺流程示意图，包括放卷装置1、纤维导辊2、整经排砂装置3、纤维传导辊4、热处理装置5、撒粉装置6、流化床7、高红外加热装置8、感应加热装置9、整形装置10、冷却装置11、收卷装置12。

本发明中，采用气流展丝技术，得到展丝宽度为500mm的纤维束，碳纤维束和玻璃纤维的面密度均为120g/m²。

如图1所示，将事先准备的碳纤维为T300，12K的碳纤维固定在放卷装置1上，然后通过纤维导棍2以1m/min的速度往前行进，通过整经排砂装置3，得到宽度为500mm纤维束，同时对纤维进行表面除杂，进入热处理装置5，在高温作用下去除原有胶料和残留溶剂，通过纤维传导辊4进入浸渍装置，在浸渍装置中，通过撒粉装置6,PA6树脂在振动筛的作用下均匀撒落在碳纤维的上表面，撒粉时间0.5min，同时通过流化床7的静电吸附作用，在1min时间内，在撒粉和静电吸附的双重作用下，附着在500mm×500mm纤维表面上的树脂重量为20g，之后载有树脂粉末的纤维进入高红外加热装置8，在高红外加热装置中设定加热温度为240℃，使得PA6树脂在该温度下充分熔融浸渍碳纤维，出高红外加热装置8后，碳纤维进入感应加热装置9，感应加热装置的温度在100-120℃，随后经过整形装置10，经过整形冷却装置11后，形成碳纤维增强热塑性预浸料，最后预浸料通过收卷装置12收卷成型，得到的碳纤维增强热塑性预浸料如图3表面平滑，没有树脂分布不均匀的情况。

如图1所示，将事先准备的玻璃纤维为EDR14-2000-988A的玻璃纤维，纤维束固定在放卷装置1上，然后通过纤维导棍2以1m/min的速度往前行进，通过整经排砂装置3，得到宽度为500mm纤维束，同时对纤维进行表面除杂，进入热处理装置5，在高温作用下去除原有胶料和残留溶剂，通过纤维传导辊4进入浸渍装置，在浸渍装置中，通过撒粉装置6,PA6树脂在振动筛的作用下均匀撒落在玻璃纤维的上表面，撒粉时间0.5min，同时通过流化床7的静电吸附作用，在1min时间内，在撒粉和静电吸附的双重作用下，附着在500mm×500mm纤维表面上的树脂重量为20g，之后载有树脂粉末的纤维进入高红外加热装置8，在高红外加热装置中设定加热温度为240℃，使得PA6树脂在该温度下充分熔融浸渍玻璃纤维，出高红外加热装置8后，玻璃纤维进入感应加热装置9，感应加热装置的温度在100-120℃，随后经过整形装置10，经过整形冷却装置11后，形成玻璃纤维增强热塑性预浸料，最后预浸料通过收卷装置12收卷成型，得到的玻璃纤维增强热塑性预浸料如图4表面平滑，没有树脂分布不均匀的情况。

最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种新型连续纤维制作热塑性预浸料的装置，其特征在于，包括：顺序排列的纱架、导纱辊、分散装置、热处理装置、浸渍装置、高红外加热装置、感应加热装置、压实装置、冷压装置和收卷辊；所述浸渍装置为静电流化床，所述静电流化床包括壳体和设置在壳体内的上、下均压板，所述壳体的上下两端分别设置有出气通道和进气通道，纤维从上下均压板之间通过，在流化床上均压板与纤维之间设置有振动筛、流化床下均压板与纤维之间设置负高压喷枪。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述分散装置设置有多组导辊，采用气流分散。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所用纤维选自玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维，存在状态为单向纤维丝，其纤维束为3K、6k、和12k。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，振动筛的树脂颗粒直径在50um-100um之间，流化床颗粒直径在10-40um之间，二者粒径相差40-60um。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，静电压数值：25kv，50kv，75kv，100kv；流化室气压：0.1MP，0.2MP，0.3MP，0.4MP。

6.一种新型连续纤维制作热塑性预浸料的方法，其特征在于，包括：

1)将初步分散后纤维通在多组导辊和气流分散作用下分散；

2)将步骤1)分散后的纤维进行微波加热；

3)将微波加热后的纤维通过流化床和撒粉工艺涂覆树脂粉末；

4)将涂覆树脂粉末后的纤维依次进行高红外加热、感应加热；

5)将加热处理后的纤维经过压实、冷却、收卷，即得连续性纤维的预浸料。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述微波加热温度在300-400℃。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述感应加热装置的温度在100-120℃。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述高红外加热装置中设定加热温度为240℃。

10.权利要求6-9任一项所述的方法制备的新型连续纤维制作热塑性预浸料。