CN115782255A - 一种用于三明治式热塑预浸料的连续生产线及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于三明治式热塑预浸料的连续生产线及其生产方法，用于设置有超薄横向增强层的UD预浸料的连续生产，包括依次排布的纤维纱架、集纱板、展纱单元、挤出机、熔融模具、补强层放卷单元、撒粉单元、熔融单元、定型单元、牵引单元和收卷单元，三明治式热塑预浸料横向强度大大提升，减少材料裂缝，可适用连续化生产、降低生产设备的复杂度、提升产品力学性能（横向纤维占比＜10%），而且，经过改造后的生产线可以对厚度进行精确控制，提升后续产品的尺寸精度，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及热塑预浸料生产技术领域，具体涉及一种用于三明治式热塑预浸料的连续生产线及其生产方法。
背景技术
UD热塑预浸料制造方式主要包括熔融浸渍法、溶液浸渍法、粉末浸渍法等。现有的UD预浸料尤其高性能热塑预浸料较脆，材料延宽度方向容易开裂，从而影响使用；另外，现有的热塑材料先进拉挤制造超薄结构的型材要求沿长度方向有较高的强度和刚度，同时延横向满足折弯要求。为了满足上述的要求，是通过增加横向铺层或短切毡来满足要求，但是，这样会极大降低型材长度方向的强度和刚度，从而需要增加整体结构的重量。
而且，现有热塑材料先进拉挤制造超薄结构的型材，如果增加横向增强层，很难实现连续化生产，生产效率低下。
因此，如何克服上述问题，是当前急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有的热塑材料先进拉挤制造超薄结构的型材，若增加横向增强层，难实现连续化生产，生产效率低下的问题。本发明的用于三明治式热塑预浸料的连续生产线及其生产方法，三明治式热塑预浸料横向强度大大提升，减少材料裂缝，可适用连续化生产、降低生产设备的复杂度、提升产品力学性能(横向纤维占比＜10％)，而且，经过改造后的生产线可以对厚度进行精确控制，提升后续产品的尺寸精度，具有良好的应用前景。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种用于三明治式热塑预浸料的连续生产线，用于设置有超薄横向增强层的UD预浸料的连续生产，包括依次排布的纤维纱架、集纱板、展纱单元、挤出机、熔融模具、补强层放卷单元、撒粉单元、熔融单元、定型单元、牵引单元和收卷单元，
将UD预浸料基体的多层纤维、树脂原料经过纤维纱架送料到集纱板进行集纱后，再依次经过展纱单元、挤出机、熔融模具实现多层UD预浸料基体原料的熔融，形成UD预浸料基体；
所述补强层放卷单元用于补强层原料的送料，并依次经过撒粉单元形成超薄横向增强层；
所述超薄横向增强层覆盖在UD预浸料基体上，通过熔融单元、定型单元、牵引单元形成三明治式热塑预浸料，所述三明治式热塑预浸料通过收卷单元进行收卷，完成三明治式热塑预浸料的连续生产。
前述的用于三明治式热塑预浸料的连续生产线，所述补强层放卷单元上安装有张力控制单元和纠偏单元，所述张力控制单元张力控制范围1-50N/cm；所述纠偏单元用于实现补强层放卷单元上的补强与熔融模具输出的UD预浸料基体位置保持无偏差。
前述的用于三明治式热塑预浸料的连续生产线，所述撒粉单元内放置有与UD预浸料基体相同的树脂颗粒，树脂颗粒的粒径D50为50-1000μm，且其的撒粉量可调，保证10-50g/m2。
前述的用于三明治式热塑预浸料的连续生产线，所述熔融单元为红外加热，该红外加热能够进行温度调节，温度调整范围为20-430℃。
前述的用于三明治式热塑预浸料的连续生产线，所述定型单元采用冷却定型方式，冷却定型进行温度控制，温度设定范围20-300℃，冷却定型辊间隙可调，间隙精度±0.01mm。
前述的用于三明治式热塑预浸料的连续生产线，所述补强层原料为超薄纤维毡，面密度＜30gsm，超薄纤维毡为玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维或者芳纶纤维。
