CN114261037A - 一种多丝束碳纤维宽展预浸系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种多丝束碳纤维宽展预浸系统，用以解决现有热塑性预浸带生产过程中因展宽比低、预浸不充分导致的预浸带产品厚度大、孔隙率高等技术问题。本发明包括沿进料方向依次设置的放丝模块、并丝模块、气流宽展模块、过程纠偏模块、牵引模块、泥浆浸渍模块、红外熔融模块、热压定型模块、浮动辊模块、裁切模块、边料收集模块、收卷纠偏模块和收卷模块；所述放丝模块包括至少两组放丝组件，放丝组件上放置有碳纤维。本发明采用气流法实现碳纤维无损伤宽展，并采用粉末泥浆法实现树脂对宽展碳纤维充分预浸，从而生产薄型、高性能热塑性碳纤维预浸带，提高热塑性预浸带铺层的可设计性以及热塑性复合材料制品的力学性能。

Description

一种多丝束碳纤维宽展预浸系统

技术领域

本发明涉及碳纤维复合材料加工技术领域，具体涉及一种多丝束碳纤维宽展预浸系统。

背景技术

近年来，为了应对日益扩大的能源和空气污染危机，世界各国相继提出针对燃油车的发展规划。我国对燃油车提出了新的油耗标准，并大力推广新能源电动车。因此，降低能源消耗成为汽车制造业面临的重要问题，而汽车轻量化则是解决该问题的重要途径。经过多年的发展，汽车轻量化主要有以下三种方法：结构优化设计、成型制造工艺优化以及材料轻量化。其中，材料轻量化是在满足强度需求的前提下，采用低密度材料替换高密度材料。碳纤维复合材料由于具有低密度、高强度、耐腐蚀等优点，成为汽车轻量化材料领域的重点关注对象。

碳纤维复合材料可按照基体树脂的不同分为热固性和热塑性两种。热固性碳纤维复合材料市场占有率高，具有高强度、耐腐蚀等特点，但脆性大、加工周期长并且需要冷冻保存，能源消耗较大。热塑性碳纤维复合材料相较于热固性复合材料具有以下突出优点：（1）可在室温下长期储藏；（2）成型周期短，生产效率高；（3）边角料或废料可再熔融成型以实现回收利用。因此随着制备、成型技术与装备的发展，热塑性复合材料正逐步取代热固性复合材料，成为汽车轻量化材料新的发展方向。而预浸带作为碳纤维复合材料制品成型的关键中间产品，其加工技术与装备也成为业内关注的重点问题。

目前常见的热塑性预浸带生产设备大多采用机械法对纤维进行宽展，然后采用熔融法实现对碳纤维的预浸。生产过程中，碳纤维经过多个辊筒表面，利用纤维与辊面的摩擦力使纤维宽展变薄，然后经宽展的碳纤维和热塑性高分子熔体同时经过熔融挤出模头挤出，在高温高压下实现树脂对碳纤维的预浸。该方法工艺简单、生产效率高、设备投入低，但只适用于聚乙烯、聚丙烯等黏度较低通用高分子材料，对于尼龙、聚醚醚酮等工程塑料及特种工程塑料而言，该方法难以实现对碳纤维的有效预浸。造成该问题的原因是，上述方法中12K碳纤维经过机械法宽展后，宽度由5mm变宽至10-12mm后，一般不再增加碳纤维宽展比（展后宽度与原丝宽度比值），因为继续增加宽展比，会增加纤维损伤率、降低宽展过程稳定性，且会导致预浸过程中高黏度树脂对纤维造成二次损伤，降低产品力学性能。

因此采用上述方法生产的热塑性碳纤维预浸带，常常存在产品厚度大、孔隙率高等问题。在采用预浸带铺层、模压工艺实现汽车零部件轻量化过程中，预浸带厚度的增加会降低铺层的可设计性，限制预浸带应用；孔隙率的增高会导致制品抗老化性能和力学性能下降，降低零部件安全性能。

发明内容

针对现有热塑性预浸带生产过程中因展比低、预浸不充分导致的预浸带产品厚度大、孔隙率高等技术问题，本发明提出一种多丝束碳纤维宽展预浸系统，采用气流法实现碳纤维无损伤宽展，并采用粉末泥浆法实现树脂对宽展碳纤维充分预浸，从而生产薄型、高性能热塑性碳纤维预浸带，提高热塑性预浸带铺层的可设计性以及热塑性复合材料制品的力学性能。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种多丝束碳纤维宽展预浸系统，包括沿进料方向依次设置的放料机构、宽展机构、浸渍定型机构、裁切机构和收卷机构，所述放料机构包括放丝模块和并丝模块，放丝模块位于并丝模块的进料端，且放丝模块包括至少两组放丝组件，放丝组件上放置有碳纤维。

所述宽展机构包括气流宽展模块，气流宽展模块位于并丝模块的出料端。

所述浸渍定型机构包括沿进料方向依次设置的泥浆浸渍模块、红外熔融模块和热压定型模块，泥浆浸渍模块和气流宽展模块之间设置有过程纠偏模块、牵引模块，且过程纠偏模块位于牵引模块的进料端。

