CN111805930A - 一种用于制备高性能芳纶复合芯的模具及其使用方法 - Google Patents

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刘胜春
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徐前
王景朝
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China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
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Abstract

本发明提出一种用于制备高性能芳纶复合芯的模具及其使用方法，该模具包括预成型器、加热模具和加热装置，预成型器包括依次间隔固定的筛板、中间收束板和出口板，所述筛板上设置有筛孔，所述中间收束板的中心设置收束孔，所述出口板的中心设置圆形出口；所述加热模具为中空的柱体，且中空部分为圆台内腔，圆台内腔的进口处与出口处呈喇叭状；所述加热装置分成三段包裹在加热模具外侧。使用本发明的模具并按其使用方法作业，实现了树脂更好的固化，制备出的芳纶复合芯表面光滑，纤维均匀平行排列，提升了复合芯的质量和性能。

Description

一种用于制备高性能芳纶复合芯的模具及其使用方法
技术领域
本发明属于材料成型技术领域，涉及芳纶复合芯的制备领域，尤其涉及一种用于制备高性能芳纶复合芯的模具及其使用方法。
背景技术
芳纶纤维是一种有机纤维，是继碳纤维之后的第二代高性能复合材料增强体，其自身具备多种优异的性能：例如，较高的纵向拉伸强度和较高的模量、低密度、强耐热性能和强抗化学介质腐烛性等，除此之外，芳纶纤维还具有相比金属和碳纤维更加优异的介电性能，因此，芳纶纤维也有“全能纤维”之称。
最初，芳纶纤维主要是用来制备防弹制品，随着对其性能的不断完善，逐渐与聚合物树脂、陶瓷和金属复合在一起形成了如今在各个领域广泛使用的新一代高性能复合材料。如今，在空天领域、汽车轮胎、防弹衣、防弹装甲车、电子电器以及高端体育制品等领域已经慢慢取代了多种传统材料，成为了一种不可或缺的结构性材料。由于各领域对材料性能的要求越来越苛刻，芳纶增强高性能复合材料将在社会进步和科技发展中发挥更为重要的作用。
现有技术中，通过拉挤成型来制备芳纶复合芯是一种十分经济且高效的方式，而用于拉挤制备芳纶复合芯的模具要求较高，已有的其他模具和制备方法已不能满足需求：首先，现有技术中的热塑性复合芯棒拉挤成型模具，包括同一轴线上设置的筒形模腔，模腔依次包括相通的加热段、恒温段及冷却段，加热段外围为加热装置，而此模具容易降低树脂含量，并且温度段不适用于芳纶复合芯的制备；再者，制备碳纤维制备复合芯时一般采用拉挤成型的方法，但由于碳纤维本身脆性较大，实际应用时容易断裂，也不适用于芳纶复合芯的制备。
综上，如何提供一种制备高性能芳纶复合芯的模具，使树脂更好的固化，制备出的芳纶复合芯表面光滑，纤维均匀平行排列，提升复合芯质量和性能，已经成为亟需解决的问题。
发明内容
为了克服现有技术存在的一系列缺陷，本发明的目的在于针对上述问题，提供一种用于制备高性能芳纶复合芯的模具，包括预成型器1、加热模具2和加热装置3，其特征在于，预成型器1包括依次间隔固定的筛板101、中间收束板102和出口板103，所述筛板101上设置有筛孔，所述中间收束板102设置收束孔，所述出口板103的中心设置圆形出口；所述加热模具2为中空的柱体，且中空部分为圆台内腔，圆台内腔的进口处与出口处呈喇叭状；所述加热装置3分成三段包裹在加热模具2外侧。
进一步的，筛孔阵列设置于筛板101的圆心处以及筛板101圆心的周围处，且筛孔整体呈圆形。
进一步的，筛板101的尺寸大小、筛孔的尺寸大小和筛孔的数量由复合芯的尺寸以及纤维股数决定，筛板101为PP材质。
进一步的，筛孔和收束孔的上部均设置有扇形包布孔，扇形包布孔上的包布宽度与收束孔内径相匹配，筛孔上的扇形包布孔和收束孔上的扇形包布孔位置相对应。
进一步的，筛孔、收束孔和圆形出口的轴线重合。
