CN109370209A - 一种超薄预浸带的液相制备方法和制备装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超薄预浸带的液相制备方法和制备装置。该方法包括：纤维束设置在包含预浸料的液相中，用动力流体宽展化处理设置在液相中的纤维束，得到宽展离散纤维束；将宽展离散纤维束进行密排处理，得到纤维离散密集排列的超薄纤维束；将浸渍有预浸料的超薄纤维束加热、烘干，得到超薄预浸带，且在纤维束的宽展过程、密排过程中监测并控制纤维束的张力，强化分散和密排效果。依据该制备方法在制备装置上得到的超薄预浸带，厚度可达0.06mm以下，方法简易，制造成本低，制造时间短，用超薄预浸带制备得到的制品性能更为优越，重量小，强度大，缺陷少，具有良好的工业应用前景。

Description

一种超薄预浸带的液相制备方法和制备装置

技术领域

本发明属于复合材料领域，具体涉及一种超薄预浸带的液相制备方法和制备装置。

背景技术

随着我国航空航天、车辆舰船等领域的发展，碳纤维复合材料(CFRP)，由于其密度小、力学性能高、耐腐蚀、抗疲劳等突出优点，被列为国家重点发展战略新材料之一。以航空发动机为例，美国GE90-115B涡扇发动机，推力可达547kN,而耗油率下降到了0.05kg/(N.h)左右，CFRP起了至关重要的作用。在其它领域，如新能源电动车，它的重量越大，能耗就越高，续航里程则越短，轻量化CFRP应用的重要性不言而喻。

目前，商业化碳纤维(CF)单向带预浸料的厚度多在0.15mm以上；平纹编织预浸料的厚度则在0.25mm以上。对于薄壁件，预浸料厚度大意味着许用铺层数量少，层合板各向异性明显；对于壁厚不等的制件而言，如GE90发动机叶片，从叶根部向叶尖逐渐减薄，往往需要采用改变铺层数量以适应其结构要求。预浸料厚度大则意味着铺层数变化时“架桥”区尺度大，缺陷面积增加，复合材料的承载性能有所降低，既影响复合材料的力学性能，也降低了复合材料的资源利用率和经济效益，使复合材料的制造成本居高不下。

发明内容

为了至少解决以上提到的现有技术存在的技术问题之一，本发明公开了一种超薄预浸带的液相制备方法，该方法包括纤维束的宽展，在纤维束的宽展进行中，纤维束设置在液相中，该液相包含超薄预浸带的预浸料。

进一步，本发明一些实施例公开的超薄预浸带的制备方法，在纤维束的宽展过程中监测并控制纤维束的张力。

本发明一些实施例公开的超薄预浸带的制备方法，该方法用动力流体宽展化处理设置在液相中的纤维束，得到宽展离散纤维束；将宽展离散纤维束进行密排处理，得到纤维离散密集排列的超薄纤维束。

