CN111645228A - 一种加捻连续天然纤维预浸料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种加捻连续天然纤维预浸料的制备方法，属于纤维增强复合材料技术领域。本发明在浸渍步骤中，依次对纤维纱束进行梳理、展丝、分股和收拢处理，增加了纤维在浸渍时的分散程度，使得流动性较差的基体材料能够渗透进入纤维间隙，进而更好地浸渍、包裹纤维，有效提高了纤维的浸渍率。本发明通过实时捕捉、对比和补偿，实现对捻度的补偿控制，有效地提升了加捻预浸料捻度的精确性和均匀性。本发明所述方法有效解决了基体材料浸渍纤维不充分的问题，同时通过捻度的补偿控制有效提升了捻度的精确性和均匀性，且成本低，效率高。

Description

一种加捻连续天然纤维预浸料的制备方法

技术领域

本发明涉及纤维增强复合材料技术领域，尤其涉及一种加捻连续天然纤维预浸料的制备方法。

背景技术

3D打印的预浸料制备是将纤维或织物浸渍在具有一定粘度的熔融基体后，经过冷却、干燥和收丝。该方法常将热塑性材料作为基体材料，而在纤维增强材料中，天然纤维具有价格低、来源广、可降解等优良特性，是一种绿色的理想增强材料；而连续天然纤维相比打碎或粉末状的天然纤维具有更好的增强效果。在纺织工业中，纤维纱是纤维纺成的细缕，加捻是将两根或两根以上的纤维纱沿轴向扭转，使纱与纱之间相互抱合形成纤维股线的工艺过程；由加捻产生的捻度是指纤维的每英寸线所绕的圈数，捻度越大，纤维强度越大，引入加捻纤维的预浸料具有更高的机械强度。

现有常见的连续天然纤维预浸料的制备方法是将纤维纱加捻形成纤维股线后，将纤维股线送入装有热塑性基体材料的浸渍设备内浸渍，经过冷却、干燥和收丝。该方法的缺点是：1)纤维纱在加捻后浸渍，会导致熔融态的基体材料由于流动性差，在浸渍过程中无法渗透进入纤维股线中各纱之间的间隙，从而使得纤维浸渍不充分，基体材料和纤维接触面积减少，界面结合强度下降，最终造成预浸料的机械性能降低；2)纤维纱加捻成股线的过程需要单独的加捻设备或手动加捻，然而，单独的加捻设备增加制备成本，而且由于加捻在浸渍之前进行，无法在纤维浸渍的同时及时补偿捻度，导致预浸料的捻度均匀性和精确性差，而手动加捻无法实现捻度的参数化控制，且生产效率低，人工成本高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种加捻连续天然纤维预浸料的制备方法，该方法不仅可以有效解决基体材料由于流动性差导致纤维浸渍不充分的问题，还解决了纤维捻度不均匀、不精确的问题，且成本低，效率高。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种加捻连续天然纤维预浸料的制备方法，包括以下步骤：

将天然纤维纱组成的纤维纱束浸渍于基体材料中，在所述浸渍的过程中，依次对所述纤维纱束进行梳理、展丝、分股和收拢，得到无捻预浸料；

将所述无捻预浸料进行加捻，在所述加捻过程中捕捉实时捻度，将所得实时捻度与目标捻度进行对比，当所述实时捻度和目标捻度的差值绝对值＞目标捻度的10％时，则继续进行加捻，直至所述实时捻度和目标捻度的差值绝对值≤目标捻度的10％，进行收丝，得到加捻预浸料；

将所述加捻预浸料依次进行冷却、干燥和收卷，得到加捻连续天然纤维预浸料；

所述目标捻度为10～20捻/寸。

优选的，将天然纤维纱的纤维纱束浸渍于基体材料中之前，还包括将所述天然纤维纱进行表面处理；所述表面处理为氢氧化钠溶液浸泡。

优选的，所述天然纤维纱为亚麻纱、剑麻纱或棉纱，所述天然纤维纱中纤维的直径为15～17μm。

优选的，所述基体材料为热塑性材料。

优选的，所述浸渍的温度≥所述基体材料的熔点。

优选的，所述无捻预浸料中天然纤维的含量为10～25wt％。

优选的，所述收拢所用收拢辊的转速为0.5～1r/min。

优选的，所述冷却的温度为10～20℃，所述干燥的温度为50～60℃。

优选的，所述收卷的过程中，通过位置传感器判断是否完成单卷，若判断为未完成单卷，返回至浸渍步骤，继续进行纤维纱束的浸渍、加捻、冷却、干燥和收卷，直至完成单卷，得到加捻连续天然纤维预浸料；所述单卷为预浸料长度达到325m时收卷所得预浸料。

