CN109177224A - 用于碳纤维束表面包覆树脂层的设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于碳纤维束表面包覆树脂层的设备。设备包括放纱架、张力辊组、树脂填注装置、液压机、热压模具、纤维牵引装置、切割收集装置；沿碳纤维束前进方向依次布置放纱架、张力辊组、树脂填注装置、安装有热压模具的液压机、牵引装置、切割收集装置；热压模具包括分别位于上下位置的上模和下模；树脂填注装置包括支架、滑轨机构、填注枪组、树脂存储罐和安装于树脂填注枪组内的加热装置；牵引装置包括导轨和三组牵引头组。本发明设备能实现生产过程的全自动化，碳纤维束从放纱架引出经张力辊、热压包覆成型、裁切成段这一系列工序连续自动进行，生产效率高且可控可调。

Description

用于碳纤维束表面包覆树脂层的设备

技术领域

本发明涉及了一种碳纤维束表面处理设备，尤其是涉及一种用于碳纤维束表面包覆树脂层的设备。

背景技术

碳陶复合材料具备轻质、耐高温、抗腐蚀、耐磨损等特点，是一种新型的高性能制动材料，在高速列车、飞机、汽车等领域具有广泛的应用前景。碳纤维增强树脂复合材料是制备碳陶复合材料的基础，其结构、性能是否满足要求决定了最终碳陶复合材料成品的性能优劣。目前碳纤维增强树脂复合材料的制备方法主要包括以下2种：

(1)将短切碳纤维束与液态树脂按比例混合，送入捏合机内进行捏合，烘干，装入模具热压、脱模；

(2)将短切碳纤维束与干粉树脂按比例混合，送入混料机内混匀，装入模具热压脱模。

以上2种方法因采用未经处理的短切碳纤维束，难以兼顾纤维分布均匀性，液硅渗透性以及成分的精确性，制备的短切碳纤维增强树脂复合材料坯体的性能较差。

为了解决上述问题，可以通过对短切碳纤维束表面包覆一层一定厚度的树脂，树脂需半固化或完全固化，具有一定的强度，从而保证包覆树脂后的短切碳纤维在后续混料等工序中能保持结构的完整性，纤维束不分散、树脂层不开裂，这种状态下的短切碳纤维可从根本上解决碳纤维束分布不均，缠结形成闭孔，成分不可控，混料不均匀、干法工艺树脂难以充分浸透纤维单丝等问题。

目前碳纤维表面包覆半固化或完全固化树脂层的工艺多为纯手工，即将碳纤维单向布裁切成合适大小，同向叠层，层与层之间刷涂所需包覆的树脂，然后送入液压机热压成型，最后将成型的坯体裁切成所需尺寸的短切料。该方法虽能实现表面包覆半固化或完全固化树脂短切碳纤维复合材料的制备，但存在以下几个缺陷：

1.纯手工操作，效率低，成本高，重复性差，难以大批量生产；

2.碳纤维包覆过程未预加张力，减弱了其对复合材料的增强作用；

3.由于采用碳纤维单向布，树脂难以完全浸透到纤维束内包裹单丝；

4.单向布叠层热压成型的包覆工艺决定了裁切出的包覆树脂的短切碳纤维一致性较差，会出现大量无纤维、少纤维的短切料，短切料内的碳纤维、树脂含量比不可控。

这种方法仅适用实验室小批量生产，且制备出的包覆树脂的短切碳纤维性能不能完全满足设计要求，不能从根本解决问题。因此，需要开发一种生产表面包覆热固性树脂的短切碳纤维复合材料的设备专用设备，填补该领域的空白，从而从根本上解决短切碳纤维增强树脂复合材料坯体性能差的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种生产表面包覆热固性树脂的短切碳纤维复合材料的设备，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

所述设备包括放纱架、张力辊组、树脂填注装置、液压机、热压模具、纤维牵引装置、切割收集装置；沿碳纤维束前进方向依次布置放纱架、张力辊组、热压模具、牵引装置和切割收集装置，在热压模具沿碳纤维束前进方向的上游方设有树脂填注装置，热压模具安装连接液压机。

所述的热压模具包括分别位于上下位置的上模和下模，上模下表面和下模上表面均设有N个沿碳纤维束前进方向平行布置的半圆柱形模腔，上模下表面的各个半圆柱形模腔和下模上表面的各个半圆柱形模腔上下位置对应，使得模下表面的一个半圆柱形模腔和下模上表面的一个半圆柱形模腔对接形成圆柱形模腔，圆柱形模腔的两端口的径向尺寸仅与碳纤维束等宽。

