CN109176962B - 一种预分散和表面处理的连续纤维增强热塑性树脂基浸渍条带成型一体化装置及其成型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种预分散和表面处理的连续纤维增强热塑性树脂基浸渍条带成型一体化装置及其制备方法，包括连续纤维预分散单元、连续纤维表面处理单元、连续纤维收集单元、连续纤维增强热塑性树脂基浸渍条带复合材料制备单元和制品收集单。所述连续纤维增强热塑性浸渍条带成型方法，包括纤维预分散、纤维表面预处理、熔融浸渍、上光冷却、收取等步骤。本发明结构简单，操作方便，纤维预分散和表面预处理效果好，浸渍过程中树脂熔体容易浸入纤维，预浸带的浸润效果良好，力学性能得到了很大改善。

Description

一种预分散和表面处理的连续纤维增强热塑性树脂基浸渍条 带成型一体化装置及其成型方法
技术领域
本发明涉及一种预分散和表面处理的连续纤维增强热塑性树脂基浸渍条带成型一体化装置及其成型方法，属于连续纤维增强热塑性树脂基复合材料制备和改性技术领域。
背景技术
连续纤维增强热塑性复合材料是一种以连续纤维为增强体、以热塑性树脂为基体且连续纤维沿流动方向单向分布的新型复合材料，该种复合材料需要通过特殊的成型制备工艺制造。
连续纤维增强热塑性复合材料由于纤维是连续的，其力学性能远高于长纤维和短纤维增强热塑性复合材料，且具有优异的尺寸稳定性、抗疲劳性、耐蠕变性和较高的使用温度。最初的连续纤维增强热塑性复合材料主要用于军事和航天航空等尖端科技领域，基体采用聚醚醚酮、聚酰亚胺等特种工程塑料；纤维采用芳纶纤维、凯夫拉纤维等高性能纤维等。近年来，随着技术的成熟和改进，市场应用范围扩展到了汽车、体育、机械、运输及其他众多领域，基体采用了相对便宜的尼龙、聚乙烯、聚丙烯等通用塑料，纤维则采用玻璃纤维、碳纤维等常见纤维。
连续纤维增强热塑性树脂基浸渍条带是采用特殊工艺，用热塑性树脂熔体充分浸渍连续纤维制成的带状半成品或制品复合材料。该种材料的力学性能与增强纤维的种类与含量、纤维在树脂内的分散状况、树脂基体本身的性能、纤维与树脂基体界面结合状况都有直接关系。
连续纤维增强热塑性树脂基浸渍条带制备成型的关键技术在于纤维在树脂中的均匀分散和充分浸渍问题、以及减小纤维在浸渍过程中的断裂问题。目前已有相关的浸渍设备和浸渍专利发表。专利CN104441323A公开了一种连续纤维增强热塑性浸渍带成型装置及方法，该装置纤维需要经过预热分散单元、预热张紧单元和浸渍单元等诸多辊轴。专利CN101474868A公开了一种三辊浸渍装置制备连续纤维增强热塑性树脂复合材料预浸带。专利CN102950780A采用双向火焰喷涂粉状树脂与纤维共热达到浸渍效果，该方法操作比较复杂，树脂粉末喷涂极易造成树脂分布不均，且共热过程中容易对纤维造成损伤，造成纤维本身强度的下降。综上所述，现有技术存在以下问题：
(1)如何平衡纤维浸渍过程中充分浸渍和减小纤维断裂是个难题：为了使浸渍效果提升，采用可以提供较大张力的浸渍辊结构，会造成纤维浸渍过程中的断裂增加，影响制品力学性能，甚至会造成断裂纤维在模口处的累积阻塞浸渍通道从而造成断纱影响生产；而为了减小纤维的断裂现象，采用缩短浸渍腔体长度，减小浸渍辊轴数目的方法，虽然可以避免纤维断裂程度的增大，但浸渍效果相应的会大幅降低，造成复合材料性能不佳。
(2)对连续纤维进行表面处理提高其与基体间的界面结合的工作很少。
(3)采用的工艺步骤繁琐，而实际的浸渍效果提升不大，实际生产的难度较大，效率偏低。
发明内容
根据以上所提及的现有技术的不足，本发明的目的是：设计一种可以调节浸渍辊轴数目、直径和位置的浸渍辊架结构，以提供适当的张力，使连续纤维与热塑性树脂达到良好浸渍效果的同时，连续纤维的断裂现象不显著。
本发明的另一目的在于：提供一种连续纤维预分散表面处理装置，改性连续纤维由亲水性变为亲油性，提高连续纤维和热塑性树脂的界面结合性能，从而提高浸渍条带复合材料的力学性能。
本发明的另一目的在于：提供一种连续纤维增强热塑性树脂基浸渍条带成型装置，结构简单，操作方面，易于实现连续生产。
