CN114379116A - 低损伤碳纤维浸胶纱与预浸料单向缠绕板的制备装置及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低损伤碳纤维浸胶纱与预浸料单向缠绕板的制备装置，其包括缠绕装置和移动装置；缠绕装置包括缠绕电机和固定在缠绕电机上的缠绕架；移动装置包括位于操作台上的移动小车和连接在移动小车上电子秤和纱架，在电子秤上安装有树脂浸润装置，在纱架上安装纱筒电机和安装在该纱筒电机上的纱筒；树脂浸润装置包括安装在电子秤上的树脂槽、安装在树脂槽内的树脂辊、安装在树脂辊上侧的压辊，在树脂槽的外壁上安装有树脂辊电机，树脂辊电机驱动该树脂辊转动。本申请还公开了采用制备装置制备低损伤碳纤维浸胶纱与预浸料单向缠绕板的制备方法。利用本申请，能够提高纱线上树脂携带量的均匀性，提高树脂的浸润质量，提高试样的制备质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种低损伤碳纤维浸胶纱与预浸料单向缠绕板的制备装置及制备方法。
背景技术
目前评价碳纤维纱线性能或是需要取得DNV·GL船级社产品认证，需要将碳纤维制备成浸胶纱及纤维增强塑料层合板。由于碳纤维单丝直径较细，一般为5-7μm，且拉伸伸长率低，相比玻璃纤维和芳纶纤维而言，容易损伤折断，容损率较低，因此在采用浸胶法(如专利公开号：CN110938953A)时，纤维与树脂槽底压辊会产生较大的摩擦力和张力，导致纤维受损，影响测试数据，难以真实反映出纤维的真实性能。
浸胶纱与纤维增强塑料层合板的树脂含量是影响增强材料的重要因素。若树脂含量较低，纤维单丝之间的载荷无法均匀传递，导致受力不均，影响测试效果；若树脂含量过高，浸胶纱会出现挂珠，产生应力集中，导致试样测试过程中提前破坏，而纤维增强塑料层合板的厚度会增大，导致测试所得的拉伸、弯曲强度和模量偏低。一般由于缠绕过程中，树脂粘度、树脂对纤维浸润速率等情况变化，会导致缠绕纱线的树脂含量发生变化，若不在缠绕过程中实时监控，试样制备完毕后检测发现树脂含量不满足要求，会导致原料、时间和试验人员精力的浪费，影响试验进度。
发明内容
为解决上述问题，本发明首先提出了一种低损伤碳纤维浸胶纱与预浸料单向缠绕板的制备装置，其包括缠绕装置和移动装置；
其中缠绕装置包括固定在操作台上的缠绕电机，该缠绕电机的第一输出轴沿第一轴线方向延伸，在该第一输出轴上固定安装有缠绕架；
移动装置包括位于操作台上的移动小车和连接在该移动小车上的连接杆，在该连接杆上沿第二轴线方向依次固定安装有电子秤和纱架，在该电子秤上固定安装有树脂浸润装置，在纱架上安装有纱筒电机，该纱筒电机的第二输出轴沿第一方向延伸，在该第二输出轴上安装有磁粉制动器，该磁粉制动器的第三输出轴上可拆卸地安装有纱筒，纱线经纱筒引出后，经树脂浸润装置浸润后被缠绕到缠绕架上；该移动小车能够带动连接杆沿第一轴线方向往复移动；
该树脂浸润装置包括安装在电子秤上的树脂槽、安装在树脂槽内的树脂辊、安装在树脂辊上侧的压辊，在树脂槽的外壁上安装有树脂辊电机，该树脂辊电机的输出轴连接到树脂辊上，以驱动该树脂辊转动，该压辊经辊架安装在连接杆上，该树脂辊的中心轴沿第一轴线方向延伸，该树脂槽设置有电加热装置；在树脂槽上安装有一对中架，在对中架上开设有一对中通孔延伸，对中架位于树脂辊朝向纱架的一侧，该对中通孔沿第二轴线方向；纱线经纱筒引出后，首先穿过该对中通孔，然后再由树脂辊与压辊之间经过穿过后被缠绕到缠绕架上。
