CN110900884A - 纤维/树脂基复合材料控胶浸胶机及其使用方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及纤维增强树脂基复合材料制备装置领域，尤其涉及纤维/树脂基复合材料控胶浸胶机及其使用方法和应用。所述浸胶机结构为：底板的两侧设置有胶液收集装置，以便于收集多余的胶液。浸胶管固定加热装置、初级混胶辊、次级混胶辊均位于底板的上方，且与底板之间具有空隙；控胶浸胶管位于浸胶管固定加热装置中，且控胶浸胶管上设置有与空隙连通的出胶孔；控胶浸胶管还与胶液存储装置连接，且两者的连通管路上设置有计量装置；底板的底部浸胶管固定加热装置、初级混胶辊、次级混胶辊对应的位置设有控温装置。该浸胶机具有封闭式浸胶、精确控制浸胶量、浸胶均匀、可浸胶树脂种类多等特点，适合于纤维增强树脂基复合材料生产的浸胶步骤。

Description

纤维/树脂基复合材料控胶浸胶机及其使用方法和应用

技术领域

本发明涉及纤维增强树脂基复合材料制备装置领域，尤其涉及一种用于制备长纤维增强树脂基复合材料的计量控胶浸胶机。

背景技术

本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

纤维增强树脂基复合材料，特别是拉挤成型工艺、缠绕成型工艺制造的复合材料，具有设计性强、重量轻、自动化程度高、生产效率高等特点，在航空航天、土木、体育休闲、轨道交通、能源动力等领域均有广泛的应用。

在拉挤成型工艺、缠绕成型工艺等复合材料成型工艺中，包含有纤维浸胶的步骤，纤维浸胶效果对复合材料性能具有重要影响，是成型工艺中的关键步骤。目前，浸胶工艺绝大部分都是敞开式浸胶，即将树脂倒入浸胶槽中，纤维从浸胶槽中通过，然后浸胶。例如，专利文献201720836683.3公开的碳纤维浸胶机构。专利文献201210079344.7公开的纤维预浸料间歇式浸胶机及其浸胶方法等。

然而，本发明人进一步研究发现：敞开式浸胶的整个工艺过程都是胶液敞开式放置在浸胶槽中，全程与空气接触，这带来了以下一些问题：①树脂胶液长时间在胶槽中流动，胶液老化快，减少树脂适用期；②树脂胶液长时间和空气接触，容易吸收空气中的水分和杂质，影响树脂性能；③纤维浸胶量不能精确计量、控制；④敞开式胶槽不适用于热塑性树脂基体的浸胶。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种纤维/树脂基复合材料控胶浸胶机及其使用方法和应用；这种浸胶机具有封闭式浸胶、精确控制浸胶量、浸胶均匀、可浸胶树脂种类多等特点，适合于纤维增强树脂基复合材料生产的浸胶步骤。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术手段为：

首先，本发明公开一种纤维/树脂基复合材料控胶浸胶机，包括：底板、胶液收集装置、浸胶管固定加热装置、控胶浸胶管、初级混胶辊、次级混胶辊和计量装置。

所述底板的两侧设置有胶液收集装置，以便于收集多余的胶液。所述浸胶管固定加热装置、初级混胶辊、次级混胶辊均位于底板的上方，且与底板之间具有空隙。

所述控胶浸胶管位于浸胶管固定加热装置中，且控胶浸胶管上设置有与所述空隙连通的出胶孔。控胶浸胶管还与胶液存储装置连接，且两者的连通管路上设置有计量装置。

另外，所述底板的底部设有三个温区的加热控温装置，三个温区位置分别和浸胶管固定加热装置、初级混胶辊、次级混胶辊的位置相对应。

其次，本发明公开利用所述控胶浸胶机进行制备纤维/树脂基复合材料的方法，包括如下步骤：

设置浸胶管固定加热装置、初级混胶辊、次级混胶辊下方的三个温区的温度依次序升高；

将纤维从底板上部，浸胶管固定加热装置、控胶浸胶管、初级混胶辊、次级混胶辊下部通过；经过控胶浸胶管时，树脂滴到增强纤维上部，带有树脂的纤维在牵引下前进；初级混胶辊碾压使胶液进入纤维内部，完成初级浸胶；次级混胶辊碾压使胶液进入纤维内部，完成次级浸胶，浸胶更加充分，即可。

