CN115723357B - 一种拉挤碳板性能提升的拉挤成型装置及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及复合材料的拉挤成型技术领域，尤其涉及一种拉挤碳板性能提升的拉挤成型装置及制备方法，包括依次设置的排纱装置、浸胶装置、预成型及固化成型装置、牵引装置、切割机和收卷机，排纱装置包括：放卷组件使碳纤维纱束沿0°方向进行放卷；放卷的碳纤维纱束经出纱定位杆后翻折呈S型包绕在第一角度转换杆和纱线幅宽定位杆上，并反向翻折后经第二角度转换杆上沿0°方向排出，用于将单层碳纤维纱束幅宽转变为制品幅宽，张力调节组件调节碳纤维纱束在放卷过程中的张力，保证碳纤维纱束在排布纱线过程中始终存在微张力，使纤维排列整齐、平直无卷曲，以保证碳纤维性能在拉挤碳板0°方向性能存在一个高的转换率。

Description

一种拉挤碳板性能提升的拉挤成型装置及制备方法

技术领域

本发明涉及复合材料的拉挤成型技术领域，尤其涉及一种拉挤碳板性能提升的拉挤成型装置及制备方法。

背景技术

随着风力发电机组功率的快速提升及海上风力发电机组的快速发展，对风力发电机组叶片的性能要求越来越高，风力发电机组叶片正朝轻量化、大型化、智能化快速发展，为满足海上风力发电机组叶片的性能、质量要求，高性能复合材料在风力发电机组叶片的应用是未来的发展趋势。

传统的风力发电机组叶片大梁采用玻璃纤维织物真空灌注工艺制备，但随着风力发电机组叶片的轻量化及大型化要求，对增强材料的比强度、比模量和刚度提出了更高的性能要求，玻璃纤维增强材料已经不能再满足风力发电机组叶片的性能要求，越来越多的目光投向高性能增强材料——碳纤维上。使用碳纤维既能减轻风力发电机组叶片的重量，同时提升风力发电机组叶片的强度及刚度，使其能满足轻量化、大型化的性能要求及发展趋势。

碳纤维复合材料的成型工艺很多，但同时因风力发电机组叶片低成本的要求，碳纤维增强材料预浸布及织物真空灌注工艺因其低效率、高成本的原因不具任何优势，拉挤成型因效率高、成本低等优点已成为碳纤维增强材料在风力发电机组叶片使用的最主要的成型技术。应用于风力发电机组叶片且使用拉挤成型技术制备的碳纤维复合材料一般为截面为矩形的标准平板（一般简称为拉挤碳板），在风力发电机组叶片上使用时再将标准件进行组成粘接成叶片大梁，作为风力发电机组叶片的主要承力结构进行使用，关注的主要性能为拉挤碳板的0°方向（即拉挤方向，纤维方向）的拉伸及压缩性能。

然而目前的拉挤碳板因为工艺原因，碳纤维增强材料在拉挤碳板中的排布混乱，存在层与层之间乱串的情况，导致拉挤碳板的0°方向的性能无法发挥碳纤维的高强高模的性能，在性能上有一定的损失。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种拉挤碳板性能提升的拉挤成型装置及制备方法，有效解决背景技术中的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种拉挤碳板性能提升的拉挤成型装置及制备方法，包括依次设置的排纱装置、浸胶装置、预成型及固化成型装置、牵引装置、切割机和收卷机，其中所述排纱装置包括：

放卷组件，以使纱筒上的碳纤维纱束沿0°方向进行放卷；

出纱定位杆，平行于纱筒设置，使放卷的碳纤维纱束呈S型包绕在所述出纱定位杆上，用于固定碳纤维纱束的出纱位置；

纱线幅宽转换组件，包括第一角度转换杆、纱线幅宽定位杆和第二角度转换杆，用于将单层碳纤维纱束幅宽转变为制品幅宽；

张力调节组件，用于调节碳纤维纱束在放卷过程中的张力，并保证碳纤维纱束在排布纱线过程中始终存在微张力；

其中，所述第一角度转换杆和所述纱线幅宽定位杆平行设置，且在垂直于碳纤维纱束的出纱方向上相对于所述出纱定位杆倾斜设置，所述第二角度转换杆平行于所述出纱定位杆设置，经所述出纱定位杆的碳纤维纱束翻折后呈S型包绕在所述第一角度转换杆和所述纱线幅宽定位杆上，并反向翻折后经所述第二角度转换杆上沿0°方向排出。

