CN110641046A - 一种连续纤维增强型树脂复合材料的加工装置及加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种连续纤维增强型热塑性树脂复合材料的加工装置和加工方法，包括按顺序布置的纤维架、导纤辊、展纤装置、喷淋系统、预热箱、流延系统、热压辊、冷压辊、裁切装置和收卷装置。连续纤维经导纱辊后通过展纤装置开纤，进入喷淋系统，喷淋头将置于储料箱中的枝接剂喷涂至连续纤维带的表面，进入预热箱预热，然后在高温箱中与流延系统形成的树脂膜经热压辊复合，出高温箱采用冷压辊进行冷却，经裁切、收卷得到连续纤维增强型热塑性树脂复合材料。本发明将挤出熔融态热塑性树脂薄膜和表面接枝处理的连续纤维进行一次复合，生产效率高，得到的连续纤维增强热塑性树脂复合材料强度高，厚度均匀，树脂含量和纤维含量实现精确控制。

Description

一种连续纤维增强型树脂复合材料的加工装置及加工方法
技术领域
本发明涉及复合材料制备装置及工艺技术领域，尤其涉及一种连续纤维增强型树脂复合材料的加工装置及加工方法。
背景技术
随着复合材料回收再利用问题日益受到关注，行业未来如何实施绿色化发展，成为事关行业能否成功转型，打开行业全新发展格局的首要问题。为此，多单位已经率先投入大量精力研究和发展热塑性复合材料，尤其是连续纤维增强热塑性复合材料。与短纤维增强热塑性复合材料、长纤维增强热塑性复合材料相比，连续纤维增强热塑性复合材料中，纤维形态连续，含量可高达60-70％，因此增强效果更好，制品性能大幅提升，应用领域可拓宽至广大军工及民用领域，市场前景广阔。
目前，连续纤维增强热塑性复合材料的主要加工方式主要为熔融浸渍法、粉末浸渍、混纤法和铺膜法。CN 105599322A中采用了计量和涂覆装置进行热塑性树脂与连续纤维的复合，但存在涂覆热塑性树脂的分散不均匀的问题，同时成型效率较低；CN 108214980 A采用了二次涂覆树脂粉末的方式，分别将连续纤维带的两面进行树脂粉末的涂覆，能够优化树脂与纤维之间的浸润性能和界面相容性，但成型工艺复杂，成本高，精度控制稳定性差；CN 106239937 B中采用熔融纺丝的方式将热塑性树脂纺丝后直接落在连续纤维的表面，实现半熔融状态下的直接热压复合，成型效率高，但热塑性树脂的丝条易出现分布不均现象，造成连续纤维增强热塑性预浸带的厚度均匀性较差；CN 105346200 A采用了连续层压法制备连续纤维增强热塑性复合材料，成型效率高，但使用已经固化的热塑性树脂薄膜直接与连续纤维经过热压辊进行复合，在此过程中由于热塑性树脂的流动性差和热辊压的热熔效果不良，造成热塑性树脂对连续纤维的浸润效果差，直接导致连续纤维增强热塑性树脂复合材料出现浸润效果不理想，界面效果不良，材料强度低的问题。
连续纤维增强热塑性树脂复合材料中纤维的分散和浸润性能是保证良好界面结合形态最为关键的因素。在目前报道的专利中，大部分采用的是表面未经过处理的纤维束直接进入具有波浪形的熔融通道完成树脂对纤维的浸润，这种方法浸润效果差，纤维与树脂基体之间无法较好的形成表面化学键，不利于复合材料力学性能的提高；因此，如何提供一种连续纤维增强型树脂复合材料的加工装置及加工方法使所生产的复合材料具有均匀的性能和较高的力学性能，是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种连续纤维增强型热塑性树脂复合材料的加工装置及工艺，可以实现连续纤维增强型热塑性树脂高效、稳定、优质的生产，产品具有浸润效果好、界面强度高、控制精度高的优势，生产工艺简单，加工装置可靠性高。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
首先，本发明提供了一种连续纤维增强型树脂复合材料的加工装置，包括依次布置的纤维架、导纤辊、展纤装置、喷淋系统、预热箱、流延系统、热压辊、冷压辊、裁切装置和收卷装置；
所述喷淋系统包括储料箱和通过管路与之相连的喷淋头，所述喷淋头向连续纤维喷淋枝接剂；
所述流延系统包括挤出机和通过管路与之相连的流延头，所述流延头向连续纤维流延树脂膜；
所述流延头与所述喷淋头置于连续纤维的同侧；
所述流延头及所述热压辊均设置于高温箱内。
进一步的，所述喷淋头有两个，相对设置于连续纤维的两面，分别对连续纤维的两面进行枝接剂喷淋。
进一步的，所述流延系统设置有两组，相对设置于连续纤维的两面，分别向连续纤维的两面流延树脂膜。