本申请中的纱线是指碳纤维纱线。
本申请中设置了对中架，使纱线在树脂浸润装置上的位置保持稳定，以提高纱线在缠绕架上的均匀性。在本申请中，设置了一个移动小车，作为纱线的往复机构，同时将电子秤和纱架与移动小车经连接杆形成为一个整体，并将树脂浸润装置安装在电子秤上，由于纱架能够与树脂浸润装置同步移动，使纱线能够在设定位置经过树脂浸润装置，浸润方式为擦胶方式，减少了对纱线的磨损，为了保证纱线的位置，还特设了一个对中架，使纱线经过对中架上的对中孔后再经过树脂浸润装置，从而进一步保证了纱线的位置。
目前，在制备碳纤维浸胶纱与预浸料单向缠绕板时，纱架能够与树脂浸润装置均固定在操作台上，然后设置专门的往复机构，以带动浸胶后的纱线缠绕到缠绕架上，这种缠绕方式，虽然能够完成纱线的缠绕，但是在纱线随往复机构进行往复移动，这使得纱线在经过树脂浸润装置时，会在树脂辊与压辊之间的缝隙中进行相应的往复移动，使纱线与树脂辊和压辊之间产生相对移动，由于树脂的粘度较大，纱线在树脂辊与压辊之间往复移动时，会对纱线产生一定程度的拉伸和回缩，使纱线在缠绕板上产生松紧不同的缠绕圈，影响样品内部质量的均一性，同时由于纱线会与树脂辊或压辊产生摩擦，对纱线造成伤害。而由于本申请中，纱架和树脂浸润装置均能够随移动小车进行同步移动，纱线与树脂辊和压辊之间不产生相对移动，或仅仅产生微小的相对移动，不但减少了由于树脂粘度而造成的纱线伸缩现象，同时采用擦胶方式进行树脂对纱线的浸润，还最大限度地避免了由于纱线与树脂辊和压辊之间产生摩擦，避免了纱线的损伤。
利用电子秤，对树脂浸润装置内的树脂进行连续监控，以控制树脂的消耗量，能够提高纱线上树脂携带量的均匀性，提高树脂的浸润质量，从而提高试样的制备质量。
为了便于牵引纱线，且避免纱线掉落到地面，在连接杆上还安装有定位架，该定位架位于电子秤与纱架之间，该定位架为向下突出的圆弧杆，该圆弧杆的圆弧槽用于支撑纱线。在将纱线由纱筒牵引到缠绕架上的过程中，可以将纱线临时支撑在支撑架上，避免纱线掉落到地面或操作台上，且还可以利用支撑架，对纱线进行整理，避免纱线产生缠绕现象。
进一步，为对树脂辊上树脂的厚度进行调整，并将多余的树脂刮掉，在树脂槽上还安装有一刮刀，该刮刀位于树脂辊朝向纱架的一侧，该刮刀用于对树脂辊上的树脂进行刮除，以调整树脂辊所携带树脂的厚度。
具体地，当制备浸胶纱时，缠绕架选用缠绕框，该缠绕框呈中空的矩形；
制备预浸料单向缠绕板时，缠绕架选用单向缠绕模板，该单向缠绕模板包括呈中空的矩形框和粘结在该矩形框上的离型纸，该离型纸覆盖在矩形框上并覆盖矩形框的中心孔。根据不同的需要，采用不同的缠绕架。
进一步，为便于控制，提高制样效率，还包括控制中心，该控制中心包括处理器和存储器，处理器获取缠绕电机的第一转速、树脂辊电机的第二转速、纱筒电机的第三转速、以及电子秤所获得的质量检测数据；该存储器用于存储一可执行指令，该可执行指令使所述处理器执行以下操作：
调整缠绕电机的第一转速；
调整树脂辊电机的第二转速；
调整纱筒电机的第三转速；
根据质量检测数据，计算单位时间内树脂的消耗量。
进一步，中通孔被设置为：纱线经纱筒引出、并经过中通孔以及树脂辊与压辊之间的缝隙后，纱筒与缝隙之间的纱线能够保持在水平方向。该设计能够减少纱线在行走过程中，与设备部件的接触，从而减少对纱线的磨损。
