CN109664525A - 一种生产高性能管材板材等复合材料的设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及管材板材等复合材料生产设备技术领域，特别涉及一种生产高性能管材板材等复合材料的设备，包括预应力热塑性树脂连续纤维预浸线生产设备和拉挤设备，其特征在于，所述预应力热塑性树脂连续纤维预浸线为单根纤维浸润有热塑性树脂的具有预应力的线状复合材料；生产线上依次设有纤维卷筒、张紧装置、挤出机、第一水槽和收集绞盘。本发明的优点在于，纤维是连续性的，且预先加了应力，工作时能在没有应变或应变很小的情况下就能变生应力，充分发挥产品力学性能；用拉挤工艺生产热塑性塑料和纤维复合材料，在生产过程中对原料施加挤压力，使塑料与纤维结合更紧密，使产品更密实，产品力学性能更优良。
Description
（一）技术领域
本发明涉及管材板材等复合材料生产设备技术领域，特别涉及一种利用热塑性树脂和连续纤维并运用拉挤工艺生产高性能管材板材等复合材料的设备及方法。
（二）背景技术
目前，对于热塑性树脂生产管材板材等复合材料的方法，一般是采用真空定径生产线，真空定径机对接挤出机，通过真空定径套对挤出机挤出的熔融热塑性材料进行冷却固化，这样制作出来的热塑性材质管材板材等复合材料的环刚度较低，抗爆破能力等力学性能相对较低，利用添加短切纤维增加材料力学性能的方法，由于纤维不连续，无法充分发挥纤维的力学性能，因此效果也有限；
对于热固性材料制作管材板材等复合材料的方法，一般是采用拉挤成型的工艺，是指玻璃纤维粗纱或其他织物在外力牵引下，经过浸胶、挤压成型、加热固化来生产的方法，在生产中加入的连续纤维，是导致热固性材料管材板材等复合材料的抗压能力高于没有纤维加入的热塑性管材板材等复合材料的性能的重要原因之一。但是，这种拉挤工艺目前只适用于热固性材料进行加工成型，对于加热变软的热塑性树脂材质还无法适用。
对此，需要发明一种设备及工艺方法，在热塑性管材板材等复合材料的生产过程中加入连续纤维束，以提升热塑性材料的力学性能。
（三）发明内容
本发明为了弥补现有技术中热塑性管材板材等复合材料力学性能较低的不足，提供了一种利用热塑性树脂和连续纤维并运用拉挤工艺生产高性能管材板材等复合材料的设备及方法。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种生产高性能管材板材等复合材料的设备，包括预应力热塑性树脂连续纤维预浸线生产设备和拉挤设备，其特征在于:
所述预应力热塑性树脂连续纤维预浸线生产设备为生产预应力热塑性树脂连续纤维预浸线的生产流水线；所述预应力热塑性树脂连续纤维预浸线为单根纤维浸润有热塑性树脂的具有预应力的线状复合材料；生产线上依次设有纤维卷筒、张紧装置、挤出机、第一水槽和收集绞盘；
所述拉挤设备包括纱架、预成型装置、热塑模、冷却装置、牵拉机；所述纱架放置有若干由预应力热塑性树脂连续纤维预浸线生产设备生产出的预应力热塑性树脂连续纤维预浸线卷筒；所述预成型装置包括固定在支架上的预成型盘、预成型管和缠绕盘；所述热塑模为对预成型的预应力热塑性树脂连续纤维预浸线加热的模具，模具末端连通有冷却装置；所述冷却装置包括水套、第二水槽和循环水槽；所述水套为内有圆形通孔的冷凝管结构体，用于急速冷却热塑模产出的高温半成型管材；所述第二水槽箱用于对水套产出的管材进行进一步的降温固化定型；所述循环水槽设置在第二水槽下方，用于盛接上方第二水槽渗漏的水；所述牵拉机为履带型牵拉机。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述张紧装置包括设置在支架上的滚轴和阻尼轴；所述滚轴为设置在阻尼轴下方的可以滚动的轴，所述阻尼轴为固定在滚轴上方不可转动的轴，阻尼轴上包覆有毛毡，毛毡和滚轴紧密贴合，用于对通过其中的连续纤维束提供较大的摩擦阻力。