所述裁切机构包括裁切模块，且裁切模块和热压定型模块之间设置有浮动辊模块。

所述收卷机构包括边料收集模块和收卷模块，边料收集模块和收卷模块均位于裁切模块的出料端，且收卷模块和裁切模块之间设置有收卷纠偏模块。

所述放丝模块中的每组放丝组件均包括放卷气涨轴，碳纤维放置在放卷气涨轴上，所述放卷气涨轴通过联轴器连接放卷伺服电机，放卷气涨轴的上方设置有张力传感器，放卷伺服电机和张力传感器均连接张力控制器；且张力传感器的两侧均设置有与碳纤维相匹配的放卷导向轴；所述并丝模块包括并丝导向轴Ⅰ、分丝格栅Ⅰ、分丝格栅Ⅱ和并丝导向轴Ⅱ，并丝导向轴Ⅰ、分丝格栅Ⅰ、分丝格栅Ⅱ和并丝导向轴Ⅱ沿进料方向成W型结构布设且均与碳纤维相匹配。

所述气流宽展模块包括两组气流宽展组件，两组气流宽展组件之间设置有滑动模组，滑动模组上滑动设置有张力调节轴安装座，张力调节轴安装座上设置有张力调节轴，张力调节轴的上方两侧均设置有宽展导向轴；每组气流宽展组件均包括离心风机，离心风机连通抽风管，抽风管连通气流宽展风道的底部，气流宽展风道的顶部设有三组并排设置的细光轴；所述的张力调节轴、宽展导向轴和细光轴均与碳纤维相匹配。

所述过程纠偏模块包括光电纠偏模组Ⅰ，光电纠偏模组Ⅰ的两侧分别设置有与碳纤维相匹配的纠偏导向轴Ⅰ和纠偏导向轴Ⅱ；所述牵引模块采用五轴牵引辊组，五轴牵引辊组包括牵引辊Ⅰ、牵引辊Ⅱ、牵引辊Ⅲ、牵引辊Ⅳ和牵引辊Ⅴ，牵引辊Ⅰ、牵引辊Ⅱ、牵引辊Ⅲ、牵引辊Ⅳ和牵引辊Ⅴ沿进料方向成W型结构布设且均与碳纤维相匹配。

所述泥浆浸渍模块包括超声浸渍池，超声浸渍池内盛有树脂细粉悬浮液，超声浸渍池的底部并排设置有三组与碳纤维相匹配的转动细光轴，碳纤维经三组转动细光轴引导在树脂细粉悬浮液内浸渍后其内外表面均附有树脂细粉；所述超声浸渍池的两侧分别设置有浸渍导向轴Ⅱ和浸渍导向轴Ⅲ，且浸渍导向轴Ⅱ和牵引辊Ⅴ之间还设置有浸渍导向轴Ⅰ。

所述红外熔融模块包括上下相对应设置的上红外加热组件和下红外加热组件，上红外加热组件和下红外加热组件的内部均设置有中长波红外加热管，附有树脂细粉的碳纤维经中长波红外加热管加热处理后形成预浸带；所述热压定型模块采用精密热压辊组，精密热压辊组包括上下相对应设置的上热压辊和下热压辊，且精密热压辊组的进料端设置有热压导向轴；所述的热压导向轴和精密热压辊组均与预浸带相匹配。

所述裁切模块包括用于裁切预浸带的裁切模组，裁切模组的两侧分别设置有张紧辊模组Ⅰ和张紧辊模组Ⅱ；且张紧辊模组Ⅱ的出料端设有测厚传感器。

所述边料收集模块包括边料收卷气涨轴，边料收卷气涨轴上安装有边料收卷盘，且边料收卷盘的进料端设置有收卷导向轴Ⅰ。

所述收卷模块包括预浸带收卷盘，预浸带收卷盘安装在收卷气涨轴上，收卷气涨轴通过传动组件连接收卷伺服电机；预浸带收卷盘的进料端设置有收卷导向轴Ⅱ。

所述浮动辊模块包括浮动辊模组，浮动辊模组的两侧分别设置有与预浸带相匹配的定位导向轴Ⅰ和定位导向轴Ⅱ；所述收卷纠偏模块包括光电纠偏模组Ⅱ，光电纠偏模组Ⅱ的两侧分别设置有与预浸带相匹配的纠偏导向轴Ⅲ和纠偏导向轴Ⅳ。

与现有技术相比，本发明采用气流法实现碳纤维无损伤宽展，并采用粉末泥浆法实现树脂对宽展碳纤维充分预浸，从而生产薄型、高性能热塑性碳纤维预浸带，以解决现有热塑性预浸带生产过程中因展比低、预浸不充分导致的预浸带产品厚度大、孔隙率高等问题，提高热塑性预浸带铺层的可设计性以及热塑性复合材料制品的力学性能。