进一步地，单根碳纤维纱束在第一角度转换杆处的翻转方向与所述第二角度转换杆处的翻转方向相反；

且单层碳纤维纱束上多个单根碳纤维纱束位于同一处翻转点的翻转方向均相同。

进一步地，相邻两所述纱线幅宽定位杆之间的间距为碳纤维纱束的宽度距离。

进一步地，所述第一角度转换杆与所述纱线幅宽定位杆沿拉挤方向距离0.5-2m。

进一步地，所述浸胶装置包括胶槽、回流架、树脂桶和气动隔膜泵；

所述胶槽上方设有溢流口，且下方设有树脂流出口，所述回流架设置在所述胶槽的下方，用于将所述胶槽溢出的胶液回收，所述树脂桶设置在所述回流架下方，所述气动隔膜泵用于将所述树脂桶内的胶液补充至所述胶槽内。

进一步地，所述胶槽沿垂直于碳纤维纱束的传输方向设有多个直槽通道，以供多层碳纤维纱束同步穿过。

进一步地，所述直槽通道为长方形，且宽度为板材宽度方向增加1~2mm，高度为碳纤维层厚度方向增加0.5~0.8mm。

进一步地，单层碳纤维纱束穿过的所述直槽通道内部沿传输方向上设有若干圆辊组，且若干所述圆辊组位于同一直线上；

所述圆辊组包括第一挤压辊和第二挤压辊，单层碳纤维纱束从所述第一挤压辊和所述第二挤压辊之间穿过。

进一步地，所述圆辊组沿单层碳纤维的传输方向至少设置3个。

本发明还提供了一种拉挤碳板性能提升的拉挤成型制备方法，采用如上的拉挤碳板性能提升的拉挤成型装置，包括如下步骤：

步骤1：进行碳纤维纱束的摆放、排布，对纤维进行整齐排列，以使单层碳纤维纱束幅宽转变为制品幅宽；

步骤2：对排布出的碳纤维进行浸胶处理，并通过微张力保证碳纤维的浸胶均匀，保证碳纤维上下层浸胶时间相同，避免复合材料中剩余应力的堆积；

步骤3：浸胶后的碳纤维进行均匀挤胶，并进入预成型及固化成型装置成型固化；

步骤4：对固化的成型产品进行定长切割，确保所需的产品的尺寸；

步骤5：对切割完成产品进行收卷包装。

本发明的有益效果为：本发明中通过碳纤维纱束角度转换的作用，将幅宽远大于板材幅宽的N个碳纤维纱束调整为幅宽与板材幅宽相当的状态，并通过张力调节组件保证纱束在排布过程中始终存在微张力，从而使调整后的纤维排列整齐，纤维平直无卷曲，有效地保证了拉挤碳板制品中碳纤维的角度在0°方向上，以保证碳纤维性能在拉挤碳板0°方向性能存在一个高的转换率。

与传统拉挤碳板相比，本发明中纤维排布更整齐、规律，单根碳纤维丝束不会产生扭曲、折叠且碳纤维丝束之间不会产生交缠、交叉、扭曲、折叠，碳纤维丝束之间排列整齐规律。

与传统拉挤碳板相比，本发明中纤维增强材料因为微张力的作用，纤维的直线度在整个工艺过程中更高，碳纤维在拉挤碳板中的性能发挥率更高。

本发明中所述碳纤维纱层从直槽通道进入装有树脂的胶槽，碳纤维纱层与树脂之间浸润，穿过圆辊，通过圆辊的挤压加强碳纤维与树脂之间的浸润性，碳纤维纱层在胶槽中通过纱架处的微张力作用对纱线进行处理，随时保证其在胶槽内的排列，保证碳纤维的笔直度。