所述预成型管开有环槽，环槽上设有缠绕盘，缠绕盘通过皮带传动与伺服电机相连，缠绕盘上设有固定环，固定环固定有预应力热塑性树脂连续纤维预浸线卷筒的线头，线头所属的预应力热塑性树脂连续纤维预浸线卷筒设置在缠绕盘对侧，通过缠绕盘的转动对预成型的管材进行环向的纤维束缠绕。
基于上述设备的工艺方法，包括以下步骤：
S1，启动挤出机和收集绞盘，挤出机中添加热塑性树脂材料，纤维卷筒中的纤维束在收集绞盘的拉动中向前运动，纤维束通过张紧装置的滚轴和阻尼轴之间时被张紧，张紧的纤维束穿过挤出机的喷射口进行喷涂，单根纤维浸润热塑性树脂的纤维束在第一水槽进行冷却，在收集绞盘处盘绕成卷筒；
S2，启动牵拉机、热塑模和伺服电机，在纱架上的若干预应力热塑性树脂连续纤维预浸线卷筒均匀引出预应力热塑性树脂连续纤维预浸线，这些线在牵拉机的牵引下穿过预成型装置形成一个预应力热塑性树脂连续纤维预浸线并排排列的圆筒，缠绕盘在伺服电机带动下不停旋转，将预应力热塑性树脂连续纤维预浸线环向缠绕在预成型的圆筒表面；
S3，缠绕后的预成型圆筒被牵拉进入到热塑模中，预应力热塑性树脂连续纤维预浸线在热塑模中被加热，每条预应力热塑性树脂连续纤维预浸线的热塑性树脂融化粘连在一起，之后通过冷凝管结构的水套急速冷却定型，再经过之后第二水槽的进一步降温固化，被牵拉机构牵拉到切割区域，完成热塑性管材的生产。
本发明的有益效果是：
纤维是连续性的，且预先加了应力，工作时能在没有应变或应变很小的情况下就能变生应力，充分发挥产品力学性能；用拉挤工艺生产热塑性塑料和纤维复合材料，在生产过程中对原料施加挤压力，使塑料与纤维结合更紧密，使产品更密实，产品力学性能更优良。
利用本发明的生产工艺制作出内布连续纤维的热塑性树脂材质的管材板材等复合材料，相较于传统热塑性树脂管材，增强了环刚度、抗爆破能力等力学性能，提升了耐压等级与应用范围，可以适用在传统热塑性树脂管材无法应用的领域；在相同力学性能要求的情况下，本发明生产出的热塑性材质管材壁厚更薄，重量更轻，降低了大量的材料成本与运输成本，更轻更薄的特性也可以降低管道施工中的难度。
（四）附图说明
图1为本发明的生产高性能管材板材等复合材料的设备的预应力热塑性树脂连续纤维预浸线生产设备立体结构示意图。
图2为本发明的生产高性能管材板材等复合材料的设备的拉挤设备立体结构示意图。
图3为本发明的生产高性能管材板材等复合材料的设备的环向缠绕装置立体结构示意图。
图4为本发明的生产高性能管材板材等复合材料的设备的预应力热塑性树脂连续纤维预浸线生产设备主视生产示意图。
图5为本发明的生产高性能管材板材等复合材料的设备的拉挤设备主视生产示意图。
图中，101、纤维卷筒，102、滚轴，103、阻尼轴，104、挤出机，105、第一水槽，106、收集绞盘，201、纱架，202、预成型盘，203预成型管，204、缠绕盘，205、预应力热塑性树脂连续纤维预浸线卷筒，206、伺服电机，207、热塑模，208、水套，209、第二水槽，210、循环水槽，211、牵拉机
（五）具体实施方式
为了易于说明，在这里可以使用诸如“上”、“下”、“左”、“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位（旋转90度或位于其他方位），这里所用的空间相对说明可相应地解释。
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
图1-图5为本发明的一种具体实施例。该实施例为一种利用热塑性树脂和连续纤维并运用拉挤工艺生产高性能管材板材等复合材料的设备，包括预应力热塑性树脂连续纤维预浸线生产设备和拉挤设备，其特征在于:
所述预应力热塑性树脂连续纤维预浸线生产设备为生产预应力热塑性树脂连续纤维预浸线；所述预应力热塑性树脂连续纤维预浸线为单根纤维浸润有热塑性树脂的具有预应力的线状复合材料；生产线上依次设有纤维卷筒101、张紧装置、挤出机104、第一水槽105和收集绞盘106；