本发明的另一目的在于：提供一种使用连续纤维增强热塑性树脂基浸渍条带成型装置实现连续纤维增强热塑性树脂基浸渍条带制备的成型方法，得到力学性能优异的浸渍条带制品。
本发明所述的预分散和表面处理的连续纤维增强热塑性树脂基浸渍条带成型一体化装置，包括连续纤维预分散单元、连续纤维表面处理单元、连续纤维收集单元、连续纤维增强热塑性树脂基浸渍条带复合材料制备单元和制品收集单元。
本发明所述的连续纤维预分散单元，其连续纤维分散辊固定在连续纤维预分散结构框架上，可调整辊数目和位置来调节连续纤维受到的张力大小，分散辊数目为4-7之间，相邻两辊间距为10-15cm，相邻两辊高度差为2-4cm。
本发明所述连续纤维表面处理单元为一长方体连续纤维浸润槽，底部有两根供纤维穿过的浸润辊，分别位于水槽底部两端，距两端边缘3-5cm，保证纤维在水槽中的充分浸润。纤维浸润槽内盛放纤维表面改性分散溶液为纳米级碳材料、高分子上浆剂或偶联剂中的一种或多种。
本发明所述连续纤维收集单元为一提供纤维牵引力、将预分散的连续纤维收集成卷的装置，其置于纤维纱架上，可通过控制收集时间控制纤维卷的厚度，可根据生产量调整收集时间得到所需厚度纤维卷。
本发明所述的连续纤维增强热塑性树脂基浸渍条带复合材料制备单元，包括依次设计的熔体供料装置、进口模头、浸渍辊架结构、浸渍腔室、出口模头、加热控温系统、压延冷却装置和外加热套。
所述熔体供料装置，包括连接挤出机机头的熔体流道、与浸渍腔室连接处的圆柱状熔体过渡腔体和熔体供料装置加热铜套。其中，熔体流道进口大小与双螺杆挤出机机头出料口大小相同，熔体流道出口位于浸渍腔室中浸渍辊架第一个和第二个浸渍辊之间；过渡腔体可容纳一定量树脂熔体，熔体先经过过渡腔体再进入浸渍腔室；外加热铜套为两半圆形电加热金属铜套，该铜套与热电偶连接，保证熔体供料装置熔体流道内熔体温度与挤出机机头温度和浸渍腔室温度相同。
所述进口模头，包括连续纤维进入浸渍腔室的进口，进口为椭圆形，可减小纤维的划伤，进口上方有可调节的铁片，通过调整进口大小，满足纤维束的完全进入。
所述浸渍辊架结构，包括可调节位置、提供主要张力的单辊结构和固定位置、将浸渍条带预压的双辊结构，置于浸渍腔室中，单辊结构位于熔体进入浸渍腔室入口附近部位，双辊结构位于出口模头一端，双辊结构中下辊固定，上辊可转动。
所述的浸渍辊架结构部件中可调节位置、提供主要张力的单辊结构为直径0.8cm到2.4cm之间的金属辊，使用数目为4到8之间，间距在5cm到20cm之间可调，相邻两辊间高度差在0到2cm之间调节；固定位置、将浸渍条带预压的双辊结构为直径在0.8到1.4之间的金属辊，使用数目为2到5之间，间距为10cm到20cm之间，相邻两辊间高度差为0。
所述浸渍腔室，为长方体铁合金腔体，浸渍腔室内设置浸渍辊架，一端下方连接熔体供料装置，腔室外壳上设置有单元外加热套。
所述出口模头，为一紧贴浸渍腔室的模头，两者通过连接螺丝连接，包括条带出口和可调节出口大小的可调节铁片，其中条带出口为扁平状，使浸渍条带牵出时为扁平带状。
所述加热控温系统为分段单元加热控温装置，腔室外壳上的分段单元外加热套温度和熔体供料装置的加热铜套温度均由程序控温部件控制温度。
所述压延冷却装置为置于出口模头处的金属压延双辊结构，压延辊间距可通过辊距调节旋钮上下调节，控制压制样品的厚度，辊内有冷却水流道，可迅速将浸渍条带压制成所需厚度并上光冷却。
所述制品收集单元为牵引机和与牵引机相连的压辊，浸渍条带制品通过牵引机上的压辊牵出，压辊将浸渍条带压实，减小样品的翘曲，然后裁剪成所需长度的条带制品。
连续纤维增强热塑性树脂基浸渍条带制备的成型方法，包括以下步骤：
a.将商品化连续纤维卷先通过连续纤维预分散单元，纤维纱经过下导向轮经过多个连续纤维分散辊表面从而受辊的张力而达到预分散目的；纤维束再经过上导向轮和下导向轮进入连续纤维表面处理单元，预分散的连续纤维通过连续纤维浸润处理辊在连续纤维浸润槽中充分浸润，并通过上导向轮进入连续纤维收集单元，进过处理的连续纤维被收集在纱架上的连续纤维收集卷筒上并晾干。