进一步的，圆台内腔的喇叭状进出口深为10mm；圆台锥度由加热模具2进出口直径尺寸差与加热模具2的长度尺寸决定；加热模具2的长度尺寸为80～120cm，且其进出口内径比值为0.8～1。
进一步的，加热装置3紧密贴合加热模具2，三段加热装置3的长度尺寸相等，且每段加热装置3的长度尺寸为加热模具2的长度尺寸与20cm的差值的三分之一，且三段加热装置3的温度根据树脂性能设定，温度为25～300℃。
进一步的，所述预成型器1总长度为10～50cm，圆形出口的直径尺寸大于加热模具2的进口直径尺寸。
本发明的目的还在于提供一种用于制备高性能芳纶复合芯的模具的使用方法，其特征在于：
S1)：选取芳纶纤维束浸入树脂胶槽中得到浸胶体，或者选取芳纶纤维束和包布分别浸入树脂胶槽中得到浸胶体；
S2)：浸胶体通过预成型器的筛板101，将芳纶纤维均匀排列通过出口板103，或者浸胶体的包布和芳纶纤维束分别由扇形包布孔和筛孔穿过，将芳纶纤维均匀排列，然后依次通过收束板102中心的收束孔和扇形包布孔，最后通过出口板103将包布紧密均匀包裹在纤维束表面，得到包覆体；
S3)：将纤维束或者包覆体由喇叭状进口穿过加热模具2的圆台内腔，并采用加热装置3进行高温固化，最后由履带式牵引机拉出，挤压成型得到芳纶纤维复合芯。
进一步的，履带式牵引机的牵引速度为100～150mm/min，预成型器1长度尺寸为200～500mm。
与现有技术相比，本发明提供了一种用于制备高性能芳纶复合芯的模具及其使用方法，具备以下有益效果：
1)本发明成本低，效果好，制备出的芳纶复合芯性能高；
2)本发明的预成型器能够有效排布进口纤维的位置，使制备的芳纶复合芯内部均匀，提高了复合芯的力学性能；
3)本发明的模具进出口的喇叭状开口使纤维平滑地进出，避免刮丝，模具内部锥度的存在，使得树脂被锁住，提高了芳纶复合芯的树脂含量；
4)本发明能使树脂更好的固化，制备出的芳纶复合芯表面光滑，纤维均匀平行排列，复合芯质量得到提升。
附图说明
图1为本发明的一种用于制备高性能芳纶复合芯的模具的整体结构示意图；
图2为本发明的一种用于制备高性能芳纶复合芯的模具的加热模具的结构示意图；
图3为本发明的一种用于制备高性能芳纶复合芯的模具的预成型器的结构示意图；
图4为本发明的一种用于制备高性能芳纶复合芯的模具的筛板的结构示意图；
图5为本发明的一种用于制备高性能芳纶复合芯的模具的收束板的结构示意图；
图6为本发明的一种用于制备高性能芳纶复合芯的模具的出口板的结构示意图。
图中附图标记为：
1-预成型器，101-筛板，102-收束板，103-出口板，2-加热模具，3-加热装置。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，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更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例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。
下面通过参考附图描述的实施例以及方位性的词语均是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
参照图1-6，提供一种用于制备高性能芳纶复合芯的模具，包括预成型器1、加热模具2和加热装置3，其特征在于，预成型器1包括依次间隔固定的筛板101、中间收束板102和出口板103，所述筛板101上设置有筛孔，所述中间收束板102设置收束孔，所述出口板103的中心设置圆形出口；所述加热模具2为中空的柱体，且中空部分为圆台内腔，圆台内腔的进口处与出口处呈喇叭状；所述加热装置3分成三段包裹在加热模具2外侧。
进一步的，筛孔阵列设置于筛板101的圆心处以及筛板101圆心的周围处，且筛孔整体呈圆形。
进一步的，筛板101的尺寸大小、筛孔的尺寸大小和筛孔的数量由复合芯的尺寸以及纤维股数决定，筛板101为PP材质。
进一步的，筛孔和收束孔的上部均设置有扇形包布孔，扇形包布孔上的包布宽度与收束孔内径相匹配，筛孔上的扇形包布孔和收束孔上的扇形包布孔位置相对应。
进一步的，筛孔、收束孔和圆形出口的轴线重合。