进一步，本发明一些实施例公开的超薄预浸带的制备方法还包括将浸渍有预浸料的超薄纤维束加热、烘干，得到超薄预浸带。

本发明一些实施例公开的超薄预浸带的制备方法，动力流体包括气体和液体。

另一方面，本发明一些实施例公开了一种超薄预浸带的制备装置，该装置包括：

用于放置含有预浸料的溶液的箱体；

用于提供纤维束宽展离散的动力流体的散纱组件；

用于监测并控制纤维束张力的张力监测组件；

用于提供纤维束前进的动力的牵引组件；

用于密排宽展离散后的纤维束的展纱组件；

用于加热并烘干带有预浸料的超薄纤维束的加热组件。

本发明一些实施例公开的超薄预浸带的制备装置，具体包括：

第一导向轮，用于控制纤维束的前进方向和位置；

第一牵引轮，设置提供纤维束前进的动力；

第一辅助轮，设置与第一牵引轮相互配合，提供纤维束前进的动力；

第二导向轮，设置在第一辅助轮之后，用于控制宽展纤维束的方向和位置；

散纱组件，设置在第一辅助轮和第二导向轮之间，用于提供宽展离散纤维束的动力流体；

第一张力监测组件，设置在第一辅助轮与散纱组件之间，用于监测并控制第一辅助轮与散纱组件之间的纤维束的张力；

第一展纱轮，设置用于密排处理宽展离散后的纤维束；

第二展纱轮，设置与第一展纱轮配合，密排处理宽展离散后的纤维束；

第一调节辊对，设置用于调节密排后纤维束上预浸料的含量；

加热辊，设置用于加热并烘干带有预浸料的超薄纤维束；

箱体，设置用于盛放含有预浸料的液体溶液。

进一步，本发明一些实施例公开的超薄预浸带的制备装置，包括：

第二牵引轮，设置在所述第二导向轮之后，提供纤维束前进的动力；

第二辅助轮，设置与所述第二牵引轮配合，提供纤维束前进的动力；

第二张力监测组件，设置在所述第二辅助轮与所述第一展纱轮之间，监测并控制所述第二辅助轮与所述第一展纱轮之间的纤维束的张力；

第三导向轮，设置在所述第一调节对辊之后，控制纤维束的方向和位置；

第二调节对辊，设置在所述第三导向轮之后，调节超薄纤维束的预浸料含量；

收卷组件，设置用于收集烘干后的超薄预浸带。

本发明一些实施例公开的超薄预浸带的制备装置，展纱组件设置为多个。

本发明一些实施例公开的超薄预浸带的制备装置，的加热组件设置为多个。

本发明公开的超薄预浸带的制备方法和制备装置，可以制备得到厚度在0.06mm以下的超薄预浸带，利用超薄预浸带制备其他制品时，减小了预浸料厚度，增加了铺层数，层合板的性能大大改善增加，要达到相同的强度需要的超薄预浸带数量减少，减轻制品重量，降低生产成本，对于复杂几何结构的制品，由于局部增加铺层引起的数值富集区、孔隙率等缺陷尺度变小，大大提高了制品的力学性能，具有良好的工业应用前景。

附图说明

图1超薄预浸带制备装置结构示意图

图2超薄预浸带制备装置部分结构示意图

附图标记

1、第一导向轮 2、第一牵引轮 3、第一辅助轮

20第二牵引轮 30第二辅助轮 FB、纤维束

41、第一张力传感器 42、第二张力传感器 5、散纱组件

6、第二导向轮 7、第一展纱轮 8、第二展纱轮

9、第一调节对辊 10、第三导向轮 11、第二调节对辊

12、第一加热辊 13、第二加热辊 14、第四导向轮

15、收卷组件 16、箱体 160、液面

90、第一调节对辊夹持部

H、液面与第一调节对辊夹持部之间的距离

α、散纱组件方向与水平方向之间的夹角

具体实施方式

在这里专用的词“实施例”，作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。本法实施例中性能指标测试，除非特别说明，采用本领域常规试验方法。应理解，本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明公开的内容。

本公开所用的术语“基本”和“大约”用于描述小的波动。例如，它们是指小于或等于±5％，如小于或等于±2％，如小于或等于±1％，如小于或等于±0.5％，如小于或等于±0.2％，如小于或等于±0.1％，如小于或等于±0.05％。浓度、量和其它数值数据在本文中以范围格式表示或呈现。这样的范围格式仅为方便和简要起见使用，因此应灵活解释为不仅包括作为该范围的界限明确列举的数值，还包括该范围内包含的所有独立的数值或子范围。例如，“1～5％”的数值范围应被解释为不仅包括1％至5％的明确列举的值，还包括在所示范围内的独立值和子范围。因此，在这一数值范围中包括独立值，如2％、3.5％和4％，和子范围，如1～3％、2～4％和3～5％等。这一原理同样适用于仅列举一个数值的范围。此外，无论该范围的宽度或所述特征如何，这样的解释都适用。在本公开，包括权利要求书中，所有连接词，如“包含”、“包括”、“带有”、“具有”、“含有”、“涉及”、“容纳”等被理解为是开放式的，即是指“包括但不限于”。只有连接词“由...构成”和“由...组成”是封闭式连接词。

