CN116118233A - 连续纤维增强热塑性复合片材的生产系统及生产方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种连续纤维增强热塑性复合片材的生产系统及生产方法。该生产系统包括：分纱设备，用于将连续纤维纱线分散成平行运行的丝束，丝束包含1‑100根单丝；浸渍设备，浸渍设备位于分纱设备的下游，用于将丝束包覆浸渍于热塑性树脂中，浸渍设备包括树脂挤出设备，树脂挤出设备用于提供熔融的热塑性树脂；合股设备，合股设备位于浸渍设备的下游，用于通过拉挤将包覆有热塑性树脂的丝束形成复合片材；定型设备，定型设备位于合股设备的下游，用于通过冷却辊将复合片材冷却定型。利用本申请，连续纤维的浸润效果好，包覆于连续纤维上的树脂完整、无缺失，连续纤维包覆完全，扩大了树脂和纤维的选用范围，浸润效率高，提高复合片材的生产速度。

Description

连续纤维增强热塑性复合片材的生产系统及生产方法

技术领域

本申请涉及复合片材的技术领域，具体而言涉及一种连续纤维增强热塑性复合片材的生产系统及生产方法。

背景技术

纤维增强热塑性塑料(Fiber Reinforced Thermoplastic Plastic，简称FRTP)是由纤维及热塑性塑料制成的复合材料，连续纤维作为增强体，赋予了复合材料优异的刚度和强度，聚合物树脂作为基体，起到传递和分散载荷的作用。常用的纤维材料有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等，这些纤维材料都具有高强度、高模量的特点，其中，玻璃纤维因其低成本优势，用量最大。

然而复合材料中的每一个连续纤维通常是由纱线形成。由于纱线是以大股单丝聚集而成，例如每根纱线由千根以上的单丝聚集而成，因此，纱线的浸渍效果较差，在制作复合片材的过程中容易出现树脂缺失、纤维包覆不完全等问题。

现有技术中对纤维增强热塑性复合片材的生产制造一般采用喷淋-热压法、融帘-辊压法或浸渍-挤出法，为保证纤维在树脂中的浸润效果，需要采用更高熔融指数的树脂材料，限制了树脂的选用范围。

因此，需要一种连续纤维增强热塑性复合片材的生产系统及生产方法，以至少部分地解决以上问题。

发明内容

在本发明的内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为至少部分地解决上述问题，根据本申请的一个方面，提供了一种连续纤维增强热塑性复合片材的生产系统，其包括：

分纱设备，用于将连续纤维纱线分散成平行运行的丝束，所述丝束包含1-100根单丝；

浸渍设备，所述浸渍设备位于所述分纱设备的下游，用于将所述丝束包覆浸渍于热塑性树脂中，所述浸渍设备包括树脂挤出设备，所述树脂挤出设备用于提供熔融的热塑性树脂；

合股设备，所述合股设备位于所述浸渍设备的下游，用于通过拉挤将包覆有所述热塑性树脂的所述丝束形成复合片材；

定型设备，所述定型设备位于所述合股设备的下游，用于通过冷却辊将所述复合片材冷却定型。

根据本申请，利用该生产系统，可以将连续纤维纱线分散成丝束再浸渍，连续纤维的浸润效果好，包覆于连续纤维上的树脂完整、无缺失，连续纤维包覆完全，扩大了树脂和纤维的选用范围，浸润效率高，提高复合片材的生产速度。

优选地，还包括放卷设备，所述放卷设备位于所述分纱设备的上游，用于沿预定方向引出所述连续纤维纱线。

优选地，还包括排纱设备，所述排纱设备位于所述浸渍设备和所述合股设备之间，用于将充分浸渍后带有所述热塑性树脂的所述丝束引入所述排纱设备，令所述丝束平行排布运行。

优选地，还包括收卷设备，所述收卷设备位于所述定型设备的下游，用于将定型后的所述复合片材引入所述收卷设备中，完成收卷。

优选地，所述丝束包含1根单丝，并且/或者，所述单丝的直径为10-20μm。

优选地，所述合股设备的挤出口的形状根据所需所述复合片材的截面形状定型。

优选地，所述冷却辊设置有匹配所述复合片材构型的表面结构，用于充分接触所述复合片材并冷却。

优选地，所述冷却辊内的冷却水的温度为10～30℃。

优选地，所述生产系统包括一组及以上所述放卷设备、所述分纱设备和所述浸渍设备。

优选地，所述生产系统包括两组及以上所述放卷设备、所述分纱设备和所述浸渍设备。

优选地，两组及以上所述放卷设备、所述分纱设备和所述浸渍设备均选择相同的所述连续纤维纱线；并且/或者，均选择相同的所述热塑性树脂；并且/或者，均选择相同的改性助剂。