所述树脂填注装置包括支架、滑轨机构、填注枪组、树脂存储罐和安装于树脂填注枪组内的加热装置，树脂存储罐和滑轨机构安装在支架上，填注枪组位于树脂存储罐下方且安装在滑轨机构上，填注枪组沿滑轨机构导向水平移动；树脂存储罐内存储有液态树脂或者粉体树脂，树脂存储罐连接到填注枪组，液态树脂或者粉体树脂经加热装置加热后通过填注枪组并后注入到热压模具下模内。

所述树脂填注装置能够填注液态树脂和粉体树脂。

所述牵引装置包括导轨和三组牵引头组。导轨方向与碳纤维束前进方向平行，三组牵引头组沿碳纤维束前进方向依次安装在导轨上，三组牵引头组连接电机，由电机提供牵引头组驱动力，每一组牵引头组内置用于夹持纤维束的纤维夹持装置；第一牵引头组固定在导轨靠近液压机一端位置M处，第三牵引头组固定在导轨靠近切割收集装置一端位置N处，第二牵引头组安装于导轨上并沿导轨两端位置(位置M和位置E)之间来回移动，并可固定。

每一组牵引头组内的夹头数量与导纱轨的数量一致。

碳纤维束从放纱架进入，经张力辊组调节张力后进入热压模具，通过树脂填注装置填注树脂后通过液压机压紧热压模具进行包覆树脂操作，然后碳纤维束由纤维牵引装置送入切割收集装置。

所述放纱架上等间距设置N条导纱轨，所述N为自然数。

所述张力辊组包括至少两个位置可调的张力辊，其中至少一个张力辊内部设有加热装置。

所述的圆柱形模腔的直径为R，直径R大于等于1mm且小于等于5mm，轴向长度为L，轴向长度L大于等于100mm且小于等于2000mm，圆柱形模腔的轴线平行于碳纤维束前进方向。

所述热压模具的上模和下模分别安装在液压机的输出两端，所述的液压机包括液压机顶板和液压机底板，上模和下模分别固定在液压机顶板底面和液压机底板顶面。

还包括控制机构，放纱架、张力辊组、树脂填注装置、液压机、热压模具、牵引装置、切割收集装置均连接到控制机构。

本发明设备用于生产表面包覆热固性树脂的短切碳纤维复合材料，特别是用于生产表面包覆半固化或完全固化热固性树脂层的单向短切碳纤维复合材料。

本发明设备可实现生产过程的全自动化，连续碳纤维从放纱架引出经张力辊、热压包覆成型、裁切成段这一系列工序连续自动进行，生产效率高且可控可调。

本发明还通过设备结构实现了新的碳纤维表面包覆树脂过程，涉及了一种新的碳纤维表面包覆树脂方式。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.提供了一种生产表面包覆热固性树脂的短切碳纤维复合材料的专用设备，填补了该领域的空白；

2.该设备全过程对碳纤维施加轴向张力，包覆成型、裁切成段后的短切碳纤维仍保留一定轴向张力。

3.该设备采用的带有单束碳纤维包覆成型模腔的模具，配合全过程施加的轴向张力，确保碳纤维束中的每根单丝取向一致，充分发挥各单丝沿纤维轴向的增强作用。

4.该设备利用液压机加载的高压，可实现树脂对碳纤维束内部的充分渗透，确保碳纤维束内的单丝被树脂包覆。

5该设备生产的包覆树脂的短切碳纤维复合材料的外形尺寸具有高度一致性，通过搭配不同模腔尺寸的模具，可实现多种尺寸复合材料的生产，精确可控。

6.该设备结构设计简单，制造使用成本低，操作简单可靠，具有高度的原材料通用性，适用于市售的各种丝束大小的碳纤维，可包覆的树脂涵盖粉状、液态的热固性树脂，包覆的树脂层厚度、树脂状态均可控可调；

7.结合控制机构，实现碳纤维束从放纱架引出经热压成型、裁切成段这一系列工序自动化连续进行，生产效率高且可控可调。

附图说明

为了更清楚地说明本发明技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单介绍，其中：

图1示出了本发明设备的总体结构图。

图2示出了本发明设备的俯视图。

图3示出了热压模具的结构图。

图中：放纱架1，张力辊组2，张力辊21、22，树脂填注装置3，支架31、滑轨机构32、填注枪组33、树脂存储罐34，液压机4，液压机顶板41、液压机底板42，热压模具5，上模51、下模52，纤维牵引装置6，导轨61、牵引头组 621、622、623，切割收集装置7，切割装置71、收集装置72。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图2所示，定义碳纤维束前进方向为x方向，垂直于x方向且与地面平行的方向为y方向，本发明沿x方向依次布置放纱架1、张力辊组2、热压模具 5、牵引装置6和切割收集装置7，在热压模具5沿碳纤维束前进方向的上游方设有树脂填注装置3，热压模具5安装连接液压机4。

