CN113059832A - 一种碳纤维增强树脂基拉挤板材的制备装置和制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种碳纤维增强树脂基拉挤板材的制备装置和制备方法。从左到右依次包括一个或多个设有张力调节装置的纱架、集纱板、胶槽自动注胶循环过滤系统、脱模布/膨体纱放置架、改进型固化成型系统、直线度红外预警纠偏系统、牵引设备、裁切机、托架装置和收卷机；本发明的制备装置和制备方法可以把使用环氧树脂制备厚度为4.9mm风电叶片大梁用碳纤维增强树脂基拉挤板材的生产速率由行业目前的0.4m/min提高至0.7m/min以上。同时，采用胶槽自动注胶循环过滤系统、改进型固化成型系统以及直线度红外预警纠偏系统等改善措施确保快速、稳定、连续地生产，不仅可以提高产品的生产效率，还可以提高产品的良率。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳纤维增强树脂基拉挤板材的制备装置和制备方法，属于风电叶片技术领域。
背景技术
随着风力发电机组功率的快速提升以及海上风电的普及，风电叶片正在向着大型化、轻量化、智能化快速发展，为了提升风电叶片的技术水平和制造水平，推进高性能复合材料在风电领域的应用是满足未来全球风电叶片发展需求的必然趋势。
传统的风电叶片多采用玻璃纤维灌注工艺制备，但随着叶片长度的增加，对增强材料的强度和刚度等性能提出了新的要求，玻璃纤维在大型复合材料叶片制造中逐渐显现出性能方面的不足。为了保证极端风载下叶尖不碰塔架，叶片必须具有足够的刚度。减轻叶片的重量，又要满足强度和刚度，最有效的方法就是主梁使用碳纤维。目前碳纤维在叶片主梁的主要使用形式是碳纤维复合材料拉挤板材，使用拉挤成型工艺制备，简称拉挤碳板。利用拉挤碳板制备的叶片主梁，工艺简单，效率高，减重明显。使用拉挤碳板来制备叶片大梁的方式是Vestas首先提出，开发成功后开始大批量使用，同时国内主要的叶片与主机厂也开展使用拉挤碳板设计叶片大梁的预研工作。
拉挤工艺是复合材料工艺中效率最高、成本最低的，质量稳定，连续成型易于实现自动化，适合工业化大批量生产。典型的拉挤速度为0.1～1.0m/min，高速拉挤成型速度可以达到5.0m/min以上，并且可以同时拉制多件产品，从而极大地提高了生产效率；此外，生产过程可以实现自动化控制，显著提高了复合材料制品质量的一致性，性能稳定；纤维含量高，最高可达70％以上，由于成型时纤维在张力作用下充分展直，纤维性能可以得到充分发挥，纵向力学性能突出，原材料利用率也可达到95％以上。现有的拉挤树脂包括不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂、环氧树脂等，一般用不饱和聚酯树脂和乙烯基树脂拉挤复合材料板材的生产速度较快，而用环氧树脂类增强树脂拉挤厚度4.9mm以上的复合材料板材，其生产速度普遍≤0.4m/min，生产效率较低，因此如何快速、稳定、连续地生产增强树脂基复合材料板材成为一项亟待解决的问题。此外，由于拉挤工艺流程较长，影响工艺稳定的因素较多，其中任意一步出现波动都会导致拉挤制品质量的波动。
发明内容