b.将收集在纱架上连续纤维收集卷筒上的连续纤维束由上导向轮引出，沿水平方向从进口模头口模处进入浸渍腔室，并依次穿过浸渍辊架结构中的各个浸渍辊，浸渍腔室内充满双螺杆挤出机挤出并通过熔体供料装置的热塑性树脂熔体，预分散的纤维在熔体中由于浸渍辊张力强制浸渍，使分散更加均匀，然后经出口模头口模被引出。
c.将从出口模头口模引出的连续纤维增强热塑性浸渍条带引入压延冷却装置压成所需宽度浸渍条带并上光、冷却，经过牵引机上压辊牵引连续生产，并裁成所需各种长度的条带样品收集，即可得到纤维分散均匀、浸渍效果良好、力学性能优异的连续纤维增强热塑性浸渍条带。
所述的熔体供料装置、浸渍腔室分别采用熔体供料装置加热铜套、浸渍腔室外加热套加热，由加热控温系统调控，设定的加热温度与挤出机机头温度相等，挤出机设定机头温度为220℃～240℃，前九段温度以5℃为梯度递减。
与现有连续纤维增强热塑性浸渍条带制备设备和技术相比，本发明的有益效果在于：
1.将连续纤维预分散过程从整个浸渍条带制备过程中独立出来，先进行纤维的预分散，再将预分散好的连续纤维收集在纱架上用于浸渍条带制备，这样可以避免连续纤维长时间处于受力张紧状态，有利于减少纤维的断裂，有利于保证复合材料中纤维的含量以及力学性能的提高。
2.在连续纤维预分散过程中，可以在纤维预分散装置中对纤维表面采用浸渍法进行表面处理，将纳米级碳材料、高分子上浆剂或偶联剂等以化学键或范德华力的方式作用到纤维表面，可以有效改善连续纤维和热塑性基体间的亲和力，两者间作用力的提高有助于聚合物分子链在纤维中的浸渍。
3.本连续纤维增强热塑性树脂基浸渍条带成型装置的浸渍辊架结构采用两段式结构，前一段为可调节位置、提供主要张力的多个单辊排布结构，后一段为固定位置、塑形浸渍条带的双辊(下辊固定，上辊可滚动)结构。这两段结构辊轴的参数调节方便，前一段结构使纤维受到适当的张力增大浸渍效果，保证充分浸渍，后一段结构双辊结构则不施加张力，主要作用是保持前段浸渍条带的形状、预压和输送。这样两段式的结构设计既能保证连续纤维与树脂的充分浸渍，又避免了纤维受到连续的张力而造成断纱的情况，而且也有利于浸渍条带平稳地牵出出口模头。
4.本连续纤维增强热塑性树脂基浸渍条带成型装置的压延冷却装置设计轻巧简易，直接装在出口模头上，且可拆卸。通过螺丝的上下调节可改变压延双辊间距从而控制浸渍条带的宽度和厚度，双辊内有冷却水流道，可以迅速上光冷却浸渍条带，这一设计避免了冷却水槽的使用，精简了整个成型装置。
5.本发明的整体装置结构简单，熔体供料装置流道短且高效，纤维通过浸渍腔室顺利，浸渍条带浸渍效果良好，制备的复合材料拥有极佳的力学性能，在生产应用中有很大的前景。
附图说明
图1为本发明的预分散和表面处理的连续纤维增强热塑性树脂基浸渍条带成型一体化装置示意图。
图2为连续纤维分散辊结构示意图。
图3为熔体供料装置示意图。
图4为进口模头示意图。
图5为设计的两种浸渍辊架结构示意图,(A)可上下调节；(B)可左右调节。
图6为出口模头示意图。
图7为压延冷却装置示意图。
图中：00、商品化连续纤维卷；10、连续纤维预分散单元；11、下导向轮；12、连续纤维分散辊；13、连续纤维预分散结构框架；14、上导向轮；20、连续纤维表面处理单元；21、下导向轮；22、连续纤维浸渍处理辊；23、连续纤维浸渍槽；24、上导向轮；30、连续纤维收集单元；31、连续纤维收集卷筒；32、纤维纱架；33、上导向轮；40、连续纤维增强热塑性树脂基浸渍条带复合材料制备单元；41、熔体供料装置；42、进口模头；43、浸渍辊架结构；44、浸渍腔室；45、出口模头；46、加热控温系统；47、压延冷却装置；48、外加热套；50、制品收集单元；51、压辊；52、压辊升降控制装置；53、牵引机；4101、挤出机；4102、加热铜套；4103、熔体流道；4104、熔体过渡腔室；4201、连接螺丝；4202、可调节铁片；4203、连续纤维进口；4301、单辊结构；4302、双辊结构；4303、出口导向辊；4501、连接螺丝；4502、可调节铁片；4503、浸渍条带出口；4701、冷却水进口；4702、冷却水出口；4703、辊距调节旋钮；4704、压延双辊。
图8.实施例1玻璃纤维表面和复合材料条带断面SEM照片。
