CN113334627A - 一种连续碳纤维增强pekk预浸料生产工艺及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种连续碳纤维增强PEKK预浸料生产工艺及设备，涉及连续碳纤维增强PEKK预浸料生产技术领域，主要用于解决目前国内无法做到连续碳纤维增强PEKK预浸料的工业化生产的问题。包括以下步骤：一、放卷及整平；二、梳理；三、展纱及除上浆剂；四、涂胶；五、一次浸胶；六、二次浸胶；七、冷却；八、在线检测；九、收卷。其结构包括：包括纱架、导向辊组、篦子、高温烘箱、涂胶模具、挤压浸渍辊组、浸胶装置、冷却平台、在线检测仪、牵引辊组以及收卷装置。本发明提供的一种连续碳纤维增强PEKK预浸料生产工艺及设备，利用该工艺及设备，能完成连续碳纤维增强PEKK预浸料的工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及连续碳纤维增强PEKK预浸料生产技术领域，尤其涉及一种连续碳纤维增强PEKK预浸料生产工艺及设备。
背景技术
目前，关于连续碳纤维增强PEKK预浸料制备技术，在全球范围内相对领先的是以NASA为代表的航天航空研究机构，以及以日本东丽为代表的部分生产厂家。
由于现阶段连续碳纤维增强热塑性复合材料多用于航空航天、卫星、军工等领域，特别是碳纤增强PEKK复合材料在日本、美国以及欧洲等诸国均属于严格禁止出口材料。其相关技术工艺和设备都是高度保密，禁止出口到中国。而关于碳纤维增强PEKK预浸料，目前国内仅能生产短切碳纤维增强PEKK预浸料，无法做到连续碳纤维增强PEKK预浸料的工业化生产。
发明内容
本发明的目的是提供一种连续碳纤维增强PEKK预浸料生产工艺，利用该工艺，能完成连续碳纤维增强PEKK预浸料的工业化生产。
本发明要解决的另一技术问题是提供一种能实现上述方法的设备。
本发明解决前一技术问题的技术方案是：一种连续碳纤维增强PEKK预浸料生产工艺，其特征在于，包括以下步骤：
一、放卷及整平：将碳纤维从纱架引出，经过导向辊组整平后，使碳纤维丝束处于同一平面上；
二、梳理：碳纤维丝束经过篦子梳理，使其在宽度方向上分布均匀；
三、展纱及除上浆剂：将碳纤维丝束送入高温烘箱，烘烤去除上浆剂的同时通过高温烘箱内的展纱辊组将碳纤维丝束展开到需要的宽度并分布均匀；
四、涂胶：碳纤维经过上涂胶模具和下涂胶模具之间的截面积逐渐缩小的楔形间隙，此时，利用两套挤出机、挤出模头以及涂胶模具，同时从碳纤维的上、下两面进行涂胶；
五、一次浸胶：涂胶后的碳纤维经过挤压浸渍辊组，进一步浸润；
六、二次浸胶：碳纤维经过浸胶装置，二次浸润并初步定型，成为预浸料；
七、冷却：预浸料通过冷却平台快速冷却定型；
八、在线检测：利用在线检测仪对定型后的预浸料进行质量在线检测，并依据在线检测结果及时调节挤出机的挤出量，直到预浸料单位面积重量和表观质量均满足要求，得到合格预浸料；
九、收卷：成品预浸料经过牵引辊组，然后通过收卷装置收卷待用。
作为本发明的更进一步改进，所述步骤四具体包括以下步骤：
S1、将挤出机、挤出模头以及涂胶模具的温度升至360℃-380℃；
S2、将PEKK树脂加入挤出机，通过挤出机将一定量的树脂连续、均匀、精确的挤入挤出模头；
S3、熔融态的树脂通过挤出模头挤出后，在宽度方向上均匀、稳定、持续的注入涂胶模具，通过涂胶模具流入楔形间隙，形成一定宽度且单位面积重量均匀稳定的树脂膜；
S4、碳纤维经过上涂胶模具和下涂胶模具之间的截面积逐渐缩小的楔形间隙，使树脂涂覆并初步浸入碳纤维内部。
作为本发明的更进一步改进，所述步骤六具体包括以下步骤：
S1、将浸胶装置的温度升至360℃-380℃；