优选的，判断是否完成单卷的依据为：设定完成单卷时收卷辊上丝材的最低位置与收卷箱箱底位置的垂直距离为标准高度，计算所述位置传感器测量所得实时高度和标准高度的误差，若所述误差大于标准高度的5％，则为未完成单卷，反之，则视为完成单卷；

所述实时高度为收卷辊上丝材的最低位置与收卷箱箱底位置的实时垂直距离。

本发明提供了一种加捻连续天然纤维预浸料的制备方法，包括以下步骤：将天然纤维纱组成的纤维纱束浸渍于基体材料中，在所述浸渍的过程中，依次对所述纤维纱束进行梳理、展丝、分股和收拢，得到无捻预浸料；将所述无捻预浸料进行加捻，在所述加捻过程中捕捉实时捻度，将所得实时捻度与目标捻度进行对比，当所述实时捻度和目标捻度的差值绝对值＞目标捻度的10％时，则继续进行加捻，直至所述实时捻度和目标捻度的差值绝对值≤目标捻度的10％，进行收丝，得到加捻预浸料；将所述加捻预浸料依次进行冷却、干燥和收卷，得到加捻连续天然纤维预浸料；所述目标捻度为10～20捻/寸。

本发明在浸渍步骤中，依次对纤维纱束进行梳理、展丝、分股和收拢处理，增加了纤维在浸渍时的分散程度，使得流动性较差的基体材料能够渗透进入纤维间隙，进而更好地浸渍、包裹纤维，有效提高了纤维的浸渍率，进而提高预浸料的机械强度；而且本发明先将纤维束浸渍后再进行加捻，能够使熔融态的基体材料充分渗透进入纤维股线中各纱之间的间隙，使得纤维浸渍充分，避免了现有方法纤维纱在加捻后浸渍而导致预浸料的机械性能降低的问题。

本发明通过实时捕捉、对比和补偿，实现对捻度的补偿控制，有效地提升了加捻预浸料捻度的精确性和均匀性。

本发明的方法所需设备简单，占地面积小，设备投资成本低，无需昂贵的专业加捻设备，同时自动化程度高，人工需求少。

相对于手动加捻，本发明的方法能够将加捻预浸料的整个生产过程集成于一套设备，极大地提高了生产效率。

本发明的制备方法有效解决了基体材料浸渍纤维不充分的问题，同时通过捻度的补偿控制有效提升了捻度的精确性和均匀性。

附图说明

图1为本发明中表面处理工艺以及形成纤维纱束的过程示意图；

图2为本发明中纤维纱束的结构示意图；

图3为本发明所述制备方法所用装置示意图；

图4为浸渍过程中浸渍箱中各辊的结构示意图；

图5为本发明实施例1中和对比例1中制备的无捻预浸料的截面对比结构示意图；

图6为加捻过程中加捻滚轮的加捻原理示意图；

图7为本发明方法制备的加捻预浸料的截面示意图；

图8为本发明加捻过程中补偿捻度的原理流程图；

图9为本发明收卷过程中判断是否完成单卷的原理流程图；

图10为本发明中加捻连续天然纤维预浸料的制备流程图；

其中，1-纱筒；2-浸泡箱；3-烘干机；4-浸渍箱；5-针刺；6-展丝辊；7-分股辊；8-过渡辊；9-收拢辊；10-聚集辊；11-加捻箱；12-加捻滚轮；13-弹簧；14-摄像机；15-补偿滚轮；16-水冷箱；17-烘箱；18-收卷箱；19-收卷辊；20-位置传感器；21-剪断装置。