最后，本发明还公开了所述控胶浸胶机在航空航天、土木、体育休闲、轨道交通、能源动力等领域中的应用，例如，用于制备适用于相应领域的纤维增强树脂基复合材料等。

与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：本发明通过将浸胶的方式从敞开的槽式浸胶设计成滴落式浸胶，有效克服了传统的敞开式浸胶出现的一些问题；因为本发明的浸胶方式能够根据使用量要求，由计量泵从胶液存储装置中向浸胶管打入需要的胶液，而在树脂胶液在浸胶之前，一直保存在封闭的树脂胶液容器内，减少了树脂胶液的老化和污染；而且计量泵能够精确控制浸胶的树脂胶液含量，达到计量式控胶、浸胶的效果。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1中纤维/树脂基复合材料控胶浸胶机的俯视图。

图2为本发明实施例1中纤维/树脂基复合材料控胶浸胶机的主视图。

其中，附图标记分别代表：1-底板、2-胶液收集装置、3-浸胶管固定加热装置、4-控胶浸胶管、5-初级混胶辊、6-次级混胶辊、7-计量装置。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如前文所述，现有的敞开式浸胶工艺导致：①树脂胶液长时间在胶槽中流动，胶液老化快，减少树脂适用期；②树脂胶液长时间和空气接触，容易吸收空气中的水分和杂质，影响树脂性能；③纤维浸胶量不能精确计量、控制；④敞开式胶槽不适用于热塑性树脂基体的浸胶。因此，本发明提出了一纤维/树脂基复合材料控胶浸胶机及其使用方法。

在一些典型实施方式中，所述胶液收集装置为设置在底板两侧边缘处的凹槽，其底部设置有排胶孔，以便于及时排出收集的胶液。

在一些典型实施方式中，所述浸胶管固定加热装置、初级混胶辊、次级混胶辊与底板之间的空隙依次减小，其有助于浸胶更加充分，密实。应当理解的是，所述混胶辊的数量还可以根据需要进一步增加。

在一些典型实施方式中，所述浸胶管固定加热装置内部含有加温控温装置，可对内部的控胶浸胶管加热，减少浸胶管内树脂的粘度。

在一些典型实施方式中，所述浸胶管的材质可根据胶液温度不同，选择橡胶、PP、聚四氟乙烯、金属等材质。

在一些典型实施方式中，所述浸胶管的底部有出胶孔，胶液通过排胶孔流出，滴落在下方的纤维上。

在一些典型实施方式中，所述计量装置为计量泵，根据纤维量、树脂含量要求，精确控制流出的树脂量。浸胶管的外侧端部和装树脂胶液的容器连接。

在一些典型实施方式中，所述控胶浸胶机还包括纤维牵拉装置，如牵引机等，其用于牵拉经过次级混胶辊后的纤维。

现结合说明书附图和具体实施方式对本发明进一步进行说明。

实施例1

参考图1和2，示例一种本发明设计的纤维/树脂基复合材料控胶浸胶机，包括：底板1、胶液收集装置2、浸胶管固定加热装置3、控胶浸胶管4、初级混胶辊5、次级混胶辊6和计量装置7。

所述底板1的两侧设置有胶液收集装置2，以便于收集多余的胶液。所述浸胶管固定加热装置3、初级混胶辊5、次级混胶辊6均位于底板1的上方，且与底板1之间具有空隙。

所述控胶浸胶管4位于浸胶管固定加热装置3中，且控胶浸胶管4上设置有与所述空隙连通的出胶孔，以便于将胶液输送至位于空隙中的纤维上。控胶浸胶管4还与胶液存储装置连接，且两者的连通管路上设置有计量装置7，以便于控制出胶量。

所述底板1的底部设有三个温区的加热控温装置，三个温区位置分别和浸胶管固定加热装置3、初级混胶辊5、次级混胶辊6的位置相对应；以便于对三个位置分别控温。

可以理解的是，在所述第一实施例的基础上，还可衍生出包括但不限于以下的技术方案或者其结合，以解决不同的技术问题，实现不同的发明目的，具体示例如下：

在一些实现中，所述胶液收集装置2为设置在底板1两侧边缘处的凹槽，其底部设置有排胶孔，以便于及时排出收集的胶液，胶液的滴落不可避免，因此，既需要保持底板1上的清洁，又有必要将滴落的胶液收集后进一步利用，而且，底板1的底部温区的设置还能够增加滴落在底板上的胶液的流动性，便于流入胶液收集装置2中；通过初级混胶辊5、次级混胶辊6的挤压，也可以及时将多余的胶液挤压至两侧的胶液收集装置2中。

