CN108367463A - 用于用树脂浸渍和固化连续纤维的装置 - Google Patents

Abstract

一种用于制备由浸渍有树脂的增强纤维形成的连续复合元件的设备，所述树脂包含用于固化的光引发剂。增强纤维被牵拉通过真空腔室(110)且接着牵拉通过竖直浸渍腔室(122)，在所述浸渍腔室中用所述树脂进行浸渍。细长复合物接着沉积到旋转的构形轮(140)上。在旋转期间，例如发光二极管(LED)的辐射源(146)用于活化所述光引发剂且提供所述树脂的至少部分固化。所述连续复合元件从所述构形轮沿着竖直线路(148)传递，在所述竖直线路中，额外辐射源(150)活化所述光引发剂且提供额外固化。

Description

用于用树脂浸渍和固化连续纤维的装置

技术领域

本发明涉及一种用于用树脂连续浸渍连续纤维的装置，所述树脂使用光引发剂在浸渍后固化。

背景技术

复合材料可用于制造结构或承载组件。此类复合材料相比于非复合材料可提供强度改进且重量减小同时达成等效或较佳机械性能的优点。如本文中所使用，复合材料通常包含浸渍有树脂的细长或连续增强纤维，所述树脂固化以将树脂与增强纤维结合且产生所要机械属性。

在复合材料受到增加的应力的应用中，必须谨慎地控制制造条件以达成所要机械属性。树脂将纤维彼此牢固地接合且将应力传输到纤维。理想地，纤维完全浸渍且遍及复合元件的横截面且根据所要增强程度遍及复合元件的整个横截面均质分布。达成此类理想构造充满各种挑战。

拉挤成形是一种制造复合元件的常规方法，其涉及连续地退绕增强纤维且将其浸入树脂浴中以确保纤维浸渍有树脂。纤维和树脂通过加热过的模具拉伸，以便实现树脂的至少部分聚合。然而，此类拉挤成形通常不易于适用于高速操作，因为浸渍倾向于缓慢且难以均匀地控制。维持纤维在树脂内的适当定位可能难以控制。

另一常规技术将增强纤维安置在模具内，从而在模具中产生真空且将纤维浸渍有树脂。真空可改进浸渍但模具具有有限尺寸且是分批过程，其限制所制造组件的形状和尺寸。因而，模制技术不容许连续制造长组件且不会始终均匀地浸渍增强纤维。

因此，用于制造连续细长复合物的设备将为有用的。可用于较均匀地浸渍增强纤维的此设备也将是有益的。也可较迅速地用树脂浸渍细长复合物且固化其的此设备将也是尤其有用的。

发明内容

本发明提供一种用于制备由浸渍有树脂的增强纤维形成的连续复合元件的设备，所述树脂包含用于固化的光引发剂。增强纤维被牵拉通过真空腔室且接着牵拉通过竖直浸渍腔室，在所述浸渍腔室中用树脂进行浸渍。细长复合物接着沉积到旋转的构形轮上。在旋转期间，例如发光二极管(LED)的辐射源用于活化光引发剂且提供树脂的至少部分固化。细长复合元件从构形轮沿着额外辐射源活化光引发剂且提供额外固化的竖直线路传递。本发明允许达成高浸渍速率同时还提供用于连续制造连续复合物的设备。本发明的额外目标和优点将部分在以下描述中进行阐述，或可从描述中显而易见，或可通过实践本发明来习得。

在本发明的一个示范性实施例中，本发明提供一种用于制造连续细长复合物的设备，所述连续细长复合物包含浸渍在固化的树脂内的增强纤维。所述设备包含具有进口端及出口端的真空腔室，其中所述真空腔室配置成将真空施加到细长复合物。位于进口端处的第一通道具备与真空腔室连通的进口和出口，其中第一通道配置成将细长复合物供应到真空腔室。

浸渍腔室界定在浸渍腔室进口与浸渍腔室出口之间延伸的纵向轴线。纵向轴线沿着竖直方向定向。浸渍腔室配置成用树脂浸渍细长复合物。第二通道具有与真空腔室连通的进口和与浸渍腔室连通的出口。至少一个模具配置成用于对细长复合物进行塑形且定位在浸渍腔室的下游。