一种用于三明治式热塑预浸料的连续生产线的生产方法，包括以下步骤，
步骤(A)，构建用于三明治式热塑预浸料的连续生产线，包括依次排布的纤维纱架、集纱板、展纱单元、挤出机、熔融模具、补强层放卷单元、撒粉单元、熔融单元、定型单元、牵引单元和收卷单元；
步骤(B)，在纤维纱架内放置UD预浸料基体原料；
步骤(C)，通过纤维纱架将多层UD预浸料基体原料层输送到展纱单元进行展纱，并通过挤出机、熔融模具实现多层UD预浸料基体原料的熔融，形成UD预浸料基体；
步骤(D)，在补强层放卷单元放置补强层原料，该补强层原料为超薄纤维毡，面密度＜30gsm，超薄纤维毡为玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维或者芳纶纤维；
步骤(E)，通过补强层放卷单元将补强层原料输送到撒粉单元，将补强层原料均匀撒落与UD预浸料基体相同的树脂颗粒，该树脂颗粒粒径D50为50-1000μm，该撒粉单元的撒粉量可调，保证10-50g/m2，形成超薄横向增强层；
步骤(F)，将步骤(E)形成超薄横向增强层覆盖在步骤(C)形成的UD预浸料基体上，合并汇入熔融单元(8)，该熔融单元(8)为红外加热，该红外加热能够进行温度调节，温度调整范围为20-430℃，红外加热的升温速率≥50℃/S，红外加热辐射热量可瞬间传递到树脂上，缩短热传递过程，只将超薄横向增强层进行熔融，UD预浸料基体结构不发生变化，以便将超薄横向增强层上的树脂颗粒融化，形成三明治式热塑预浸料待定型体；
步骤(G)，将三明治式热塑预浸料待定型体输送到定型单元(9)，该定型单元(9)采用冷却定型方式，冷却定型进行温度控制，温度设定范围20-300℃，冷却定型辊间隙可调，间隙精度±0.01mm；该温度控制为接触式传热，将三明治式热塑预浸料待定型体的温度传递到冷却定型辊上，并由冷却定型辊上的导热介质传递到外部，以便超薄横向增强层的热塑树脂在降到熔融温度以下固定形状，形成三明治式热塑预浸料；
步骤(H)，将三明治式热塑预浸料通过收卷单元(11)进行收卷，完成三明治式热塑预浸料的连续生产。
前述的用于三明治式热塑预浸料的连续生产线的生产方法，步骤(C)所述的UD预浸料基体、步骤(E)所述的超薄横向增强层的厚度可调，且UD预浸料基体厚度为超薄横向增强层厚度的2.3-6倍之间，步骤(G)形成三明治式热塑预浸料的厚度小于0.3mm。
前述的用于三明治式热塑预浸料的连续生产线的生产方法，红外加热能够进行温度调节，温度调整为390℃，产线运行速度1m/min，在390℃下加热时间≥30s，保证超薄横向增强层完全熔融，即为L/V≥30S，其中，L为烘箱长度，V为产线运行速度。
本发明的有益效果是：本发明的用于三明治式热塑预浸料的连续生产线及其生产方法，三明治式热塑预浸料横向强度大大提升，减少材料裂缝，可适用连续化生产、降低生产设备的复杂度、提升产品力学性能(横向纤维占比＜10％)，而且，经过改造后的生产线可以对厚度进行精确控制，提升后续产品的尺寸精度，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明的用于三明治式热塑预浸料的连续生产线的系统框图。
附图中标记如下：
1：纤维纱架；2：集纱板；3：展纱单元；4：挤出机；5：熔融模具；6：补强层放卷单元；7：撒粉单元；8：熔融单元；9：定型单元；10：牵引单元；11：收卷单元。
具体实施方式
下面将结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明的用于三明治式热塑预浸料的连续生产线，用于设置有超薄横向增强层的UD预浸料的连续生产，包括依次排布的纤维纱架1、集纱板2、展纱单元3、挤出机4、熔融模具5、补强层放卷单元6、撒粉单元、熔融单元8、定型单元9、牵引单元10和收卷单元11，
将UD预浸料基体的多层纤维、树脂原料经过纤维纱架1送料到集纱板2进行集纱后，再依次经过展纱单元3、挤出机4、熔融模具5实现多层UD预浸料基体原料的熔融，形成UD预浸料基体；