具体实施方式

本发明提供了一种加捻连续天然纤维预浸料的制备方法，包括以下步骤：

将天然纤维纱组成的纤维纱束浸渍于基体材料中，在所述浸渍的过程中，依次对所述纤维纱束进行梳理、展丝、分股和收拢，得到无捻预浸料；

将所述无捻预浸料进行加捻，在所述加捻过程中捕捉实时捻度，将所得实时捻度与目标捻度进行对比，当所述实时捻度和目标捻度的差值绝对值＞目标捻度的10％时，则继续进行加捻，直至所述实时捻度和目标捻度的差值绝对值≤目标捻度的10％，进行收丝，得到加捻预浸料；

将所述加捻预浸料依次进行冷却、干燥和收卷，得到加捻连续天然纤维预浸料；

所述目标捻度为10～20捻/寸。

在本发明中，若无特殊说明，所需制备原料均为本领域技术人员熟知的市售商品。

本发明将天然纤维纱组成的纤维纱束浸渍于基体材料中，在所述浸渍的过程中，依次对所述纤维纱束进行梳理、展丝、分股和收拢，得到无捻预浸料。在本发明中，所述天然纤维纱优选为亚麻纱、剑麻纱或棉纱，所述天然纤维纱中纤维的直径优选为15～17μm，更优选为16μm。本发明对所述纤维纱束的规格没有具体限定，按照本领域熟知的方式得到纤维纱束即可。

在本发明中，将天然纤维纱组成的纤维纱束浸渍于基体材料中之前，优选还包括将所述天然纤维纱进行表面处理。在本发明中，所述表面处理优选为氢氧化钠溶液浸泡；所述浸泡的温度优选为20℃恒温；所述氢氧化钠溶液的质量浓度优选为20％；所述浸泡的时间优选为20min；本发明对所述氢氧化钠溶液的用量没有特殊的限定，能够完全浸泡天然纤维纱即可。在本发明的实施例中，所述表面处理的具体过程优选为在20℃恒温条件下，将置于多个纱筒上的天然纤维纱拉出，浸泡在质量浓度为20％的氢氧化钠溶液中处理20min；所述浸泡优选在浸泡箱中进行。

在本发明中，所述纱筒的数量优选为8～20支，所述纱筒的数量优选与所述纤维纱束的纱线根数保持一致。在本发明中，所述纱筒的数量优选与预浸料的纤维含量成正比，即同一种纤维增强的预浸料直径不变，纱筒数量越多，预浸料中纤维含量越高。

本发明通过表面处理充分溶解天然纤维纱中纤维表面的低分子杂质，使纤维丝间排列更加松散并沿受力方向取向，纤维排列松散导致纤维间隙增大，熔融态的基体材料更易进入纤维间隙，浸渍效果提升，纤维和基体材料的接触面积增大，机械强度提高，同时，当纤维沿受力方向分布时，受力方向的拉伸强度能够得到显著提高。

完成所述表面处理后，本发明优选将所得表面处理后的天然纤维纱依次进行清洗和干燥后，平行并排收卷至一个纱筒，形成具有多根纱丝的纤维纱束。在本发明中，所述清洗用试剂优选为清水或乙醇；所述清洗的时间优选为10min。在本发明中，所述干燥优选在烘干机中进行，所述干燥的温度优选为90℃～100℃，所述干燥的时间优选为1～3h。

在本发明中，所述表面处理以及形成纤维纱束的过程示意图如图1所示，将纱筒1上的纤维拉出，送入装有氢氧化钠溶液的浸泡箱2中，浸泡后清洗，将清洗后的纤维纱送入烘干机3干燥，然后将所得纤维纱平行拉出并收卷至单个纱筒，形成如图2所示的纤维纱束。

在本发明中，所述基体材料优选为热塑性材料，本发明对所述热塑性材料的种类没有特殊的限定，本领域熟知的热塑性材料均可，在本发明的实施例中，所述热塑性材料具体优选为聚乳酸或聚丙烯。

在本发明中，所述浸渍的温度优选≥所述基体材料的熔点，所述浸渍的温度更优选≤所述基体材料熔融温度以上50℃。在所述浸渍过程中，本发明优选采用螺杆补充基体材料。在本发明中，所述无捻预浸料中天然纤维的含量优选为10～25wt％，更优选为15～20wt％。本发明对所述浸渍的时间没有特殊的限定，能够满足上述天然纤维的含量即可。