优选地，两组及以上所述放卷设备、所述分纱设备和所述浸渍设备中的至少两组选择不同的所述连续纤维纱线；并且/或者，选择不同的所述热塑性树脂；并且/或者，选择不同的改性助剂。

优选地，所述连续纤维纱线包括玻璃纤维纱线、芳纶纤维纱线、玄武岩纤维纱线、碳纤维纱线、涤纶纤维纱线或尼龙纤维纱线；并且/或者，所述热塑性树脂包括聚乙烯树脂、聚氯乙烯树脂、聚丙烯树脂、聚苯乙烯树脂或聚碳酸树脂。

根据本申请的另一方面，提供了一种连续纤维增强热塑性复合片材的生产方法，包括：

分纱步骤，将连续纤维纱线分散成平行运行的丝束，所述丝束包含1-100根单丝；

浸渍步骤，将热塑性树脂包覆浸渍至所述丝束，熔融的热塑性树脂由树脂挤出设备提供；

合股步骤，将包覆有所述热塑性树脂的所述丝束通过拉挤形成复合片材；

定型步骤，将所述复合片材通过冷却辊冷却定型。

根据本申请，利用该方法，可以将连续纤维纱线分散成丝束再浸渍，连续纤维的浸润效果好，包覆于连续纤维上的树脂完整、无缺失，连续纤维包覆完全，扩大了树脂和纤维的选用范围，浸润效率高，提高复合片材的生产速度。

优选地，在所述分纱步骤之前还包括放卷步骤，将所述连续纤维纱线沿预定方向引出。

优选地，在所述浸渍步骤和所述合股步骤之间还包括排纱步骤，将充分浸渍后带有所述热塑性树脂的所述丝束平行排布运行。

优选地，在所述定型步骤之后还包括收卷步骤，将定型后的所述复合片材进行收卷。

优选地，所述丝束包含1根单丝，并且/或者，所述单丝的直径为10-20μm。

优选地，所述合股步骤还包括通过设备的挤出口的形状对所述复合片材的形状定型。

优选地，所述冷却辊设置有匹配所述复合片材构型的表面结构，用于充分接触所述复合片材并冷却。

优选地，所述冷却辊内的冷却水的温度为10～30℃。

优选地，所述放卷步骤、所述分纱步骤和所述浸渍步骤由一组及以上设备完成。

优选地，所述放卷步骤、所述分纱步骤和所述浸渍步骤由两组及以上设备完成。

优选地，两组及以上设备均选择相同的所述连续纤维纱线；并且/或者，均选择相同的所述热塑性树脂；并且/或者，均选择相同的改性助剂。

优选地，两组及以上设备中的至少两组选择不同的所述连续纤维纱线；并且/或者，选择不同的所述热塑性树脂；并且/或者，选择不同的改性助剂。

优选地，所述连续纤维纱线包括玻璃纤维纱线、芳纶纤维纱线、玄武岩纤维纱线、碳纤维纱线、涤纶纤维纱线或尼龙纤维纱线；并且/或者，所述热塑性树脂包括聚乙烯树脂、聚氯乙烯树脂、聚丙烯树脂、聚苯乙烯树脂或聚碳酸树脂。

附图说明

本申请的下列附图在此作为本申请的一部分用于理解本申请。附图中示出了本申请的实施方式及其描述，用来解释本申请的原理。

附图中：

图1为根据本申请优选实施方式的生产系统的示意图；

图2为根据本申请优选实施方式的生产方法的流程图。

附图标记说明：

1：纤维放卷机组

2：纤维导向机组

3：包覆浸渍模具

4：排纱辊组

5：拉挤模具

6：冷却定型机组

7：收卷机组

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本申请更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本申请可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本申请发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底理解本申请，将在下列的描述中提出详细的描述。显然，本申请实施方式的施行并不限定于本领域的技术人员所熟悉的特殊细节。本申请的较佳实施方式详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本申请还可以具有其他实施方式。

应予以注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。

本申请中所引用的诸如“第一”和“第二”的序数词仅仅是标识，而不具有任何其他含义，例如特定的顺序等。而且，例如，术语“第一部件”其本身不暗示“第二部件”的存在，术语“第二部件”本身不暗示“第一部件”的存在。

需要说明的是，本文中所使用的术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”以及类似的表述只是为了说明目的，并非限制。