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为本发明的结构示意主视图；

图2为本发明的结构示意俯视图；

图3为不同方法制备预浸带对比图，其中，（a）为本发明制备的预浸带，（b）为常规覆膜法制备的预浸带；

图4为本发明制备的预浸带0°铺层拉伸应力应变图。

图中：1为碳纤维Ⅰ，2为放卷气涨轴Ⅰ，3为碳纤维Ⅱ，4为放卷气涨轴Ⅱ，5为碳纤维Ⅲ，6为放卷气涨轴Ⅲ，7为碳纤维Ⅳ，8为放卷气涨轴Ⅳ，9为第一放卷导向轴，10为张力传感器Ⅰ，11为第二放卷导向轴，12为第三放卷导向轴，13为第四放卷导向轴，14为张力传感器Ⅱ，15为第五放卷导向轴，16为第六放卷导向轴，17为第七放卷导向轴，18为张力传感器Ⅲ，19为第八放卷导向轴，20为第九放卷导向轴，21为第十放卷导向轴，22为张力传感器Ⅳ，23为第十一放卷导向轴，24为并丝导向轴Ⅰ，25为分丝格栅Ⅰ，26为分丝格栅Ⅱ，27为并丝导向轴Ⅱ，28为第一宽展导向轴，29为第一宽展导向轴，30为第三宽展导向轴，31为第四宽展导向轴，32为纠偏导向轴Ⅰ，33为光电纠偏模组Ⅰ，34为牵引辊Ⅰ，35为牵引辊Ⅲ，36为牵引辊Ⅴ，38为浸渍导向轴Ⅱ，39为浸渍导向轴Ⅲ，40为上红外加热组件，41为热压导向轴，42为精密热压辊组，43为浮动辊模组，44为定位导向轴Ⅱ，45为张紧辊模组Ⅰ，46为张紧辊模组Ⅱ，47为测厚传感器，48为光电纠偏模组Ⅱ，49为收卷导向轴Ⅱ，50为预浸带收卷盘，51为收卷气涨轴，52为同步带，53为收卷伺服电机，54为纠偏导向轴Ⅳ，55为纠偏导向轴Ⅲ，56为边料收卷盘，57为边料收卷气涨轴，58为裁切模组，59为收卷导向轴Ⅰ，60为定位导向轴Ⅰ，61为下红外加热组件，62为预浸带，63为超声浸渍池，64为浸渍导向轴Ⅰ，65为牵引辊Ⅳ，66为牵引辊Ⅱ，67为纠偏导向轴Ⅱ，68为滑动模组，69为张力调节轴安装座，70为气流宽展风道Ⅰ，71为气流宽展风道Ⅱ，72为放卷伺服电机Ⅰ，73为放卷伺服电机Ⅱ，74为放卷伺服电机Ⅲ，75为放卷伺服电机Ⅳ，76为第一细光轴，77为第二细光轴，78为第三细光轴，79为张力调节轴，80为第四细光轴，81为第五细光轴，82为第六细光轴，83为同步轮，84为转动细光轴Ⅲ，85为转动细光轴Ⅱ，86为转动细光轴Ⅰ，87为抽风管Ⅱ，88为离心风机Ⅱ，89为抽风管Ⅰ，90为离心风机Ⅰ。

具体实施方式

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付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。

如图1所示，本发明提供了一种多丝束碳纤维宽展预浸系统，包括沿进料方向依次设置的放料机构、宽展机构、浸渍定型机构、裁切机构和收卷机构，所述放料机构包括放丝模块和并丝模块，放丝模块位于并丝模块的进料端；所述宽展机构包括气流宽展模块，且气流宽展模块位于并丝模块的出料端。所述浸渍定型机构包括沿进料方向依次设置的泥浆浸渍模块、红外熔融模块和热压定型模块，泥浆浸渍模块和气流宽展模块之间设置有过程纠偏模块、牵引模块，且过程纠偏模块位于牵引模块的进料端。所述裁切机构包括裁切模块，且裁切模块和热压定型模块之间设置有浮动辊模块。所述收卷机构包括边料收集模块和收卷模块，边料收集模块和收卷模块均位于裁切模块的出料端，且收卷模块和裁切模块之间设置有收卷纠偏模块。

具体地，所述放丝模块包括至少两组放丝组件，放丝组件上放置有碳纤维。本实施例中，放丝组件的数量设置有四组，每组放丝组件均包括放卷气涨轴，即分别为放卷气涨轴Ⅰ2、放卷气涨轴Ⅱ4、放卷气涨轴Ⅲ6和放卷气涨轴Ⅳ8，对应的碳纤维分别为碳纤维Ⅰ1、碳纤维Ⅱ3、碳纤维Ⅲ5和碳纤维Ⅳ7，四卷碳纤维分别放置在对应的四个放卷气涨轴上。所述放卷气涨轴通过联轴器连接放卷伺服电机，具体为放卷气涨轴Ⅰ2通过联轴器连接放卷伺服电机Ⅰ72，放卷气涨轴Ⅱ4通过联轴器连接放卷伺服电机Ⅱ73，放卷气涨轴Ⅲ6通过联轴器连接放卷伺服电机Ⅲ74，放卷气涨轴Ⅳ8通过联轴器连接放卷伺服电机Ⅳ75，放卷伺服电机驱动所连接的放卷气涨轴转动从而带动碳纤维开卷放丝。