图9.实施例2玻璃纤维表面和复合材料条带断面SEM照片。
图10.实施例3玻璃纤维表面和复合材料条带断面SEM照片。
图11.实施例4玻璃纤维表面和复合材料条带断面SEM照片。
图12.实施例5玻璃纤维表面和复合材料条带断面SEM照片。
图13.实施例6玻璃纤维表面和复合材料条带断面SEM照片。
图14.实施例7碳纤维表面和复合材料条带断面SEM照片。
图15.实施例8碳纤维表面和复合材料条带断面SEM照片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
实施例1
连续玻璃纤维增强聚丙烯浸渍条带复合材料
将连续玻璃纤维卷(重庆国际复合材料股份有限公司，ER4305PM 2400tex)先通过连续纤维预分散单元(10)预分散并通过连续纤维收集单元(30)收集成卷在纱架上，将预分散纤维卷的纤维束沿水平方向引入进口模头(42)的模口，此过程中纤维平行均匀排布，避免交缠，纤维进入浸渍腔室(44)后，依次穿过浸渍辊架结构(43)上的每一根浸渍辊轴，进一步加强聚丙烯熔体(聚丙烯树脂通过双螺杆挤出机挤出，然后经熔体供料装置(41)注满浸渍腔室)对预分散纤维的浸渍，可调节位置、提供主要张力的单辊(4301)共5根，直径为2cm，高度差为2cm，间距为10cm，固定位置、塑形浸渍条带的双辊(4302)共3对，直径为1.5cm，间距为10cm，高度差为0。挤出机机头、熔体供料装置和浸渍腔室温度均设置在230℃，以保证聚丙烯(三星，BI995MFI＝100)熔融状态下良好的流动性。经过浸渍的连续纤维增强聚丙烯浸渍条带通过出口模头(45)口模牵引出来，经过位于模头上的压延冷却装置(47)压制成所需宽度和厚度的条带，然后经制品收集单元(50)的牵引机上压辊(51)压实和消除翘曲后裁剪得到连续玻璃纤维增强聚丙烯浸渍条带复合材料制品。图8是实施例1玻璃纤维表面和复合材料条带断面SEM照片。
实施例2
连续玻璃纤维增强聚丙烯浸渍条带复合材料
将连续玻璃纤维卷(重庆国际复合材料股份有限公司，ER4305PM 2400tex)先通过连续纤维预分散单元(10)预分散并通过连续纤维收集单元(30)收集成卷在纱架上，将预分散纤维卷的纤维束沿水平方向引入进口模头(42)的模口，此过程中纤维平行均匀排布，避免交缠，纤维进入浸渍腔室(44)后，依次穿过浸渍辊架结构(43)上的每一根浸渍辊轴，进一步加强聚丙烯熔体(聚丙烯树脂通过双螺杆挤出机挤出，然后经熔体供料装置(41)注满浸渍腔室)对预分散纤维的浸渍，可调节位置、提供主要张力的单辊(4301)共6根，直径为2cm，高度差为2cm，间距为10cm，固定位置、塑形浸渍条带的双辊(4302)共3对，直径为1.5cm，间距为10cm，高度差为0。挤出机机头、熔体供料装置和浸渍腔室温度均设置在230℃，以保证聚丙烯(三星，BI995MFI＝100)熔融状态下良好的流动性。经过浸渍的连续纤维增强聚丙烯浸渍条带通过出口模头(45)口模牵引出来，经过位于模头上的压延冷却装置(47)压制成所需宽度和厚度的条带，然后经制品收集单元(50)的牵引机上压辊(51)压实和消除翘曲后裁剪得到连续玻璃纤维增强聚丙烯浸渍条带复合材料制品。图9是实施例2玻璃纤维表面和复合材料条带断面SEM照片。
实施例3
连续玻璃纤维增强聚丙烯浸渍条带复合材料
将连续玻璃纤维卷(重庆国际复合材料股份有限公司，ER4305PM 2400tex)先通过连续纤维预分散单元(10)预分散并通过连续纤维收集单元(30)收集成卷在纱架上，将预分散纤维卷的纤维束沿水平方向引入进口模头(42)的模口，此过程中纤维平行均匀排布，避免交缠，纤维进入浸渍腔室(44)后，依次穿过浸渍辊架结构(43)上的每一根浸渍辊轴，进一步加强聚丙烯熔体(聚丙烯树脂通过双螺杆挤出机挤出，然后经熔体供料装置(41)注满浸渍腔室)对预分散纤维的浸渍，可调节位置、提供主要张力的单辊(4301)共7根，直径为2cm，高度差为2cm，间距为10cm，固定位置、塑形浸渍条带的双辊(4302)共3对，直径为1.5cm，间距为10cm，高度差为0。挤出机机头、熔体供料装置和浸渍腔室温度均设置在230℃，以保证聚丙烯(三星，BI995MFI＝100)熔融状态下良好的流动性。经过浸渍的连续纤维增强聚丙烯浸渍条带通过出口模头(45)口模牵引出来，经过位于模头上的压延冷却装置(47)压制成所需宽度和厚度的条带，然后经制品收集单元(50)的牵引机上压辊(51)压实和消除翘曲后裁剪得到连续玻璃纤维增强聚丙烯浸渍条带复合材料制品。图10是实施例3玻璃纤维表面和复合材料条带断面SEM照片。