所述设备包含用于固化树脂的组合件。所述组合件定位在至少一个模具的下游。所述组合件包含轮，经过浸渍的细长复合物沉积在所述轮上且随着所述轮在预定弧长度内旋转。用于固化树脂的组合件还包含经过浸渍的细长复合物在随着所述轮旋转之后穿过的竖直线路。第一辐射源定位成邻近于预定弧长度且配置成用于至少部分地固化树脂。第二辐射源定位成邻近于竖直线路且配置成用于至少部分地固化树脂。

参考以下描述及所附权利要求书，本发明的这些及其它特征、方面及优点将变得更好理解。并入在本说明书中且构成本说明书的一部分的附图说明了本发明的实施例，并且与描述一起用以解释本发明的原理。

附图说明

本发明的完整且启发性公开内容，包含其对于所属领域的普通技术人员来说的最佳模式，在参考附图的说明书中被阐述，在所述附图中：

图1提供本发明的示范性实施例的示意性说明。

图2提供图1的示范性实施例的一部分的示意性说明。视图出于额外清晰度的目的被放大。

图3提供本发明的连续复合物在其制造期间的稍后阶段的横截面视图。

图4是本发明的示范性构形轮的外部外围表面附近的横截面视图。

具体实施方式

出于描述本发明的目的，现在将详细参考本发明的实施例，在图式中说明了本发明的实施例的一个或多个实例。每一实例是为了解释本发明而提供，而非限制本发明。实际上，所属领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下可在本发明中进行各种修改及变化。举例来说，说明或描述为一个实施例的部分的特征可与另一实施例一起使用以产生又一实施例。因此，希望本发明涵盖此类修改以及变化，所述修改以及变化处于所附权利要求书以及其等效物的范围内。

图1和2提供用于用具有光引发剂的树脂连续浸渍增强纤维以便产生长连续复合元件的示范性设备100的示意性描绘。一般来说，增强纤维形成为沿着处理方向P输送的布置。纤维顺次地且在总处理方向P上经受各种操作，包含通过真空腔室110中的真空的作用除气和在竖直定向的浸渍腔室122中用树脂浸渍。此腔室122提供含有纤维和树脂的预浸体134，同时还在浸渍期间使所述布置与大气基本上不接触。如本文中所使用，“预浸体”意指树脂和增强纤维的未固化中间物。

预浸体134穿过具有预定面积和形状的横截面的模具136，以提供具有预定形状的预浸体134。在模具136的下游，通过使用具有例如LED、电子束或伽马射线的辐射源146和150的固化组合件138以活化预浸树脂135中的光引发剂且由此开始固化所述树脂而使所述树脂至少部分地聚合，来稳定化预浸体的形状。

现在特定地参考图1，多个线轴102、104、106和108提供连续增强纤维102f、104f、106f和108f到真空腔室110的进口端109的多次馈送。第一通道112定位在进口端109处且界定第一通道进口114和第一通道出口116，所述第一通道出口定位在真空腔室110内。

虽然展示四个线轴，但取决于所指定的增强程度可使用任何数目。连续增强纤维102f、104f、106f和108f可由多种组分构成，包含例如有机纤维，诸如高韧度聚丙烯酸纤维或氧化聚丙烯腈纤维、高韧度聚乙烯醇纤维、芳族聚酰胺纤维或聚酰胺酰亚胺纤维或聚酰亚胺纤维、含氯纤维、高韧度聚酯纤维或芳族聚酯纤维、高韧度聚乙烯纤维、高韧度聚丙烯纤维、纤维素或嫘萦或高韧度粘胶纤维、聚苯苯并二恶唑纤维或聚乙烯环烷酸盐纤维，或其可选自诸如玻璃纤维、碳纤维、二氧化硅纤维或陶瓷(氧化铝、铝硅酸盐、硼硅铝酸盐)纤维的无机纤维当中。所述过程优选地使用平行于至少一个优选增强方向、在用组合物浸渍期间基本上平行安置的连续单向纤维。