为了保证碳纤维放卷张力稳定，采用伺服电机及张力传感器配合放卷。即每个放卷气涨轴的上方均设置有张力传感器，分别为张力传感器Ⅰ10、张力传感器Ⅱ14、张力传感器Ⅲ18和张力传感器Ⅳ22，四组张力传感器均包括张力检测辊，用以检测碳纤维张力值。且为进一步保证碳纤维放卷张力稳定，四组张力传感器分别配有张力控制器，张力控制器可以用来设置目标张力以及接收对应张力检测辊所检测的碳纤维张力信号。所述的放卷伺服电机和张力传感器分别与对应的张力控制器相连接，张力传感器检测对应的丝束碳纤维放卷时张力变化，并将信号反馈至对应的张力控制器，张力控制器接收信号再反馈至对应的放卷伺服电机，放卷伺服电机根据检测的张力信号控制输出转矩，进而控制放卷张力稳定在目标张力，以实现恒张力放卷的目的。此外，放卷气涨轴、放卷伺服电机、张力传感器等部件的数量均可以根据实际生产效率要求进行调整。

进一步地，每个张力传感器的两侧均设置有与碳纤维相匹配的放卷导向轴，具体为张力传感器Ⅰ10的两侧分别设置有第一放卷导向轴9和第二放卷导向轴11，碳纤维Ⅰ1在第一放卷导向轴9、第二放卷导向轴11的导向作用下并通过第三放卷导向轴12引入并丝模块内；张力传感器Ⅱ14的两侧分别设置有第四放卷导向轴13和第五放卷导向轴15，碳纤维Ⅱ3在第四放卷导向轴13、第五放卷导向轴15的导向作用下并通过第六放卷导向轴16引入并丝模块内；张力传感器Ⅲ18的两侧分别设置有第七放卷导向轴17和第八放卷导向轴19，碳纤维Ⅲ5在第七放卷导向轴17、第八放卷导向轴19的导向作用下并通过第九放卷导向轴20引入并丝模块内；张力传感器Ⅳ22的两侧分别设置有第十放卷导向轴21和第十一放卷导向轴23，碳纤维Ⅳ7在第十放卷导向轴21、第十一放卷导向轴23的导向作用下引入并丝模块内。

所述并丝模块包括并丝导向轴Ⅰ24、分丝格栅Ⅰ25、分丝格栅Ⅱ26和并丝导向轴Ⅱ27，并丝导向轴Ⅰ24、分丝格栅Ⅰ25、分丝格栅Ⅱ26和并丝导向轴Ⅱ27沿进料方向成W型结构布设且均与碳纤维相匹配。为了实现多束碳纤维并丝，四组碳纤维经并丝导向轴Ⅰ24并丝后依次进入分丝格栅Ⅰ25和分丝格栅Ⅱ26内，分丝格栅由多根细光轴以固定间隔排列在横向固定轴上组成，细光轴间隔可根据实际需求调整，碳纤维经过分丝格栅后可以实现等距排列，从而使碳纤维有序且均匀排列并保证纤维运行轨迹稳定。为了进一步实现多束碳纤维并丝，分丝格栅Ⅰ25和分丝格栅Ⅱ26上的细光轴间隔可根据丝束类型、纤维宽展比等参数进行调整。最后碳纤维在并丝导向轴Ⅱ27的导向作用下引入气流宽展模块内。

作为进一步的优选方案，本实施例中采用气流法实现对碳纤维均匀宽展，以实现碳纤维丝束无损伤高效率宽展。具体如图2所示，所述的气流宽展模块包括两组气流宽展组件，两组气流宽展组件分别包括离心风机Ⅰ90和离心风机Ⅱ88，即采用变频离心风机提供气流，风机功率可调，可以实现气流稳步提升，防止气流突变对纤维造成损伤。其中，所述离心风机Ⅰ90连通抽风管Ⅰ89，抽风管Ⅰ89连通气流宽展风道Ⅰ70的底部，气流宽展风道Ⅰ70的顶部设有三组并排设置的第一细光轴76、第二细光轴77和第三细光轴78；所述离心风机Ⅱ88连通抽风管Ⅱ87，抽风管Ⅱ87连通气流宽展风道Ⅱ71的底部，气流宽展风道Ⅱ71的顶部设有三组并排设置的第四细光轴80、第五细光轴81和第六细光轴82。离心风机启动后可在对应的气流宽展风道内形成稳定气流，在气流作用下对碳纤维实现无接触宽展。碳纤维依次经过气流宽展风道Ⅰ70、气流宽展风道Ⅱ71实现纤维宽展变薄，随后宽展后的碳纤维进入过程纠偏模块内。