现在，将参照附图更详细地描述根据本申请的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员。

在优选的实施方式中，本申请提供了一种连续纤维增强热塑性复合片材的生产系统，该生产系统构造为使得能够采用单丝浸渍法制备连续纤维增强热塑性复合片材。具体地，如图1所示，该生产系统包括分纱设备、浸渍设备、合股设备和定型设备。分纱设备用于将连续纤维纱线分散成平行运行的丝束。浸渍设备，用于将丝束包覆浸渍于热塑性树脂中。合股设备用于通过拉挤将包覆有热塑性树脂的丝束形成复合片材。拉挤具体是指将包覆有热塑性树脂的丝束在拉力的牵引下固化挤压成形。定型设备用于通过冷却辊将复合片材冷却定型。

具体地，丝束包含1-100根单丝。

优选地，丝束包含1根单丝。

更优选地，单丝的直径为10-20μm，在一个实施方式中优选为17μm。

具体地，在一个实施方式中，分纱设备为纤维导向机组2。将引出的连续纤维纱线通过纤维导向机组2，使得连续纤维纱线分散成平行运行的丝束。从而浸润效果好，扩大了树脂和纤维的选用范围。

进一步地，浸渍设备位于分纱设备的下游，浸渍设备包括树脂挤出设备(未示出)，树脂挤出设备提供熔融的热塑性树脂。在一个实施方式中，浸渍设备为包覆浸渍模具3。将丝束引入包覆浸渍模具3中，将熔融的热塑性树脂涂覆至连续纤维的表面，使得连续纤维能够充分完全地浸渍热塑性树脂。

进一步地，合股设备位于浸渍设备的下游。在一个实施方式中，合股设备为拉挤模具5。将包覆有热塑性树脂的丝束引入拉挤模具5，在拉挤模具5中，带有热塑性树脂的丝束固化成形并牵引出模，并且在出模的过程中受到拉挤模具5的挤压作用形成复合片材。

优选地，拉挤模具5的挤出口的形状可以根据所需复合片材的截面形状定型，使得挤出的复合片材形状符合预先设定，边缘整齐，不需要修剪，提高了成品率。

进一步地，定型设备位于合股设备的下游。在一个实施方式中，定型设备为冷却定型机组6，包括冷却辊。将挤出的复合片材引入冷却定型机组6，通过冷却辊冷却定型。

优选地，冷却辊设置有匹配复合片材构型的表面结构，用于充分接触复合片材并冷却。

优选地，冷却辊内含有冷却水，冷却水的温度为10～30℃。在一个实施方式中，冷却水的温度优选为10℃。

进一步地，该生产系统还包括放卷设备。放卷设备位于分纱设备的上游。在一个实施方式中，放卷设备为纤维放卷机组1。纤维放卷机组1沿预定方向引出连续纤维纱线。

进一步地，该生产系统还包括排纱设备。排纱设备位于浸渍设备和合股设备之间。在一个实施方式中，排纱设备为排纱辊组4。将充分浸渍后带有热塑性树脂的丝束引入排纱辊组4，使得丝束平行排布运行。

进一步地，该生产系统还包括收卷设备。收卷设备位于定型设备的下游。在一个实施方式中，收卷设备为收卷机组7。将定型后的复合片材引入收卷机组7中，完成收卷。

优选地，在一个实施方式中，该生产系统包括一组及以上放卷设备、分纱设备和浸渍设备。在另一个实施方式中，该生产系统包括两组及以上放卷设备、分纱设备和浸渍设备。

优选地，在一个实施方式中，两组及以上放卷设备、分纱设备和浸渍设备均选择相同的连续纤维纱线；并且/或者，均选择相同的热塑性树脂；并且/或者，均选择相同的改性助剂。

优选地，在另一个实施方式中，两组及以上放卷设备、分纱设备和浸渍设备中的至少两组选择不同的连续纤维纱线；并且/或者，选择不同的热塑性树脂；并且/或者，选择不同的改性助剂。

如果需要和/或期望，每组放卷设备、分纱设备和浸渍设备可以任意选择连续纤维纱线、热塑性树脂、改性助剂。从而扩大了树脂和连续纤维的选用范围。

优选地，连续纤维纱线包括玻璃纤维纱线、芳纶纤维纱线、玄武岩纤维纱线、碳纤维纱线、涤纶纤维纱线或尼龙纤维纱线，在一个实施方式中优选为玻璃纤维纱线。

优选地，热塑性树脂包括聚乙烯树脂、聚氯乙烯树脂、聚丙烯树脂、聚苯乙烯树脂或聚碳酸树脂，在一个实施方式中优选为聚乙烯树脂。

以一个具体实施方式为例，该生产系统包括3组放卷设备、分纱设备和浸渍设备，3组这些设备均选择相同的连续纤维纱线，例如玻璃纤维纱线；均选择相同的热塑性树脂，例如聚乙烯树脂；均添加相同的改性助剂；并且选择相同的运行参数。