在所述浸渍的过程中，依次对所述纤维纱束进行梳理、展丝、分股和收拢，即在所述梳理、展丝、分股和收拢的过程中，所述纤维纱束均浸没在熔融的基体材料中。

在本发明中，所述梳理的方式优选为针刺梳理，所述针刺的针频优选为45刺/cm²，针刺深度优选为25mm。本发明通过所述梳理步骤使得纤维纱束中各纱丝初步分散，但应避免由此产生的纤维划痕或断裂。

在本发明中，所述展丝的方式优选为机械展丝或气流展丝，本发明优选根据设备成本和展丝效果选取展丝的方式。本发明通过所述展丝步骤能够使纤维纱束中各纱丝进一步分散。

本发明对所述分股的过程没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程进行即可。本发明通过所述分股步骤使得纤维分为两股纱束，同时保证所述两股纱束的纱丝数量接近(两股纱束中纱丝数量最大差值优选＜5根，更优选为3根)，所述两股纱束在后续加捻步骤相互抱合缠绕形成加捻预浸料。

在本发明中，所述收拢优选包括依次进行的单股内收拢和两股间收拢。在本发明中，所述收拢的速度取决于收拢所用收卷辊的转速，为保证收拢缓慢进行，所述收拢辊的转速优选为0.5～1r/min，更优选为0.6～0.8r/min。本发明通过控制收拢的速度保证基体材料有足够的时间浸渍纤维间的间隙，最终形成浸渍充分的无捻预浸料。

得到无捻预浸料后，本发明将所述无捻预浸料进行加捻，在所述加捻过程中捕捉实时捻度，将所得实时捻度与目标捻度进行对比，当所述实时捻度和目标捻度的差值绝对值＞目标捻度的10％时，则继续进行加捻，直至所述实时捻度和目标捻度的差值绝对值≤目标捻度的10％，进行收丝，得到加捻预浸料。在本发明中，所述目标捻度为10～20捻/寸，优选为12～18捻/寸，更优选为15～16捻/寸；本发明通过设定目标捻度，从而制备符合目标捻度要求的预浸料。

在所述加捻过程中，本发明优选通过摄像机捕捉实时捻度的图像，通过计算机软件图像识别获取实时捻度的具体数值，然后将实时捻度与目标捻度对比，当所述实时捻度和目标捻度的差值绝对值＞目标捻度的10％时，判断捻度不合格，并生成相应代码控制设备继续进行加捻，补偿捻度的差值绝对值，反之，判断捻度合格，则收丝。本发明对所述计算机软件及图像识别所用程序代码没有特殊的限定，选用常规的相似算法能够通过采集的捻度图像获取捻度的具体数值即可。本发明通过图像识别获得实时捻度，通过将实时捻度与设定好的目标捻度进行对比并判断捻度是否合格，与传统采用捻度仪测量捻度的方法相比，所用装置结构更加简单。

在所述加捻的过程中，所述扭矩的大小分别与所述目标捻度和收丝速度成正比(扭矩＝比例系数×目标捻度×收丝速度)。在本发明中，所述收丝速度优选为5～12mm/s，更优选为6～10mm/s，进一步优选为8～9mm/s，其中，所述比例系数为设定扭矩、目标捻度和收丝速度后，多次实验计算得到的比例值，用于表示扭矩、目标捻度和收丝速度的比例关系。

得到加捻预浸料后，本发明将所述加捻预浸料依次进行冷却、干燥和收卷，得到加捻连续天然纤维预浸料。

在本发明中，所述冷却的温度优选为10～20℃，更优选为15℃，所述干燥的温度优选为50～60℃，更优选为55℃。

在本发明所述收卷的过程中，本发明优选通过位置传感器判断是否完成单卷，若判断为未完成单卷，返回至浸渍步骤，继续进行纤维纱束的浸渍、加捻、冷却、干燥和收卷，直至完成单卷，得到加捻连续天然纤维预浸料；所述单卷为预浸料长度达到325m时收卷所得预浸料。在本发明中，若判断为完成单卷，剪断预浸料，得到加捻连续天然纤维预浸料。