为了进一步实现碳纤维丝束无损伤高效率宽展，两组气流宽展组件之间设置有滑动模组68，该滑动模组主要由伺服电机、滚珠丝杆、滑动导轨、滑动平台组成，伺服电机通过联轴器连接至滚珠丝杆，滚珠丝杆通过丝杆支座连接至滑动平台，滑动平台安装在滑动导轨上。伺服电机运行可以带动滚珠丝杆转动，丝杆转动可以带动滑动平台沿滑动导轨移动。所述滑动模组68的滑动平台上滑动设置有张力调节轴安装座69，张力调节轴安装座69上设置有张力调节轴79，滑动模组可带动张力调节轴往复运动，碳纤维会在某一瞬呈现松弛状态，该状态可以放大气流对碳纤维的宽展效果，增加宽展效率。所述张力调节轴79的上方左侧分别设置有第一宽展导向轴28和第一宽展导向轴29，张力调节轴79的上方右侧分别设置有第三宽展导向轴30和第四宽展导向轴31，且第一宽展导向轴28、第一宽展导向轴29、张力调节轴79、第三宽展导向轴30和第四宽展导向轴31沿进料方向成M型结构布设。

所述过程纠偏模块包括光电纠偏模组Ⅰ33，该光电纠偏模组I主要由导向轴、导向轴安装座、伺服电机、光电传感器组成，碳纤维从导向轴上穿过，光电传感器设置在导向轴的一侧且用于检测碳纤维位置信号；导向轴安装在导向轴安装座上，导向轴安装座底部通过连接杆连接至伺服电机输出轴上。光电传感器检测碳纤维位置信号并反馈至伺服电机，伺服电机运转可以带动导向轴水平转动，从而实现宽展后的碳纤维运行轨迹纠正。采用光电纠偏模组Ⅰ33对宽展后的碳纤维实现过程纠偏，保证纤维运行轨迹稳定。光电纠偏模组Ⅰ33的两侧分别设置有与碳纤维相匹配的纠偏导向轴Ⅰ32和纠偏导向轴Ⅱ67，纠偏导向轴Ⅰ32和纠偏导向轴Ⅱ67均起到导向作用，宽展后的碳纤维经纠偏导向轴Ⅱ67引入牵引模块内。

为了进一步保证碳纤维宽展预浸过程稳定，所述牵引模块采用五轴牵引辊组，五轴牵引辊组包括牵引辊Ⅰ34、牵引辊Ⅱ66、牵引辊Ⅲ35、牵引辊Ⅳ65和牵引辊Ⅴ36，牵引辊Ⅰ34、牵引辊Ⅱ66、牵引辊Ⅲ35、牵引辊Ⅳ65和牵引辊Ⅴ36沿进料方向成W型结构布设且均与碳纤维相匹配，即采用五轴牵引辊组牵引宽展后碳纤维移动并进入泥浆浸渍模块内，五轴牵引模组速度可调并能保持线速度恒定，能够实现碳纤维恒速、稳定宽展。五轴牵引避免了对辊式牵引机构由于接触面小、压力过大导致的纤维损伤；并且五轴牵引线速度稳定，可以保证碳纤维放丝及宽展过程线速度恒定，避免了速度变化导致的宽展不均。

所述泥浆浸渍模块包括超声浸渍池63，超声浸渍池63内盛有热塑性树脂粉末配置的特制悬浮液，且超声浸渍池四周安装有超声波发生器，即超声浸渍池底部、两侧均有超声振子分布，超声频率为10-100MHz，超声波发生器启动可以传递能量使池内悬浮液震动，避免因颗粒自然沉降导致的树脂分布不均，以实现对碳纤维均匀预浸。所述超声浸渍池63的底部并排设置有三组与碳纤维相匹配的转动细光轴，分别为转动细光轴Ⅰ86、转动细光轴Ⅱ85和转动细光轴Ⅲ84，且三组转动细光轴位置可上下、左右调整，通过移动转动细光轴可控制碳纤维在超声浸渍池内的停留时间，以提高树脂粉末对碳纤维的浸渍效果。本实施例中采用粉末泥浆法实现对碳纤维宽展丝的浸渍，在超声震动下，使碳纤维在树脂细粉悬浮液内浸渍后其内外表面均匀附有树脂细粉。进一步地，所述超声浸渍池63的进口处和出口处分别对应设置有浸渍导向轴Ⅱ38和浸渍导向轴Ⅲ39，且浸渍导向轴Ⅱ38和牵引辊Ⅴ36之间还设置有浸渍导向轴Ⅰ64，浸渍导向轴Ⅱ38、浸渍导向轴Ⅲ39和浸渍导向轴Ⅰ64均对碳纤维起到导向作用，浸渍后的碳纤维在浸渍导向轴Ⅲ39的作用下引入红外熔融模块内。