实施例4
连续玻璃纤维增强聚丙烯浸渍条带复合材料
将连续玻璃纤维卷(重庆国际复合材料股份有限公司，ER4305PM 2400tex)先通过连续纤维预分散单元(10)预分散并通过连续纤维收集单元(30)收集成卷在纱架上，将预分散纤维卷的纤维束沿水平方向引入进口模头(42)的模口，此过程中纤维平行均匀排布，避免交缠，纤维进入浸渍腔室(44)后，依次穿过浸渍辊架结构(43)上的每一根浸渍辊轴，进一步加强聚丙烯熔体(聚丙烯树脂通过双螺杆挤出机挤出，然后经熔体供料装置(41)注满浸渍腔室)对预分散纤维的浸渍，可调节位置、提供主要张力的单辊(4301)共七根，中间五根直径为1cm，两端两根直径为2cm，高度差为0，前六根间距为8cm，最后一对间距为20cm，固定位置、塑形浸渍条带的双辊(4302)共3对，直径为1.5cm，间距为10cm，高度差为0。挤出机机头、熔体供料装置和浸渍腔室温度均设置在230℃，以保证聚丙烯(三星，BI995MFI＝100)熔融状态下良好的流动性。经过浸渍的连续纤维增强聚丙烯浸渍条带通过出口模头(45)口模牵引出来，经过位于模头上的压延冷却装置(47)压制成所需宽度和厚度的条带，然后经制品收集单元(50)的牵引机上压辊(51)压实和消除翘曲后裁剪得到连续玻璃纤维增强聚丙烯浸渍条带复合材料制品。图11是实施例4玻璃纤维表面和复合材料条带断面SEM照片。
实施例5
聚乙烯亚胺和碳纳米管反应物改性连续玻璃纤维增强聚丙烯浸渍条带复合材料
将聚乙烯亚胺与羧基化碳纳米管通过超声反应制备稳定的聚乙烯亚胺接枝羧基化碳纳米管分散液，将分散液置于连续纤维表面处理单元(20)中的连续纤维浸润槽(23)中，然后将连续玻璃纤维卷(重庆国际复合材料股份有限公司，ER4305PM 2400tex)先通过连续纤维预分散单元(10)预分散并通过连续纤维表面处理单元(20)晶型表面处理，最后通过连续纤维收集单元(30)收集成卷在纱架上，将预分散和表面处理的纤维卷晾干后将纤维束沿水平方向引入进口模头(42)的模口，此过程中纤维平行均匀排布，避免交缠，纤维进入浸渍腔室(44)后，依次穿过浸渍辊架结构(43)上的每一根浸渍辊轴，进一步加强聚丙烯熔体(聚丙烯树脂通过双螺杆挤出机挤出，然后经熔体供料装置(41)注满浸渍腔室)对预分散纤维的浸渍，可调节位置、提供主要张力的单辊(4301)共七根，中间五根直径为1cm，两端两根直径为2cm，高度差为0，前六根间距为8cm，最后一对间距为20cm，固定位置、塑形浸渍条带的双辊(4302)共3对，直径为1.5cm，间距为10cm，高度差为0。挤出机机头、熔体供料装置和浸渍腔室温度均设置在230℃，以保证聚丙烯(三星，BI995MFI＝100)熔融状态下良好的流动性。经过浸渍的连续纤维增强聚丙烯浸渍条带通过出口模头(45)口模牵引出来，经过位于模头上的压延冷却装置(47)压制成所需宽度和厚度的条带，然后经制品收集单元(50)的牵引机上压辊(51)压实和消除翘曲后裁剪得到连续玻璃纤维增强聚丙烯浸渍条带复合材料制品。图12是实施例5玻璃纤维表面和复合材料条带断面SEM照片。
实施例6
连续玻璃纤维增强聚丙烯浸渍条带复合材料