所述补强层放卷单元6用于补强层原料的送料，并依次经过撒粉单元7形成超薄横向增强层；
所述超薄横向增强层覆盖在UD预浸料基体上，通过熔融单元8、定型单元9、牵引单元10形成三明治式热塑预浸料，所述三明治式热塑预浸料通过收卷单元11进行收卷，完成三明治式热塑预浸料的连续生产。
优选的，所述补强层放卷单元6上安装有张力控制单元和纠偏单元，所述张力控制单元张力控制范围1-50N/cm；所述纠偏单元用于实现补强层放卷单元6上的补强与熔融模具5输出的UD预浸料基体位置保持无偏差。
优选的，所述撒粉单元7内放置有与UD预浸料基体相同的树脂颗粒，树脂颗粒的粒径D50为50-1000μm，且其的撒粉量可调，保证10-50g/m2。
优选的，所述熔融单元8为红外加热，该红外加热能够进行温度调节，温度调整范围为20-430℃。
优选的，所述定型单元9采用冷却定型方式，冷却定型进行温度控制，温度设定范围20-300℃，冷却定型辊间隙可调，间隙精度±0.01mm。
优选的，所述补强层原料为超薄纤维毡，面密度＜30gsm，超薄纤维毡为玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维或者芳纶纤维。
基于用于三明治式热塑预浸料的连续生产线的生产方法，包括以下步骤，
步骤(A)，构建用于三明治式热塑预浸料的连续生产线，包括依次排布的纤维纱架1、集纱板2、展纱单元3、挤出机4、熔融模具5、补强层放卷单元6、撒粉单元7、熔融单元8、定型单元9、牵引单元10和收卷单元11；
步骤(B)，在纤维纱架1内放置UD预浸料基体原料上；
步骤(C)，通过纤维纱架1将多层UD预浸料基体原料层输送到展纱单元3进行展纱，并通过挤出机4、熔融模具5实现多层UD预浸料基体原料的熔融，形成UD预浸料基体；
步骤(D)，在补强层放卷单元6放置补强层原料，该补强层原料为超薄纤维毡，面密度＜30gsm，超薄纤维毡为玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维或者芳纶纤维；
步骤(E)，通过补强层放卷单元6将补强层原料输送到撒粉单元7，将补强层原料均匀撒落与UD预浸料基体相同的树脂颗粒，该树脂颗粒粒径D50为50-1000ρμm，该撒粉单元7的撒粉量可调，保证10-50g/m2，形成超薄横向增强层；
步骤(F)，将步骤(E)形成超薄横向增强层覆盖在步骤(C)形成的UD预浸料基体上，合并汇入熔融单元8，该熔融单元8为红外加热，该红外加热能够进行温度调节，温度调整范围为20-430℃，温度及速度匹配控制，只将超薄横向增强层进行熔融，UD预浸料基体结构不发生变化，以便将超薄横向增强层上的树脂颗粒融化，形成三明治式热塑预浸料待定型体，红外加热的升温速率≥50℃/S，红外加热辐射热量可瞬间传递到树脂上，缩短热传递过程，优选的红外加热能够进行温度调节，温度调整为390℃，产线运行速度1m/min，在390℃下加热时间≥30s，保证超薄横向增强层完全熔融，即为L/V≥30S，其中，L为烘箱长度，V为产线运行速度；
步骤(G)，将三明治式热塑预浸料待定型体输送到定型单元9，该定型单元9采用冷却定型方式，冷却定型进行温度控制，温度设定范围20-300℃，冷却定型辊间隙可调，间隙精度±0.01mm；该温度控制为接触式传热，将三明治式热塑预浸料待定型体的温度传递到冷却定型辊上，并由冷却定型辊上的导热介质传递到外部，以便超薄横向增强层的热塑树脂在降到熔融温度以下固定形状，形成三明治式热塑预浸料；
步骤(H)，将三明治式热塑预浸料通过收卷单元11进行收卷，完成三明治式热塑预浸料的连续生产。
其中，步骤(C)所述的UD预浸料基体、步骤(E)所述的超薄横向增强层的厚度可调，且UD预浸料基体厚度为超薄横向增强层厚度的2.3-6倍之间(根据三明治式热塑预浸料的强度需要选择，其中超薄横向增强层厚度过大，整个三明治式热塑预浸料的强度越高)，且。步骤(G)形成三明治式热塑预浸料的厚度小于0.3mm。
根据本发明加工成型的三明治式热塑预浸料，与普通热塑预浸料对比如下表1所示，
表1拉伸强度Mpa对比