本发明解决的技术问题是：用增强树脂拉挤厚度4.9mm以上的复合材料板材，其生产速度普遍≤0.4m/min，生产效率较低，因此如何快速、稳定、连续地生产增强树脂基复合材料板材成为本发明所要解决的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种碳纤维增强树脂基拉挤板材的制备装置，包括依次设置的一个或多个设有张力调节装置的纱架、集纱板(3)、胶槽自动注胶循环过滤系统(4)、脱模布/膨体纱放置架(5)、改进型固化成型系统(6)、直线度红外预警纠偏系统(7)、牵引设备(8)、裁切机(9)、托架装置(10)和收卷机(11)；
所述胶槽自动注胶循环过滤系统(4)包括胶槽(17)、用于向胶槽(17)内注入胶液的自动注胶系统、用于过滤胶槽(17)内胶液中的毛纱的胶槽循环过滤系统和用于控制胶槽(17)中的胶液温度的胶槽温控系统；
所述胶槽(17)的上方依次设有导纱杆(16)、用于将纤维压入胶槽(17)的胶液之中的压纱杆(18)、用于梳理浸润过胶液的纤维的分纱梳(18)和用于将浸润过胶液的纤维上的多余胶液挤出的挤胶杆(21)。
优选地，所述胶槽(17)设有胶槽注水夹层(19)，所述胶槽温控系统包括用于向胶槽注水夹层(19)提供热水并设有加热温控系统的水槽(13)、用于向水槽(13)提供冰水的冰水机(14)，所述水槽(13)与胶槽注水夹层(19)之间设有水泵和用于让水槽里的水循环流动的通道，所述水槽(13)与冰水机(14)之间通过温控电磁阀连接。
所述胶槽温控系统的工作原理为：当水槽(13)内的水温低于设定值时，水槽(13)的加热温控系统启动加热功能，将水温加热至设定值；由于水槽(13)通过温控电磁阀与冰水机(14)连接，当水槽水温高于设定值时，温控电磁阀打开，通过冰水机(14)注入冰水至水槽，待水槽水温降至设定值时，温控电磁阀关闭，以达到胶槽恒温的效果，可控制胶槽温度在设定范围内。
优选地，所述胶槽(17)内还设有用于测量胶槽内胶液高度的液位传感器；所述胶槽自动注胶系统设有用于向胶槽(17)内注入胶液的自动注胶桶(22)和用于控制自动注胶桶(22)工作的注胶电磁阀，所述注胶电磁阀与液位传感器连接。
所述胶槽自动注胶系统的工作原理为：胶槽(17)内适当高度放置液位传感器测量胶槽内胶液液位，根据测量值和设定的胶槽液位来控制注胶电磁阀，来保持胶液液位不变，可以降低液位过低导致纤维浸润不良的风险，同时减少人工干预，降低胶槽液位波动，较小胶槽液位对板材直线度的影响。
优选地，所述胶槽循环过滤系统包括过滤桶(12)和过滤网(15)，所述过滤桶(12)的底部通过电动隔膜泵与胶槽(17)连通，所述胶槽(17)的底部设有与过滤桶(12)连通的出胶口。
所述胶槽循环过滤系统的工作原理为：胶槽(17)内的胶液通过电动隔膜泵与过滤桶(12)形成密闭循环，胶槽循环过滤系统的设置可以过滤胶槽内胶液中的毛纱，胶槽内的树脂胶液可以自动循环，可实现胶槽内的老胶与新胶充分混合，使胶槽内树脂活性基本一致，降低胶槽内树脂活性不同对板材直线度的影响。
优选地，所述改进型固化成型系统(6)设有长度为1200mm的模具(23)，所述改进型固化成型系统(6)包括六区电加热，六区电加热的温度分别设置为：一区温度115～125℃，二区温度145～155℃，三区温度165～175℃，四区温度185～195℃，五区温度165～175℃，六区温度145～155℃。
所述改进型固化成型系统(6)的工作原理为：相对于传统固化成型系统，模具(23)的加长有利于高速拉挤固化成型，胶液中的树脂固化更充分，有利于内应力释放以及板材直线度控制，采用六区加热，温控更加精准，预热区加长有利于高速拉挤过程中树脂胶液与纤维充分浸润。传统的固化成型系统模具长为900mm，采用3区电加热，一区温度设置为140～150℃，二区温度设置为170～180℃，三区温度设置为185～195℃。