每一通道112可由例如刚性壁管构造，所述刚性壁管确保连续密封以最小化环境空气在操作期间到真空腔室110的内部118中的流动。泵120用于在腔室110上抽吸真空。通过第一通道112密封应足以允许泵120维持例如至少0.1巴(绝对压力)的真空。

第一通道112还可具有待制造的连续复合物的形状所需的形状。举例来说，如图3中所展示，所得细长或连续复合物200可具有矩形形状且包含增强纤维102f、104f、106f和108f的均匀间距。还可使用其它配置，例如环形配置。作为实例，第一通道112的横截面可具有是个别增强纤维102f、104f、106f和108f的宽度的总和的宽度两倍的宽度第一通道112的横截面形状可能不是完成的细长复合物200所要的最终形状且实际上可用于辅助提供形成完成的组件所要的最终形状的中间步骤。仅出于说明的目的，复合物200中的纤维的相对大小展示为在图3和4中略微放大。

在一个示范性实施例中，相对于长度L1沿着第一通道112的处理方向P确定第一通道112的横截面(正交于流向P)的宽度或直径D1。举例来说，用于第一通道112的增加长度L1改进用以在真空腔室110中维持真空的能力。另外，用于第一通道112的增加长度L1还允许相对于增强纤维102f、104f、106f及108f的总体或组合的横截面宽度的用于第一通道112的较大横截面宽度或直径。在一个示范性实施例中，第一通道112具有在长度L1上保持恒定的横截面(正交于材料流的处理方向或方向P)。在再另一实施例中，第一通道112的横截面不沿着处理方向P在进口114与出口116之间增加。

返回到图1和2，竖直定向的浸渍腔室122定位在真空腔室110下游。计量泵124提供来自贮槽126的受控的树脂135流。在操作期间，浸渍腔室122完全填充有树脂。穿过真空腔室110的增强纤维102f、104f、106f及108f经历真空处理，其通过例如移除纤维102f、104f、106f及108f中的空气或其它气体来改进用以吸收树脂的能力。可使用多种树脂。举例来说，树脂可以135是环氧树脂或可选自包含乙烯酯树脂和不饱和聚酯树脂的群组。

值得注意的是，浸渍腔室122具有平行于竖直方向V的纵向轴线LA—即轴线LA竖直定向或基本上平行于竖直方向V。在重力的作用下，已发现此类竖直定向改进用树脂浸渍增强纤维102f、104f、106f和108f的均匀性。另外，在浸渍腔室122内，树脂主要是液体。竖直定向的浸渍腔室122允许将增强纤维102f、104f、106f和108f维持在相对低张力下。继而，低张力允许避免增强纤维102f、104f、106f和108f在通过固化而硬化之前通过树脂的非所需移动。此类非所需移动可引起此类纤维在连续复合物200(图3)的总体形状内的不当定位和此类纤维相对于彼此的不当定位，由此可能并不达成用于最终复合物200的适当强度。

作为实例和比较，对于具有4米的长度L1的竖直定向的浸渍腔室122，纤维中的张力摆动或张力范围测定在0.2daN(十牛顿)到0.3daN下。具有相同长度L1的水平定向的腔室具有0.5daN到0.7daN的纤维中的张力摆动。因此，竖直定向的腔室122中的张力在制造期间显著降低且提供相当大的较多均匀性和控制—从而产生更强复合产品200。

第二通道128具有与真空腔室110连通的进口130和与浸渍腔室122连通的出口132。增强纤维102f、104f、106f和108f通过第二通道128从真空腔室110传递到浸渍腔室122。第二通道128具有沿着处理方向P的长度L2和直径D2。第二通道128可例如由管道构造。第二通道128确保真空腔室110与浸渍腔室122之间的密封。在替代实施例中，可使用模具或其它开口代替第二通道128来连接真空腔室110与浸渍腔室122。

至少一个精整模具136定位在浸渍腔室122下游且收纳树脂135的现在浸渍的连续预浸体134和增强纤维102f、104f、106f及108f。精整模具136在启动树脂135的聚合之前对复合物134进行塑形。另外，精整模具136还影响完成的细长复合元件200的尺寸。在一个示范性实施例中，精整模具136具有环形横截面且精整模具的长度L3(沿着处理方向P)是材料134穿过的精整模具136中的开口的最小尺寸的50多倍。

