CN112140547A - 一种芳纶纤维增强热塑性树脂复合丝材成形方法及装备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种芳纶纤维增强热塑性树脂复合丝材成形方法及装备，属于复合材料和增材制造的交叉领域，解决芳纶纤维复合丝材成形过程浸润效果差的问题。本发明将芳纶纤维进行表面去浆提高了纤维表面结合性能，通过多级加热展纤增大了纤维束的宽度为振动落粉和熔融挤出浸润提供了有利支撑，采用热塑性树脂对芳纶纤维进行两次浸润，使纤维浸润效果有效提升。本发明成形装备包括：纤维放卷机构、纤维去浆机构、多级加热展纤机构、振动落粉机构、加热熔融机构、熔融挤出机构、冷却干燥机构、复合丝材收卷机构和控制系统。本发明适用于芳纶纤维增强热塑性树脂复合丝材，用于提升热塑性树脂对芳纶纤维浸润效果，为增材制造复合材料成形奠定基础。

Description

一种芳纶纤维增强热塑性树脂复合丝材成形方法及装备
技术领域
本发明涉及一种芳纶纤维增强热塑性树脂复合丝材成形方法及装备，属于复合材料与增材制造的交叉技术领域。
背景技术
芳纶纤维具有的高强度、高弹性模量、耐高温、耐磨、阻燃等性能，可在航天航空材料、头盔、轮胎骨架等方面应用。连续纤维增强复合材料增材制造是一种复合材料成形的新方法，芳纶纤维增强复合材料具有广泛的应用前景。芳纶纤维表面具有水溶性上浆剂，在其成形复合丝材过程中树脂无法浸润到纤维束内部，易导致浸润效果差或不足的问题，严重制约了连续纤维增强复合材料增材制造构件的成形质量和构件力学性能。
发明内容
针对芳纶纤维增强热塑性树脂复合丝材浸润效果不足且直接影响增材制造复合材料结构力学性能等问题，提出的一种芳纶纤维增强热塑性树脂复合丝材成形方法及装备，提高了芳纶纤维增强热塑性树脂复合丝材的浸润效果和成形质量，解决了纤维表面上浆剂对树脂浸润过程的阻碍、纤维丝束宽度不足无法提升浸润效果和单次浸润效果不佳等问题，从而实现芳纶纤维增强热塑性树脂复合丝材高效、高性能、高质量成形，为提升复合材料构件的成形质量和构件性能奠定了基础，推动连续纤维增材制造技术的发展。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
首先，本发明提供了一种芳纶纤维增强热塑性树脂复合丝材成形装备，包括纤维放卷机构、纤维去浆机构、多级加热展纤机构、振动落粉机构、加热熔融机构、熔融挤出机构、冷却干燥机构、复合丝材收卷机构和控制系统；
所述纤维放卷机构(10)，用于安装芳纶纤维丝卷，单束芳纶纤维依次经过纤维去浆机构(20)、多级加热展纤机构(30)、振动落粉机构(40)、加热熔融机构(50)、熔融挤出机构(60)、冷却干燥机构(70)；
所述纤维去浆机构，对芳纶纤维束中单丝表面的上浆剂去除，获得表面结合性能更优的纤维束；
所述多级加热展纤机构，对去浆后芳纶纤维剩余的水分进行去除和多级展纤，使芳纶纤维束宽度增大，提高了芳纶纤维束与树脂的接触面积；
所述振动落粉机构，粉末树脂振落于多级展纤后的芳纶纤维束，通过防静电压实辊将粉末树脂与芳纶纤维束再次压实，提升了粉末树脂对芳纶纤维束接触与包裹效果；
所述加热熔融机构，将包裹芳纶纤维束的粉末树脂加热熔融，使其包裹纤维丝束，对其进行一次浸润；
所述熔融挤出机构，将颗粒树脂加热熔融后，再次包裹芳纶纤维对其进行第二次浸润；
所述干燥冷却机构，对两次浸润树脂后的复合丝材进行干燥和冷却，便于后续收卷；
所述复合丝材收卷机构(80)将成形的芳纶纤维增强热塑性树脂复合丝材进行收卷；