S2、碳纤维通过浸胶装置内的高频振动块和圆弧形凹槽形成的S型通道路径，在挤压和振动的共同作用下，实现预浸料完全浸透；
S3、完成浸胶的碳纤维经过浸胶装置输出端的定型模腔，进行初步定型。
作为本发明的更进一步改进，所述步骤三中的高温烘箱内的温度为450℃-500℃。
作为本发明的更进一步改进，所述步骤七中的冷却平台的冷却介质选用自来水。
本发明解决第二个技术问题的技术方案是：一种连续碳纤维增强PEKK预浸料生产设备，包括沿送料方向依次设置的纱架、导向辊组、篦子、高温烘箱、涂胶模具、挤压浸渍辊组、浸胶装置、冷却平台、在线检测仪、牵引辊组以及收卷装置；其中，所述涂胶模具包括上下相对设置的上涂胶模具和下涂胶模具，所述上涂胶模具和下涂胶模具之间设有截面积沿送料方向逐渐缩小的楔形间隙，所述上涂胶模具上方、下涂胶模具下方皆连接有与楔形间隙连通的挤出模头。
作为本发明的更进一步改进，所述浸胶装置包括一底座，所述底座上沿送料方向依次设有多个圆弧形凹槽，所述圆弧形凹槽上方设有下端为圆弧形的高频振动块，所述浸胶装置的输出端还设有定型模腔。
作为本发明的更进一步改进，所述导向辊组包括两条上下相对布置的导向辊；所述挤压浸渍辊组包括两条上下相对布置的挤压浸渍辊；所述牵引辊组包括两根上下相对布置的牵引辊。
作为本发明的更进一步改进，所述高温烘箱内设有多根展纱辊。
作为本发明的更进一步改进，相邻的所述展纱辊上下错位平行布置。
技术效果
与现有技术相比，本发明的一种连续碳纤维增强PEKK预浸料生产工艺及设备的优点为：
1、该方法中，首先，若干束碳纤维从纱架出来并经过一对导向辊张紧后，使碳纤维丝束聚集在同一平面上。碳纤维丝束经过篦子梳理，使其在宽度方向上分布均匀。然后，将碳纤维丝束送入高温烘箱，烘烤去除上浆剂的同时通过高温烘箱内的展纱辊组将碳纤维丝束展开到需要的宽度并分布均匀，当然展开碳纤维展开后更有利于除去碳纤维表面的上浆剂——不匹配上浆剂的存在会降低碳纤维与树脂界面性能，从而影响后续复合材料产品力学性能。碳纤维除掉表面上浆剂后，立即进行涂胶——碳纤维经过上涂胶模具和下涂胶模具之间的截面积逐渐缩小的楔形间隙，此时，利用两套挤出机、挤出模头以及涂胶模具，同时从碳纤维的上、下两面进行涂胶。由于楔形间隙越来越小，碳纤维表面的树脂会往碳纤维内部挤压浸入，从而达到部分浸透的效果。涂胶后的碳纤维先通过挤压浸渍辊组挤压，这既有一定的浸润效果又能起到牵引作用，同时也减小了后续浸胶的张力，有利于后续树脂进一步浸润。接着，碳纤维经过浸胶装置，二次浸润并初步定型，形成预浸料。最后，预浸料通过冷却平台快速冷却定型，并在通过在线检测仪检测后，经过牵引辊和收卷装置收卷待用。
该方法能同时从碳纤维的上、下两面进行涂胶，也有利于涂胶均匀性，使挤出的熔融树脂膜能均匀稳定的涂覆到碳纤维表面。同时，涂胶后的碳纤维依次通过挤压浸渍辊组和浸胶装置，在挤压浸渍辊和浸胶装置的作用下，能使高粘度热塑性树脂与碳纤维充分浸润。因此，利用该方法，能完成连续碳纤维增强PEKK预浸料的工业化生产。
2、熔融态的树脂通过挤出模头挤出后，在宽度方向上均匀、稳定、持续的注入涂胶模具，通过涂胶模具流入楔形间隙，形成一定宽度且单位面积重量均匀稳定的树脂膜。碳纤维经过上涂胶模具和下涂胶模具之间的截面积逐渐缩小的楔形间隙，使树脂涂覆并初步浸入碳纤维内部。
通过上涂胶模具和下涂胶模具组合形成的楔形间隙进行涂胶——涂胶模具通过挤出机精确供胶，涂胶模具分为上涂胶模具和下涂胶模两部分，两部分的树脂出口处相对形成楔形间隙，碳纤维经过此间隙时，从上涂胶模具和下涂胶模的树脂出口处流出树脂与碳纤维结合，并通过楔形间隙形成挤压效果，进而使部分树脂转移浸入纤维中，达到预浸效果。并且，该方法能同时从碳纤维的上、下两面进行涂胶，也有利于涂胶均匀性，使挤出的熔融树脂膜能均匀稳定的涂覆到碳纤维表面。