精整模具136还可辅助计量或控制增强纤维102f、104f、106f及108f相对于成品中的树脂135的比例。更具体地说，纤维相对于树脂的比例取决于通过精整模具136的最小过道横截面相对于组合的纤维102f、104f、106f和108f的总横截面。虽然仅展示一个精整模具136，但在需要多个步骤或多个步骤是有用的情况下可使用一系列模具。

浸渍树脂135通常在环境温度下是相对流体的且自身不具有机械稳定性。浸渍树脂到固相的转化增加了产品的强度和尺寸稳定性，从而在制造中实现存储或额外用途。因此，如图2中所展示，树脂固化组合件138定位在精整模具136的下游。树脂包含光引发剂，其在由在一定频率范围内的光活化时使得树脂固化成较刚性状态。在一个示范性实施例中，光引发剂可选自包含膦氧化物(PO)的群组。

如下文所描述，辐射源146、148提供辐射以活化光引发剂且固化树脂。举例来说，LED可用于提供活化光引发剂所必要的辐射。举例来说，在一个示范性实施例中，LED可用于产生在260纳米(nm)到420nm的波长范围内的光。

树脂固化组合件138包含至少一个构形轮140，现在未固化的经过树脂浸渍的复合物134被递送到所述至少一个构形轮上。当复合物134沉积到外部外围表面142上时，轮140在箭头R的方向上旋转。为了最小化复合物134且尤其是纤维102f、104f、106f和108f中的张力，相对于例如处理速度、复合物134的大小和其它因素的其它处理条件确定构形轮140的直径。参考图4，外部外围表面142可包含复合物134收纳在其中的凹槽144。凹槽144可辅助对复合物134进行塑形，且可使用除所展示以外的形状。

返回到图2，复合物134在传送到竖直线路148之前随着轮140在预定弧长度S内旋转。一个或多个第一辐射源146定位成邻近于轮140。如所展示，辐射源146邻近于轮140的外部外围表面142。当复合物134在弧长度S内行进时，其中的树脂135的至少一部分通过从第一多个辐射源146传输的辐射固化。作为实例，第一辐射源146可各自包含多个LED或其它辐射产生元件。

竖直线路148沿着流向P定位在轮140下游且沿着竖直方向V纵向延伸。竖直线路148可包含用于复合物134的轨道、滑动件或机械支撑件。或者，竖直线路148可仅仅是沿着处理方向P的竖直路径，复合物134在固化期间在所述竖直路径上处于竖直位置。

一个或多个第二辐射源150定位成邻近于竖直线路148且平行于至少部分固化的复合物134延伸。第二辐射源150配置成提供辐射以继续活化光引发剂以便完成或基本上完成树脂的整个固化。举例来说，当差示扫描热量计(DSC)测试不指示从50℃到220℃的显著发热行为时，基本上固化所述固化。

如所陈述，第一和第二辐射源146和150允许启动且维持固化或聚合。此类固化提供可通过例如弯曲或卷起以供存储而进一步被操控的稳定化材料200。然而，辐射源146和150还允许谨慎地控制固化或聚合的程度，因为可能需要最大程度的此类固化。因此，可基于例如所使用的数目辐射源、复合材料134经过辐射源的速度和其它因素确定暴露于来自辐射源146和150的辐射的量。辐射源146和150不仅可沿着流向P间隔开，而且还可定位成沿着复合材料的宽度W(图4)—即沿着正交于流向或处理方向P的方向—邻近于彼此。在另一示范性实施例中，组合件138可不包含辐射源150，因为树脂的所有固化归因于辐射源146而发生。

在一个示范性方面中，组合件138发生的固化或稳定化过程可在惰性气氛中进行。举例来说，固化组合件138可围封在充满惰性气体的贮槽或其它容器152内。竖直线路148可在此类容器152内、部分地在此类容器内或完全在此类容器外部。

在沿着竖直线路148固化之后，额外步骤可添加到所得连续复合物200的过程。举例来说，可使用热源154加热复合物200使得复合物200可缠绕到线轴156上以供存储和输送。还可使用其它固化后步骤。