所述控制系统，实时调节与控制该复合丝材成形装备运行过程中多个参数，如牵引速度、去浆温度、加热温度、振幅和振动频率、进料速度、螺杆转速和冷却风速。
进一步的，所述纤维去浆机构、多级加热展纤机构、加热熔融机构、熔融挤出机构均由控制系统协调控制其温度。
进一步的，所述振动落粉机构、熔融挤出机构、冷却干燥机构、复合丝材收卷机构均由控制系统协调控制其速度。
进一步的，所述纤维去浆机构包括恒温水浴、多级过丝机构和挤压脱水机构。
进一步的，所述挤压脱水机构具有一对无动力树脂包胶辊，通过调节两个滚接触表面之间的距离，保证去除较多的芳纶纤维粘附温水且不限制纤维的运动，同时将挤压出的水分回落于恒温水浴中。
进一步的，所述多级加热展纤机构由多个固定的镜面加热辊和导线轮组成。
进一步的，所述镜面加热辊由云母管、电加热线圈、镜面套管和云母隔板和辊安装座组成，可进行温度调节，并保持表面温度不低于100℃，同时镜面加热辊(31)所需组数，依据纤维的展纤宽度而定，不少于两组。
进一步的，所述振动落粉机构包括落粉腔室、粉末收集盒、落粉装置和防静电压实辊。
进一步的，所述防静电压实辊为一对无动力、表面光滑、具有防静电功能的树脂包胶辊，通过防静电压实辊的挤压，将纤维表面的粉末树脂与芳纶纤维束压实，提升树脂粉末对芳纶纤维束接触与包裹效果。
进一步的，所述加热熔融机构由外置电加热线圈、薄壁不锈钢管、云母管和安装座组成；经外置电加热线圈对薄壁不锈钢管进行加热，在其内部形成一个高温熔融通道，将包裹芳纶纤维束的树脂粉末进行加热熔融，对芳纶纤维进行第一次浸润。
进一步的，所述熔融挤出机构通过控制系统调节温度和挤出速度，将颗粒树脂熔融并对纤维进行第二次浸润，该机构分段加热装置由控制系统调节，满足不同树脂的熔融过程；该机构配套多规格口模，根据不同纤维规格、树脂等要求进行更换。
进一步的，所述熔融挤出机构为单螺杆挤出或双螺杆挤出机构。
进一步的，所述干燥冷却机构包括多组控温风扇、干燥冷却腔室和丝材稳定轮。
进一步的，所述冷却干燥机构由风冷方式对成形复合丝材进行冷却降温，通过控制各段温度，对复合丝材进行表面降温和干燥处理，避免复合丝材冷却过程受潮或冷却不均匀导致变形等问题。
进一步的，所述控制系统依据成形不同种类的芳纶纤维增强热塑性树脂复合丝材所用树脂种类、芳纶纤维规格、纤维含调节装备的牵引速度、去浆温度、加热温度、振幅和振动频率、进料速度、螺杆转速和冷却风速，保证芳纶纤维浸润效果。
进一步的，所述复合丝材收卷机构通过控制系统调节牵引速度和牵引力，将复合丝材缠绕在收料盘上。
进一步的，所述树脂为热塑性树脂，包括聚乳酸、聚酰胺、聚乙烯、PA6、PA66、ABS、高分子量聚乙烯、超高分子聚乙烯等。
进一步的，所述芳纶纤维为连续纤维，包括200D、400D、600D、840D和1500D等多种规格。
进一步的，所述复合丝材，其粉末树脂和颗粒树脂为同种型号。
本发明还提供了一种芳纶纤维增强热塑性树脂复合丝材成形方法，其特征在于，该方法主要步骤如下:首先将芳纶纤维进行表面去浆处理，提升其表面结合性能；其次将纤维进行多级加热展纤方式处理，去除残余水分并增大纤维宽度；再次通过振动方式将粉末树脂添加于纤维表面，并采用物理挤压方式将树脂与芳纶压实；经加热熔融方式使粉末树脂熔融对芳纶纤维进行第一次浸润，使纤维单丝被树脂包裹；再经过熔融挤出方式使树脂对纤维进行第二次浸润；再将两次浸润成形后的丝材进行干燥冷却；最后将成形的复合丝材进行收卷，完成一种芳纶纤维增强热塑性树脂复合丝材成形。