3、浸胶装置包括一底座，底座上沿送料方向依次设有多个圆弧形凹槽，圆弧形凹槽上方设有下端为圆弧形的高频振动块，浸胶装置的输出端还设有定型模腔。生产时，高频振动块可自由上下调节，使得涂有树脂的碳纤维经过浸胶装置时实现挤压+振动浸胶，进而大大提升浸润能力，实现纤维完全浸透。同时，定型模腔的尺寸为预浸料定型到需要的厚度，预浸料从定型模腔处输出后，即可初步定型。
通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的工艺流程框图；
图2为本发明的生产设备的结构示意图。
其中：1-纱架；2-导向辊；3-篦子；4-高温烘箱；5-展纱辊；6-挤出模头；7-涂胶模具；8-楔形间隙；9-挤压浸渍辊；10-浸胶装置；11-圆弧形凹槽；12-高频振动块；13-定型模腔；14-冷却平台；15-在线检测仪；16-牵引辊；17-收卷装置。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进一步详细说明。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。
现在参考附图描述本发明的实施例。
实施例
如图1所示，本发明公开了一种连续碳纤维增强PEKK预浸料生产工艺，包括以下步骤：
一、放卷及整平：将碳纤维从纱架1引出，经过导向辊组的张紧后，使碳纤维丝束聚集在同一平面上；
二、梳理：碳纤维丝束经过篦子3梳理，在宽度方向上分布均匀；
三、展纱及除上浆剂：将碳纤维丝束送入高温烘箱4，烘烤除掉碳纤维的同时通过高温烘箱4内的展纱辊组将碳纤维丝束展开到需要的宽度并分布均匀；
四、涂胶：碳纤维经过上涂胶模具和下涂胶模具之间的截面积逐渐缩小的楔形间隙8，此时，利用两套挤出机、挤出模头6以及涂胶模具7，同时从碳纤维的上、下两面进行涂胶；
五、一次浸胶：涂胶后的碳纤维经过挤压浸渍辊组，进一步浸润；
六、二次浸胶：碳纤维经过浸胶装置10，二次浸润并初步定型，成为预浸料；
七、冷却：预浸料通过冷却平台14快速冷却定型；
八、在线检测：利用在线检测仪15对定型后的预浸料进行质量在线检测，并依据在线检测结果及时调节挤出机的挤出量，直到预浸料单位面积重量和表观质量均满足要求，得到合格预浸料；
九、收卷：预浸料经过牵引辊组，然后通过收卷装置17收卷待用。
该方法中，首先，若干条碳纤维丝束从纱架1出来并经过一对导向辊2的张紧后，使碳纤维丝束聚集在同一平面上。碳纤维丝束经过篦子3梳理，会在宽度方向上分布均匀。然后，将碳纤维丝束送入高温烘箱4，烘烤除掉上浆剂的同时通过高温烘箱4内的展纱辊组将碳纤维丝束展开到需要的宽度并分布均匀，当然纤维展开更有利于除去碳纤维表面的上浆剂——上浆剂的存在会降低碳纤维与树脂界面性能，从而影响后续复合材料产品力学性能。碳纤维除掉表面上浆剂后，立即进行涂胶——碳纤维经过上涂胶模具和下涂胶模具之间的截面积逐渐缩小的楔形间隙8，此时，利用两套挤出机、挤出模头6以及涂胶模具7，同时从碳纤维的上、下两面进行涂胶。由于楔形间隙8越来越小，碳纤维表面的树脂会往碳纤维内部挤压浸入，从而达到部分浸透的效果。涂胶后的碳纤维先通过挤压浸渍辊组挤压，这既有一定的浸润效果又能起到牵引作用，同时也减小了后续浸胶的张力，有利于后续树脂进一步浸润。接着，碳纤维经过浸胶装置10，二次浸润并初步定型，成为预浸料。最后，预浸料通过冷却平台14快速冷却定型，并在通过在线检测仪检测15后，经过牵引辊16和收卷装置17收卷待用。