进一步的，圆台内腔的喇叭状进出口深为10mm；圆台锥度由加热模具2进出口直径尺寸差与加热模具2的长度尺寸决定；加热模具2的长度尺寸为80～120cm，且其进出口内径比值为0.8～1。
进一步的，加热装置3紧密贴合加热模具2，三段加热装置3的长度尺寸相等，且每段加热装置3的长度尺寸为加热模具2的长度尺寸与20cm的差值的三分之一，且三段加热装置3的温度根据树脂性能设定，温度为25～300℃。
进一步的，所述预成型器1总长度为10～50cm，圆形出口的直径尺寸大于加热模具2的进口直径尺寸。
本发明的目的还在于提供一种用于制备高性能芳纶复合芯的模具的使用方法，其特征在于：
S1)：选取芳纶纤维束浸入树脂胶槽中得到浸胶体，或者选取芳纶纤维束和包布分别浸入树脂胶槽中得到浸胶体；
S2)：浸胶体通过预成型器1的筛板101，将芳纶纤维均匀排列通过出口板103，或者浸胶体的包布和芳纶纤维束分别由扇形包布孔和筛孔穿过，将芳纶纤维均匀排列，然后依次通过收束板102中心的收束孔和扇形包布孔，最后通过出口板103将包布紧密均匀包裹在纤维束表面，得到包覆体；
S3)：将纤维束或者包覆体由喇叭状进口穿过加热模具2的圆台内腔，并采用加热装置3进行高温固化，最后由履带式牵引机拉出，挤压成型得到芳纶纤维复合芯。
进一步的，履带式牵引机的牵引速度为100～150mm/min，预成型器1长度尺寸为200～500mm。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
一种芳纶纤维复合芯的制备方法，包括以下步骤：
1)将芳纶浸入树脂胶槽中，树脂胶槽长80cm，宽20cm，得到浸胶体；
2)将浸胶体通过预成型器1的筛板101，将芳纶纤维均匀排列，最后通过出口板103；预成型器1长度为400mm；
3)将纤维束由喇叭状进口穿过加热模具2的圆台内腔，喇叭状进出口深为10mm；加热模具2长为100cm，直径为6.5mm，进出口内径比值为0.9，并采用加热装置3进行高温固化，加热装置3中，中段温度为100℃，前段和后段温度均为90℃，最后由履带式牵引机拉出，设置牵引速度150mm/min，挤压成型得到芳纶纤维复合芯。
实施例2
一种芳纶纤维复合芯的制备方法，包括以下步骤：
1)选取芳纶纤维束(芳纶Ⅱ)浸入树脂胶槽中，树脂胶槽长100cm，宽30cm，得到浸胶体；
2)将浸胶体通过预成型器1的筛板101，将芳纶纤维均匀排列，最后通过出口板103；预成型器1长度为500mm；
3)将纤维束由喇叭状进口穿过加热模具2的圆台内腔，喇叭状进出口深为10mm；加热模具2长为100cm，直径为6.5mm，进出口内径比值为0.8，并采用加热装置3进行高温固化，加热装置3中，中段温度为210℃，前段和后段温度均为200℃，最后由履带式牵引机拉出，设置牵引速度140mm/min，挤压成型得到芳纶纤维复合芯。
实施例3
一种芳纶纤维复合芯的制备方法，包括以下步骤：
1)选取芳纶纤维束(芳纶Ⅱ)和芳纶布作为包布，包布尺寸为10*0.6mm，总截面面积为模具口的55％，分别浸入树脂胶槽中，树脂胶槽长90cm，宽25cm，得到浸胶体；
2)将浸胶体通过预成型器1的筛板101，浸胶体的包布和芳纶Ⅱ纤维束分别由扇形包布孔和筛孔穿过，将芳纶纤维均匀排列，然后依次通过收束板102中心的收束孔和扇形包布孔，最后通过出口板103将包布紧密均匀包裹在纤维束表面，得到包覆体；预成型器1长度为300mm；
3)将包覆体由喇叭状进口穿过加热模具2的圆台内腔，喇叭状进出口深为10mm；加热模具2长为90cm，直径为6.5mm，进出口内径比值为1，并采用加热装置3进行高温固化，加热装置3中，中段温度为210℃，前段和后段温度均为200℃，最后由履带式牵引机拉出，设置牵引速度150mm/min，挤压成型得到芳纶纤维复合芯；
4)制备出的芳纶复合芯的径向压缩性能较未加芳纶布提高了21％。
实施例4
一种芳纶纤维复合芯的制备方法，包括以下步骤：
1)选取芳纶纤维束(芳纶Ⅱ)和两块芳纶布作为包布，包布尺寸为5*0.6mm，总截面面积为模具口的60％，分别浸入树脂胶槽中，树脂胶槽长80cm，宽20cm，得到浸胶体；