虽然已关于具体示范性实施例和方法详细地描述本发明主题，但应了解，在获得对前述内容的理解之后所属领域的技术人员可以容易地产生对此类实施例的改变、变化和等效物。因此，本公开的范围是示范性的而非限制性的，并且本公开并不排除包含所属领域的普通技术人员使用本文中所公开的教示将容易地显而易见的对本发明主题的此类修改、变化和/或添加。

Claims (15)

1.一种用于制造连续细长复合物的设备，所述连续细长复合物包含浸渍在固化的树脂内的增强纤维，所述设备包括：

真空腔室，具有进口端和出口端，所述真空腔室配置成将真空施加到所述细长复合物；

第一通道，具有与所述真空腔室连通的进口且具有与所述真空腔室连通的出口，所述第一通道定位在所述真空腔室的所述进口端处且配置成将细长复合物供应到所述真空腔室；

浸渍腔室，界定在浸渍腔室进口与浸渍腔室出口之间延伸的纵向轴线，所述纵向轴线沿着竖直方向定向，所述浸渍腔室配置成用树脂浸渍所述细长复合物；

第二通道，具有与所述真空腔室连通的进口和与所述浸渍腔室连通的出口；

至少一个模具收纳部，配置成用于对所述细长复合物进行塑形且定位在所述浸渍腔室的下游；

用于固化所述树脂的组合件，所述组合件定位在所述至少一个模具的下游，所述组合件包括：

轮，经过浸渍的细长复合物沉积在所述轮上且随着所述轮在预定弧长度内旋转；

竖直线路，所述经过浸渍的细长复合物在随着所述轮旋转之后穿过所述竖直线路；和

第一辐射源，定位成邻近于所述预定弧长度且配置成用于至少部分地固化所述树脂；和

第二辐射源，定位成邻近于所述竖直线路且配置成用于至少部分地固化所述树脂。

2.根据权利要求1所述的用于制造连续细长复合物的设备，其中所述轮界定围绕所述轮的外表面周向性延伸的凹槽，所述凹槽配置成用于收纳所述经过浸渍的细长复合物。

3.根据权利要求1所述的用于制造连续细长复合物的设备，多个线轴定位在所述第一通道的上游且配置成将细长复合物供应到所述第一通道的所述进口。

4.根据权利要求1所述的用于制造连续细长复合物的设备，其中所述树脂包括光引发剂。

5.根据权利要求1所述的用于制造连续细长复合物的设备，其中所述第一通道具有沿着处理方向的长度，且其中所述第一通道的横截面在所述第一通道的所述进口与所述出口之间保持恒定。

6.根据权利要求1所述的用于制造连续细长复合物的设备，其中所述第一通道具有沿着处理方向的长度，且其中所述第一通道的横截面不在所述第一通道的所述进口与所述出口之间增加。

7.根据权利要求1所述的用于制造连续细长复合物的设备，其中所述第一通道具有环形横截面。

8.根据权利要求1所述的用于制造连续细长复合物的设备，其中所述用于固化所述树脂的组合件被围封在惰性气氛内。

9.根据权利要求1所述的用于制造连续细长复合物的设备，进一步包括用于将树脂供应到所述浸渍腔室的贮槽。

10.根据权利要求9所述的用于制造连续细长复合物的设备，进一步包括与所述贮槽流体连通且配置成用于将受控量的树脂提供到所述浸渍腔室的计量泵。

11.根据权利要求1所述的用于制造连续细长复合物的设备，其中所述轮包含用于收纳所述经过浸渍的细长复合物的外部外围表面。

12.根据权利要求11所述的用于制造连续细长复合物的设备，其中所述轮的所述外部外围表面界定所述经过浸渍的细长复合物沉积在其中的凹槽。

13.根据权利要求1所述的用于制造连续细长复合物的设备，其中所述第一辐射源包括第一多个LED。

14.根据权利要求13所述的用于制造连续细长复合物的设备，其中所述第二辐射源包括第二多个LED。

15.根据权利要求14所述的用于制造连续细长复合物的设备，其中所述第一辐射源和所述第二辐射源具有在200nm到420nm的范围内的波长。