所述红外熔融模块包括上下相对应设置的上红外加热组件40和下红外加热组件61，且上红外加热组件40和下红外加热组件61的内部均设置有中长波红外加热管，功率通过可控硅控制。由于高分子树脂粉末对中长波红外线具有较高的吸收性，因此当浸渍过树脂悬浮液的碳纤维经过红外加热管时，可以快速熔融，实现对碳纤维初步预浸。且通过采用中长波红外灯管对浸渍后的碳纤维加热，以实现对碳纤维表面热塑性高分子树脂的高效加热。浸渍后表面附有树脂细粉的碳纤维经中长波红外加热管加热烘干，烘干后树脂粉末被固定在碳纤维上初步形成预浸带62，随后进入热压定型模块内。

为了进一步实现对碳纤维均匀预浸，热压定型模块采用精密热压辊组42，精密热压辊组42包括上下相对应设置的上热压辊和下热压辊，上热压辊和下热压辊采用电加热棒进行加热，温度通过温控器实现精密调节。且上热压辊和下热压辊之间的间隙可通过辊间楔形块进行调节。精密热压辊组42的进料端设置有热压导向轴41，初步形成的预浸带62在热压导向轴41的导向作用下进入精密热压辊组42内进行热压定型，使树脂与碳纤维充分结合，以实现良好预浸，从而得到厚度均匀的热塑性预浸带62。

为进一步表征本发明制备预浸带的树脂浸润情况，利用超景深显微镜观察了预浸带表面，图3为超景深放大500倍时利用不同方法制备预浸带的对比图，其中3（a）为本发明制备的预浸带，显示纤维被树脂预浸后仍排列整齐、纤维表面树脂分布基本均匀，没有明显的富树脂区，表明树脂对纤维丝预浸均匀、充分，浸润过程中没有导致纤维断丝、缠绕等现象。图3（b）为常规的覆膜法制备的预浸带（通常用于玻璃纤维预浸带的制备），显示预浸带表面树脂富集明显，且纤维排列不整齐，有纤维断丝后交叉分布、缠绕的现象。由此可知，本发明中制备的预浸带明显更优。

图4为采用本发明制备的预浸带经0°铺层、热压制成板材，按GB/T 3354-2014测试的应力应变曲线，从图4中可以看出，本发明制备的预浸带平均拉伸强度达到1.85GPa，平均拉伸模量达到93GPa，单向带性能优异。

得到的预浸带62随后进入浮动辊模块内。所述浮动辊模块包括浮动辊模组43，浮动辊模组43主要由浮动辊、安装座、滑块、直线滑轨组成，浮动辊一端通过轴承安装在安装座上，安装座固定连接滑块，滑块安装在直线滑轨上。浮动辊可沿着直线滑轨运动，实现收卷段预浸带的张力调节功能。且采用浮动辊模组43缓解收卷过程中可能存在的五轴牵引辊（牵引辊34、66、35、65和36）、张紧辊模组Ⅰ45、张紧辊模组Ⅱ46之间速度不匹配问题，当五轴牵引辊速度大于张紧辊速度时，浮动辊下降使纤维保持张紧，此时张紧辊模组会增加输出使浮动辊范围原位，使收卷过程张力稳定。进一步地，所述浮动辊模组43的两侧对称设置有与预浸带62相匹配的定位导向轴Ⅰ60和定位导向轴Ⅱ44，定位导向轴Ⅰ60和定位导向轴Ⅱ44起到导向定位的作用。预浸带62经过浮动辊模组43调节张力后进入裁切模块内。

为了便于碳纤维预浸带收卷，所述预浸带在收卷前利用裁切模块进行裁切定宽处理。所述裁切模块包括用于裁切预浸带62的裁切模组58，该裁切模组58由上滚刀组件、下滚刀组件以及安装轴、安装座组成，上滚刀组件主要由环形滚刀片、滚刀片固定环、安装轴组成，环形滚刀片通过螺丝安装在滚刀片固定环上，滚刀片固定环嵌套在安装轴上并通过顶丝固定位置；下滚刀组件主要由安装轴、间隙环组成，间隙环嵌套在安装轴上并通过顶丝固定位置，间隙环上加工有环形间隙且该间隙同上滚刀组件的环形滚刀片尺寸相匹配，间隙环与上滚刀组件的环形滚刀共同组成裁切模块。上下滚刀组件可在安装轴上移动来调节两者之间的间距，以便于调整裁切宽度。为了便于碳纤维预浸带裁切，裁切模组58的两侧分别设置有张紧辊模组Ⅰ45和张紧辊模组Ⅱ46，张紧辊模组Ⅰ45和张紧辊模组Ⅱ46可张紧预浸带以便于裁切，并防止裁切过程中料带跑偏。且张紧辊模组Ⅰ45和张紧辊模组Ⅱ46工作时存在一定速度差，可以保证预浸带裁切过程中位置稳定及张力稳定，以便于裁切。裁切的边料由边料收集模块收集。

所述边料收集模块包括边料收卷盘56，边料收卷盘56安装在边料收卷气涨轴57上，边料收卷气涨轴57由力矩电机驱动，可以保证收卷张力稳定。且边料收卷盘56的进料端设置有收卷导向轴Ⅰ59，裁切后的边料经收卷导向轴Ⅰ59引导，收束在边料收卷盘56上。