碳纤维束从放纱架1引出，经张力辊组2调节张力后进入热压模具5，树脂填注装置3对模腔完成树脂填注后，液压机4加载，热压模具5合模，经一定时间保压后，液压机4卸载，热压模具5开模，由顶出机构将包覆树脂层的碳纤维束从热压模具5中顶出，牵引装置6将包覆树脂层的碳纤维束送入切割收集装置7中完成切割收集。

具体实施中，放纱架1和张力辊21、22上均等间距设置有15条导纱轨，碳纤维束嵌入导纱轨中，每一导纱轨对应一束碳纤维束，相邻碳纤维束互不影响。

如图1所示，张力辊组2包括两个位置可调的张力辊21、22，其中两个张力辊内部均设有加热装置(未示出)，用于对碳纤维束进行预热，以减少碳纤维束与热压模具之间的温差；通过调整张力辊21、22的相对位置可以调整碳纤维束的轴向张力，保证碳纤维束处于合适的张力状态，提高碳纤维束在后续复合材料中的增强效果。

如图1所示，热压模具5包括上模51、下模52以及安装于上下模内的加热装置(未示出)，上模51安装在液压机顶板41，可随顶板上下移动，下模52 安装在液压机底板42，为固定部件。上模51下表面和下模52上表面均设有N 个沿碳纤维束前进方向平行布置的半圆柱形模腔，上模51下表面的各个半圆柱形模腔和下模52上表面的各个半圆柱形模腔上下位置对应，使得模51下表面的一个半圆柱形模腔和下模52上表面的一个半圆柱形模腔对接形成圆柱形模腔，圆柱形模腔的两端口的径向尺寸仅与碳纤维束等宽。如图3所示，热压模具5沿y方向等距设有15个直径为5mm，长度为1000mm的圆柱形模腔，即热压模具5合模后沿y方向的截面为15个等距设置，直径为5mm的圆形，圆柱形模腔两端局部封闭，仅留有宽度为2mm纤维通道，用于碳纤维束的通过，模腔轴线与x方向平行，经张力辊组2引出的15束碳纤维，与热压模具5内的15个模腔一一对应，且每一束碳纤维的轴线与对应模腔的轴线重合，使得包覆的树脂层尽可能与碳纤维束共轴。

热压模具5中，模腔直径大于等于0.2mm，小于等于5mm。

如图1所示，树脂填注装置3包括支架31、滑轨机构32、填注枪组33、树脂存储罐34和安装于树脂填注枪组33内的加热装置(图中未示出)。树脂存储罐34和滑轨机构32安装在支架31上，填注枪组33位于树脂存储罐34下方且安装在滑轨机构32上，填注枪组33沿滑轨机构32导向水平移动，可沿x方向来回移动。填注枪组33上沿y方向等距设有15个喷枪，喷枪位置与热压模具5的模腔位置一一对应；树脂存储罐34安装于支架顶部，内部存储有液态酚醛树脂，树脂存储罐34与树脂填注枪组33通过软管相连；填注枪组33借助滑轨机构32可沿x方向一边移动一边将经加热装置预热后的树脂注入到热压模具 5的下模52模腔内，滑轨机构保证填注枪组33能完全覆盖热压模具下模52内的所有模腔位置。树脂填注装置3能够填注液态树脂和粉体树脂。

如图1和图3所示，牵引装置6包括导轨61和三组牵引头组621、622、623。导轨61方向与x方向平行，三组牵引头组621、622、623沿x方向依次安装在导轨61上，三组牵引头组621、622、623连接电机，由电机提供牵引头组驱动力，每一牵引头组内置纤维夹持装置(图中未示出)，用于夹持纤维束；第一牵引头组621锁定在导轨靠近液压机4的一端位置M处，第三牵引头组623锁定在导轨靠近切割收集装置7的一端位置N处，第二牵引头组622安装于导轨 61上并沿导轨61两端位置(位置F和位置E)之间来回移动，并可固定。碳纤维束从放纱架1引出沿x方向移动的牵引力由牵引头组622提供，即通过牵引头组622夹持碳纤维束沿x方向移动，牵引碳纤维束沿x方向移动。