根据本优选实施方式的另一方面，提供了一种连续纤维增强热塑性复合片材的生产方法。该方法可以利用上述生产系统制备连续纤维增强热塑性复合片材，具体地，如图2所示，其包括：

分纱步骤，将连续纤维纱线分散成平行运行的丝束。

浸渍步骤，将热塑性树脂包覆浸渍至丝束，熔融的热塑性树脂由树脂挤出设备提供。

合股步骤，将包覆有热塑性树脂的丝束通过拉挤形成复合片材。

定型步骤，将复合片材通过冷却辊冷却定型。

通过上述步骤，能够形成连续纤维增强热塑性复合片材。并且单丝浸渍法的浸润效果好，树脂完整，纤维包覆完全。

连续纤维纱线在移动的过程中，依次进行分纱步骤、浸渍步骤、合股步骤和定型步骤。将连续纤维纱线分散成丝束再进行浸渍，由此，连续纤维的浸润效果好，扩大了树脂和纤维的选用范围。

优选地，在分纱步骤之前还包括放卷步骤，用于将连续纤维纱线沿预定方向引出。

优选地，在浸渍步骤和合股步骤之间还包括排纱步骤，将充分浸渍后带有热塑性树脂的丝束平行排布运行。

优选地，在定型步骤之后还包括收卷步骤，将定型后的复合片材进行收卷。

优选地，合股步骤还可以包括通过设备的挤出口的形状对复合片材的形状定型。可以理解，此处提及的设备为上述合股设备。

优选地，在一个实施方式中，放卷步骤、分纱步骤和浸渍步骤由一组及以上设备完成。在另一个实施方式中，放卷步骤、分纱步骤和浸渍步骤由两组及以上设备完成。可以理解，此处提及的设备包括上述放卷设备、分纱设备和浸渍设备。

优选地，两组及以上设备均选择相同的连续纤维纱线；并且/或者，均选择相同的热塑性树脂；并且/或者，均选择相同的改性助剂。

优选地，两组及以上设备中的至少两组选择不同的连续纤维纱线；并且/或者，选择不同的热塑性树脂；并且/或者，选择不同的改性助剂。

本优选实施方式提供的用于连续纤维增强热塑性复合片材的生产方法可以使用上述用于制备连续纤维增强热塑性复合片材的生产系统而实现，为简洁起见，具体的连续纤维增强热塑性复合片材的成型工艺可以参照上述生产系统的部分内容。

本实施方式的方法的步骤顺序可以根据实际需要进行调整、合并或删减。

上述的所有优选实施方式中所述的流程仅是示例。除非发生不利的效果，否则可以按与上述流程的顺序不同的顺序进行各种处理操作。上述流程的步骤顺序也可以根据实际需要进行增加、合并或删减。

除非另有定义，本文中所使用的技术和科学术语与本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中使用的术语只是为了描述具体的实施目的，不是旨在限制本申请。本文中在一个实施方式中描述的特征可以单独地或与其它特征结合地应用于另一个实施方式，除非该特征在该另一个实施方式中不适用或是另有说明。

本申请已经通过上述实施方式进行了说明，但应当理解的是，上述实施方式只是用于举例和说明的目的，本申请并不局限于上述实施方式，根据本申请的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本申请所要求保护的范围以内。

Claims (26)

1.一种连续纤维增强热塑性复合片材的生产系统，其特征在于，包括：

分纱设备，用于将连续纤维纱线分散成平行运行的丝束，所述丝束包含1-100根单丝；

浸渍设备，所述浸渍设备位于所述分纱设备的下游，用于将所述丝束包覆浸渍于热塑性树脂中，所述浸渍设备包括树脂挤出设备，所述树脂挤出设备用于提供熔融的热塑性树脂；

合股设备，所述合股设备位于所述浸渍设备的下游，用于通过拉挤将包覆有所述热塑性树脂的所述丝束形成复合片材；

定型设备，所述定型设备位于所述合股设备的下游，用于通过冷却辊将所述复合片材冷却定型。

2.根据权利要求1所述的生产系统，其特征在于，还包括放卷设备，所述放卷设备位于所述分纱设备的上游，用于沿预定方向引出所述连续纤维纱线。

3.根据权利要求1所述的生产系统，其特征在于，还包括排纱设备，所述排纱设备位于所述浸渍设备和所述合股设备之间，用于将充分浸渍后带有所述热塑性树脂的所述丝束引入所述排纱设备，令所述丝束平行排布运行。