所述张紧辊模组Ⅱ46的出料端设有测厚传感器47，定宽后的预浸带经测厚传感器47进行厚度检测，并及时反馈，以便于及时调整工艺参数。随后，预浸带进入收卷纠偏模块内。

所述的收卷纠偏模块包括光电纠偏模组Ⅱ48，光电纠偏模组Ⅱ48包含光电传感器，可以实时检测碳纤维运行轨迹并进行纠正，保证预浸带在收料盘内位置恒定，以便于稳定收卷，避免因预浸带位置偏移导致的收卷失败问题。光电纠偏模组Ⅱ主要由导向轴、导向轴安装座、伺服电机、光电传感器组成，碳纤维从导向轴上穿过，光电传感器设置在导向轴的一侧且用于检测碳纤维位置信号；导向轴安装在导向轴安装座上，导向轴安装座底部通过连接杆连接至伺服电机输出轴上。光电传感器检测碳纤维位置信号并反馈至伺服电机，伺服电机运转可以带动导向轴水平转动，从而实现宽展后的碳纤维运行轨迹纠正。光电纠偏模组Ⅱ48的两侧分别设置有与预浸带62相匹配的纠偏导向轴Ⅲ55和纠偏导向轴Ⅳ54，预浸带62在纠偏导向轴Ⅳ54的导向作用下进入收卷模块内。

所述收卷模块包括预浸带收卷盘50，预浸带收卷盘50安装在收卷气涨轴51上，收卷气涨轴51通过传动组件连接收卷伺服电机53，该传动组件包括同步带52和同步轮83，同步带52的一端与预浸带收卷盘50相连接、另一端与同步轮83相连接，同步轮83与收卷伺服电机53的输出轴相连接，收卷伺服电机53依次通过同步轮83、同步带52带动收卷气涨轴51转动，进而带动预浸带收卷盘50转动，实现收卷。预浸带收卷盘50的进料端设置有收卷导向轴Ⅱ49，纠偏后的预浸带62经收卷导向轴Ⅱ49引导收束在预浸带收卷盘50上。所述收卷伺服电机53可采用力矩模式进行收卷，保证收卷张力稳定。

碳纤维卷在对应的放卷气涨轴上开卷后，经导向轴穿过张力传感器，张力传感器可检测碳纤维张力值并根据目标张力值控制放卷伺服电机的输出，以实现恒张力放卷的目的；碳纤维经过分丝格栅后均匀排列，然后经过气流宽展风道实现纤维宽展变薄，随后宽展后的碳纤维经过光电纠偏模组Ⅰ的纠偏并在五轴牵引辊的牵引下，进入超声浸渍池内，超声浸渍池内有树脂细粉悬浮液，在超声震动下，树脂细粉均匀分布在碳纤维内外表面，然后经浸渍后的碳纤维经过上红外加热组件、下红外加热组件烘干，烘干后树脂粉末被固定在碳纤维上，然后经过精密热压辊组热压、定型，从而得到厚度均匀的热塑性预浸带，预浸带经过浮动辊模组调节张力后，由裁切模组依据实际需求对预浸带进行裁边定宽处理，裁下的边料由边料收卷盘收集，定宽后的预浸带经测厚传感器进行厚度检测，然后经过光电纠偏模组Ⅱ纠偏，最终由预浸带收卷盘收卷。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多丝束碳纤维宽展预浸系统，其特征在于：包括沿进料方向依次设置的放料机构、宽展机构、浸渍定型机构、裁切机构和收卷机构，所述放料机构包括放丝模块和并丝模块，放丝模块位于并丝模块的进料端，且放丝模块包括至少两组放丝组件，放丝组件上放置有碳纤维；

所述宽展机构包括气流宽展模块，气流宽展模块位于并丝模块的出料端；

所述浸渍定型机构包括沿进料方向依次设置的泥浆浸渍模块、红外熔融模块和热压定型模块，泥浆浸渍模块和气流宽展模块之间设置有过程纠偏模块、牵引模块，且过程纠偏模块位于牵引模块的进料端；

所述裁切机构包括裁切模块，且裁切模块和热压定型模块之间设置有浮动辊模块；

所述收卷机构包括边料收集模块和收卷模块，边料收集模块和收卷模块均位于裁切模块的出料端，且收卷模块和裁切模块之间设置有收卷纠偏模块。

2.根据权利要求1所述的多丝束碳纤维宽展预浸系统，其特征在于：所述放丝模块中的每组放丝组件均包括放卷气涨轴，碳纤维放置在放卷气涨轴上，所述放卷气涨轴通过联轴器连接放卷伺服电机，放卷气涨轴的上方设置有张力传感器，放卷伺服电机和张力传感器均连接张力控制器；且张力传感器的两侧均设置有与碳纤维相匹配的放卷导向轴；所述并丝模块包括并丝导向轴Ⅰ（24）、分丝格栅Ⅰ（25）、分丝格栅Ⅱ（26）和并丝导向轴Ⅱ（27），并丝导向轴Ⅰ（24）、分丝格栅Ⅰ（25）、分丝格栅Ⅱ（26）和并丝导向轴Ⅱ（27）沿进料方向成W型结构布设且均与碳纤维相匹配。