该方法能同时从碳纤维的上、下两面进行涂胶，也有利于涂胶均匀性，使挤出的熔融树脂膜能均匀稳定的涂覆到碳纤维表面。同时，涂胶后的碳纤维依次通过挤压浸渍辊组和浸胶装置10，在挤压浸渍辊9和浸胶装置10的作用下，能使高粘度热塑性树脂与碳纤维充分浸润。因此，利用该方法，能完成连续碳纤维增强PEKK预浸料的工业化生产。
其中，步骤四具体包括以下步骤：
S1、将挤出机、挤出模头6以及涂胶模具7的温度升至360℃-380℃；
S2、将PEKK树脂加入挤出机，通过挤出机将一定量的树脂连续、均匀、精确的挤入挤出模头6；
S3、熔融态的树脂通过挤出模头6挤出后，在宽度方向上均匀、稳定、持续的注入涂胶模具7，通过涂胶模具7流入楔形间隙8，形成一定宽度且单位面积重量均匀稳定的树脂膜；
S4、碳纤维经过上涂胶模具和下涂胶模具之间的截面积逐渐缩小的楔形间隙8，使树脂涂覆并初步浸入碳纤维内部。
通过上涂胶模具和下涂胶模具组合形成的楔形间隙8进行涂胶——涂胶模具7通过挤出机精确供胶，涂胶模具7分为上涂胶模具和下涂胶模两部分，两部分的树脂出口处相对形成楔形间隙8，碳纤维经过此间隙时，从上涂胶模具和下涂胶模的树脂出口处流出树脂与碳纤维结合，并通过楔形间隙8形成挤压效果，进而使部分树脂转移浸入纤维中，达到预浸效果。并且，该方法能同时从碳纤维的上、下两面进行涂胶，也有利于涂胶均匀性，使挤出的熔融树脂膜能均匀稳定的涂覆到碳纤维表面。
同时，步骤六具体包括以下步骤：
S1、将浸胶装置10的温度升至360℃-380℃；
S2、碳纤维通过浸胶装置10内的高频振动块12和圆弧形凹槽11形成的S型通道路径，在挤压和振动的共同作用下，实现预浸料完全浸透；
S3、完成浸胶的碳纤维经过浸胶装置10输出端的定型模腔17，进行初步定型。
本实施例中，步骤三中的高温烘箱4内的温度为450℃-500℃。步骤七中的冷却平台14的冷却介质选用自来水。
关于生产设备，如图2所示，本发明公开了一种连续碳纤维增强PEKK预浸料生产设备，包括沿送料方向依次设置的纱架1、导向辊组、篦子3、高温烘箱4、涂胶模具7、挤压浸渍辊组、浸胶装置10、冷却平台14、在线检测仪15、牵引辊组以及收卷装置17。其中，涂胶模具7包括上下相对设置的上涂胶模具和下涂胶模具，上涂胶模具和下涂胶模具之间设有截面积沿送料方向逐渐缩小的楔形间隙8。上涂胶模具上方、下涂胶模具下方皆连接有与楔形间隙8连通的挤出模头6。
其中，浸胶装置10包括一底座，所述底座上沿送料方向依次设有多个圆弧形凹槽11，圆弧形凹槽11上方设有下端为圆弧形的高频振动块12，浸胶装置10的输出端还设有定型模腔13。生产时，高频振动块12可自由上下调节，使得涂有树脂的碳纤维经过浸胶装置10时实现挤压+振动浸胶，进而大大提升浸润能力，实现纤维完全浸透。同时，定型模腔13的尺寸为预浸料定型到需要的厚度，预浸料从定型模腔13处输出后，即可初步定型。
本实施例中，导向辊组包括两条上下相对布置的导向辊2。挤压浸渍辊组包括两条上下相对布置的挤压浸渍辊9。牵引辊组包括两条上下相对布置的牵引辊16。
同时，高温烘箱4内设有多条沿送料方向依次设置的展纱辊5。相邻的所述展纱辊5上下错位平行布置。
以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。
Claims (10)
1.一种连续碳纤维增强PEKK预浸料生产工艺，其特征在于，包括以下步骤：
一、放卷及整平：将碳纤维从纱架(1)引出，经过导向辊组张紧后，使碳纤维丝束处于同一平面；
二、梳理：碳纤维丝束经过篦子(3)梳理，在宽度方向上分布均匀；
三、展纱及除上浆剂：将碳纤维丝束送入高温烘箱(4)，烘烤去除上浆剂的同时通过高温烘箱(4)内的展纱辊组将碳纤维丝束展开到需要的宽度并分布均匀；