其次，本申请还公开了一种低损伤碳纤维浸胶纱与预浸料单向缠绕板的制备方法，其采用上述任一项所述的制备装置进行，该制备方法包括如下步骤：
(1)将纱线由纱筒上引出，使其穿过树脂辊与压辊之间的缝隙后固定到缠绕架上；
(2)将树脂槽内的树脂加热到设定粘度，启动树脂辊；启动移动小车，使移动小车沿第一轴线方向往复移动；
(3)启动缠绕电机、树脂辊电机和移动小车，制备装置启动，开始运转，纱线经过树脂的浸润后形成为浸胶纱，然后被缠绕在缠绕架上，进行浸胶纱的预缠绕；
(4)待制备装置运行稳定，截取缠绕架上的一段浸胶纱，检测其树脂含量；若树脂含量符合要求，开始正式缠绕；若树脂含量不符合要求，调整缠绕电机的转速、树脂辊与刮刀之间的距离、以及树脂辊与压辊之间的间隙，重新检测缠绕架上浸胶纱中的树脂含量，直到符合要求，开始正式缠绕；
在正式缠绕过程中，使纱线的抽纱速度保持在设定范围内；
在正式缠绕开始前，将缠绕架上不合格的浸胶纱拆除掉；
(5)缠绕完毕后，取下缠绕架，进行固化制样。
具体地，步骤(4)中，浸胶纱中树脂含量的检测方法为：
在缠绕架上截取一段长度为L的浸胶纱，称量获得其质量M，浸胶纱的线密度为ρ＝M/L，纱线的线密度为ρ0；
浸胶纱中的树脂含量ω＝(ρ-ρ0)/ρ。
该制备方法中，纱线在进行缠绕前，首先进行预缠绕，以对制备装置及纱线的行走路线进行调整，并且在制备装置运行稳定后，对纱线的树脂含量进行检测，只有纱线的树脂含量达到设定标准后，才开设正式的制样工作，以此保证样品中树脂含量的均匀性。在目前，制样过程中，是在完成制样后，再检测样品中树脂的含量，只要样品中树脂含量达到标准，即为合格样品，即可用于检测，但是在制样过程中，这会导致部分纱线中树脂含量的均匀性较差，由此会造成样品中部分区域的树脂含量偏高或偏低，造成样品内部缺陷，使所获得的检测数据无法真实反应纱线的实际性能指标，具有使部分不合格产品成为合格产品的风险。
本申请中，利用电子秤对树脂的消耗量进行监控，保证了纱线携带树脂量的均匀性，能够及时发现纱线携带树脂量的变化，以进行及时调整。
进一步，为了保证纱线上树脂吸附的均匀性，利用电子秤在线检测树脂槽内树脂的含量，计算树脂的消耗速度，当树脂的消耗速度发送波动时，检查树脂粘度。该设计能够及时发现树脂吸附量的波动，当树脂吸附量发送波动表明了纱线树脂含量发生波动。
进一步，为保证纱线移动的均匀性，在纱筒与树脂浸润装置之间的纱线处于水平状态，并通过磁粉制动器控制纱筒送纱张力。当纱筒与树脂浸润装置之间的纱线处于水平状态时，能够使纱线连续地向前移动，而当纱筒与树脂浸润装置之间的纱线出现弯曲时，会使纱线在缠绕到缠绕架上的张力降低，从而使影响纱线在缠绕架上的均匀性，最终导致样品的质量降低，严重时，会导致样品无效。
附图说明
图1是低损伤碳纤维浸胶纱与预浸料单向缠绕板的制备装置的结构示意图。
图2是树脂浸润装置的结构示意图。
图3为往复机构的结构示意图。
图4是缠绕框的结构示意图。
图5是单向缠绕模板的结构示意图。
具体实施方式
以下首先对低损伤碳纤维浸胶纱与预浸料单向缠绕板的制备装置进行说明，请参阅图1，图1中第一轴线X的指向表示第一轴线方向，第二轴线Y的指向表示第二轴线方向。
该制备装置包括缠绕装置和移动装置；其中缠绕装置包括固定在操作台100上的缠绕电机1，该缠绕电机的第一输出轴沿第一轴线方向延伸，在该第一输出轴上固定安装有缠绕架2。