优选地，所述直线度红外预警纠偏系统(7)包括两台红外接收机(24)、两台红外发射机(26)、用于定位的导向柱(27)和蜂鸣器，所述红外接收机(24)设于的模具(23)的出口处，所述红外发射机(26)设于距离模具(23)的出口8m处的位置。
所述直线度红外预警纠偏系统(7)的工作原理为：红外发射机(26)与红外接收机(24)放置在板材同一水平面，距离预制的板材(25)左右边缘各2mm的提前量。在生产工程中如出现板材直线度异常，向左偏移超过2mm，则蜂鸣报警器工作，左侧红外发射机的指示灯亮起，若板材向右偏移超过2mm，则蜂鸣报警器工作，右侧红外发射机的指示灯亮起。从而达到预警效果，提前人工干预。通过及时进行人工干预，可以提高板材的良率，提高原材料的利用率。
本发明还提供了一种碳纤维增强树脂基拉挤板材的制备方法，采用上述方案中的制备装置，包括如下步骤：
步骤1：将碳纤维放置在纱架上，在纱架的牵引下，依次穿过集纱板、导纱杆、压纱杆、胶槽、分纱梳、挤胶杆、脱模布/膨体纱放置架、改进型固化成型系统和牵引设备，将脱模布、膨体纱放置在脱模布/膨体纱放置架上；
步骤2：通过胶槽温控系统设定好温控范围，通过胶槽自动注胶系统设定胶槽液位，并开启胶槽循环过滤系统；将改进型固化成型系统开启进行预热，待模具的温度稳定后，往胶槽中注入树脂胶液至设定的胶槽液位处；
步骤3：通过压纱杆将纤维压入胶槽液位以下，使碳纤维在树脂胶液中浸润并开启牵引设备；
步骤4：浸润过树脂胶液的碳纤维依次经过分纱梳和挤胶杆，进入改进型固化成型系统中的模具中加热固化成型，出模具得到预制的板材；
步骤5：预制的板材通过牵引设备牵引至裁切机处，裁切掉头端干纱部分，导向柱定位以后固定导向柱的位置并开启直线度红外预警纠偏系统中的两台红外接收机和两台红外发射机；
步骤6：预制的板材穿过托架装置，使用收卷机收卷，设定收卷长度，到达设定长度后，裁切机将预制的板材剪裁至设定长度，得到碳纤维增强树脂基拉挤板材。
优选地，所述步骤2中的树脂胶液包括以质量份数计的环氧树脂100份、固化剂100～105份、促进剂1～2份、内脱模剂1～2份和填料4～6份。
优选地，所述步骤2中的温控范围为25～40℃，所述胶槽液位设于距离压纱杆顶部50～100mm的位置，所述改进型固化成型系统预热的时间为1～2h；所述步骤3中牵引设备的开机速度为0.5m/min，待浸润过树脂胶液的碳纤维经模具加热固化成型出模具后，牵引设备的速度提高至0.7m/min。
优选地，所述步骤5中导向柱定位的方法为：裁切8米长度的预制的板材在无阻尼直线度测量平台上测量直线度，根据测量值调整导向柱的位置，调整后裁切另外一个8米长度的预制的板材，直至8米长度的预制的板材的直线度≤1mm为止；所述的两台红外接收机/两台红外发射机对称设于预制的板材的左右两侧并距离预制的板材2mm的位置。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.本发明的制备装置及制备方法可以将以环氧树脂制备厚度为4.9mm风电叶片大梁用碳纤维复合材料拉挤板材的生产速率由行业目前的0.4m/min提高至0.7m/min以上；
2.本发明通过采用胶槽自动注胶循环过滤系统、改进型固化成型系统以及直线度红外预警纠偏系统等改善措施确保快速、稳定、连续地生产碳纤维增强树脂基拉挤板材，不仅可以提高产品的生产效率，还可以提高产品的良率。