本发明的有益效果：
本发明提供的一种芳纶纤维增强热塑性树脂复合丝材成形方法及装备，改善复合丝材的浸润效果，提升复合丝材的力学性能，提高增材制造成形的复合材料构件的成形质量和综合力学性能。该装备具备去浆、多级加热展纤和两次树脂浸润等工艺过程，通过控制系统协调控制，可有效提高复合丝材的高效、高性能、高质量成形，采用该方法和设备进行芳纶纤维的复合丝材成形，将推动连续纤维增材制造技术的发展。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为纤维去浆机构示意图；
图3为本发明多级加热展纤机构的结构示意图；
图4为本发明振动落粉机构的结构示意图；
图5为本发明冷却干燥机构的结构示意图。
附图标记：
10—纤维放卷机构 20—纤维去浆机构 21—恒温水浴 22—多级过丝机构23—挤压脱水机构 30—多级加热展纤机构 31—镜面加热辊 40—振动落粉机构41—落粉腔室 42—粉末收集盒 43—落粉装置 44—防静电挤压辊 50—加热熔融机构 60—熔融挤出机构 70—冷却干燥机构 71—多组控温风扇 72—干燥冷却腔室80—复合丝材收卷机构 90—控制系统
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细的说明。
参照图1所示，芳纶纤维增强热塑性树脂复合丝材成形装备的结构，包括纤维放卷机构(10)、纤维去浆机构(20)、多级加热展纤机构(30)、振动落粉机构(40)、加热熔融机构(50)、熔融挤出机构(60)、冷却干燥机构(70)、复合丝材收卷机构(80)和控制系统。
纤维放卷机构(10)放置的芳纶纤维为连续纤维，芳纶纤维可为多种规格，包括200D、400D、600D、840D和1500D多种规格。
纤维去浆机构(20)对芳纶纤维束中单丝表面的上浆剂去除，获得表面结合性能更优的纤维束。纤维去浆机构(20)包括：恒温水浴(21)、多级过丝机构(22)和挤压脱水机构(23)。其中，恒温水浴(21)用于芳纶纤维表面上浆剂的去除；多级过丝机构(22)用于在恒温水浴(21)中传递芳纶纤维，增加芳纶纤维在恒温水浴(21)中的路径长度，充分去除芳纶纤维表面上浆剂；挤压脱水机构(23)用于除去芳纶纤维表面的温水，便于进入下一个工艺环节。
参照图2所示，多级加热展纤机构(30)由多个镜面加热辊(31)和导线轮组构成，去浆后的纤维绕过镜面加热辊去除去浆剂并增大纤维束宽度，镜面加热辊(31)的排布和数量根据纤维束的展开宽度而定；其中，镜面加热辊(31)用于去浆后芳纶纤维水分去除和展纤，该热辊采用内部加热线圈，可进行温度调节；导线轮用于对展纤后的芳纶纤维进入下一个工艺环节进行纤维导向。
参照图3所示，振动落粉机构(40)包括落粉装置(43)和防静电挤压辊(44)，其中落粉装置(43)上料腔室中有粉末树脂，通过调节落粉装置(43)的振动频率和振幅控制添加到纤维束表面的粉末树脂的质量，经过防静电挤压辊(44)将纤维束与粉末树脂压实，提升了树脂粉末对芳纶纤维束接触与包裹。其中，落粉腔室(41)用于限制粉末向四周扩散；粉末收集盒(42)用于收集未与纤维结合的粉末；落粉装置(43)用于通过振动方式将粉末树脂振落，使粉末落于纤维束表面；防静电压实辊(44)用于将粉末树脂粉末与芳纶纤维进行紧密压实。
加热熔融机构(50)将包裹芳纶纤维束的树脂粉末加热熔融，使其包裹纤维丝束，对其进行第一次浸润。
熔融挤出结构(60)将颗粒树脂加热熔融后，再次包裹芳纶纤维对其进行第二次浸润。