在本发明中，判断是否完成单卷的依据优选为：设定完成单卷时收卷辊上丝材的最低位置与收卷箱箱底位置的垂直距离为标准高度，所述位置传感器将测量所得实时高度发送给计算机，通过软件程序判断实时高度和标准高度的误差，若所述误差大于标准高度的5％，则为未完成单卷，反之，则视为完成单卷；所述实时高度为收卷辊上丝材的最低位置与收卷箱箱底位置的实时垂直距离。本发明对所述位置传感器和软件程序没有特殊的限定，采用常规的能够实现上述功能的位置传感器和软件程序即可。现有技术采用计米装置或称重装置判断完成单卷，而本发明只需位置传感器即可判断完成单卷，设备简单，空间占比小。

在本发明中，制备所述加捻连续天然纤维预浸料的装置示意图如图3所示，以下根据装置部件名称对本发明所述加捻连续天然纤维预浸料的制备过程进行详细说明；其中，3-烘干机；4-浸渍箱；5-针刺；6-展丝辊；7-分股辊；8-过渡辊；9-收拢辊；10-聚集辊；11-加捻箱；12-加捻滚轮；13-弹簧；14-摄像机；15-补偿滚轮；16-水冷箱；17-烘箱；18-收卷箱；19-收卷辊；20-位置传感器；21-剪断装置。

本发明将天然纤维纱组成的纤维纱束浸渍于盛有基体材料的浸渍箱4中，在所述浸渍的过程中，依次对所述纤维纱束进行梳理、展丝、分股和收拢，得到无捻预浸料。本发明优选利用针刺5对纤维进行梳理。当所述展丝的方式优选为机械展丝时，本发明优选通过展丝辊6的张紧力对纤维实现机械展丝。本发明对所述张紧力没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程进行即可。本发明优选通过分股辊7进行所述分股。在本发明中，所述收拢优选包括依次进行的单股内收拢和两股间收拢，当进行所述单股内收拢时，本发明优选通过过渡辊8、收拢辊9实现单股内收拢，当进行所述两股间收拢时，本发明优选通过聚集辊10实现两股间收拢。

在本发明中，所述浸渍过程中，浸渍箱4中所述梳理、展丝、分股和收拢所用各辊的结构示意图如图4所示，沿纤维纱束的行进方向上，依次设置有针刺5、展丝辊6(绕行路径如图3所示)、分股辊7、过渡辊8、收拢辊9和聚集辊10；其中，展丝辊6的辊槽为等腰梯形(槽宽L，底角＝75°)，使纤维能够沿着梯形腰下滑，在张紧力作用下均匀分布在辊上；分股辊7的辊槽为双梯形(单个槽宽L/2，底角＝80°)，使纤维在分股辊7上被均匀分成两股纱束；过渡辊8(槽宽L/2，底角＝75°)使得纤维收拢过程放缓，有利于基体材料更充分地浸渍纤维；收拢辊9和聚集辊10的辊槽均为圆弧形(圆弧角分别优选为120°、160°)，使得纤维能更加均匀地收拢成如图5(b)所示的无捻预浸料。本发明对所述分股辊7和过渡辊8的槽宽没有特殊的限定，根据纤维纱束的纤维纱根数进行实际调整即可。

得到无捻预浸料后，本发明将所述无捻预浸料进行加捻，在所述加捻过程中捕捉实时捻度，将所得实时捻度与目标捻度进行对比，当所述实时捻度和目标捻度的差值绝对值＞目标捻度的10％时，则继续进行加捻，直至所述实时捻度和目标捻度的差值绝对值≤目标捻度的10％，进行收丝，得到加捻预浸料。

在本发明中，所述加捻优选在加捻箱11中进行；如图6所示，本发明优选利用加捻滚轮12(滚轮转速优选为20r/min)对无捻预浸料施加扭矩，同时利用弹簧13保证该扭矩为持续扭矩，从而形成如图7所示的加捻预浸料。；所述扭矩优选为0.01～0.08N·m，更优选为0.02～0.06N·m，进一步优选为0.04～0.05N·m。