移动装置包括位于操作台上的移动小车3和连接在该移动小车3上的两根连接杆6，在该连接杆3上沿第二轴线方向依次固定安装有电子秤4、定位架7和纱架31，定位架7位于电子秤4和纱架31之间。该定位架为向下突出的圆弧杆，该圆弧杆的圆弧槽用于支撑纱线。
具体在本实施例中，移动小车3经往复机构30驱动，沿第一轴线方向往复移动。
该往复机构30包括固定在操作台100上安装有两根相互平行且沿第一轴线方向延伸的导轨37，该移动小车3滑动地安装在两根导轨37上，在操作台的下方活动地吊挂有一齿条32，该齿条32上的齿牙33朝向下方，在操作台上对应齿条的区域内开设有沿第一轴线方向延伸的滑槽38，移动小车3经该滑槽固定连接到该齿条32上。
在操作台100的下方还固定安装有一伺服电机34，在该伺服电机的的输出轴上安装有一驱动齿轮36，该驱动齿轮与齿条的齿牙33相啮合，该伺服电机能够驱动齿条沿第一轴线方向往复移动，并由此带动移动小车沿导轨在第一轴线方向是往复移动。
在该电子秤4上固定安装有树脂浸润装置5，在纱架上安装有纱筒电机8，该纱筒电机8的第二输出轴沿第一方向延伸，在该第二输出轴上安装磁粉制动器，该磁粉制动器的第三输出轴上可拆卸地安装有纱筒9，纱线经纱筒引出后，经树脂浸润装置浸润后被缠绕到缠绕架上；该移动小车3能够带动连接杆沿第一轴线方向往复移动，同时使安装在连接杆上的电子秤4、定位架7、纱架31以及安装在电子秤上的树脂浸润装置5同步移动。
具体在本实施例中，在磁粉制动器的第三输出轴上固定安装有锥形套管，纱筒的筒管能够紧密地套设在该锥形套管上，在纱筒上纱线被抽完后，将筒管拔下更换新的纱筒即可。
该树脂浸润装置5包括安装在电子秤上的树脂槽16、安装在树脂槽内的树脂辊14、安装在树脂辊14上侧的压辊11，在树脂槽的外壁上安装有树脂辊电机15，该树脂辊电机15的输出轴连接到树脂辊上，以驱动该树脂辊转动，该压辊11经辊架12安装在连接杆6上。
该树脂辊14的中心轴沿第一轴线方向延伸，该树脂槽设置有电加热装置，用于加热树脂槽内的树脂。在辊架12上沿竖直方向上设置有滑槽，压辊的转轴插入到滑槽内，并通过螺栓固定在滑槽内，利用滑槽以调节压辊的高度，从而调节压辊与树脂辊之间的距离。
在树脂槽16上安装有一对中架19，在对中架上开设有一对中通孔191，对中架位于树脂辊朝向纱架的一侧，该对中通孔沿第二轴线方向延伸。纱线17经纱筒引出后，首先穿过该对中通孔，然后再由树脂辊与压辊之间经过穿过后被缠绕到缠绕架上。中通孔被设置为：纱线经纱筒引出、并经过中通孔以及树脂辊与压辊之间的缝隙后，纱筒与缝隙之间的纱线能够保持在水平方向。
在树脂槽上还安装有一刮刀18，该刮刀位于树脂辊朝向纱架的一侧，该刮刀用于对树脂辊上的树脂进行刮除，以调整树脂辊所携带树脂的厚度。刮刀经刀架13固定在树脂槽上。
请参阅图4，在本实施例中，缠绕架选用缠绕框21，该缠绕框呈中空的矩形，缠绕框21用于制备浸胶纱。请参阅图5，可以理解，在另一实施例中，缠绕架还可以选用单向缠绕模板22，该单向缠绕模板包括呈中空的矩形框221和粘结在该矩形框上的离型纸222，该离型纸覆盖在矩形框上并覆盖矩形框的中心孔。单向缠绕模板22用于制备预浸料单向缠绕板
在本实施例中，还包括控制中心，该控制中心包括处理器40和存储器41，缠绕电机、树脂辊电机、纱筒电机和电子秤均电连接到处理器上。显示器42连接到处理器40上，以显示处理器所获得的数据以及处理后的数据。