切割收集装置7包括切割装置71和收集装置72，由牵引头组622将包覆树脂层的碳纤维束送入切割装置71，切成一定长度的短切碳纤维束落入收集装置 72。

本发明具体热压包覆工序处理过程如下：

1)放纱架1和张力辊组2上均等间距设置15条导纱轨，人工从放纱架1上引出15束碳纤维依次穿过张力辊组2、热压模具下模52的纤维通道、牵引头组 621、622、623，终止于牵引头组623与切割装置71之间，牵引头组621和623 分别锁定在位置**和位置**，且处于松开状态，牵引头组622处于**位置并夹紧碳纤维束，张力辊组2调整张力辊21、21的相对位置使碳纤维沿轴向保持合适张力，然后启动设备开始自动运行；

2)如图2所示，建立xy坐标系，x方向平行于碳纤维束前进方向，y方向垂直于碳纤维束前进方向。

然后热压模具5沿y方向等距设有15个直径为5mm，长度为1000mm的圆柱形模腔，由放纱架引出的15束碳纤维排列于下模具52的15个下模腔内，碳纤维束的轴线与模腔的轴向重合；填注枪组33上沿y方向等距设有15个喷枪， 15个的喷枪位置与热压模具5的15个模腔位置一一对应，填注枪组33借助滑轨机构32从初始位置A出发沿x方向一边移动一边将经加热装置预热后的树脂注入热压模具5的15个下模腔内，直到位置B；树脂填注完成后填注枪组33 沿x的反方向移回初始位置A；液压机4加载，顶板41带动上模51向下运动，模具5合模，保温保压一段时间后，液压机4卸载，顶板41带动上模51向上运动，模具5开模，由液压机顶出机构(未示出)将包覆完树脂的碳纤维束从热压模具的下模52中顶出，完成第一次树脂包覆操作。

3)完成第一次树脂包覆操作后，处于位置E的牵引头组622夹持着碳纤维束沿x方向移动，将包覆完树脂层的碳纤维束从热压模具5中抽出，于位置F 停止锁定；牵引头组621、623夹紧碳纤维束后，牵引头组622解锁、松开碳纤维束，沿x的反方向回到位置E。

4)牵引头组622将包覆完树脂的碳纤维束从热压模具5中抽出的同时，放纱架上的碳纤维束同步引入热压模具5中，待碳纤维束停止移动，重复步骤2，完成第二次树脂包覆操作后，牵引头组622夹紧碳纤维束，牵引头组621、623松开碳纤维束，牵引头组622夹持着第一次树脂包覆操作完成的碳纤维束沿x方向移动，将其送入切割装置71中切成一定长度的短纤维束，短纤维束落入收集装置72，与此同时带动第二次树脂包覆操作完成的碳纤维束从热压模具5中抽出，如此循环步骤2、3、4即可实现不间断连续生产。

本发明设备具体实施中，还包括控制机构(图中未示出)，控制机构根据安装在放纱架1、张力辊组2、树脂填注装置3、液压机4、热压模具5、牵引装置6、切割收集装置7各处的传感器(图中未示出)采集提供的数据，实时控制张力辊组2中张力辊的温度和相对位置、树脂填注装置3的填注速率、填注位置和树脂温度，液压机4的加载速率和保压时间，热压模具5的温度，牵引装置6的位置、夹持力和牵引速率，切割装置71的切割速率，从而保证合适的生产节拍。

本发明的具体制备短切碳纤维增强树脂基复合材料的实验例子如下：

步骤1：碳纤维束的预处理：将连续碳纤维束在900-1600℃、氩气气氛下进行热处理，除去表面金属离子及杂质，然后以丙酮、去离子水为清洗剂依次清洗至表面无胶，烘箱绕圈，得到预处理连续碳纤维束；

步骤2：将步骤1得到的预处理连续碳纤维束通过制备表面包覆酚醛树脂层的短切碳纤维束的设备，制得表面包覆酚醛树脂层的短切碳纤维束；

步骤3：将步骤2得到的表面包覆酚醛树脂层的短切碳纤维束与酚醛树脂粉以一定比例进行混合，制得的混合料置于烘箱中预处理，得到预处理混合料；

混合料中包覆酚醛树脂层的短切碳纤维束与酚醛树脂粉的比例按照碳纤维占所制备而成的成品复合材料的体积百分比30％～60％，混合料在烘箱中预处理温度80～110℃，保温时间30-60min。