进一步的，所述挤出机为单螺杆挤出机或双螺杆挤出机。
进一步的，所述流延头的模口宽度大于连续纤维的宽度，确保连续纤维表面均匀全面复合热塑性树脂膜。
进一步的，所述展纤装置为机械辊辊压展纤、超声波展纤、空气流展纤或静电展纤中的一种或多种。
进一步的，所述预热箱中加热方式为电阻丝加热、空气加热、红外加热或电磁加热中的一种或多种。
进一步的，所述高温箱内加热方式为电阻丝加热、红外加热或电磁加热中的一种或多种。
进一步的，所述流延头的模口与连续纤维的距离为3-15cm。
本发明还提供了一种连续纤维增强型树脂复合材料的加工方法，采用如下步骤：
置于纤维架上的连续纤维经导纱辊后通过展纤装置开纤，进入喷淋系统，喷淋头将置于储料箱中的枝接剂喷涂至连续纤维带的表面，之后进入预热箱预热，经预热的连续纤维在高温箱中与流延系统形成的树脂膜经热压辊复合，随后出高温箱采用冷压辊进行冷却，接着经裁切装置裁边、收卷装置收卷，即得到连续纤维增强型热塑性树脂复合材料。
优选的，所述枝接剂为硅烷类偶联剂、铝酸酯类偶联剂、钛酸酯类偶联剂、含过氧化物基团偶联剂中的一种或几种，其用量为连续纤维重量的0.2～3％。
优选的，所述流延系统形成的树脂膜厚度100-300μm。
经由上述技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1)本发明在连续纤维与树脂结合前进行纤维表面接枝剂处理，能够显著改善热塑性树脂与纤维的界面相容性能，提高界面强度；
2)本发明将热塑性树脂在熔融状态下形成半熔体状流延薄膜后，直接与连续纤维复合，热塑性树脂能够较好的浸润到纤维间，得到纤维分布均匀、浸渍效果好的连续纤维增强热塑性复合材料；
3)本发明采用熔融态流延膜的方式将热塑性树脂与连续纤维复合，可加工的热塑性树脂的种类范围广泛，包含所有的通用型热塑性树脂和大部分工程热塑性树脂材料；
4)本发明可以通过改变流延头模口宽度或连续纤维走纤速度调整复合材料中树脂含量，并能够确保树脂对纤维的充分浸润，进而确保复合材料具有均一的性质和稳定的性能以及更高的机械强度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明实施例1中一种连续纤维增强型树脂复合材料的加工装置的整体结构图；
图2附图为本发明实施例2-3中一种连续纤维增强型树脂复合材料的加工装置的部分结构图；
图中：1、纤维架，2、导纤辊，3、展纤装置，4、喷淋系统，41、储料箱，42、喷淋头，5、预热箱，6、流延系统，61、挤出机，62、流延头，7、热压辊，8、冷压辊，9、裁切装置，10、收卷装置，11、高温箱。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种连续纤维增强型树脂复合材料的加工装置，包括依次布置的纤维架1、导纤辊2、展纤装置3、喷淋系统4、预热箱5、流延系统6、热压辊7、冷压辊8、裁切装置9和收卷装置10；
喷淋系统4包括储料箱41和通过管路与之相连的喷淋头42，喷淋头42向连续纤维喷淋枝接剂；
流延系统6包括挤出机61和通过管路与之相连的流延头62，所述流延头62向连续纤维流延树脂膜；
流延头62与喷淋头42置于连续纤维的同侧；
流延头62及热压辊7均设置于高温箱11内，高温箱11内部温度180℃；
挤出机61选用双螺杆挤出机，挤出温度180-210℃；
如附图1所示，本发明在材料复合过程中，树脂流延膜与连续纤维以水平热压方式复合，热压温度220℃，流延系统6设置于连续纤维的上表面侧；喷淋头42有两个，相对设置于连续纤维的两面，分别对连续纤维的两面进行枝接剂喷淋；
展纤装置3为机械辊辊压展纤；
在实际设置中展纤装置3还可替换为超声波展纤、空气流展纤或静电展纤中的一种或机械辊辊压展纤、超声波展纤、空气流展纤和静电展纤中任意方式的组合；
预热箱5中加热方式为电阻丝加热；
在实际设置中预热箱5中加热方式还可替换为空气加热、红外加热或电磁加热中的一种或电阻丝加热、空气加热、红外加热和电磁加热中任意方式的组合；
高温箱11内加热方式为电阻丝加热，加热至180℃；
在实际设置中高温箱11内加热方式还可替换为红外加热或电磁加热中的一种或电阻丝加热、红外加热和电磁加热中任意方式的组合；
流延头62的模口与连续纤维的距离为3cm，流延膜宽度50cm，连续纤维宽度48cm，即流延膜比连续纤维两边各宽1cm；