在本发明的实施例中，所述补偿捻度的原理流程图如图8所示，摄像机14捕捉加捻预浸料的实时捻度图像，然后将实时捻度图像发送至计算机，通过Python和OpenCV进行特征提取，得到准确的实时捻度，并基于图像相似度算法对实时捻度和目标捻度进行相似度计算，得出实时捻度和目标捻度的差值绝对值，若所得差值绝对值大于目标捻度的10％，判断捻度不合格，同时将该差值绝对值换算为G代码(每相差一个单位捻度(捻/寸)，G代码对应控制补偿滚轮15旋转1周，G代码将捻度的差值绝对值作为电机的旋转周数控制电机带动补偿滚轮15旋转，旋转方向与差值绝对值正负相关，当差值绝对值为正，补偿滚轮15的旋转方向与加捻滚轮12相同，反之，与加捻滚轮相反)控制补偿滚轮15正反转补偿差值绝对值捻度，反之，若差值绝对值≤10％，控制收卷辊19收丝。本发明对所述G代码没有特殊的限定，能够实现控制电机的旋转圈数和旋转方向的常规熟知代码均可。

得到加捻预浸料后，本发明将所述加捻预浸料依次进行冷却、干燥和收卷，得到加捻连续天然纤维预浸料。在本发明中，所述冷却优选在水冷箱16中进行，所述干燥优选在烘箱17中进行。在本发明中，所述收卷优选在收卷箱18中进行，更优选在收卷辊19上完成收卷；所述收卷辊19的转速优选为0.5r/min。

在本发明中，判断是否完成单卷的原理流程图如图9所示，完成单卷时收卷辊上丝材的最低位置与收卷箱箱底位置的垂直距离为标准高度h0，位置传感器20感知收卷辊19上已收卷预浸料的实时高度h，并将该高度发送到计算机，计算机比较实时高度h与标准高度h0的误差大小，若误差≤5％，则视为完成单卷，通过计算机输出剪断代码和停机代码，控制剪断装置21剪断预浸料，同时停机，停机后更换已经完成单卷的收卷辊，进行下一卷预浸料的制备，若误差＞5％，则返回浸渍步骤，重复进行浸渍、加捻、冷却、干燥和收卷，直至高度误差≤5％。本发明对所述剪断代码和停机代码没有特殊的限定，本领域熟知的能够实现剪断和停机的代码均可。在本发明中，所述剪断预浸料的传动方式优选为机械传动或液压传动。

本发明实施例所述加捻连续天然纤维预浸料的制备流程图如图10所示，本发明先对天然纤维纱进行表面处理，然后在浸渍过程中进行梳理、展丝、分股和收拢，将所得无捻预浸料进行加捻，在所述加捻过程中判断捻度是否合格，如果不合格，进行补偿捻度，直至捻度合格后，进行收丝，将所得加捻预浸料冷却干燥后进行收卷，在所述收卷过程中判断是否完成单卷，如果未完成单卷，返回至浸渍步骤，重复进行浸渍、加捻、冷却、干燥和收卷的过程直至完成单卷，剪断停机，得到加捻连续天然纤维预浸料。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明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

(1)如图1所示，在20℃恒温环境下，将8支纱筒1上的亚麻纤维(直径：15μm20tex)拉出，送入装有质量浓度为20％的氢氧化钠溶液的浸泡箱2中，浸泡处理20min后，送入清水中清洗10min，将清洗后的纤维纱送入烘干机3(烘干温度90℃)干燥1h，然后将纤维纱平行拉出并收卷至单个纱筒，形成具有8根纤维纱的纤维纱束，所述纤维纱束的结构示意图如图2所示；

(2)如图3所示，将所述亚麻纤维的纤维纱束送入装有聚乳酸(熔点170℃)的浸渍箱4(浸渍箱温度200℃)中，利用针刺5(针频为45刺/cm²，针刺深度25mm)对纤维纱束进行梳理后，梳理后纤维纱束送至展丝辊6，进行机械展丝，展丝后的纤维输送至分股辊7处被分成两股纱束(两股纱束的纱丝数量差值为3根)，然后在过渡辊8、收拢辊9(转速为0.6r/min)实现单股内收拢，在聚集辊10实现两股间收拢，形成浸渍充分的无捻预浸料(纤维含量为20wt％)；浸渍后所得无捻预浸料的截面示意图如图5中的(b)所示；