除非另有说明，否则本文使用的技术和科学术语具有本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。作为本发明中的其它未特别注明的原材料、试剂、试验方法和技术手段均指本领域内普通技术人员通常使用的原材料和试剂，以及通常采用的实验方法和技术手段。本文述及的动力流体，通常是指具有一定压力、速度的气体或者液体；宽展化处理，通常是指将纤维束中聚集在一起的纤维分散，纤维束的宽度增大、厚度减小，逐渐实现单层纤维同向排列的过程；密排处理，通常是指将宽展离散处理后的纤维束经过调整纤维束中相邻纤维之间的距离，尽可能使相邻纤维紧密相邻的过程；预浸料，通常是指超薄预浸带中将纤维相互连接在一起、使其定型的物质。

为了更好的说明本发明内容，在下文的具体实施例中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在实施例中，对于本领域技术人员熟知的一些方法、手段、仪器、设备等未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。

本发明实施例公开的超薄预浸带的液相制备方法，将纤维束设置在液相中，纤维束在液相中移动的过程中，在液相表面张力和施加到纤维束上的外力作用下，纤维逐渐分散，纤维束宽度增大，纤维束厚度变小，逐渐得到纤维束厚度接近于单丝纤维直径的超薄纤维束，在纤维束宽度增大的过程中，难免出现纤维丝之间的距离较大，纤维束中纤维排列不紧密、不均匀的现象，影响后续产品超薄预浸带的质量和性能，需要将宽展离散处理后的纤维束进行密集排列处理，将相邻纤维之间的距离尽可能减小，使其紧密接触并均匀排布，使得超薄纤维束的面密度保持一致，得到超薄纤维束；同时，纤维束设置的液相环境中包含超薄预浸带的预浸料，可以将预浸料均匀的浸渍、覆盖在纤维的表面，将纤维分散和浸渍预浸料的工艺同时实现，缩短了总的制备时间，简化了工艺流程和相应的装备。进一步，将浸渍有预浸料的超薄纤维束加热、烘干，得到超薄预浸带。通常，纤维束的移动过程沿其长度方向进行，便于实现对纤维束的控制。

本发明实施例公开的制备方法制备的超薄预浸带中，纤维束包括但不限于碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、尼龙纤维、聚醚醚酮纤维、聚苯硫醚纤维、超高分子量聚乙烯纤维、不锈钢纤维、铜纤维、钢纤维、石英纤维、碳化硅纤维、玄武岩纤维、镀镍碳纤维等；预浸料包括但不限于热塑性树脂，如PP、PA、TPU、PEEK、PPS、PC、PET等。

在一些实施方式中，用动力流体宽展化处理设置在液相中的纤维束，得到宽展离散纤维束；例如，具有一定压力和流量的气体流作用在纤维束上，促进纤维的分散，分散的纤维在溶液中进一步分散、排列，强化纤维的分散效果。还可以采用动力液体强化纤维的分散效果，例如利用与分散纤维束的溶液相同的液体，或者仅包含该溶液的溶剂的液体。利用动力流体分散纤维束的过程中，将动力流体作用在整个纤维束上，例如，在纤维束沿其长度方向移动的过程中，将动力流体作用在其整个横截面上，能够强化分散效果。通常不同纤维束的分散能力不同、不同溶液的分散能力不同，可能会造成纤维束中纤维分散达不到预期效果，根据纤维束分散的效果，可以调节纤维束移动的速度、动力流体的压力和流量、溶液的组分或者在溶液中增加有助于分散的试剂，也可以增加动力流体分散的次数，进行多次或多级的分散过程。

在一些实施方式中，对宽展离散纤维束进行密集排列处理，通常宽展离散后的纤维束中，单丝纤维之间可能存在一定的空隙，相邻的纤维之间的空隙会造成纤维排布不均匀，进而造成纤维束预浸带的厚度不均匀，影响其性能，所以通需要对初次宽展离散之后的纤维束进行密排处理，以消除相邻纤维单丝之间的空隙或间隙。为了增强密集排列的效果，可以采用多次处理过程，或多级处理过程。