本发明中每根碳纤维丝束树脂浸润的过程均匀一致，不会出现浸润差异，树脂挤胶过程均匀一致，最终体现在拉挤碳板中单根碳纤维丝束的树脂分布均匀，碳纤维与树脂之间的结合力一致，保证了拉挤碳板性能高稳定性及一致性。

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中记载的一些实施例，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为本发明实施例中排纱装置的排纱示意图；

图2为本发明实施例中单层碳纤维纱束的幅宽变化示意图；

图3为本发明实施例中胶液装置的结构示意图；

附图标记：00、碳纤维纱束；01、单层碳纤维纱束；10、排纱装置；1、放卷组件；2、出纱定位杆；3、纱线幅宽转换组件；31、第一角度转换杆；32、纱线幅宽定位杆；33、第二角度转换杆；4、张力调节组件；20、浸胶装置；5、胶槽；51、溢流口；52、树脂流出口；53、直槽通道；54、圆辊组；6、回流架；7、树脂桶；8、气动隔膜泵。

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。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1至图3所示的拉挤碳板性能提升的拉挤成型装置，包括依次设置的排纱装置10、浸胶装置20、预成型及固化成型装置、牵引装置、切割机和收卷机，排纱装置10包括：

放卷组件1，具有轴线水平设置的纱筒，电机驱动纱筒转动，以使纱筒上的碳纤维纱束00沿0°方向进行放卷；

出纱定位杆2，平行于纱筒设置，使放卷的碳纤维纱束00呈S型包绕在出纱定位杆2上，用于固定碳纤维纱束00的出纱位置；

纱线幅宽转换组件3，包括第一角度转换杆31、纱线幅宽定位杆32和第二角度转换杆33，用于将单层碳纤维纱束01幅宽转变为制品幅宽；

张力调节组件4，设置在纱线放卷端，用于调节碳纤维纱束00在放卷过程中的张力，并保证碳纤维纱束00在排布过程中始终存在微张力；其中微张力通过张力调节组件4、出纱定位杆2、第一角度转换杆31、纱线幅宽定位杆32和第二角度转换杆33同步控制，具体地张力调节组件4对放卷的纱束进行张力调节，以保证纱线幅宽转换组件3上的纱束不松弛、不紧绷，使纱束能够按预期的状态排列，同时在张力调节过程中使出纱定位杆2和纱线幅宽转换组件3的各杆上存在微张力；

其中，第一角度转换杆31和纱线幅宽定位杆32平行设置，且在垂直于碳纤维纱束00的出纱方向上相对于出纱定位杆2倾斜设置，第二角度转换杆33平行于出纱定位杆2设置，经出纱定位杆2的碳纤维纱束00翻折后呈S型包绕在第一角度转换杆31和纱线幅宽定位杆32上，并反向翻折后经第二角度转换杆33沿0°方向排出。

本发明中通过碳纤维纱束00角度转换的作用，将幅宽远大于板材幅宽的N个碳纤维纱束00调整为幅宽与板材幅宽相当的状态，并通过张力调节组件4保证纱束在排布过程中始终存在微张力，从而使调整后的纤维排列整齐，纤维平直无卷曲，有效地保证了拉挤碳板制品中碳纤维的角度在0°方向上，以保证碳纤维性能在拉挤碳板0°方向性能存在一个高的转换率。

本发明优选实施例中，单根碳纤维纱束00在第一角度转换杆31处的翻转方向与第二角度转换杆33处的翻转方向相反；且单层碳纤维纱束01上多个单根碳纤维纱束00位于同一处翻转点的翻转方向均相同，以保证单层碳纤维纱束01性能的均匀性。

为了避免碳纤维纱束00在幅宽调整时出现叠纱、压纱的现象，相邻两纱线幅宽定位杆32之间的间距为碳纤维纱束00的宽度距离。

当需要成型的碳板幅宽较宽时，为了便于碳纤维纱束00幅宽调节，第一角度转换杆31与纱线幅宽定位杆32沿拉挤方向距离0.5-2m，能够满足N个碳纤维丝束的角度转换，提高了调节的便捷性。