将连续玻璃纤维卷(重庆国际复合材料股份有限公司，ER4305PM 2400tex)先通过连续纤维预分散单元(10)预分散并通过连续纤维收集单元(30)收集成卷在纱架上，将预分散纤维卷的纤维束沿水平方向引入进口模头(42)的模口，此过程中纤维平行均匀排布，避免交缠，纤维进入浸渍腔室(44)后，依次穿过浸渍辊架结构(43)上的每一根浸渍辊轴，进一步加强聚丙烯熔体(聚丙烯树脂通过双螺杆挤出机挤出，然后经熔体供料装置(41)注满浸渍腔室)对预分散纤维的浸渍，可调节位置、提供主要张力的单辊(4301)共七根，第二根和第七根直径为2cm，其余五根直径为1cm，高度差为0，间距分别为9、5、7、10、9、20cm，固定位置、塑形浸渍条带的双辊(4302)共4对，直径为1cm，间距为10cm，高度差为0。挤出机机头、熔体供料装置和浸渍腔室温度均设置在230℃，以保证聚丙烯(三星，BI995MFI＝100)熔融状态下良好的流动性。经过浸渍的连续纤维增强聚丙烯浸渍条带通过出口模头(45)口模牵引出来，经过位于模头上的压延冷却装置(47)压制成所需宽度和厚度的条带，然后经制品收集单元(50)的牵引机上压辊(51)压实和消除翘曲后裁剪得到连续玻璃纤维增强聚丙烯浸渍条带复合材料制品。图13是实施例6玻璃纤维表面和复合材料条带断面SEM照片。
实施例7
连续碳纤维增强聚丙烯浸渍条带复合材料
将连续碳纤维卷(威海光威复合材料股份有限公司，GW700S 12K)先通过连续纤维预分散单元(10)预分散并通过连续纤维收集单元(30)收集成卷在纱架上，将预分散纤维卷的纤维束沿水平方向引入进口模头(42)的模口，此过程中纤维平行均匀排布，避免交缠，纤维进入浸渍腔室(44)后，依次穿过浸渍辊架结构(43)上的每一根浸渍辊轴，进一步加强聚丙烯熔体(聚丙烯树脂通过双螺杆挤出机挤出，然后经熔体供料装置(41)注满浸渍腔室)对预分散纤维的浸渍，可调节位置、提供主要张力的单辊(4301)共七根，中间五根直径为1cm，两端两根直径为2cm，高度差为0，前六根间距为8cm，最后一对间距为20cm，固定位置、塑形浸渍条带的双辊(4302)共3对，直径为1.5cm，间距为10cm，高度差为0。挤出机机头、熔体供料装置和浸渍腔室温度均设置在230℃，以保证聚丙烯(三星，BI995MFI＝100)熔融状态下良好的流动性。经过浸渍的连续纤维增强聚丙烯浸渍条带通过出口模头(45)口模牵引出来，经过位于模头上的压延冷却装置(47)压制成所需宽度和厚度的条带，然后经制品收集单元(50)的牵引机上压辊(51)压实和消除翘曲后裁剪得到连续碳纤维增强聚丙烯浸渍条带复合材料制品。图14是实施例7碳纤维表面和复合材料条带断面SEM照片。
实施例8
聚乙烯亚胺和碳纳米管反应物改性连续碳纤维增强聚丙烯浸渍条带复合材料
将聚乙烯亚胺与羧基化碳纳米管通过超声反应制备稳定的聚乙烯亚胺接枝羧基化碳纳米管分散液，将分散液置于连续纤维表面处理单元(20)中的连续纤维浸润槽(23)中，然后将连续玻璃纤维卷(威海光威复合材料股份有限公司，GW700S 12K)先通过连续纤维预分散单元(10)预分散并通过连续纤维表面处理单元(20)晶型表面处理，最后通过连续纤维收集单元(30)收集成卷在纱架上，将预分散和表面处理的纤维卷晾干后将纤维束沿水平方向引入进口模头(42)的模口，此过程中纤维平行均匀排布，避免交缠，纤维进入浸渍腔室(44)后，依次穿过浸渍辊架结构(43)上的每一根浸渍辊轴，进一步加强聚丙烯熔体(聚丙烯树脂通过双螺杆挤出机挤出，然后经熔体供料装置(41)注满浸渍腔室)对预分散纤维的浸渍，可调节位置、提供主要张力的单辊(4301)共七根，中间五根直径为1cm，两端两根直径为2cm，高度差为0，前六根间距为8cm，最后一对间距为20cm，固定位置、塑形浸渍条带的双辊(4302)共3对，直径为1.5cm，间距为10cm，高度差为0。挤出机机头、熔体供料装置和浸渍腔室温度均设置在230℃，以保证聚丙烯(三星，BI995MFI＝100)熔融状态下良好的流动性。经过浸渍的连续纤维增强聚丙烯浸渍条带通过出口模头(45)口模牵引出来，经过位于模头上的压延冷却装置(47)压制成所需宽度和厚度的条带，然后经制品收集单元(50)的牵引机上压辊(51)压实和消除翘曲后裁剪得到聚乙烯亚胺和碳纳米管反应物改性连续碳纤维增强聚丙烯浸渍条带复合材料制品。图15是实施例8碳纤维表面和复合材料条带断面SEM照片。
测试性能如下：
Figure BDA0001778413440000131
实施例1,2,3,4,5,6为连续玻璃纤维增强聚丙烯浸渍条带复合材料，实施例7和8为连续碳纤维增强聚丙烯浸渍条带复合材料。