在一些实施方式中，纤维束的宽展过程中监测并控制纤维束的张力，有助于控制纤维宽展离散的效果，纤维单丝的整体强度很小，需要严格控制纤维丝在移动过程中收到的外力在其能够承受的范围之内，超出此范围，外力太小会影响纤维分散的效果，外力太大则会损害纤维，给其结构造成破坏，甚至纤维断裂，严重影响纤维束性能。同样地，在纤维束中的离散纤维密集排列处理的过程中，将策并控制纤维束的张力，也具有同样的技术效果。纤维能够承受的张力范围，需要依据纤维自身的不同而进行设定。

在一些实施方式中，超薄预浸带的制备装置包括用于放置含有预浸料的溶液的箱体；箱体的形状和体积与设置在其中的各组件相互适应，而且可以设置其他组件实现对箱体本身的控制，例如设置温度控制组件控制箱体中溶液的温度；设置搅拌组件搅拌箱体中的溶液，具有强化其分散作用、使溶液组分更为均匀等作用；设置移动组件，可以对箱体在不同的方向进行移动，便于对其它组件进行安装、调节、维修等。

在一些实施方式中，超薄预浸带的制备装置包括用于提供纤维束宽展离散的动力流体的散纱组件；通常散纱组件设置在纤维束的一侧，提供具有一定压力的气体或者液体，作用在溶液中的纤维束表面，促使纤维单丝之间相互分散，通常需要控制作用在纤维束表面的气体或者液体的作用方向与纤维束之间的夹角，以控制其作用效果，例如，设置该夹角在20～170°之间；而且，控制动力流体的作用面积可以强化其作分散效果，通常控制散纱组件上气体或液体的出口宽度与纤维束宽度相适配，可以实现纤维束横向的作用时间，控制纤维束的移动速度，可以实现纤维束纵向的作用时间，最终实现对纤维束分散效果的控制。为了强化宽展离散效果，可以设置多个散纱组件，实现多级或多阶段散纱。

在一些实施方式中，超薄预浸带的制备装置包括用于监测并控制纤维束张力的张力监测组件；通过对纤维束张力的监测，进而通过对纤维束分散效果的判断，可以调节纤维束受到的张力实现对纤维分散效果的控制。例如，张力监测组件测到的张力信息，传输给控制纤维束移动的牵引组件，牵引组件根据收到的信息，调节其自身的工作状态，控制纤维束的张力。张力检测组件可以设置在不同的部位，设置为多个，以便监控不同部位的纤维束，实现对纤维束过程中不同部位的动态实时控制。

在一些实施方式中，超薄预浸带的制备装置包括用于提供纤维束前进的动力的牵引组件；通常纤维束在移动过程中进行分散，而且需要对其移动进行动态控制，以便控制整个制备过程，牵引组件通常设置为可以转动的辊轮，辊轮与纤维束之间相互作用，通过辊轮的转动带动纤维束移动，操作过程简单方便，装置的体积小。设置调节辊轮的直径、表面性质、辊轮之间的相对位置、辊轮的转动速度等，可以实现纤维束与辊轮之间作用时间、作用力的控制。纤维束移动距离较长的过程中，可以设置多个牵引组件，以实现不同阶段的动力提供和张力控制。

在一些实施方式中，超薄预浸带的制备装置包括用于密排宽展离散后的纤维束的展纱组件；通常宽展离散后的纤维束中，单丝纤维之间可能存在一定的空隙，相邻的纤维之间的空隙会造成纤维排布不均匀，进而造成纤维束预浸带的厚度不均匀，影响其性能，所以通需要对初次宽展离散之后的纤维束进行密排处理，以消除相邻纤维单丝之间的空隙或间隙。为了强化效果，展纱组件可以设置为多个，例如两个、三个、四个等等。

在一些实施方式中，超薄预浸带的制备装置包括用于加热并烘干带有预浸料的超薄纤维束的加热组件。超薄纤维束与预浸料之间通常需要加热成形，才能得到超薄预浸带，通常设置加热组件对其进行加热处理，例如，可以设置加热辊，不仅可以与装置中的其他辊轮相互配合控制纤维束的方向和位置，还可以对其进行加热，完成成形工艺，通常对加热辊的温度进行监测、调节，以便控制加热效果，例如，根据预浸料的种类、预浸料的含量等进行温度调节。