本发明优选实施例中，浸胶装置20包括胶槽5、回流架6、树脂桶7和气动隔膜泵8；胶槽5上方设有溢流口51，且下方设有树脂流出口52，回流架6设置在胶槽5的下方，用于将胶槽5溢出的胶液回收，树脂桶7设置在回流架6下方，气动隔膜泵8用于将树脂桶7内的胶液补充至胶槽5内。

当气动隔膜泵8将树脂桶7内胶液补充进入胶槽5后，胶槽5多余的胶液会从溢流口51流至回流架6，并回流进入树脂桶7，树脂桶7内的胶液为新旧混合，而为了防止浸胶进异物，在胶槽5上方设置胶槽5盖。

传统的压纱式胶槽5在浸胶时，其纱线需经压纱杆进入胶槽5，由于纱线上层及下层排布浸润在胶液中的长度存在差异，从而会导致上下层碳纤维与树脂的浸润性存在偏差，拉挤碳板在固化过程中会存在厚度方向内应力不均的问题，引起拉挤碳板较大的性能波动，因此，本发明中提出了一种改进型浸胶装置20，其胶槽5沿垂直于碳纤维纱束00的传输方向设有多个直槽通道53，以供多层碳纤维纱束00同步穿过。

直槽通道53的运用可使上下层所有碳纤维浸胶时间相同，提高产品的性能一致性，减少产品固化过程中产生的内应力等问题，同时有效的减少了纱线在压纱式胶槽5中的层间穿插错位，通过直槽通道53浸胶使纱线在板材中的排布更好，从而提高拉挤碳板的性能及性能的一致性及稳定性。

在上述实施例基础上，直槽通道53为长方形，且宽度为板材宽度方向增加1~2mm，高度为碳纤维层厚度方向增加0.5~0.8mm，保证单层碳纤维纱束01能够顺利通过，并避免胶槽5内的胶液泄漏，且通道四周进行倒角处理，避免了碳纤维损伤。

碳纤维层从直槽通道53进入装有树脂的胶槽5，为了加强碳纤维与树脂之间的浸润性，单层碳纤维纱束01穿过的直槽通道53内部沿传输方向上设有若干圆辊组54，且若干圆辊组54位于同一直线上；圆辊组54包括第一挤压辊和第二挤压辊，单层碳纤维纱束01从第一挤压辊和第二挤压辊之间穿过，确保树脂基体及碳纤维之间不存在气泡，优选地，圆辊组54沿单层碳纤维的传输方向至少设置3个，使碳纤维丝束在浸胶过程中始终存在微张力对碳纤维角度进行调整，保证碳纤维角度始终都处在一个笔直的状态下，有效保证了碳纤维丝束在浸胶过程中无交缠、无堆积、无搭接，保证碳纤维在胶槽5内排布整齐均匀。

本发明还提供了一种拉挤碳板性能提升的拉挤成型制备方法，采用如上的拉挤碳板性能提升的拉挤成型装置，包括如下步骤：

步骤1：进行碳纤维纱束00的摆放、排布，对纤维进行整齐排列，以使单层碳纤维纱束01幅宽转变为制品幅宽；

而在排布纱线之前，通过要求的板材截面S、纤维密度ρ_f及纤维线密度ρ_L计算所需的碳纤维纱筒数量N₁=S*ρ_f/ρ_L，根据碳板宽度W1及单根碳纤维纱束00宽度W₂计算单层碳纤纱束数量N₂=W₁/W₂，（当计算结果不为整数时，四舍五入），最后通过N₁/N₂计算碳纤维的层数为n（当计算结果不为整数时，四舍五入）。

步骤2：对排布出的碳纤维进行浸胶处理，并通过微张力保证碳纤维的浸胶均匀，保证碳纤维上下层浸胶时间相同，避免复合材料中剩余应力的堆积；

步骤3：浸胶后的碳纤维进行均匀挤胶，并进入预成型及固化成型装置成型固化；

步骤4：对固化的成型产品进行定长切割，确保所需的产品的尺寸；

步骤5：对切割完成产品进行收卷包装。

本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种拉挤碳板性能提升的拉挤成型装置，包括依次设置的排纱装置、浸胶装置、预成型及固化成型装置、牵引装置、切割机和收卷机，其特征在于，所述排纱装置包括：