Claims (14)

1.一种预分散和表面处理的连续纤维增强热塑性树脂基浸渍条带成型一体化装置，其特征在于：包括连续纤维预分散单元(10)、连续纤维表面处理单元(20)、连续纤维收集单元(30)、连续纤维增强热塑性树脂基浸渍条带复合材料制备单元(40)和制品收集单元(50)；
所述连续纤维预分散单元(10)中的连续纤维分散辊(12)固定在连续纤维预分散结构框架(13)上，可调整辊数目和位置来调节连续纤维受到的张力大小；
所述连续纤维表面处理单元(20)包括一长方体的连续纤维浸润槽(23)和底部两根供纤维穿过的连续纤维浸润处理辊(22)，保证纤维在水槽中的充分浸润；
所述连续纤维收集单元(30)中的连续纤维收集卷筒(31)为一提供纤维牵引力、将预分散的连续纤维收集成卷的装置，通过控制收集时间控制纤维卷的厚度，该连续纤维收集卷筒(31)置于纤维纱架(32)上；
所述连续纤维增强热塑性树脂基浸渍条带复合材料制备单元(40)包括：一熔体供料装置(41)，该装置为连接双螺杆挤出机和浸渍腔室的熔体流道和外加热铜套；一进口模头(42)，该装置为连续纤维进入浸渍腔室的进口；一浸渍辊架结构(43)，该部件为可调节位置、提供主要张力的单辊结构(4301)和固定位置、将浸渍条带预压的双辊结构(4302)组成；一浸渍腔室(44)，该装置为热塑性树脂熔体的容器；一出口模头(45)，该装置为连续纤维增强热塑性浸渍条带出口部件，一加热控温系统(46)，该装置为程序控温电加热部件，可精确控制浸渍腔室温度；一压延冷却装置(47)，该装置为将条带制品压制成所需形状和冷却制品的装置；一外加热套装置，通过该装置使浸渍腔室内的热塑性树脂保持熔体状态；
所述制品收集单元(50)为牵引机(53)和与牵引机相连的压辊(51)，浸渍条带制品通过牵引机上的压辊牵出，压辊将浸渍条带压实，减小样品的翘曲，然后裁剪成所需长度的条带制品，压辊的升降由压辊升降控制装置(52)操控。
2.根据权利要求1所述的一种预分散和表面处理的连续纤维增强热塑性树脂基浸渍条带成型一体化装置，其特征在于：所述连续纤维预分散单元(10) 中的连续纤维分散辊(12)数目为4-7之间，相邻两辊间距为10-15cm，相邻两辊高度差为2-4cm。
3.根据权利要求1所述的一种预分散和表面处理的连续纤维增强热塑性树脂基浸渍条带成型一体化装置，其特征在于：所述连续纤维增强热塑性树脂基浸渍条带复合材料制备单元(40)中的熔体供料装置(41)熔体流道(4103)出口位于浸渍腔室(44)中浸渍辊架第一个和第二个浸渍辊之间。
4.根据权利要求3所述的一种预分散和表面处理的连续纤维增强热塑性树脂基浸渍条带成型一体化装置，其特征在于：所述连续纤维增强热塑性树脂基浸渍条带复合材料制备单元(40)中的熔体供料装置(41)中的加热铜套(4102)为两半圆形电加热金属铜套，该铜套与热电偶连接，保证熔体供料装置熔体流道内熔体温度与挤出机机头温度和浸渍腔室温度相同。
5.根据权利要求3所述的一种预分散和表面处理的连续纤维增强热塑性树脂基浸渍条带成型一体化装置，其特征在于：所述连续纤维增强热塑性树脂基浸渍条带复合材料制备单元(40)中进口模头(42)有连续纤维进入浸渍腔室的进口(4203)，进口为椭圆形，可以减少纤维划伤，改变可调节铁片(4202)位置可调整进口大小，满足纤维束的完全进入。
6.根据权利要求3所述的一种预分散和表面处理的连续纤维增强热塑性树脂基浸渍条带成型一体化装置，其特征在于：所述连续纤维增强热塑性树脂基浸渍条带复合材料制备单元(40)中浸渍辊架结构(43)置于浸渍腔室(44)中，包括可调节位置、提供主要张力的单辊结构(4301)和固定位置、将浸渍条带预压的双辊结构(4302)，单辊结构位于熔体进入浸渍腔室入口附近部位，双辊结构位于出口模头一端，双辊结构下辊固定，上辊可转动。
7.根据权利要求6所述的一种预分散和表面处理的连续纤维增强热塑性树脂基浸渍条带成型一体化装置，其特征在于：所述连续纤维增强热塑性树脂基浸渍条带复合材料制备单元(40)中浸渍辊架结构(43)中可调节位置、提供主要张力的单辊结构(4301)为直径0.8cm到2.4cm之间的金属辊，固定位置、将浸渍条带预压的双辊结构(4302)为直径在0.8到1.4之间的金属辊。