处理器获取缠绕电机的第一转速、树脂辊电机的第二转速、纱筒电机的第三转速、以及电子秤所获得的质量检测数据；该存储器用于存储一可执行指令，该可执行指令使所述处理器执行以下操作：
调整缠绕电机的第一转速；
调整树脂辊电机的第二转速；
调整纱筒电机的第三转速；
根据质量检测数据，计算单位时间内树脂的消耗量。
以下对低损伤碳纤维浸胶纱与预浸料单向缠绕板的制备方法进行说明，该制备方法采用上述的制备装置进行，该制备方法包括如下步骤：
(1)将纱线由纱筒上引出，使其穿过树脂辊与压辊之间的缝隙后固定到缠绕架上。
(2)将树脂槽内的树脂加热到设定粘度，启动树脂辊；启动移动小车，使移动小车沿第一轴线方向往复移动。
(3)启动缠绕电机、树脂辊电机和移动小车，制备装置启动，开始运转，纱线经过树脂的浸润后形成为浸胶纱，然后被缠绕在缠绕架上，进行纱线的预缠绕；在纱筒与树脂浸润装置之间的纱线处于水平状态。
(4)待制备装置运行稳定，截取缠绕架上的一段浸胶纱，检测其树脂含量；若树脂含量符合要求，开始正式缠绕；若树脂含量不符合要求，调整缠绕电机的转速、树脂辊与刮刀之间的距离、以及树脂辊与压辊之间的间隙，重新检测缠绕架上浸胶纱中的树脂含量，直到符合要求；使纱线的抽纱速度保持在设定范围内，开始正式缠绕浸胶纱。
(5)缠绕完毕后，取下缠绕架，进行固化制样。
步骤(4)中，浸胶纱中树脂含量的检测方法为：
在缠绕架上截取一段长度为L的浸胶纱，称量获得其质量M，浸胶纱的线密度为ρ＝M/L，纱线的线密度为ρ0；
浸胶纱中的树脂含量ω＝(ρ-ρ0)/ρ。
利用电子秤在线检测树脂槽内树脂的含量，利用处理器计算树脂的消耗速度，当树脂的消耗速度发送波动时，检查树脂粘度，调整电加热装置，使树脂粘度保持在设定范围内。
Claims (10)
1.低损伤碳纤维浸胶纱与预浸料单向缠绕板的制备装置，其特征在于，包括缠绕装置和移动装置；
其中缠绕装置包括固定在操作台上的缠绕电机，该缠绕电机的第一输出轴沿第一轴线方向延伸，在该第一输出轴上固定安装有缠绕架；
移动装置包括位于操作台上的移动小车和连接在该移动小车上的连接杆，在该连接杆上沿第二轴线方向依次固定安装有电子秤和纱架，在该电子秤上固定安装有树脂浸润装置，在纱架上安装有纱筒电机，该纱筒电机的第二输出轴沿第一方向延伸，在该第二输出轴上安装有磁粉制动器，该磁粉制动器的第三输出轴上可拆卸地安装有纱筒，纱线经纱筒引出后，经树脂浸润装置浸润后被缠绕到缠绕架上；该移动小车能够带动连接杆沿第一轴线方向往复移动；
该树脂浸润装置包括安装在电子秤上的树脂槽、安装在树脂槽内的树脂辊、安装在树脂辊上侧的压辊，在树脂槽的外壁上安装有树脂辊电机，该树脂辊电机的输出轴连接到树脂辊上，以驱动该树脂辊转动，该压辊经辊架安装在连接杆上，该树脂辊的中心轴沿第一轴线方向延伸，该树脂槽设置有电加热装置；在树脂槽上安装有一对中架，在对中架上开设有一对中通孔延伸，对中架位于树脂辊朝向纱架的一侧，该对中通孔沿第二轴线方向；纱线经纱筒引出后，首先穿过该对中通孔，然后再由树脂辊与压辊之间经过穿过后被缠绕到缠绕架上。
2.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，在连接杆上还安装有定位架，该定位架位于电子秤与纱架之间，该定位架为向下突出的圆弧杆，该圆弧杆的圆弧槽用于支撑纱线。