所述拉挤设备包括纱架201、预成型装置、热塑模207、冷却装置、牵拉机211；所述纱架201放置有若干由所述预应力热塑性树脂连续纤维预浸线为单根纤维浸润有热塑性树脂的具有预应力的线状复合材料生产设备生产出的所述预应力热塑性树脂连续纤维预浸线为单根纤维浸润有热塑性树脂的具有预应力的线状复合材料卷筒；所述预成型装置包括固定在支架上的预成型盘202、预成型管203和缠绕盘204；所述热塑模207为对预成型的所述预应力热塑性树脂连续纤维预浸线为单根纤维浸润有热塑性树脂的具有预应力的线状复合材料加热的模具，模具末端连通有冷却装置；所述冷却装置包括水套208、第二水槽209和循环水槽210；所述水套208为内有圆形通孔的冷凝管结构体，用于急速冷却热塑模207产出的高温半成型管材；所述第二水槽209箱用于对水套208产出的管材进行进一步的降温固化定型；所述循环水槽210设置在第二水槽209下方，用于盛接上方第二水槽209渗漏的水；所述牵拉机211为履带型牵拉机。
其中，所述张紧装置包括设置在支架上的滚轴102和阻尼轴103；所述滚轴102为设置在阻尼轴103下方的可以滚动的轴，所述阻尼轴103为固定在滚轴102上方不可转动的轴，阻尼轴103上包覆有毛毡，毛毡和滚轴102紧密贴合，用于对通过其中的连续纤维束提供较大的摩擦阻力，设置张紧装置可以使制成的包覆热塑性树脂的纤维线含有预应力，以进一步增强由此线制成的管材的力学性能。
其中，所述预成型管203开有环槽，环槽上设有缠绕盘204，缠绕盘204通过皮带传动与伺服电机206相连，缠绕盘204上设有固定环，固定环固定有预应力热塑性树脂连续纤维预浸线卷筒的线头，线头所属的预应力热塑性树脂连续纤维预浸线卷筒设置在缠绕盘204对侧，通过缠绕盘的转动对预成型的管材进行环向的纤维束缠绕，在不断向前牵拉的状态下，通过调整伺服电机的转速，可以对环向的缠绕疏密程度进行调整。
基于以上所述的装置，具体的工艺生产步骤如下：
S1，启动挤出机104和收集绞盘106，挤出机104中添加热塑性树脂材料，纤维卷筒101中的纤维束在收集绞盘106的拉动中向前运动，纤维束通过张紧装置的滚轴102和阻尼轴103之间时被张紧，张紧的纤维束穿过挤出机104的喷射口进行喷涂，单根纤维浸润热塑性树脂的纤维束在第一水槽105进行冷却，在收集绞盘106处盘绕成卷筒；
S2，启动牵拉机211、热塑模207和伺服电机206，在纱架201上的若干预应力热塑性树脂连续纤维预浸线卷筒均匀引出预应力热塑性树脂连续纤维预浸线，这些线在牵拉机211的牵引下穿过预成型装置形成一个预应力热塑性树脂连续纤维预浸线并排排列的圆筒，缠绕盘204在伺服电机带动下不停旋转，将预应力热塑性树脂连续纤维预浸线环向缠绕在预成型的圆筒表面；
S3，缠绕后的预成型圆筒被牵拉进入到热塑模207中，预应力热塑性树脂连续纤维预浸线在热塑模207中被加热，每条预应力热塑性树脂连续纤维预浸线的热塑性树脂融化粘连在一起，之后通过冷凝管结构的水套208急速冷却定型，再经过之后第二水槽209的进一步降温固化，被牵拉机构牵拉到切割区域，完成热塑性高性能管材的生产。
关于本发明第二种实施例，与第一种实施例的区别在于：预成型装置、热塑膜内腔不是圆柱形，可以根据需要设置为各种形状，通过不同形状的预成型装置和热塑膜内腔生产出各类形状的管材板材等复合材料。
本发明所用热塑性树脂可以是聚酰胺（PA）、聚醚醚酮（PEEK）、PPS、聚酰亚胺（PI）、聚醚酰亚胺（PAI）等热塑性树脂材料中的任一种或多种；所用纤维束可以是玻璃纤维、碳纤维、金属纤维等无机纤维或是聚酯纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯腈纤维等合成纤维中的任意一种或多种。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种生产高性能管材板材等复合材料的设备，包括预应力热塑性树脂连续纤维预浸线生产设备和拉挤设备，其特征在于:
所述预应力热塑性树脂连续纤维预浸线生产设备为生产预应力热塑性树脂连续纤维预浸线的生产流水线；所述预应力热塑性树脂连续纤维预浸线为单根纤维浸润有热塑性树脂的具有预应力的线状复合材料；生产流水线上依次设有纤维卷筒（101）、张紧装置、挤出机（104）、第一水槽（105）和收集绞盘（106）；
所述拉挤设备包括纱架（201）、预成型装置、热塑模（207）、冷却装置、牵拉机（211）；所述纱架（201）放置有若干由预应力热塑性树脂连续纤维预浸线生产设备生产出的预应力热塑性树脂连续纤维预浸线卷筒；所述预成型装置包括固定在支架上的预成型盘（202）、预成型管（203）和缠绕盘（204）；所述热塑模（207）为对预成型的预应力热塑性树脂连续纤维预浸线加热的模具，模具末端连通有冷却装置；所述冷却装置包括水套（208）、第二水槽（209）和循环水槽（210）；所述水套（208）为内有圆形通孔的冷凝管结构体，用于急速冷却热塑模（207）产出的高温半成型管材；所述第二水槽（209）箱用于对水套（208）产出的管材进行进一步的降温固化定型；所述循环水槽（210）设置在第二水槽（209）下方，用于盛接上方第二水槽（209）渗漏的水；所述牵拉机（211）为履带型牵拉机。
2.根据权利要求1所述的生产高性能管材板材等复合材料的设备，其特征在于：所述张紧装置包括设置在支架上的滚轴（102）和阻尼轴（103）；所述滚轴（102）为设置在阻尼轴（103）下方的可以滚动的轴，所述阻尼轴（103）为固定在滚轴（102）上方不可转动的轴，阻尼轴（103）上包覆有毛毡，毛毡和滚轴（102）紧密贴合，用于对通过其中的纤维束提供较大的摩擦阻力。
3.根据权利要求1所述的生产高性能管材板材等复合材料的设备，其特征在于：所述预成型管（203）开有环槽，环槽上设有缠绕盘（204），缠绕盘（204）通过皮带传动与伺服电机（206）相连，缠绕盘（204）上设有固定环，固定环固定有预应力热塑性树脂连续纤维预浸线卷筒的线头，线头所属的预应力热塑性树脂连续纤维预浸线卷筒设置在缠绕盘（204）对侧，通过缠绕盘的转动对预成型的管材进行环向的纤维缠绕。
4.一种基于权利要求1-3所述的生产高性能管材板材等复合材料的工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，启动挤出机（104）和收集绞盘（106），挤出机（104）中添加高溶脂树脂材料，纤维卷筒（101）中的纤维束在收集绞盘（106）的拉动中向前运动，纤维束通过张紧装置的滚轴（102）和阻尼轴（103）之间时被张紧，张紧的纤维束穿过挤出机（104）的喷射口进行喷涂，单根纤维浸润热塑性树脂的纤维束在第一水槽（105）进行冷却，在收集绞盘（106）处盘绕成卷筒；
S2，启动牵拉机（211）、热塑模（207）和伺服电机（206），在纱架（201）上的若干预应力高溶脂树脂纤维线卷筒均匀引出预应力高溶脂树脂纤维线，这些线在牵拉机（211）的牵引下穿过预成型装置形成一个预应力热塑性树脂连续纤维预浸线并排排列的圆筒，缠绕盘（204）在伺服电机带动下不停旋转，将预应力热塑性树脂连续纤维预浸线环向缠绕在预成型的圆筒表面；
S3，缠绕后的预成型圆筒被牵拉进入到热塑模（207）中，预应力热塑性树脂连续纤维预浸线在热塑模（207）中被加热，每条预应力热塑性树脂连续纤维预浸线的热塑性树脂融化粘连在一起，之后通过冷凝管结构的水套（208）急速冷却定型，再经过之后第二水槽（209）的进一步降温固化，被牵拉机构牵拉到切割区域，完成热塑性高性能管材的生产。
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