2)将浸胶体通过预成型器1的筛板101，浸胶体的包布和芳纶Ⅱ纤维束分别由扇形包布孔和筛孔穿过，将芳纶纤维均匀排列，然后依次通过收束板102中心的收束孔和扇形包布孔，最后通过出口板103将包布紧密均匀包裹在纤维束表面，得到包覆体；预成型器1长度为200mm；
3)将包覆体由喇叭状进口穿过加热模具2的圆台内腔，喇叭状进出口深为10mm；加热模具2长为100cm，直径为6.5mm，进出口内径比值为0.9，并采用加热装置3进行高温固化，加热装置3中，中段温度为90℃，前段和后段温度均为80℃，最后由履带式牵引机拉出，设置牵引速度100mm/min，挤压成型得到芳纶纤维复合芯；
4)制备出的芳纶复合芯的径向压缩性能较未加芳纶布提高了19％。
实施例5
一种芳纶纤维复合芯的制备方法，包括以下步骤：
1)选取芳纶纤维束(芳纶Ⅱ)和芳纶布作为包布，包布尺寸为5*0.6mm，总截面面积为模具口的60％，分别浸入树脂胶槽中，树脂胶槽长80cm，宽20cm，得到浸胶体；
2)将浸胶体通过预成型器1的筛板101，浸胶体的包布和芳纶Ⅱ纤维束分别由扇形包布孔和筛孔穿过，将芳纶纤维均匀排列，然后依次通过收束板102中心的收束孔和扇形包布孔，最后通过出口板103将包布紧密均匀包裹在纤维束表面，得到包覆体；预成型器1长度为400mm；
3)将包覆体由喇叭状进口穿过加热模具2的圆台内腔，喇叭状进出口深为10mm；加热模具2长为100cm，直径为2.5mm，进出口内径比值为0.8，并采用加热装置3进行高温固化，加热装置3中，中段温度为210℃，前段和后段温度均为200℃，最后由履带式牵引机拉出，设置牵引速度150mm/min，挤压成型得到芳纶纤维复合芯；
4)制备出的芳纶复合芯的径向压缩性能较未加芳纶布提高了25％。
实施例6
一种芳纶纤维复合芯的制备方法，包括以下步骤：
1)选取芳纶纤维束(芳纶Ⅱ)和E玻纤作为包布(二者体积比为3：1)，包布总截面面积为模具口的60％，分别浸入树脂胶槽中，树脂胶槽长80cm，宽20cm，得到浸胶体；
2)将浸胶体通过预成型器1的筛板101，浸胶体的包布和芳纶Ⅱ纤维束分别由扇形包布孔和筛孔穿过，将芳纶纤维均匀排列，然后依次通过收束板102中心的收束孔和扇形包布孔，最后通过出口板103将包布紧密均匀包裹在纤维束表面，得到包覆体；预成型器1长度为300mm；
3)将包覆体由喇叭状进口穿过加热模具2的圆台内腔，喇叭状进出口深为10mm；加热模具2长为100cm，直径为6.5mm，进出口内径比值为0.9，并采用加热装置3进行高温固化，加热装置3中，中段温度为240℃，前段和后段温度均为220℃，最后由履带式牵引机拉出，设置牵引速度140mm/min，挤压成型得到芳纶纤维复合芯；
4)制备出的芳纶复合芯的径向压缩性能较未加芳纶布提高了18％。
实施例7
一种芳纶纤维复合芯的制备方法，包括以下步骤：
1)选取芳纶纤维束(芳纶Ⅱ)和E玻纤作为包布(二者体积比为4：1)，包布总截面面积为模具口的55％，分别浸入树脂胶槽中，树脂胶槽长100cm，宽30cm，得到浸胶体；
2)将浸胶体通过预成型器1的筛板101，浸胶体的包布和芳纶Ⅱ纤维束分别由扇形包布孔和筛孔穿过，将芳纶纤维均匀排列，然后依次通过收束板102中心的收束孔和扇形包布孔，最后通过出口板103将包布紧密均匀包裹在纤维束表面，得到包覆体；预成型器1长度为400mm；
3)将包覆体由喇叭状进口穿过加热模具2的圆台内腔，喇叭状进出口深为10mm；加热模具2长为90cm，直径为6.5mm，进出口内径比值为0.9，并采用加热装置3进行高温固化，加热装置3中，中段温度为220℃，前段和后段温度均为200℃，最后由履带式牵引机拉出，设置牵引速度150mm/min，挤压成型得到芳纶纤维复合芯；
4)制备出的芳纶复合芯的径向压缩性能较未加芳纶布提高了23％。
实施例8
一种芳纶纤维复合芯的制备方法，包括以下步骤：
1)选取芳纶纤维束(芳纶Ⅱ)和E玻纤作为包布(二者体积比为3：1)，包布总截面面积为模具口的50％。分别浸入树脂胶槽中，树脂胶槽长90cm，宽25cm，得到浸胶体；
2)将浸胶体通过预成型器1的筛板101，浸胶体的包布和芳纶Ⅱ纤维束分别由扇形包布孔和筛孔穿过，将芳纶纤维均匀排列，然后依次通过收束板102中心的收束孔和扇形包布孔，最后通过出口板103将包布紧密均匀包裹在纤维束表面，得到包覆体；预成型器1长度为400mm；