4.根据权利要求1所述的生产系统，其特征在于，还包括收卷设备，所述收卷设备位于所述定型设备的下游，用于将定型后的所述复合片材引入所述收卷设备中，完成收卷。

5.根据权利要求1所述的生产系统，其特征在于，所述丝束包含1根单丝，并且/或者，所述单丝的直径为10-20μm。

6.根据权利要求1所述的生产系统，其特征在于，所述合股设备的挤出口的形状根据所需所述复合片材的截面形状定型。

7.根据权利要求1所述的生产系统，其特征在于，所述冷却辊设置有匹配所述复合片材构型的表面结构，用于充分接触所述复合片材并冷却。

8.根据权利要求1所述的生产系统，其特征在于，所述冷却辊内的冷却水的温度为10～30℃。

9.根据权利要求2所述的生产系统，其特征在于，所述生产系统包括一组及以上所述放卷设备、所述分纱设备和所述浸渍设备。

10.根据权利要求9所述的生产系统，其特征在于，所述生产系统包括两组及以上所述放卷设备、所述分纱设备和所述浸渍设备。

11.根据权利要求10所述的生产系统，其特征在于，两组及以上所述放卷设备、所述分纱设备和所述浸渍设备均选择相同的所述连续纤维纱线；并且/或者，均选择相同的所述热塑性树脂；并且/或者，均选择相同的改性助剂。

12.根据权利要求10所述的生产系统，其特征在于，两组及以上所述放卷设备、所述分纱设备和所述浸渍设备中的至少两组选择不同的所述连续纤维纱线；并且/或者，选择不同的所述热塑性树脂；并且/或者，选择不同的改性助剂。

13.根据权利要求11或12所述的生产系统，其特征在于，所述连续纤维纱线包括玻璃纤维纱线、芳纶纤维纱线、玄武岩纤维纱线、碳纤维纱线、涤纶纤维纱线或尼龙纤维纱线；并且/或者，所述热塑性树脂包括聚乙烯树脂、聚氯乙烯树脂、聚丙烯树脂、聚苯乙烯树脂或聚碳酸树脂。

14.一种连续纤维增强热塑性复合片材的生产方法，其特征在于，包括：

分纱步骤，将连续纤维纱线分散成平行运行的丝束，所述丝束包含1-100根单丝；

浸渍步骤，将热塑性树脂包覆浸渍至所述丝束，熔融的热塑性树脂由树脂挤出设备提供；

合股步骤，将包覆有所述热塑性树脂的所述丝束通过拉挤形成复合片材；

定型步骤，将所述复合片材通过冷却辊冷却定型。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，在所述分纱步骤之前还包括放卷步骤，将所述连续纤维纱线沿预定方向引出。

16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，在所述浸渍步骤和所述合股步骤之间还包括排纱步骤，将充分浸渍后带有所述热塑性树脂的所述丝束平行排布运行。

17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，在所述定型步骤之后还包括收卷步骤，将定型后的所述复合片材进行收卷。

18.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述丝束包含1根单丝，并且/或者，所述单丝的直径为10-20μm。

19.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述合股步骤还包括通过设备的挤出口的形状对所述复合片材的形状定型。

20.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述冷却辊设置有匹配所述复合片材构型的表面结构，用于充分接触所述复合片材并冷却。

21.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述冷却辊内的冷却水的温度为10～30℃。

22.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述放卷步骤、所述分纱步骤和所述浸渍步骤由一组及以上设备完成。

23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述放卷步骤、所述分纱步骤和所述浸渍步骤由两组及以上设备完成。

24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，两组及以上设备均选择相同的所述连续纤维纱线；并且/或者，均选择相同的所述热塑性树脂；并且/或者，均选择相同的改性助剂。

25.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，两组及以上设备中的至少两组选择不同的所述连续纤维纱线；并且/或者，选择不同的所述热塑性树脂；并且/或者，选择不同的改性助剂。

26.根据权利要求24或25所述的方法，其特征在于，所述连续纤维纱线包括玻璃纤维纱线、芳纶纤维纱线、玄武岩纤维纱线、碳纤维纱线、涤纶纤维纱线或尼龙纤维纱线；并且/或者，所述热塑性树脂包括聚乙烯树脂、聚氯乙烯树脂、聚丙烯树脂、聚苯乙烯树脂或聚碳酸树脂。

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