参照图4所示，冷却干燥机构(70)由多组控温风扇(71)组成，对浸润树脂后的复合丝材进行干燥和冷却，便于后续收卷，可根据不同树脂的冷却需求确定开启数量和调节温度。其中，多组控温风扇(71)可根据不同种类树脂降温需求调节风力大小，并对复合丝材进行干燥；干燥冷却腔室(72)用于干燥和冷却复合丝材。
复合丝材收卷机构(80)为该装备纤维及丝材运动提供牵引速度和牵引力，控制纤维与丝材运动过程，是复合丝材成形的保障。
树脂为热塑性树脂，包括聚乳酸、聚酰胺、聚乙烯、PA6、PA66、ABS、高分子量聚乙烯、超高分子聚乙烯等。
控制系统(90)可实时对该装备运行过程中多个参数的调节与控制，如复合丝材收卷机构(80)的牵引速度、振动落粉机构(40)的振幅和振动频率、熔融挤出机构(60)的进料速度、螺杆转速、冷却干燥机构(70)的冷却风速；同时，控制系统可依据制造不同种类的复合丝材所用的树脂种类、纤维规格、纤维含量调节装备的牵引速度、去浆温度、加热温度、振幅和振动频率、进料速度、螺杆转速和冷却风速，保证芳纶纤维浸润效果。

Claims (14)

1.一种芳纶纤维增强热塑性树脂复合丝材成形装备，其特征在于，包括：
纤维放卷机构(10)、纤维去浆机构(20)、多级加热展纤机构(30)、振动落粉机构(40)、加热熔融机构(50)、熔融挤出机构(60)、冷却干燥机构(70)、复合丝材收卷机构(80)和控制系统(90)；
所述纤维放卷机构(10)，用于安装芳纶纤维丝卷，单束芳纶纤维依次经过纤维去浆机构(20)、多级加热展纤机构(30)、振动落粉机构(40)、加热熔融机构(50)、熔融挤出机构(60)、冷却干燥机构(70)。
所述纤维去浆机构(20)，去除芳纶纤维束中单丝表面的上浆剂，获得表面结合性能更优的纤维束；
所述多级加热展纤机构(30)，对去浆后芳纶纤维剩余的水分进行去除和多级展纤，使芳纶纤维束宽度增大，提高了芳纶纤维束与树脂的接触面积；
所述振动落粉机构(40)，树脂粉末振落于展纤后的芳纶纤维束，通过防静电压实辊(44)将粉末树脂与芳纶纤维束再次压实，提升了树脂粉末对芳纶纤维束接触与包裹效果；
所述加热熔融机构(50)，将包裹芳纶纤维束的树脂粉末加热熔融，使其包裹纤维丝束，对其进行一次浸润；
所述干燥冷却机构(70)，对两次浸润树脂后的复合丝材进行干燥和冷却，便于后续收卷；
所述复合丝材收卷机构(80)，将成形的芳纶纤维增强热塑性树脂复合丝材进行收卷；
所述控制系统(90)，实时调节与控制该复合丝材成形装备运行过程中多个参数，如牵引速度、去浆温度、加热温度、振幅和振动频率、进料速度、螺杆转速和冷却风速。
2.根据权利要求1所述的一种芳纶纤维增强热塑性树脂复合丝材成形装备，其特征在于，所述纤维去浆机构(20)，包括：
恒温水浴(21)，将纯净水加热到一定温度并进行温度保持；
多级过丝机构(22)，用于在恒温水浴(21)中传递芳纶纤维，增加芳纶纤维在恒温水浴(21)中的路径长度，充分去除芳纶纤维表面上浆剂；
挤压脱水机构(23)，用于挤压减少芳纶纤维粘附的温水。
3.根据权利要求2所述的一种芳纶纤维增强热塑性树脂复合丝材成形装备，其特征在于，所述挤压脱水机构(23)具有一对无动力树脂包胶辊，通过调节两个辊接触表面之间的距离，去除较多的芳纶纤维粘附温水且不限制纤维的运动，并将挤压出的水分回落于恒温水浴(21)中。