8.根据权利要求7所述的一种预分散和表面处理的连续纤维增强热塑性树脂基浸渍条带成型一体化装置，其特征在于：所述连续纤维增强热塑性树脂基浸渍条带复合材料制备单元(40)中浸渍辊架结构(43)中可调节位置、提供主要张力的单辊结构(4301)使用数目为4到8之间，固定位置、将浸渍条带预压的双辊结构(4302)数目为2到5之间。
9.根据权利要求8所述的一种预分散和表面处理的连续纤维增强热塑性树脂基浸渍条带成型一体化装置，其特征在于：所述连续纤维增强热塑性树脂基浸渍条带复合材料制备单元(40)中浸渍辊架结构(43)中可调节位置、提供主要张力的单辊结构(4301)间距在5cm到20cm之间搭配不定，固定位置、将浸渍条带预压的双辊结构(4302)的间距为10cm到20cm之间。
10.根据权利要求9所述的一种预分散和表面处理的连续纤维增强热塑性树脂基浸渍条带成型一体化装置，其特征在于：所述连续纤维增强热塑性树脂基浸渍条带复合材料制备单元(40)中浸渍辊架结构(43)中可调节位置、提供主要张力的单辊结构(4301)相邻两辊间高度差在0到2cm之间调节，固定位置、将浸渍条带预压的双辊结构(4302)的相邻两辊间高度差为0.。
11.根据权利要求3所述的一种预分散和表面处理的连续纤维增强热塑性树脂基浸渍条带成型一体化装置，其特征在于：所述连续纤维增强热塑性树脂基浸渍条带复合材料制备单元(40)中浸渍腔室(44)为长方体铁合金腔体，浸渍腔室内设置浸渍辊架，腔室外壳上设置有单元外加热套(48)。
12.根据权利要求3所述的一种预分散和表面处理的连续纤维增强热塑性树脂基浸渍条带成型一体化装置，其特征在于：所述连续纤维增强热塑性树脂基浸渍条带复合材料制备单元(40)中加热控温系统(46)为分段单元加热控温装置，腔室外壳上的分段单元加热套温度由程序控温部件控制温度。
13.根据权利要求3所述的一种预分散和表面处理的连续纤维增强热塑性树脂基浸渍条带成型一体化装置，其特征在于：所述连续纤维增强热塑性树脂基浸渍条带复合材料制备单元(40)中压延冷却装置(47)为置于出口模头处的金属压延双辊结构，压延双辊(4704)间距可通过辊距调节旋钮(4703)上下调节，控制压制样品的厚度，辊内有冷却水流道，冷却水由连接上辊的冷却水进口(4701)进入，从下辊的冷却水出口(4702)流出，可迅速将浸渍条带压制成所需厚度并上光冷却。
14.一种预分散和表面处理的连续纤维增强热塑性树脂基浸渍条带成型一体化装置的成型方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.将商品化连续纤维卷(00)先通过连续纤维预分散单元(10)，纤维纱经过下导向轮(11)经过多个连续纤维分散辊(12)表面从而受辊的张力而达到预分散目的；纤维束再经过上导向轮(14)和下导向轮(21)进入连续纤维表面处理单元(20)，预分散的连续纤维通过连续纤维浸润处理辊(22)在连续纤维浸润槽(23)中充分浸润，并通过上导向轮进入连续纤维收集单元(30)，进过处理的连续纤维被收集在纱架(32)上的连续纤维收集卷筒(31)上并晾干；
b.将收集在纱架(32)上连续纤维收集卷筒(31)上的连续纤维束由上导向轮(33)引出，沿水平方向从进口模头(42)口模处进入浸渍腔室(44)，并依次穿过浸渍辊架结构(43)中的各个浸渍辊，浸渍腔室内充满双螺杆挤出机挤出并通过熔体供料装置(41)的热塑性树脂熔体，预分散的纤维在熔体中由于浸渍辊张力强制浸渍，使分散更加均匀，然后经出口模头(45)口模被引出；
c.将从出口模头(45)口模引出的连续纤维增强热塑性浸渍条带引入压延冷却装置(47)压成所需宽度浸渍条带并上光、冷却，经过牵引机(53)上压辊(51)牵引连续生产，并裁成所需各种长度的条带样品收集，即可得到纤维分散均匀、浸渍效果良好、力学性能优异的连续纤维增强热塑性浸渍条带。
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