放卷组件，以使纱筒上的碳纤维纱束沿0°方向进行放卷；

出纱定位杆，平行于纱筒设置，使放卷的碳纤维纱束呈S型包绕在所述出纱定位杆上，用于固定碳纤维纱束的出纱位置；

纱线幅宽转换组件，包括第一角度转换杆、纱线幅宽定位杆和第二角度转换杆，用于将单层碳纤维纱束幅宽转变为制品幅宽；

单根碳纤维纱束在第一角度转换杆处的翻转方向与所述第二角度转换杆处的翻转方向相反；

且单层碳纤维纱束上多个单根碳纤维纱束位于同一处翻转点的翻转方向均相同，以保证单层碳纤维纱束性能的均匀性；

为了避免碳纤维纱束在幅宽调整时出现叠纱、压纱的现象，相邻两所述纱线幅宽定位杆之间的间距为碳纤维纱束的宽度距离；

张力调节组件，用于调节碳纤维纱束在放卷过程中的张力，并保证碳纤维纱束在排布纱线过程中始终存在微张力，使纱束能够按预期的状态排列；

其中，所述第一角度转换杆和所述纱线幅宽定位杆平行设置，且在垂直于碳纤维纱束的出纱方向上相对于所述出纱定位杆倾斜设置，所述第二角度转换杆平行于所述出纱定位杆设置，经所述出纱定位杆的碳纤维纱束翻折后呈S型包绕在所述第一角度转换杆和所述纱线幅宽定位杆上，并反向翻折后经所述第二角度转换杆上沿0°方向排出。

2.根据权利要求1所述的拉挤碳板性能提升的拉挤成型装置，其特征在于，所述第一角度转换杆与所述纱线幅宽定位杆沿拉挤方向距离0.5-2m。

3.根据权利要求1所述的拉挤碳板性能提升的拉挤成型装置，其特征在于，所述浸胶装置包括胶槽、回流架、树脂桶和气动隔膜泵；

所述胶槽上方设有溢流口，且下方设有树脂流出口，所述回流架设置在所述胶槽的下方，用于将所述胶槽溢出的胶液回收，所述树脂桶设置在所述回流架下方，所述气动隔膜泵用于将所述树脂桶内的胶液补充至所述胶槽内。

4.根据权利要求3所述的拉挤碳板性能提升的拉挤成型装置，其特征在于，所述胶槽沿垂直于碳纤维纱束的传输方向设有多个直槽通道，以供多层碳纤维纱束同步穿过。

5.根据权利要求4所述的拉挤碳板性能提升的拉挤成型装置，其特征在于，所述直槽通道为长方形，且宽度为板材宽度方向增加1~2mm，高度为碳纤维层厚度方向增加0.5~0.8mm。

6.根据权利要求4所述的拉挤碳板性能提升的拉挤成型装置，其特征在于，单层碳纤维纱束穿过的所述直槽通道内部沿传输方向上设有若干圆辊组，且若干所述圆辊组位于同一直线上；

所述圆辊组包括第一挤压辊和第二挤压辊，单层碳纤维纱束从所述第一挤压辊和所述第二挤压辊之间穿过。

7.根据权利要求6所述的拉挤碳板性能提升的拉挤成型装置，其特征在于，所述圆辊组沿单层碳纤维的传输方向至少设置3个。

8.一种拉挤碳板性能提升的拉挤成型制备方法，其特征在于，采用如权利要求1-7任一项所述的拉挤碳板性能提升的拉挤成型装置，包括如下步骤：

步骤1：进行碳纤维纱束的摆放、排布，对纤维进行整齐排列，以使单层碳纤维纱束幅宽转变为制品幅宽；

步骤2：对排布出的碳纤维进行浸胶处理，并通过微张力保证碳纤维的浸胶均匀，保证碳纤维上下层浸胶时间相同，避免复合材料中剩余应力的堆积；

步骤3：浸胶后的碳纤维进行均匀挤胶，并进入预成型及固化成型装置成型固化；

步骤4：对固化的成型产品进行定长切割，确保所需的产品的尺寸；

步骤5：对切割完成产品进行收卷包装。

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