三明治结构热塑预浸料与普通热塑预浸料在不改变纵向(0°)拉伸强度(降幅＜5％)的基础上大幅提升材料横向(90°)拉伸强度，提升＞30％。(UD预浸料基体的厚度占90％)。
经过改造后用于三明治式热塑预浸料的连续生产线能够对厚度进行精确控制，提升三明治式热塑预浸料后续的尺寸精度，给出超薄横向增强层、UD预浸料基体分别的厚度，以及三明治式热塑预浸料的最终厚度，以及其的强度效果。其中，、UD预浸料基体的厚度比例70-60％，超薄横向增强层的厚度比例10-30％，整体三明治式热塑预浸料的厚度＜0.3mm，横向(90°)强度增强30-50％。
综上所述，本发明的用于三明治式热塑预浸料的连续生产线及其生产方法，三明治式热塑预浸料横向强度大大提升，减少材料裂缝，可适用连续化生产、降低生产设备的复杂度、提升产品力学性能(横向纤维占比＜10％)，而且，经过改造后的生产线可以对厚度进行精确控制，提升后续产品的尺寸精度，具有良好的应用前景。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。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 (9)
1.一种用于三明治式热塑预浸料的连续生产线，其特征在于：用于设置有超薄横向增强层的UD预浸料的连续生产，包括依次排布的纤维纱架（1）、集纱板（2）、展纱单元（3）、挤出机（4）、熔融模具（5）、补强层放卷单元（6）、撒粉单元（7）、熔融单元（8）、定型单元（9）、牵引单元（10）和收卷单元（11），
将UD预浸料基体的多层纤维、树脂原料经过纤维纱架（1）送料到集纱板（2）进行集纱后，再依次经过展纱单元（3）、挤出机（4）、熔融模具（5）实现多层UD预浸料基体原料的熔融，形成 UD预浸料基体；
所述补强层放卷单元（6）用于补强层原料的送料，并依次经过撒粉单元（7）形成超薄横向增强层；
所述超薄横向增强层覆盖在UD预浸料基体上，通过熔融单元（8）、定型单元（9）、牵引单元（10）形成三明治式热塑预浸料，所述三明治式热塑预浸料通过收卷单元（11）进行收卷，完成三明治式热塑预浸料的连续生产。
2.根据权利要求1所述的用于三明治式热塑预浸料的连续生产线，其特征在于：所述补强层放卷单元（6）上安装有张力控制单元和纠偏单元，所述张力控制单元张力控制范围1-50N/cm；所述纠偏单元用于实现补强层放卷单元（6）上的补强与熔融模具（5）输出的UD预浸料基体位置保持无偏差。
3.根据权利要求1所述的用于三明治式热塑预浸料的连续生产线，其特征在于：所述撒粉单元（7）内放置有与UD预浸料基体相同的树脂颗粒，树脂颗粒的粒径D50为50-1000μm，且其的撒粉量可调，保证10-50g/㎡。
4.根据权利要求1所述的用于三明治式热塑预浸料的连续生产线，其特征在于：所述熔融单元（8）为红外加热，该红外加热能够进行温度调节，温度调整范围为20-430℃。
5.根据权利要求1所述的用于三明治式热塑预浸料的连续生产线，其特征在于：所述定型单元（9）采用冷却定型方式，冷却定型进行温度控制，温度设定范围20-300℃，冷却定型辊间隙可调，间隙精度±0.01mm。
6.根据权利要求1所述的用于三明治式热塑预浸料的连续生产线，其特征在于：所述补强层原料为超薄纤维毡，面密度＜30gsm，超薄纤维毡为玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维或者芳纶纤维。
7.基于权利要求1-6任一项所述的用于三明治式热塑预浸料的连续生产线的生产方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤（A），构建用于三明治式热塑预浸料的连续生产线，包括依次排布的纤维纱架（1）、集纱板（2）、展纱单元（3）、挤出机（4）、熔融模具（5）、补强层放卷单元（6）、撒粉单元（7）、熔融单元（8）、定型单元（9）、牵引单元（10）和收卷单元（11）；
步骤（B），在纤维纱架（1）内放置UD预浸料基体原料；