在一些实施方式中，超薄预浸带的制备装置包括导向轮，用于控制纤维束的前进方向和位置；通常还可以设置多个导向轮，在不同位置对纤维束的前进方向和位置进行控制。

在一些实施方式中，超薄预浸带的制备装置的牵引组件由牵引轮和辅助轮组成，二者相互配合，提供纤维束前进的动力；

在一些实施方式中，超薄预浸带的制备装置包括调节辊对，设置用于调节密排后纤维束上预浸料的含量；通常纤维束在溶液中经过宽展离散处理、密集排列处理后，纤维束中的纤维单丝上覆盖有预浸料，如果预浸料的含量太大，超出超薄预浸带所述的含量，会影响超薄预浸带的质量，还造成预浸料的浪费，设置调节辊对，对预浸料进行控制，同时实现对超薄纤维束的控制；通常设置两个辊轮组成对辊，通过纤维束在两个辊轮之间通过时，控制辊轮之间的相对位置即可实现对预浸料含量的调节，通常需要在设置的辊轮之间形成可调节的夹持力，可以设置相同的辊轮，也可以设置不同的辊轮，得到不同的夹持效果。作为可选实施方式，可以设置多对调节辊对，例如两对、三对等。

在一些实施方式中，超薄预浸带的制备装置包括收卷组件，设置用于收集烘干后的超薄预浸带。

实施例1制备装置

以下实施例1结合附图1和2，对本发明公开的超波预浸带的制备装置和制备过程作进一步详细说明。

本实施例装置沿水平方向设置，长方体形的箱体16水平设置，其上部开口，箱体16中设置含有预浸料的溶液，液面160如图中虚线所示，第一导向轮1设置在箱体16侧上方，箱体16中依次设置第一牵引轮2和第一辅助轮3，二者相互配合，提供纤维束FB前进的第一动力，纤维束FB在第一动力的作用下进入溶液中；

设置第一张力传感器41和散纱组件5，设置第二导向轮6控制宽展离散之后的纤维束的位置和方向，纤维束FB在散纱组件5的作用下宽展分散，由第一张力传感器41检测位于第一辅助轮3和第二导向轮6之间的纤维束的张力，通过控制纤维束的张力，进一步控制散纱组件5的分散效果；

设置第二牵引轮20和第二辅助轮30，两者相互配合提供纤维束前进的第二动力，将分散后的纤维束进一步牵引移动；

设置第二张力传感器42和第一展纱轮7、第二展纱轮8，通过第一展纱轮7和第二展纱轮8的机械作用力密集排列处理纤维束FB，调节纤维束中纤维之间的间隙，该过程中通过第二张力传感器42监测第二辅助轮30与第一展纱轮7之间的纤维束的张力，并动态控制该张力，进一步实现对纤维束密集排列效果的控制；

在液面160之上方设置第一调节对辊9，将密集排列之后带有预浸料的纤维束FB带出溶液，调节预浸料的含量之后经由第三导向轮10导入第二调节对辊11进一步控制预浸料的含量；第一对调节对辊9中一个辊轮为硬面钢棍，另一个辊轮为软面塑胶棍，两个辊轮的接触部位为第一调节对辊夹持部90，通过调节第一调解对辊夹持部90的间隙，实现对预浸料含量的控制，第一调节对辊夹持部90与液面160之间的距离H设置在1-200mm之间。

设置第一加热辊12和第二加热辊13，预浸料与超薄纤维束在加热辊的作用下烘干、定型，得到超薄预浸带，进一步经过第四导向轮14之后，超薄预浸带由收卷组件15卷绕收集。

实施例2超薄碳纤维预浸带单向层合板

用本发明实施例1公开的装置制备超薄碳纤维预浸带，以碳纤维超薄於浸带与PA6树脂制备单向层合板，其中碳纤维质量分数60％，PA6树脂质量分数为40％，超薄碳纤维预浸带厚度0.02mm，单向层合板的厚度为1mm。