图4为浸渍过程中浸渍箱中各辊的结构示意图，其中，展丝辊6辊槽为等腰梯形(槽宽L，底角＝75°)；分股辊7辊槽为双梯形(单个槽宽L/2，底角＝80°)；过渡辊8(槽宽L/2，底角＝75°)、收拢辊9和聚集辊10辊槽均为圆弧形(圆弧角分别为120°、160°)；

(3)将所述无捻预浸料送入加捻箱11，设定目标捻度为10捻/寸，如图6所示，利用加捻滚轮12(滚轮转速20r/min)对所述无捻预浸料施加扭矩(扭矩大小为0.03N·m)，弹簧13用于保证该扭矩为持续扭矩，形成加捻预浸料(如图7所示)，然后按照图8所示方法，使用摄像机14捕捉加捻预浸料的实时捻度的图像，然后将实时捻度的图像发送至计算机，通过Python和OpenCV进行特征提取，过滤得到准确的实时捻度的具体数值，并基于图像相似度算法对实时捻度和目标捻度进行相似度计算，得出捻度的差值绝对值，若所得差值绝对值大于目标捻度的10％，判断捻度不合格，同时将该差值绝对值换算为G代码控制补偿滚轮15正反转补偿差值绝对值捻度(每相差一个单位捻度(捻/寸)，G代码对应控制补偿滚轮15旋转1周，G代码将捻度的差值绝对值作为电机的旋转周数控制电机带动补偿滚轮15旋转，旋转方向与差值绝对值正负相关，当差值绝对值为正，补偿滚轮15的旋转方向与加捻滚轮12相同，反之，与加捻滚轮相反)，直至所得差值绝对值≤10％，控制收卷辊19收丝(收丝速度为6mm/s)，得到加捻预浸料；

(4)将所述加捻预浸料依次送入水冷箱16(水冷温度15℃)冷却和烘箱17(烘箱温度55℃)中进行干燥；

(5)将干燥后的加捻预浸料送入收卷箱18，由收卷辊19(转速0.5r/min)完成预浸料的收卷，在收卷过程中，设定完成单卷时收卷辊上丝材的最低位置与收卷箱箱底位置的垂直距离为标准高度h0，按照如图9所示方法，使用位置传感器20感知收卷辊上已收卷预浸料的实时高度h，并将该实时高度发送到计算机，计算机比较实时高度h与标准高度h0(h0＝20mm)的高度误差大小，若所得误差≤5％，则视为完成单卷(预浸料长度达到325m)，通过计算机输出剪断和停机的G代码，依靠机械传动控制剪断装置21剪断预浸料，同时停机，停机后更换已经完成单卷的收卷辊，进行下一卷预浸料的制备，若所得误差大于5％，则返回步骤(2)，并重复步骤(2)～(5)，直到高度误差≤5％。

对比例1

本对比例采用传统预浸渍方法制备无捻预浸料，按照现有技术(QinghaoHe，HongjianWang，KunkunFu，LinYe.3DprintedcontinuousCF/PA6composites:Effectofmicroscopicvoidsonmechanicalperformance[J].CompositesScienceandTechnology,2020,191.)记载的方法制备无捻预浸料，即将连续纤维连续送入装有熔融态基体材料的浸渍池，然后从浸渍池送出，得到传统的无捻预浸料，将其图1的SEM图转化为截面结构示意图，如图5所示；

将实施例1步骤(2)浸渍后制备的无捻预浸料的截面结构示意图与对比例1制备的无捻预浸料的截面结构示意图进行对比，如图5所示。图5中，(a)为对比例1制备的无捻预浸料的截面结构示意图，(b)为实施例1制备的无捻预浸料的截面结构示意图，经对比可知，对比例1中传统方法制备的无捻预浸料存在明显的纤维富集区和基体材料富集区，熔融态高粘度的基体材料难以进入纤维的间隙，使得预浸料内部出现较多孔隙，影响其机械强度；而本发明实施例1步骤(2)浸渍后所得的无捻预浸料中纤维丝分散分布，基体材料有足够空间进入纤维之间，纤维和基体材料的接触面积增加、孔隙减少，机械强度得到显著提高。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于：纤维为棉纤维(直径为17μm15tex)，基体材料为聚乳酸(熔点170℃)，且存在以下参数变化：