附图说明
图1为本发明的碳纤维增强树脂基拉挤板材的制备装置的结构示意图。
图2为胶槽自动注胶循环过滤系统的结构示意图；
图3为改进型固化成型系统和直线度红外预警纠偏系统的结构示意图；
附图标记：1.纱架一；2.纱架二；3.集纱板；4.胶槽自动注胶循环过滤系统；5.脱模布/膨体纱放置架；6.改进型固化成型系统；7.直线度红外预警纠偏系统；8.牵引设备；9.裁切机；10.托架装置；11.收卷机；12.过滤系统；13.水槽；14.冰水机；15.过滤网；16.导纱杆；17.胶槽；18.压纱杆；19.胶槽注水夹层；20.分纱梳；21.挤胶杆；22.自动注胶桶；23.模具；24.红外接收机；25.预制的板材；26.红外发射机；27.导向柱。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
实施例1
一种碳纤维增强树脂基拉挤板材的制备装置，如图1所示，包括依次设置的设有张力调节装置的纱架一1、纱架二2、集纱板3、胶槽自动注胶循环过滤系统4、脱模布/膨体纱放置架5、改进型固化成型系统6、直线度红外预警纠偏系统7、牵引设备8、裁切装置9、托架装置10和收卷设备11，所述牵引设备8为履带式牵引设备。
如图2所示，所述胶槽自动注胶循环过滤系统4包括胶槽17、用于向胶槽17内注入胶液的自动注胶系统、用于过滤胶槽17内胶液中的毛纱的胶槽循环过滤系统和用于控制胶槽17中的胶液温度的胶槽温控系统；所述胶槽17的上方依次设有导纱杆16、用于将纤维压入胶槽17的胶液之中的压纱杆18、用于梳理浸润过胶液的纤维的分纱梳18和用于将浸润过胶液的纤维上的多余胶液挤出的挤胶杆21。所述胶槽17设有胶槽注水夹层19，所述胶槽温控系统包括用于向胶槽注水夹层19提供热水并设有加热温控系统的水槽13、用于向水槽13提供冰水的冰水机14，所述水槽13与胶槽注水夹层19之间设有水泵和用于让水槽里的水循环流动的通道，所述水槽13与冰水机14之间通过温控电磁阀连接。所述胶槽17内还设有用于测量胶槽内胶液高度的液位传感器；所述胶槽自动注胶系统包括用于向胶槽17内注入胶液的自动注胶桶22和用于控制自动注胶桶工作的注胶电磁阀，所述注胶电磁阀与液位传感器连接。所述胶槽循环过滤系统包括过滤桶12和过滤网15，所述过滤桶12的底部通过电动隔膜泵与胶槽17连通，所述胶槽17的底部设有与过滤桶12连通的出胶口。
如图3所示，所述改进型固化成型系统6设有长度为1200mm的模具23，所述改进型固化成型系统6包括六区电加热，六区电加热的温度分别设置为：一区温度115～125℃，二区温度145～155℃，三区温度165～175℃，四区温度185～195℃，五区温度165～175℃，六区温度145～155℃。所述直线度红外预警纠偏系统7包括两台红外接收机24、两台红外发射机26、用于定位的导向柱27和蜂鸣器，所述红外接收机24设于模具23的出口处，所述红外发射机26设于距离模具23的出口8m处的位置，所述的两台红外接收机/两台红外发射机对称设于预制的板材25的左右两侧并距离预制的板材2mm的位置。预制的板材25不包括在本发明的制备装置中，此处只是为了说明两台红外接收机和两台红外发射机的具体设置位置。
实施例2
一种碳纤维增强树脂基拉挤板材的制备方法，采用实施例1的制备装置进行制备，包括如下步骤：