3.根据权利要求1或2所述的多丝束碳纤维宽展预浸系统，其特征在于：所述气流宽展模块包括两组气流宽展组件，两组气流宽展组件之间设置有滑动模组（68），滑动模组（68）上滑动设置有张力调节轴安装座（69），张力调节轴安装座（69）上设置有张力调节轴（79），张力调节轴（79）的上方两侧均设置有宽展导向轴；每组气流宽展组件均包括离心风机，离心风机连通抽风管，抽风管连通气流宽展风道的底部，气流宽展风道的顶部设有三组并排设置的细光轴；所述的张力调节轴（79）、宽展导向轴和细光轴均与碳纤维相匹配。

4.根据权利要求3所述的多丝束碳纤维宽展预浸系统，其特征在于：所述过程纠偏模块包括光电纠偏模组Ⅰ（33），光电纠偏模组Ⅰ（33）的两侧分别设置有与碳纤维相匹配的纠偏导向轴Ⅰ（32）和纠偏导向轴Ⅱ（67）；所述牵引模块采用五轴牵引辊组，五轴牵引辊组包括牵引辊Ⅰ（34）、牵引辊Ⅱ（66）、牵引辊Ⅲ（35）、牵引辊Ⅳ（65）和牵引辊Ⅴ（36），牵引辊Ⅰ（34）、牵引辊Ⅱ（66）、牵引辊Ⅲ（35）、牵引辊Ⅳ（65）和牵引辊Ⅴ（36）沿进料方向成W型结构布设且均与碳纤维相匹配。

5.根据权利要求1或2或4所述的多丝束碳纤维宽展预浸系统，其特征在于：所述泥浆浸渍模块包括超声浸渍池（63），超声浸渍池（63）内盛有树脂细粉悬浮液，超声浸渍池（63）的底部并排设置有三组与碳纤维相匹配的转动细光轴，碳纤维经三组转动细光轴引导在树脂细粉悬浮液内浸渍后其内外表面均附有树脂细粉；所述超声浸渍池（63）的两侧分别设置有浸渍导向轴Ⅱ（38）和浸渍导向轴Ⅲ（39），且浸渍导向轴Ⅱ（38）和牵引辊Ⅴ（36）之间还设置有浸渍导向轴Ⅰ（64）。

6.根据权利要求5所述的多丝束碳纤维宽展预浸系统，其特征在于：所述红外熔融模块包括上下相对应设置的上红外加热组件（40）和下红外加热组件（61），上红外加热组件（40）和下红外加热组件（61）的内部均设置有中长波红外加热管，附有树脂细粉的碳纤维经中长波红外加热管加热处理后形成预浸带（62）；所述热压定型模块采用精密热压辊组（42），精密热压辊组（42）包括上下相对应设置的上热压辊和下热压辊，且精密热压辊组（42）的进料端设置有热压导向轴（41）；所述的热压导向轴（41）和精密热压辊组（42）均与预浸带（62）相匹配。

7.根据权利要求6所述的多丝束碳纤维宽展预浸系统，其特征在于：所述裁切模块包括用于裁切预浸带（62）的裁切模组（58），裁切模组（58）的两侧分别设置有张紧辊模组Ⅰ（45）和张紧辊模组Ⅱ（46）；且张紧辊模组Ⅱ（46）的出料端设有测厚传感器（47）。

8.根据权利要求6或7所述的多丝束碳纤维宽展预浸系统，其特征在于：所述边料收集模块包括边料收卷气涨轴（57），边料收卷气涨轴（57）上安装有边料收卷盘（56），且边料收卷盘（56）的进料端设置有收卷导向轴Ⅰ（59）。

9.根据权利要求8所述的多丝束碳纤维宽展预浸系统，其特征在于：所述收卷模块包括预浸带收卷盘（50），预浸带收卷盘（50）安装在收卷气涨轴（51）上，收卷气涨轴（51）通过传动组件连接收卷伺服电机（53）；预浸带收卷盘（50）的进料端设置有收卷导向轴Ⅱ（49）。

10.根据权利要求6、7或9中任一项所述的多丝束碳纤维宽展预浸系统，其特征在于：所述浮动辊模块包括浮动辊模组（43），浮动辊模组（43）的两侧分别设置有与预浸带（62）相匹配的定位导向轴Ⅰ（60）和定位导向轴Ⅱ（44）；所述收卷纠偏模块包括光电纠偏模组Ⅱ（48），光电纠偏模组Ⅱ（48）的两侧分别设置有与预浸带（62）相匹配的纠偏导向轴Ⅲ（55）和纠偏导向轴Ⅳ（54）。

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