4.根据权利要求1所述一种芳纶纤维增强热塑性树脂复合丝材成形装备，其特征在于，所述多级加热展纤机构(30)由多个固定的镜面加热辊(31)和导线轮组成；所述镜面加热辊(31)，由云母管、电加热线圈、镜面套管和云母隔板和辊安装座组成，可进行温度调节，并保持表面温度不低于100℃，同时镜面加热辊(31)所需组数，依据纤维的展纤宽度而定，不少于两组。
5.根据权利要求1所述的一种芳纶纤维增强热塑性树脂复合丝材成形装备，其特征在于，所述振动落粉机构(40)包括：
落粉腔室(41)，用于限制粉末向四周扩散；
粉末收集盒(42)，用于收集未与纤维结合的粉末；
落粉装置(43)，用于通过振动方式将粉末树脂振落于纤维束表面；
防静电压实辊(44)，用于将粉末树脂与芳纶纤维进行紧密压实。
6.根据权利要求5所述的一种芳纶纤维增强热塑性树脂复合丝材成形装备，其特征在于，所述防静电压实辊(44)为一对无动力、表面光滑、具有防静电功能的树脂包胶辊，通过防静电压实辊(44)的挤压，将纤维表面的粉末树脂与芳纶纤维束压实，提升了粉末树脂对芳纶纤维束接触与包裹。
7.根据权利要求1所述的一种芳纶纤维增强热塑性树脂复合丝材成形装备，其特征在于，所述加热熔融机构(50)由外置电加热线圈、薄壁不锈钢管、云母管和安装座组成；经外置电加热线圈对薄壁不锈钢管进行加热，在其内部形成一个高温熔融通道，将包裹芳纶纤维束的树脂粉末进行加热熔融，对芳纶纤维进行第一次浸润。
8.根据权利要求1所述的一种芳纶纤维增强热塑性树脂复合丝材成形装备，其特征在于，所述熔融挤出机构(60)，将颗粒树脂加热熔融后，再次包裹芳纶纤维对其进行第二次浸润。
9.根据权利要求1所述的一种芳纶纤维增强热塑性树脂复合丝材成形装备，其特征在于，所述干燥冷却机构(70)包括：
多组控温风扇(71)，根据不同种类树脂的复合丝材降温需求，调节风力大小，并对复合丝材进行干燥；
干燥冷却腔室(72)，用于干燥和冷却复合丝材。
10.根据权利要求1所述的一种芳纶纤维增强热塑性树脂复合丝材成形装备，其特征在于，所述控制系统(90)，可依据芳纶纤维增强热塑性树脂复合丝材所用树脂种类、芳纶纤维规格、纤维含调节装备的牵引速度、去浆温度、加热温度、振幅和振动频率、进料速度、螺杆转速和冷却风速，保证芳纶纤维浸润效果。
11.根据权利要求10所述的一种芳纶纤维增强热塑性树脂复合丝材成形装备，其特征在于，所述热塑性树脂，为聚乳酸、聚酰胺、聚乙烯、PA6、PA66、ABS、高分子量聚乙烯、超高分子聚乙烯等。
12.根据权利要求10所述的一种芳纶纤维增强热塑性树脂复合丝材成形装备，其特征在于，所述复合丝材，采用粉末树脂和颗粒树脂为同种型号。
13.根据权利要求10所述的一种芳纶纤维增强热塑性树脂复合丝材成形装备，其特征在于，所述芳纶纤维，为连续纤维，包括200D、400D、600D、840D和1500D等多种规格。
14.一种芳纶纤维增强热塑性树脂复合丝材成形方法，其特征在于，该方法主要步骤如下:首先将芳纶纤维进行表面去浆处理，提升其表面结合性能；其次将纤维进行多级加热展纤方式处理，去除残余水分并增大纤维宽度；再次通过振动方式将粉末树脂添加于纤维表面，并采用物理挤压方式将树脂与芳纶压实；经加热熔融方式使粉末树脂熔融对芳纶纤维进行第一次浸润，使纤维单丝被树脂包裹；再经过熔融挤出方式使树脂对纤维进行第二次浸润；再将两次浸润成形后的丝材进行干燥冷却；最后将成形的复合丝材进行收卷，完成一种芳纶纤维增强热塑性树脂复合丝材成形。
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