性能测试结果表明，层合板的拉伸强度2200MPa，拉伸模量150GPa，压缩强度1600MPa,压缩模量165GPa，开孔拉伸强度520MPa，开孔压缩强度430MPa，冲击后压缩强度420MPa。与常规0.2mm厚度碳纤维预浸带与PA6树脂制备的厚度为1mm的单向层合板相比，拉伸性能高15％，压缩性能高25％，冲击后压缩强度高20％，与同等力学性能的层合板相比，重量减小25％。

本发明实施例公开的超薄预浸带的制备方法和制备装置，可以制备得到厚度在0.06mm以下的超薄预浸带，利用超薄预浸带制备其他制品时，减小了预浸料厚度，增加了铺层数，层合板的性能大大改善增加，要达到相同的强度需要的超薄预浸带数量减少，减轻制品重量，降低生产成本，对于复杂几何结构的制品，由于局部增加铺层引起的数值富集区、孔隙率等缺陷尺度变小，大大提高了制品的力学性能，具有良好的工业应用前景。

本发明公开的技术方案和实施例中公开的技术细节，仅是示例性说明本发明的构思，并不构成对本发明的限定，凡是对本发明公开的技术细节所做的没有创造性的改变，对本发明公开技术方案的组合使用，都与本发明公开具有相同的发明构思，都在本发明欲求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种超薄预浸带的液相制备方法，包括纤维束的宽展，其特征在于，纤维束的宽展进行中，所述纤维束设置在液相中，所述的液相包含所述超薄预浸带的预浸料。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，纤维束的宽展过程中监测并控制纤维束的张力。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

用动力流体宽展化处理设置在液相中的纤维束，得到宽展离散纤维束；

将宽展离散纤维束进行密排处理，得到纤维离散密集排列的超薄纤维束。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，制备方法还包括：

将带有预浸料的超薄纤维束加热、烘干，得到超薄预浸带。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述动力流体包括气体和液体。

6.一种超薄预浸带的制备装置，其特征在于，包括：

箱体，用于放置含有预浸料的溶液；

散纱组件，用于提供纤维束宽展离散的动力流体；

张力监测组件，用于监测并控制纤维束的张力；

牵引组件，用于提供纤维束前进的动力；

展纱组件，用于密排宽展离散后的纤维束；

加热组件，用于加热并烘干带有预浸料的超薄纤维束。

7.根据权利要求6所述的制备装置，其特征在于，具体包括：

第一导向轮，用于控制纤维束的前进方向和位置；

第一牵引轮，设置提供纤维束前进的动力；

第一辅助轮，设置与所述第一牵引轮相互配合，提供纤维束前进的动力；

第二导向轮，设置在所述第一辅助轮之后，用于控制宽展纤维束的方向和位置；

散纱组件，设置在所述第一辅助轮和所述第二导向轮之间，用于提供宽展离散纤维束的动力流体；

第一张力监测组件，设置在所述第一辅助轮与所述散纱组件之间，用于监测并控制所述第一辅助轮与所述散纱组件之间的纤维束的张力；

第一展纱轮，设置用于密排处理宽展离散后的纤维束；

第二展纱轮，设置与所述第一展纱轮配合，密排处理宽展离散后的纤维束；

第一调节辊对，设置用于调节密排后纤维束上预浸料的含量；

加热辊，设置用于加热并烘干带有预浸料的超薄纤维束；

箱体，设置用于盛放含有预浸料的液体溶液。

8.根据权利要求6所述的制备装置，其特征在于，所述的展纱组件设置为多个。

9.根据权利要求6所述的制备装置，其特征在于，所述的加热组件设置为多个。

10.根据权利要求7所述的制备装置，其特征在于，还包括：

第二牵引轮，设置在所述第二导向轮之后，提供纤维束前进的动力；

第二辅助轮，设置与所述第二牵引轮配合，提供纤维束前进的动力；

第二张力监测组件，设置在所述第二辅助轮与所述第一展纱轮之间，监测并控制所述第二辅助轮与所述第一展纱轮之间的纤维束的张力；

第三导向轮，设置在所述第一调节对辊之后，控制纤维束的方向和位置；

第二调节对辊，设置在所述第三导向轮之后，调节超薄纤维束的预浸料含量；

收卷组件，设置用于收集烘干后的超薄预浸带。