步骤1：将350锭25K碳纤维有序放置至纱架一、纱架二上，经过纱架的牵引，碳纤维依次穿过集纱板、导纱杆、压纱杆、胶槽、分纱梳、挤胶杆、脱模布/膨体纱放置架、改进型固化成型系统和牵引设备，将脱模布、膨体纱放置在脱模布/膨体纱放置架上；
步骤2：通过胶槽温控系统将温控设置在25～40℃范围内，通过胶槽自动注胶系统设定胶槽液位，保持胶槽液位距离压纱杆18顶部50～100mm高度，并开启胶槽循环过滤系统；将改进型固化成型系统开启，提前预热1～2小时，待模具的温度稳定后，往胶槽中注入环氧树脂胶液(包括以质量份数计的环氧树脂100份、固化剂100～105份、促进剂1～2份、内脱模剂1～2份和填料4～6份)至设定的胶槽液位处；
步骤3：通过压纱杆将碳纤维压入胶槽液位以下，使碳纤维在胶液中浸润并开启牵引设备；牵引设备的开机速度设置为0.5m/min，待浸润过树脂的碳纤维经模具加热固化成型出模具后，逐步提高速度至0.7m/min；
步骤4：浸润过胶液的碳纤维依次经过分纱梳和挤胶杆，进入改进型固化成型系统中的模具中加热固化成型，出模具得到预制的板材；
步骤5：预制的板材通过牵引设备牵引至裁切机处，裁切掉头端碳纤维未浸润过胶液的干纱部分，然后裁切8米长度的预制的板材进行直线度的测量(通过无阻尼直线度测量平台进行测量)，根据测量值调整导向柱的位置，调整后裁切另外一个8米长度的预制的板材，直至8米长度的预制的板材的直线度≤1mm为止，然后固定导向柱的位置并开启直线度红外预警纠偏系统中的两台红外接收机和两位红外发射机；
步骤6：将预制的板材穿过托架装置，使用收卷机收卷，设定收卷长度，到达设定长度后，裁切机将预制的板材剪裁至设定长度，板材剪裁规格为105×4.9mm，制得规格为105×4.9mm、碳纤维体积含量为62％的碳纤维增强树脂基拉挤板材。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种碳纤维增强树脂基拉挤板材的制备装置，其特征在于，包括依次设置的一个或多个设有张力调节装置的纱架、集纱板(3)、胶槽自动注胶循环过滤系统(4)、脱模布/膨体纱放置架(5)、改进型固化成型系统(6)、直线度红外预警纠偏系统(7)、牵引设备(8)、裁切机(9)、托架装置(10)和收卷机(11)；
所述胶槽自动注胶循环过滤系统(4)包括胶槽(17)、用于向胶槽(17)内注入胶液的自动注胶系统、用于过滤胶槽(17)内胶液中的毛纱的胶槽循环过滤系统和用于控制胶槽(17)中的胶液温度的胶槽温控系统；
所述胶槽(17)的上方依次设有导纱杆(16)、用于将纤维压入胶槽(17)的胶液之中的压纱杆(18)、用于梳理浸润过胶液的纤维的分纱梳(18)和用于将浸润过胶液的纤维上的多余胶液挤出的挤胶杆(21)。
2.如权利要求1所述的碳纤维增强树脂基拉挤板材的制备装置，其特征在于，所述胶槽(17)设有胶槽注水夹层(19)，所述胶槽温控系统包括用于向胶槽注水夹层(19)提供热水并设有加热温控系统的水槽(13)、用于向水槽(13)提供冰水的冰水机(14)，所述水槽(13)与胶槽注水夹层(19)之间设有水泵和用于让水槽里的水循环流动的通道，所述水槽(13)与冰水机(14)之间通过温控电磁阀连接。
3.如权利要求2所述的碳纤维增强树脂基拉挤板材的制备装置，其特征在于，所述胶槽(17)内还设有用于测量胶槽内胶液高度的液位传感器；所述胶槽自动注胶系统设有用于向胶槽(17)内注入胶液的自动注胶桶(22)和用于控制自动注胶桶(22)工作的注胶电磁阀，所述注胶电磁阀与液位传感器连接。