步骤(1)中，在20℃的恒温环境下，将10支棉纤维纱筒1上的棉纤维(直径：15μm15tex)拉出，送入装有浓度为10％的氢氧化钠溶液的浸泡箱2中，浸泡处理15min；

步骤(2)中，利用针刺5对棉纤维进行梳理，针刺5针频为50刺/cm²，针刺深度为27mm，无捻预浸料的纤维含量为17wt％；

其余同实施例1。

与实施例1相比，实施例2采用棉纤维作为增强纤维，由于棉纤维本身重量较亚麻纤维轻，且具有一定的抗阻燃性能，故在制备同等长度、直径预浸料的情况下，实施例2制备的预浸料重量更轻，且具有一定的抗阻燃性能。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于：纤维为剑麻纤维(直径为15μm17tex)，基体材料为聚丙烯(熔点为165℃)，且存在以下参数变化：

步骤(2)中，浸渍箱4温度为180℃；

步骤(4)中，加捻预浸料进入水冷箱16(水冷温度为13℃)冷却，进入烘箱17(烘箱温度为60℃)干燥；

其余同实施例1。

与实施例1相比，实施例3采用剑麻纤维作为增强纤维，由于剑麻纤维比亚麻纤维的硬度更大、更易脆，故实施例3制备的预浸料硬度更大，且表现出易脆特性。

由以上实施例可知，本发明提供了一种加捻连续天然纤维预浸料的制备方法，所述方法有效解决了基体材料浸渍纤维不充分的问题，同时通过捻度的补偿控制有效提升了捻度的精确性和均匀性，且成本低，效率高。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种加捻连续天然纤维预浸料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将天然纤维纱组成的纤维纱束浸渍于基体材料中，在所述浸渍的过程中，依次对所述纤维纱束进行梳理、展丝、分股和收拢，得到无捻预浸料；

将所述无捻预浸料进行加捻，在所述加捻过程中捕捉实时捻度，将所得实时捻度与目标捻度进行对比，当所述实时捻度和目标捻度的差值绝对值＞目标捻度的10％时，则继续进行加捻，直至所述实时捻度和目标捻度的差值绝对值≤目标捻度的10％，进行收丝，得到加捻预浸料；

将所述加捻预浸料依次进行冷却、干燥和收卷，得到加捻连续天然纤维预浸料；

所述目标捻度为10～20捻/寸。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，将天然纤维纱的纤维纱束浸渍于基体材料中之前，还包括将所述天然纤维纱进行表面处理；所述表面处理为氢氧化钠溶液浸泡。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述天然纤维纱为亚麻纱、剑麻纱或棉纱，所述天然纤维纱中纤维的直径为15～17μm。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述基体材料为热塑性材料。

5.根据权利要求1或4所述的制备方法，其特征在于，所述浸渍的温度≥所述基体材料的熔点。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述无捻预浸料中天然纤维的含量为10～25wt％。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述收拢所用收拢辊的转速为0.5～1r/min。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述冷却的温度为10～20℃，所述干燥的温度为50～60℃。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述收卷的过程中，通过位置传感器判断是否完成单卷，若判断为未完成单卷，返回至浸渍步骤，继续进行纤维纱束的浸渍、加捻、冷却、干燥和收卷，直至完成单卷，得到加捻连续天然纤维预浸料；所述单卷为预浸料长度达到325m时收卷所得预浸料。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，判断是否完成单卷的依据为：设定完成单卷时收卷辊上丝材的最低位置与收卷箱箱底位置的垂直距离为标准高度，计算所述位置传感器测量所得实时高度和标准高度的误差，若所述误差大于标准高度的5％，则为未完成单卷，反之，则视为完成单卷；

所述实时高度为收卷辊上丝材的最低位置与收卷箱箱底位置的实时垂直距离。

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