在进行复合材料的生产时，采用如下步骤：
置于纤维架1上的连续纤维经导纱辊2后通过展纤装置3开纤，进入喷淋系统4，喷淋头42将置于储料箱41中的枝接剂喷涂至连续纤维带的表面，之后进入预热箱5预热，经预热的连续纤维在高温箱11中与流延系统6形成的树脂膜经热压辊7复合，随后出高温箱11采用冷压辊8进行冷却，接着经裁切装置9裁边、收卷装置10收卷，即得到成卷连续纤维增强型热塑性树脂复合材料。
其中，枝接剂为γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷，连续纤维采用连续玻璃纤维，热塑性树脂原料采用聚丙烯粒料与无卤阻燃剂的混合物；
枝接剂用量为连续纤维重量的0.2％；
流延系统6形成的树脂膜厚度300μm；
最终得到厚度220μm，宽度48cm的连续玻璃纤维增强型具有阻燃功能的聚丙烯复合材料。
实施例2
一种连续纤维增强型树脂复合材料的加工装置，包括依次布置的纤维架1、导纤辊2、展纤装置3、喷淋系统4、预热箱5、流延系统6、热压辊7、冷压辊8、裁切装置9和收卷装置10；
喷淋系统4包括储料箱41和通过管路与之相连的喷淋头42，喷淋头42向连续纤维喷淋枝接剂；
流延系统6包括挤出机61和通过管路与之相连的流延头62，所述流延头62向连续纤维流延树脂膜；
流延头62与喷淋头42置于连续纤维的同侧；
流延头62及热压辊7均设置于高温箱11内，高温箱11内部温度220℃；
挤出机61选用单螺杆挤出机，挤出温度180-210℃；
如附图2所示，本发明在材料复合过程中，树脂流延膜与连续纤维以竖直热压方式复合，热压温度220℃，流延系统6设置为两组，并设置于连续纤维的两侧；喷淋头42有两个，相对设置于连续纤维的两面，分别对连续纤维的两面进行枝接剂喷淋；
展纤装置3为超声波展纤；
在实际设置中展纤装置3还可替换为机械辊辊压展纤、空气流展纤或静电展纤中的一种或机械辊辊压展纤、超声波展纤、空气流展纤和静电展纤中任意方式的组合；
预热箱5中加热方式为红外加热；
在实际设置中预热箱5中加热方式还可替换为空气加热、电阻丝加热或电磁加热中的一种或电阻丝加热、空气加热、红外加热和电磁加热中任意方式的组合；
所述高温箱11内加热方式为红外加热；
在实际设置中高温箱11内加热方式还可替换为电阻丝加热或电磁加热中的一种或电阻丝加热、红外加热和电磁加热中任意方式的组合；
流延头62的模口与连续纤维的距离为5cm；
在进行复合材料的生产时，采用如下步骤：
置于纤维架1上的连续纤维经导纱辊2后通过展纤装置3开纤，进入喷淋系统4，喷淋头42将置于储料箱41中的枝接剂喷涂至连续纤维带的表面，之后进入预热箱5预热，经预热的连续纤维在高温箱11中与流延系统6形成的树脂膜经热压辊7复合，随后出高温箱11采用冷压辊8进行冷却，接着经裁切装置9裁边、收卷装置10收卷，即得到成卷连续纤维增强型热塑性树脂复合材料。
其中，枝接剂为三异硬脂酰基钛酸异丙酯，连续纤维采用连续玻璃纤维，热塑性树脂原料采用尼龙6树脂颗粒；
枝接剂用量为连续纤维重量的1.2％；
流延系统6形成的树脂膜厚度200μm；
最终得到厚度220μm，宽度48cm的连续玻璃纤维增强型聚乙内酰胺复合材料。
实施例3
一种连续纤维增强型树脂复合材料的加工装置，包括依次布置的纤维架1、导纤辊2、展纤装置3、喷淋系统4、预热箱5、流延系统6、热压辊7、冷压辊8、裁切装置9和收卷装置10；
喷淋系统4包括储料箱41和通过管路与之相连的喷淋头42，喷淋头42向连续纤维喷淋枝接剂；
流延系统6包括挤出机61和通过管路与之相连的流延头62，所述流延头62向连续纤维流延树脂膜；
流延头62与喷淋头42置于连续纤维的同侧；
流延头62及热压辊7均设置于高温箱11内，高温箱内部温度334℃；
挤出机61选用单螺杆挤出机，挤出温度350-400℃；
如附图2所示，本发明在材料复合过程中，树脂流延膜与连续纤维以竖直热压方式复合，热压温度400℃，流延系统6设置为两组，并设置于连续纤维的两侧；喷淋头42有两个，相对设置于连续纤维的两面，分别对连续纤维的两面进行枝接剂喷淋；
展纤装置3为空气流展纤；
在实际设置中展纤装置3还可替换为机械辊辊压展纤、超声波展纤或静电展纤中的一种或机械辊辊压展纤、超声波展纤、空气流展纤和静电展纤中任意方式的组合；
预热箱5中加热方式为电磁加热；
在实际设置中预热箱5中加热方式还可替换为空气加热、电阻丝加热或红外加热中的一种或电阻丝加热、空气加热、红外加热和电磁加热中任意方式的组合；