在另一些实现中，所述浸胶管固定加热装置3、初级混胶辊5、次级混胶辊6与底板1之间的空隙依次减小，例如，依次为2mm、1.6mm、1.2mm。对于已经浸胶完成的纤维而言，下一步就是将胶液压入纤维束的内部，使纤维束与胶液充分结合，因此，需要混胶辊对含有胶液的纤维进行碾压，经过初级混胶辊碾压后部分胶液已经进入了纤维束的内部，此时纤维束之间的空隙进一步减小，胶液不再容易，因此，在进行进一步碾压时，将次级混胶辊6与底板1之间的空隙设置得更减小，而且将次级混胶辊6对应的温区温度设置得更高，使浸胶越充分，如浸胶管固定加热装置3、初级混胶辊5、次级混胶辊6各自对应的温区温度设置为40℃、42℃、45℃。

进一步地，在一些实现中，所述浸胶管固定加热装置3内部设置有加温控温装置，可对内部的控胶浸胶管4加热，减少浸胶管内树脂的粘度。所述浸胶管固定加热装置3和底板1不读的加温控温装置可采用传统的电加热棒和热电偶的组合形式，通过热电偶检测温度，并将其传导至外部的控制器，再由控制器控制电加热棒调节温度。应当理解的是，所述加温控温装置还可以采用其他的具有相关功能的装置，包括自行设计或者直接采用现有技术、市售产品等等，只要能够实现上述功能即可。

另外，在一些实现中，所述浸胶管4的材质可根据胶液温度不同，选择橡胶、PP、聚四氟乙烯、金属等材质。

进一步地，在一些实现中，所述浸胶管的底部有出胶孔，胶液通过出胶孔流出后，可直接滴落在下方的纤维上，更有利于保持浸胶管固定加热装置3的清洁。

在另一些实现中，所述计量装置7为计量泵，这种装置能够根据纤维量、树脂含量要求，精确控制流出的树脂量，而在树脂胶液在浸胶之前，一直保存在封闭的树脂胶液容器内，减少了树脂胶液的老化和污染。

进一步地，在一些实现中，所述控胶浸胶机还包括纤维牵拉装置(牵引机)，其用于牵拉经过次级混胶辊6后的纤维。

除此之外，本发明还利用上述控胶浸胶机实施了纤维/树脂基复合材料的制备工序，具体如下：

实施例2

12K碳纤维增强环氧树脂复合材料的制备，包括如下步骤：

(1)以60束12K碳纤维、环氧树脂为原料，制备的复合材料的规格为80g/m，其中，树脂含量40％，即碳纤维为48g/m，树脂为32g/m，设置纤维前进速度为0.5m/min，树脂则需要32g/m×0.5m/min＝16g/min，由于在浸润过程中会有部分树脂流出，流出树脂的比例为10％，则实际需要树脂的出胶量为16×1.1＝17.6g/min。

(2)纤维从浸胶机底板1上部，浸胶管固定加热装置3、控胶浸胶管4、初级混胶辊5、次级混胶辊6下部通过；

(3)经过浸胶管固定加热装置3、控胶浸胶管4时，树脂滴到增强纤维上部，带有树脂的纤维在前方牵引机的牵引下前进；

控胶浸胶管4的温度设定为40℃，计量泵7的计量参数设置为17.6g/min，底板1与浸胶管固定加热装置3底部之间的直线距离为2mm。

经过初级混胶辊5下部时，底板控温加热至42℃，树脂粘度下降，初级混胶辊5碾压使胶液进入纤维内部，完成初级浸胶，底板1与初级混胶辊5底部之间的直线距离为1.6mm；

纤维继续前进，经过次级混胶辊6下部时，底板控温加温至45℃，树脂粘度继续下降，次级混胶辊6碾压使胶液进入纤维内部，完成次级浸胶，浸胶更加充分，底板1与次级混胶辊6底部之间的直线距离为1.2mm；经过次级混胶辊6碾压后即完成拉挤成型工艺，然后由牵引机牵引出去后进一步处理，如固化等。挤出的多余的树脂流入胶液收集装置2中进行收集。

实施例3

高模量聚乙烯纤维增强聚乙烯树脂复合材料的制备，包括如下步骤：

(1)以线密度40g/m的聚乙烯纤维、聚乙烯树脂脂为原料，制备的复合材料规格为80g/m，其中，树脂含量为50％，即碳纤维40g/m，树脂40g/m，设置纤维前进速度为0.8m/min，树脂则需要40g/m×0.8m/min＝32g/min，由于在浸润过程中会有部分树脂流出，流出树脂的比例为则实际需要树脂为32×1.05＝33.6g/min。