四、涂胶：碳纤维经过上涂胶模具和下涂胶模具之间的截面积逐渐缩小的楔形间隙(8)，此时，利用两套挤出机、挤出模头(6)以及涂胶模具(7)，同时从碳纤维的上、下两面进行涂胶；
五、一次浸胶：涂胶后的碳纤维经过挤压浸渍辊组，进一步浸润；
六、二次浸胶：碳纤维经过浸胶装置(10)，二次浸润并初步定型，成为预浸料；
七、冷却：预浸料通过冷却平台(14)快速冷却定型；
八、在线检测：利用在线检测仪(15)对定型后的预浸料进行质量在线检测，并依据在线检测结果及时调节挤出机的挤出量，直到预浸料单位面积重量和表观质量均满足要求，得到合格预浸料；
九、收卷：预浸料经过牵引辊组，然后通过收卷装置(17)收卷待用。
2.根据权利要求1所述的一种连续碳纤维增强PEKK预浸料生产工艺，其特征在于，所述步骤四具体包括以下步骤：
S1、将挤出机、挤出模头(6)以及涂胶模具(7)的温度升至360℃-380℃；
S2、将PEKK树脂加入挤出机，通过挤出机将一定量的树脂连续、均匀、精确的挤入挤出模头(6)；
S3、熔融态的树脂通过挤出模头(6)挤出后，在宽度方向上均匀、稳定、持续的注入涂胶模具(7)，通过涂胶模具(7)挤入楔形间隙(8)，形成一定宽度且单位面积重量均匀稳定的树脂膜；
S4、碳纤维经过上涂胶模具和下涂胶模具之间的截面积逐渐缩小的楔形间隙(8)，使树脂涂覆并初步浸入碳纤维内部。
3.根据权利要求2所述的一种连续碳纤维增强PEKK预浸料生产工艺，其特征在于，所述步骤六具体包括以下步骤：
S1、将浸胶装置(10)的温度升至360℃-380℃；
S2、碳纤维通过浸胶装置(10)内的高频振动块(12)和圆弧形凹槽(11)形成的S型通道路径，在挤压和振动的共同作用下，实现预浸料完全浸透；
S3、完成浸胶的碳纤维经过浸胶装置(10)输出端的定型模腔(17)，进行初步定型。
4.根据权利要求1或3所述的一种连续碳纤维增强PEKK预浸料生产工艺，其特征在于，所述步骤三中的高温烘箱(4)内的温度为450℃-500℃。
5.根据权利要求1或3所述的一种连续碳纤维增强PEKK预浸料生产工艺，其特征在于，所述步骤七中的冷却平台(14)的冷却介质选用自来水。
6.一种连续碳纤维增强PEKK预浸料生产设备，其特征在于，包括沿送料方向依次设置的纱架(1)、导向辊组、篦子(3)、高温烘箱(4)、涂胶模具(7)、挤压浸渍辊组、浸胶装置(10)、冷却平台(14)、在线检测仪(15)、牵引辊组以及收卷装置(17)；其中，所述涂胶模具(7)包括上下相对设置的上涂胶模具和下涂胶模具，所述上涂胶模具和下涂胶模具之间设有截面积沿送料方向逐渐缩小的楔形间隙(8)，所述上涂胶模具上方、下涂胶模具下方皆连接有与楔形间隙(8)连通的挤出模头(6)。
7.根据权利要求6所述的一种连续碳纤维增强PEKK预浸料生产设备，其特征在于，所述浸胶装置(10)包括一底座，所述底座上沿送料方向依次设有多个圆弧形凹槽(11)，所述圆弧形凹槽(11)上方设有下端为圆弧形的高频振动块(12)，所述浸胶装置(10)的输出端还设有定型模腔(13)。
8.根据权利要求7所述的一种连续碳纤维增强PEKK预浸料生产设备，其特征在于，所述导向辊组包括两条上下相对布置的导向辊(2)；所述挤压浸渍辊组包括两条上下相对布置的挤压浸渍辊(9)；所述牵引辊组包括两条上下相对布置的牵引辊(16)。
9.根据权利要求6或7或8所述的一种连续碳纤维增强PEKK预浸料生产设备，其特征在于，所述高温烘箱(4)内设有多根展纱辊(5)。
10.根据权利要求9所述的一种连续碳纤维增强PEKK预浸料生产设备，其特征在于，相邻的所述展纱辊(5)上下错位平行布置。
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