所述高温箱11内加热方式为电磁加热；
在实际设置中高温箱11内加热方式还可替换为电阻丝加热或红外加热中的一种或电阻丝加热、红外加热和电磁加热中任意方式的组合；
流延头62的模口与连续纤维的距离为15cm；
在进行复合材料的生产时，采用如下步骤：
置于纤维架1上的连续纤维经导纱辊2后通过展纤装置3开纤，进入喷淋系统4，喷淋头42将置于储料箱41中的枝接剂喷涂至连续纤维带的表面，之后进入预热箱5预热，经预热的连续纤维在高温箱11中与流延系统6形成的树脂膜经热压辊7复合，随后出高温箱11采用冷压辊8进行冷却，接着经裁切装置9裁边、收卷装置10收卷，即得到成卷连续纤维增强型热塑性树脂复合材料。
其中，枝接剂为乙烯基三特丁基过氧基硅烷，连续纤维采用连续碳纤维，热塑性树脂原料采用聚醚醚酮颗粒；
枝接剂用量为连续纤维重量的3％；
流延系统6形成的树脂膜厚度100μm；
最终得到厚度200μm，宽度48cm的连续碳纤维增强型聚醚醚酮复合材料。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种连续纤维增强型树脂复合材料的加工装置，其特征在于，包括依次布置的纤维架(1)、导纤辊(2)、展纤装置(3)、喷淋系统(4)、预热箱(5)、流延系统(6)、热压辊(7)、冷压辊(8)、裁切装置(9)和收卷装置(10)；
所述喷淋系统(4)包括储料箱(41)和通过管路与之相连的喷淋头(42)，所述喷淋头(42)向连续纤维喷淋枝接剂；
所述流延系统(6)包括挤出机(61)和通过管路与之相连的流延头(62)，所述流延头(62)向连续纤维流延树脂膜；
所述流延头(62)与所述喷淋头(42)置于连续纤维的同侧；
所述流延头(62)及所述热压辊(7)均设置于高温箱(11)内。
2.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强型树脂复合材料的加工装置，其特征在于，所述喷淋头(42)有两个，相对设置于连续纤维的两面，分别对连续纤维的两面进行枝接剂喷淋。
3.根据权利要求2所述的一种连续纤维增强型树脂复合材料的加工装置，其特征在于，所述流延系统(6)设置有两组，相对设置于连续纤维的两面，分别向连续纤维的两面流延树脂膜。
4.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强型树脂复合材料的加工装置，其特征在于，所述展纤装置(3)为机械辊辊压展纤、超声波展纤、空气流展纤或静电展纤中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强型树脂复合材料的加工装置，其特征在于，所述预热箱(5)中加热方式为电阻丝加热、空气加热、红外加热或电磁加热中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强型树脂复合材料的加工装置，其特征在于，所述高温箱(11)内加热方式为电阻丝加热、红外加热或电磁加热中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强型树脂复合材料的加工装置，其特征在于，所述流延头(62)的模口与连续纤维的距离为3-15cm。
8.一种连续纤维增强型树脂复合材料的加工方法，其特征在于，采用如下步骤：
置于纤维架(1)上的连续纤维经导纱辊(2)后通过展纤装置(3)开纤，进入喷淋系统(4)，喷淋头(42)将置于储料箱(41)中的枝接剂喷涂至连续纤维带的表面，之后进入预热箱(5)预热，经预热的连续纤维在高温箱(11)中与流延系统(6)形成的树脂膜经热压辊(7)复合，随后出高温箱(11)采用冷压辊(8)进行冷却，接着经裁切装置(9)裁边、收卷装置(10)收卷，即得到连续纤维增强型热塑性树脂复合材料。
9.根据权利要求8所述的一种连续纤维增强型树脂复合材料的加工方法，其特征在于，所述枝接剂为硅烷类偶联剂、铝酸酯类偶联剂、钛酸酯类偶联剂、含过氧化物基团偶联剂中的一种或几种，其用量为连续纤维重量的0.2～3％。
10.根据权利要求8所述的一种纤维连续增强型树脂复合材料的加工方法，其特征在于，所述流延系统(6)形成的树脂膜厚度100-300μm。
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