4.如权利要求3所述的碳纤维增强树脂基拉挤板材的制备装置，其特征在于，所述胶槽循环过滤系统包括过滤桶(12)和过滤网(15)，所述过滤桶(12)的底部通过电动隔膜泵与胶槽(17)连通，所述胶槽(17)的底部设有与过滤桶(12)连通的出胶口。
5.如权利要求4所述的碳纤维增强树脂基拉挤板材的制备装置，其特征在于，所述改进型固化成型系统(6)设有长度为1200mm的模具(23)，所述改进型固化成型系统(6)包括六区电加热，六区电加热的温度分别设置为：一区温度115～125℃，二区温度145～155℃，三区温度165～175℃，四区温度185～195℃，五区温度165～175℃，六区温度145～155℃。
6.如权利要求5所述的碳纤维增强树脂基拉挤板材的制备装置，其特征在于，所述直线度红外预警纠偏系统(7)包括两台红外接收机(24)、两台红外发射机(26)、用于定位的导向柱(27)和蜂鸣器，所述红外接收机(24)设于模具(23)的出口处，所述红外发射机(26)设于距离模具(23)的出口8m处的位置。
7.一种碳纤维增强树脂基拉挤板材的制备方法，其特征在于，采用权利要求1～6中任意一项所述的制备装置，包括如下步骤：
步骤1：将纤维放置在纱架上，通过纱架的牵引，依次穿过集纱板、导纱杆、压纱杆、胶槽、分纱梳、挤胶杆、脱模布/膨体纱放置架、改进型固化成型系统和牵引设备，将脱模布、膨体纱放置在脱模布/膨体纱放置架上；
步骤2：通过胶槽温控系统设定好温控范围，通过胶槽自动注胶系统设定胶槽液位，并开启胶槽循环过滤系统；将改进型固化成型系统开启，进行预热，待模具的温度稳定后，往胶槽中注入树脂胶液至设定的胶槽液位处；
步骤3：通过压纱杆将纤维压入胶槽液位以下，使纤维在树脂胶液中浸润并开启牵引设备；
步骤4：浸润过胶液的纤维依次经过分纱梳和挤胶杆，进入改进型固化成型系统中的模具中加热固化成型，出模具得到预制的板材；
步骤5：预制的板材通过牵引设备牵引至裁切机处，裁切掉头端纤维未浸润过树脂胶液的干纱部分，导向柱定位以后固定导向柱的位置并开启直线度红外预警纠偏系统中的两台红外接收机和两位红外发射机；
步骤6：将预制的板材穿过托架装置，使用收卷机收卷，设定收卷长度，到达设定长度后，裁切机将预制的板材剪裁至设定长度，得到碳纤维增强树脂基拉挤板材。
8.如权利要求7所述的碳纤维增强树脂基拉挤板材的制备方法，其特征在于，所述步骤2中的树脂胶液包括以质量份数计的环氧树脂100份、固化剂100～105份、促进剂1～2份、内脱模剂1～2份和填料4～6份。
9.如权利要求7所述的碳纤维增强树脂基拉挤板材的制备方法，其特征在于，所述步骤2中的温控范围为25～40℃，所述胶槽液位设于距离压纱杆顶部50～100mm的位置，所述改进型固化成型系统预热的时间为1～2h；所述步骤3中牵引设备的开机速度为0.5m/min，待浸润过树脂胶液的纤维经模具加热固化成型出模具后，牵引设备的速度提高至0.7m/min。
10.如权利要求7所述的碳纤维增强树脂基拉挤板材的制备方法，其特征在于，所述步骤5中导向柱定位的方法为：裁切8米长度的预制的板材在无阻尼直线度测量平台上测量直线度，根据测量值调整导向柱的位置，调整后裁切另外一个8米长度的预制的板材，直至8米长度的预制的板材的直线度≤1mm为止；所述的两台红外接收机/两台红外发射机对称设于预制的板材的左右两侧并距离预制的板材2mm的位置。
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