3.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，
在树脂槽上还安装有一刮刀，该刮刀位于树脂辊朝向纱架的一侧，该刮刀用于对树脂辊上的树脂进行刮除，以调整树脂辊所携带树脂的厚度。
4.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，
当制备浸胶纱时，缠绕架选用缠绕框，该缠绕框呈中空的矩形；
制备预浸料单向缠绕板时，缠绕架选用单向缠绕模板，该单向缠绕模板包括呈中空的矩形框和粘结在该矩形框上的离型纸，该离型纸覆盖在矩形框上并覆盖矩形框的中心孔。
5.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，
还包括控制中心，该控制中心包括处理器和存储器，处理器获取缠绕电机的第一转速、树脂辊电机的第二转速、纱筒电机的第三转速、以及电子秤所获得的质量检测数据；该存储器用于存储一可执行指令，该可执行指令使所述处理器执行以下操作：
调整缠绕电机的第一转速；
调整树脂辊电机的第二转速；
调整纱筒电机的第三转速；
根据质量检测数据，计算单位时间内树脂的消耗量。
6.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，
中通孔被设置为：纱线经纱筒引出、并经过中通孔以及树脂辊与压辊之间的缝隙后，纱筒与缝隙之间的纱线能够保持在水平方向。
7.低损伤碳纤维浸胶纱与预浸料单向缠绕板的制备方法，其特征在于，采用上述1-6任一项所述的制备装置进行，该制备方法包括如下步骤：
(1)将纱线由纱筒上引出，使其穿过树脂辊与压辊之间的缝隙后固定到缠绕架上；
(2)将树脂槽内的树脂加热到设定粘度，启动树脂辊；启动移动小车，使移动小车沿第一轴线方向往复移动；
(3)启动缠绕电机、树脂辊电机和移动小车，制备装置启动，开始运转，纱线经过树脂的浸润后形成为浸胶纱，然后被缠绕在缠绕架上，进行浸胶纱的预缠绕；
(4)待制备装置运行稳定，截取缠绕架上的一段浸胶纱，检测其树脂含量；若树脂含量符合要求，开始正式缠绕；若树脂含量不符合要求，调整缠绕电机的转速、树脂辊与刮刀之间的距离、以及树脂辊与压辊之间的间隙，重新检测缠绕架上浸胶纱中的树脂含量，直到符合要求，开始正式缠绕；
在正式缠绕过程中，使纱线的抽纱速度保持在设定范围内；
在正式缠绕开始前，将缠绕架上不合格的浸胶纱拆除掉；
(5)缠绕完毕后，取下缠绕架，进行固化制样。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，
步骤(4)中，浸胶纱中树脂含量的检测方法为：
在缠绕架上截取一段长度为L的浸胶纱，称量获得其质量M，浸胶纱的线密度为ρ＝M/L，纱线的线密度为ρ0；
浸胶纱中的树脂含量ω＝(ρ-ρ0)/ρ。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，
利用电子秤在线检测树脂槽内树脂的含量，计算树脂的消耗速度，当树脂的消耗速度发送波动时，检查树脂粘度。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在纱筒与树脂浸润装置之间的纱线处于水平状态。
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