(2)纤维从浸胶机底板1上部，浸胶管固定加热装置3、控胶浸胶管4、初级混胶辊5、次级混胶辊6下部通过；

经过浸胶管固定加热装置3、控胶浸胶管4时，树脂滴到增强纤维上部，带有树脂的纤维在前方牵引机的牵引下前进；

控胶浸胶管4的温度设定为200℃，计量泵7设置为33.6g/min，底板1与浸胶管固定加热装置3底部之间的直线距离为2.5mm。

经过初级混胶辊5下部时，底板控温加热至180℃，树脂粘度下降，初级混胶辊5碾压使胶液进入纤维内部，完成初级浸胶，底板1与初级混胶辊5底部之间的直线距离为2mm；

纤维继续前进，经过次级混胶辊6下部时，底板控温加温至170℃，树脂粘度继续下降，次级混胶辊6碾压使胶液进入纤维内部，完成次级浸胶，浸胶更加充分，底板1与次级混胶辊6底部之间的直线距离为1.7mm；经过次级混胶辊6碾压后即完成拉挤成型工艺，然后由牵引机牵引出去后进一步处理，如固化等。挤出的多余的树脂流入胶液收集装置2中进行收集。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种纤维/树脂基复合材料控胶浸胶机，其特征在于，包括：底板、胶液收集装置、浸胶管固定加热装置、控胶浸胶管、初级混胶辊、次级混胶辊和计量装置；所述底板的两侧设置有胶液收集装置，以便于收集多余的胶液。所述浸胶管固定加热装置、初级混胶辊、次级混胶辊均位于底板的上方，且与底板之间具有空隙；所述控胶浸胶管位于浸胶管固定加热装置中，且控胶浸胶管上设置有与所述空隙连通的出胶孔；控胶浸胶管还与胶液存储装置连接，且两者的连通管路上设置有计量装置；所述底板的底部设有三个温区的加热控温装置，三个温区位置分别和浸胶管固定加热装置、初级混胶辊、次级混胶辊的位置相对应。

2.如权利要求1所述的纤维/树脂基复合材料控胶浸胶机，其特征在于，所述胶液收集装置为设置在底板两侧边缘处的凹槽，其底部设置有排胶孔。

3.如权利要求1所述的纤维/树脂基复合材料控胶浸胶机，其特征在于，所述浸胶管固定加热装置、初级混胶辊、次级混胶辊与底板之间的空隙依次减小。

4.如权利要求1所述的纤维/树脂基复合材料控胶浸胶机，其特征在于，所述浸胶管固定加热装置内部含有加温控温装置。

5.如权利要求1所述的纤维/树脂基复合材料控胶浸胶机，其特征在于，所述浸胶管的底部有出胶孔。

6.如权利要求1所述的纤维/树脂基复合材料控胶浸胶机，其特征在于，所述计量装置为计量泵。

7.如权利要求1-6任一项所述的纤维/树脂基复合材料控胶浸胶机，其特征在于，所述浸胶管的材质包括橡胶、PP、聚四氟乙烯、金属中的任意一种。

8.如权利要求1-6任一项所述的纤维/树脂基复合材料控胶浸胶机，其特征在于，所述控胶浸胶机还包括纤维牵拉装置，其用于牵拉经过次级混胶辊后的纤维；优选地，所述，纤维牵拉装置为牵引机。

9.一种纤维/树脂基复合材料的制备方法，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的控胶浸胶机进执行，包括如下步骤：

设置浸胶管固定加热装置、初级混胶辊、次级混胶辊下方的三个温区的温度依次序升高；

将纤维从底板上部，浸胶管固定加热装置、控胶浸胶管、初级混胶辊、次级混胶辊下部通过；经过控胶浸胶管时，树脂滴到增强纤维上部，带有树脂的纤维在牵引下前进；初级混胶辊碾压使胶液进入纤维内部，完成初级浸胶；次级混胶辊碾压使胶液进入纤维内部，完成次级浸胶，浸胶更加充分，即可。

10.权利要求1-8任一项所述的纤维/树脂基复合材料控胶浸胶机在航空航天、土木、体育休闲、轨道交通、能源动力等领域中的应用，优选为用于制备纤维增强树脂基复合材料。

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