步骤（C），通过纤维纱架（1）将多层UD预浸料基体原料层输送到展纱单元（3）进行展纱，并通过挤出机（4）、熔融模具（5）实现多层UD预浸料基体原料的熔融，形成 UD预浸料基体；
步骤（D），在补强层放卷单元（6）放置补强层原料，该补强层原料为超薄纤维毡，面密度＜30gsm，超薄纤维毡为玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维或者芳纶纤维；
步骤（E），通过补强层放卷单元（6）将补强层原料输送到撒粉单元（7），将补强层原料均匀撒落与UD预浸料基体相同的树脂颗粒，该树脂颗粒粒径D50为50-1000μm，该撒粉单元（7）的撒粉量可调，保证10-50g/㎡，形成超薄横向增强层；
步骤（F），将步骤（E）形成超薄横向增强层覆盖在步骤（C）形成的UD预浸料基体上，合并汇入熔融单元（8），该熔融单元（8）为红外加热，该红外加热能够进行温度调节，温度调整范围为20-430℃，红外加热的升温速率≥50℃/S，红外加热辐射热量可瞬间传递到树脂上，缩短热传递过程，只将超薄横向增强层进行熔融，UD预浸料基体结构不发生变化，以便将超薄横向增强层上的树脂颗粒融化，形成三明治式热塑预浸料待定型体；
步骤（G），将三明治式热塑预浸料待定型体输送到定型单元（9），该定型单元（9）采用冷却定型方式，冷却定型进行温度控制，温度设定范围20-300℃，冷却定型辊间隙可调，间隙精度±0.01mm；该温度控制为接触式传热，将三明治式热塑预浸料待定型体的温度传递到冷却定型辊上，并由冷却定型辊上的导热介质传递到外部，以便超薄横向增强层的热塑树脂在降到熔融温度以下固定形状，形成三明治式热塑预浸料；
步骤（H），将三明治式热塑预浸料通过收卷单元（11）进行收卷，完成三明治式热塑预浸料的连续生产。
8.根据权利要求7所述的用于三明治式热塑预浸料的连续生产线的生产方法，其特征在于：步骤（C）所述的UD预浸料基体、步骤（E）所述的超薄横向增强层的厚度可调，且UD预浸料基体厚度为超薄横向增强层厚度的2.3-6倍之间，步骤（G）形成三明治式热塑预浸料的厚度小于0.3mm。
9.根据权利要求7所述的用于三明治式热塑预浸料的连续生产线的生产方法，其特征在于：红外加热能够进行温度调节，温度调整为390℃，产线运行速度1m/min，在390℃下加热时间≥30s，保证超薄横向增强层完全熔融，即为L/V≥30S，其中，L为烘箱长度，V为产线运行速度。
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Citations (6)
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| CN102947078A (zh) * | 2010-06-22 | 2013-02-27 | 提克纳有限责任公司 | 用于形成增强的拉挤型材的方法 |
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2022
- 2022-11-12 CN CN202211420746.9A patent/CN115782255B/zh active Active
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Denomination of invention: A continuous production line and method for sandwich style thermoplastic prepreg Granted publication date: 20231226 Pledgee: Jiangsu Danyang Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Pledgor: Jiangsu Hengbo composite material Co.,Ltd. Registration number: Y2024980032987 |