3)将包覆体由喇叭状进口穿过加热模具2的圆台内腔，喇叭状进出口深为10mm；加热模具2长为100cm，直径为6.5mm，进出口内径比值为0.8。并采用加热装置3进行高温固化，加热装置3中，中段温度为100℃，前段和后段温度均为90℃，最后由履带式牵引机拉出，设置牵引速度130mm/min，挤压成型得到芳纶纤维复合芯；
4)制备出的芳纶复合芯的径向压缩性能较未加芳纶布提高了21％。
通过以上实施例的可知，使用本发明的模具并按照其使用方法作业，实现了树脂更好的固化的目标，制备出的芳纶复合芯表面光滑，纤维均匀平行排列，提升了复合芯的质量和性能。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于制备高性能芳纶复合芯的模具，包括预成型器(1)、加热模具(2)和加热装置(3)，其特征在于，预成型器(1)包括依次间隔固定的筛板(101)、中间收束板(102)和出口板(103)，所述筛板(101)上设置有筛孔，所述中间收束板(102)设置收束孔，所述出口板(103)的中心设置圆形出口；所述加热模具(2)为中空的柱体，且中空部分为圆台内腔，圆台内腔的进口处与出口处呈喇叭状；所述加热装置(3)分成三段包裹在加热模具(2)外侧。
2.根据权利要求1所述的一种用于制备高性能芳纶复合芯的模具，其特征在于，筛孔阵列设置于筛板(101)的圆心处以及筛板(101)圆心的周围处，且筛孔整体呈圆形。
3.根据权利要求2所述的一种用于制备高性能芳纶复合芯的模具，其特征在于，筛板(101)的尺寸大小、筛孔的尺寸大小和筛孔的数量由复合芯的尺寸以及纤维股数决定，筛板(101)为PP材质。
4.根据权利要求1所述的一种用于制备高性能芳纶复合芯的模具，其特征在于，筛孔和收束孔的上部均设置有扇形包布孔，扇形包布孔上的包布宽度与收束孔内径相匹配，筛孔上的扇形包布孔和收束孔上的扇形包布孔位置相对应。
5.根据权利要求1所述的一种用于制备高性能芳纶复合芯的模具，其特征在于，筛孔、收束孔和圆形出口的轴线重合。
6.根据权利要求1所述的一种用于制备高性能芳纶复合芯的模具，其特征在于，圆台内腔的喇叭状进出口深为10mm；圆台锥度由加热模具(2)进出口直径尺寸差与加热模具(2)的长度尺寸决定；加热模具(2)的长度尺寸为80～120cm，且其进出口内径比值为0.8～1。
7.根据权利要求1所述的一种用于制备高性能芳纶复合芯的模具，其特征在于，加热装置(3)紧密贴合加热模具(2)，三段加热装置(3)的长度尺寸相等，且每段加热装置(3)的长度尺寸为加热模具(2)的长度尺寸与20cm的差值的三分之一，且三段加热装置(3)的温度根据树脂性能设定，温度为25～300℃。
8.根据权利要求1所述的一种用于制备高性能芳纶复合芯的模具，其特征在于，所述预成型器(1)总长度为10～50cm，圆形出口的直径尺寸大于加热模具(2)的进口直径尺寸。
9.根据权利要求1-8任一所述的一种用于制备高性能芳纶复合芯的模具的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1)：选取芳纶纤维束浸入树脂胶槽中得到浸胶体，或者选取芳纶纤维束和包布分别浸入树脂胶槽中得到浸胶体；
S2)：浸胶体通过预成型器(1)的筛板(101)，将芳纶纤维均匀排列通过出口板(103)，或者浸胶体的包布和芳纶纤维束分别由扇形包布孔和筛孔穿过，将芳纶纤维均匀排列，然后依次通过收束板(102)中心的收束孔和扇形包布孔，最后通过出口板(103)将包布紧密均匀包裹在纤维束表面，得到包覆体；
S3)：将纤维束或者包覆体由喇叭状进口穿过加热模具(2)的圆台内腔，并采用加热装置(3)进行高温固化，最后由履带式牵引机拉出，挤压成型得到芳纶纤维复合芯。
10.根据权利要求9所述的一种用于制备高性能芳纶复合芯的模具的使用方法，其特征在于，履带式牵引机的牵引速度为100～150mm/min，预成型器(1)长度尺寸为200～500mm。
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