步骤4：将步骤3得到预处理混合料装入冷压模具中铺放均匀进行预成型压制，制得预成型板料；

步骤5：将步骤4得到的预成型板料装入热压模具中进行热压成型，热压成型压力为10～30MPa，温度140～180℃，保压30～150min。成型结束后，模具自然冷却至50℃，卸载脱模，制得短切碳纤维增强酚醛树脂基复合材料；

步骤6：将步骤5得到的短切碳纤维增强酚醛树脂基复合材料置于烘箱中后处理，烘箱中后处理温度为130～170℃，保温时间60～200min，完成成品制备。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，在不偏离以下权利要求所限定的本发明的保护范围内的情况下，本技术领域的技术人员可以进行修改、调整。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，在不偏离以下权利要求所限定的本发明的保护范围内的情况下，本技术领域的技术人员可以进行修改、调整。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (6)

1.一种用于碳纤维束表面包覆树脂层的设备，其特征在于：所述设备包括放纱架(1)、张力辊组(2)、树脂填注装置(3)、液压机(4)、热压模具(5)、纤维牵引装置(6)、切割收集装置(7)；沿碳纤维束前进方向依次布置放纱架(1)、张力辊组(2)、热压模具(5)、牵引装置(6)和切割收集装置(7)，在热压模具(5)沿碳纤维束前进方向的上游方设有树脂填注装置(3)，热压模具(5)安装连接液压机(4)；

所述的热压模具(5)包括分别位于上下位置的上模(51)和下模(52)，上模(51)下表面和下模(52)上表面均设有N个沿碳纤维束前进方向平行布置的半圆柱形模腔，上模(51)下表面的各个半圆柱形模腔和下模(52)上表面的各个半圆柱形模腔上下位置对应，使得模(51)下表面的一个半圆柱形模腔和下模(52)上表面的一个半圆柱形模腔对接形成圆柱形模腔，圆柱形模腔的两端口的径向尺寸仅与碳纤维束等宽；

所述树脂填注装置(3)包括支架(31)、滑轨机构(32)、填注枪组(33)、树脂存储罐(34)和安装于树脂填注枪组(33)内的加热装置，树脂存储罐(34)和滑轨机构(32)安装在支架(31)上，填注枪组(33)位于树脂存储罐(34)下方且安装在滑轨机构(32)上，填注枪组(33)沿滑轨机构(32)导向水平移动；树脂存储罐(34)内存储有液态树脂或者粉体树脂，树脂存储罐(34)连接到填注枪组(33)，液态树脂或者粉体树脂经加热装置加热后通过填注枪组(33)并后注入到热压模具下模(52)内；

所述牵引装置(6)包括导轨(61)和三组牵引头组(621、622、623)。导轨(61)方向与碳纤维束前进方向平行，三组牵引头组(621、622、623)沿碳纤维束前进方向依次安装在导轨(61)上，三组牵引头组(621、622、623)连接电机，由电机提供牵引头组驱动力，每一组牵引头组内置用于夹持纤维束的纤维夹持装置；第一牵引头组(621)固定在导轨靠近液压机(4)一端位置M处，第三牵引头组(623)固定在导轨靠近切割收集装置(7)一端位置N处，第二牵引头组(622)安装于导轨(61)上并沿导轨(61)两端位置之间来回移动。

2.根据权利要求1所述的一种用于碳纤维束表面包覆树脂层的设备，其特征在于：所述的放纱架(1)上等间距设置N条导纱轨，所述N为自然数。

3.根据权利要求1所述的一种用于碳纤维束表面包覆树脂层的设备，其特征在于：所述的张力辊组(2)包括至少两个位置可调的张力辊(21、22)，其中至少一个张力辊内部设有加热装置。

4.根据权利要求1所述的一种用于碳纤维束表面包覆树脂层的设备，其特征在于：所述的圆柱形模腔的直径为R，直径R大于等于1mm且小于等于5mm，轴向长度为L，轴向长度L大于等于100mm且小于等于2000mm，圆柱形模腔的轴线平行于碳纤维束前进方向。

5.根据权利要求1所述的一种用于碳纤维束表面包覆树脂层的设备，其特征在于：所述热压模具(5)的上模(51)和下模(52)分别安装在液压机(4)的输出两端，所述的液压机(4)包括液压机顶板(41)和液压机底板(42)，上模(51)和下模(52)分别固定在液压机顶板(41)底面和液压机底板(42)顶面。

6.根据权利要求1所述的一种用于碳纤维束表面包覆树脂层的设备，其特征在于：还包括控制机构，放纱架(1)、张力辊组(2)、树脂填注装置(3)、液压机(4)、热压模具(5)、牵引装置(6)、切割收集装置(7)均连接到控制机构。