CN116787645A - 一种碳纤维预浸料的烘干方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种碳纤维预浸料的烘干方法，该方法包括以下步骤：将浸胶后的碳纤维基材送入卧式烘箱进行烘干固化；所述卧式烘箱两侧分别设有进料口和出料口，所述卧式烘箱在邻近所述进料口的部位和邻近所述出料口的部位均设有具有加热功能的遮蔽管，所述卧式烘箱内部设有温度传感器、电加热管和控制部件，所述遮蔽管、温度传感器、电加热管均与控制部件电性连接，所述控制部件包括PID控制器、PID参数调节控制器和环境参数预测控制器。本发明通过遮蔽管和控制部件的精确控温配合，协同提高热效率和温控水平，使卧式烘箱内部的热风流场分布均匀，从而提高碳纤维预浸料的浸胶固化均匀度。

Description

一种碳纤维预浸料的烘干方法

技术领域

本发明涉及一种碳纤维预浸料生产方法，具体涉及一种碳纤维预浸料的烘干方法，属于碳纤维制造技术领域。

背景技术

碳纤维预浸料是将碳纤维纱、热固性树脂基体、离型纸等材料通过预处理、浸润、烘干、覆膜等工艺加工而成，碳纤维预浸料在制备过程中需要经过烘干以去除溶剂并固化树脂，这通常在烘干设备中完成，典型的烘干设备为热风烘箱。传统的热风烘箱采用电加热管或其它电热元件将空气加热到一定温度后，由风机提供动力形成热风，并通过导风管和出风口将热风均匀地吹向物料进行烘干。

在碳纤维预浸料生产线中，常用的热风烘箱有卧式、炉式和箱式，其中卧式烘箱两侧分别设置进料口和出料口，配有传送带，能够实现碳纤维预浸料的连续性生产，能够提高碳纤维预浸料的生产效率，因此较为广泛的采用。

但是，卧式烘箱的进料口和出料口均与外部环境连通，该连通部位会破坏卧式烘箱内部的热风流场分布，提高卧式烘箱内部的温控难度，从而增加卧式烘箱内部的热风流场分布不均匀性，造成浸胶后的碳纤维预浸料在卧式烘箱内部的不同部位热量传递存在差异，碳纤维预浸料不同部位的热量积累不完全相同，此时若热风烘箱的温度和风量控制出现波动偏差，则极易导致碳纤维预浸料不同部分的树脂固化程度不同，过热区域的树脂会过度固化，而热量不足区域的树脂固化不全，这些都会导致碳纤维预浸料的力学性能降低，出现断裂变形等缺陷。

发明内容

基于以上背景，本发明的目的在于提供一种提高浸胶固化均匀度的碳纤维预浸料的烘干方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一种碳纤维预浸料的烘干方法，该方法包括以下步骤：

将浸胶后的碳纤维基材送入卧式烘箱进行烘干固化；所述卧式烘箱两侧分别设有进料口和出料口，所述卧式烘箱在邻近所述进料口的部位和邻近所述出料口的部位均设有具有加热功能的遮蔽管，所述卧式烘箱内部设有温度传感器、电加热管和控制部件，所述遮蔽管、温度传感器、电加热管均与控制部件电性连接，所述控制部件包括PID控制器、PID参数调节控制器和环境参数预测控制器。

作为优选，所述PID控制器的输出控制量的数学表达式为：

T_con＝aT_out+(1-a)ΔT_t；

式中：T_con为PID控制器的温度输出控制量，T_out为PID控制器的温度反馈输出控制量，ΔT_t为预测温度变化量，a为温度反馈控制权重参数，0<a<1。

作为优选，所述PID控制器的温度反馈输出控制量由比例参数、积分参数、微分参数确定，所述比例参数、积分参数和微分参数由PID参数调节控制器的输出参数确定。

作为优选，所述PID参数调节控制器用于运行PID参数调节模型，所述PID参数调节模型为由输入层、隐藏层和输出层构成的神经网络模型。

作为优选，所述输入层包括一个对应温度传感器采集的热风烘箱内温度值的第一节点，所述隐藏层包括多个第二节点，所述输出层包括三个第三节点，三个第三节点分别对应于比例参数、积分参数和微分参数，输出层的值作为PID参数调节控制器的输出参数。

作为优选，所述环境参数预测控制器用于运行温度参数预测模型，环境参数预测控制器的输出参数为预测温度变化量。通过环境参数预测控制器，将前馈控制方式引入且与PID控制器已有的反馈控制方式相结合。

作为优选，所述温度参数预测模型的数学表达式为：

ΔT_t＝α₁ΔT_t-1+α₂ΔT_t-2+ε_t+β₁ε_t-1+β₂ε_t-2+β₃ε_t-3+γH_t；

式中：ΔT_t为预测温度变化量；α₁和α₂为AR系数，用于表示ΔT_t与其时序滞后值ΔT_t-1和ΔT_t-2的关系；ε_t为随机扰动项，用于表示对温度变化量的其它未建模影响因素；β₁、β₂和β₃为MA系数，用于表示ΔT_t与随机扰动项ε_t的时序滞后值ε_t-1、ε_t-2、ε_t-3的关系；H_t为遮蔽管的温度值；γ为H_t的回归系数，表示H_t对ΔT_t的影响程度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的一种碳纤维预浸料的烘干方法，通过在卧式烘箱的进料口和出料口设置具有加热功能的遮蔽管，有效补偿开口造成的热量损失而提高烘箱热效率，采用PID控制器的精确控制烘箱内部温度，通过PID参数调节控制器根据烘干过程的变化动态优化PID参数而改善控温效果，通过环境参数预测控制器增加前馈控制，提前预测和补偿各种扰动的影响，遮蔽管和控制部件的精确控温配合，协同提高热效率和温控水平，使卧式烘箱内部的热风流场分布均匀，从而提高碳纤维预浸料的浸胶固化均匀度。

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明中热风烘箱的结构示意图。

图中：1、卧式烘箱；2、进料口；3、出料口；4、遮蔽管；5、温度传感器；6、电加热管；7、控制部件。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。应当理解，本发明的实施并不局限于下面的实施例，对本发明所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本发明保护范围。

在本发明中，若非特指，所有的份、百分比均为重量单位，所采用的设备和原料等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。下述实施例中的部件或设备如无特别说明，均为通用标准件或本领域技术人员知晓的部件，其结构和原理都为本技术人员均可通过技术手册得知或通过常规实验方法获知。

以下结合附图对本发明的实施例做出详细说明，在下面的详细说明中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明的实施例的全面理解。然而，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被本领域技术人员所实施。

本发明的实施例公开了一种碳纤维预浸料的烘干方法，该方法包括以下步骤：将浸胶后的碳纤维基材送入卧式烘箱进行烘干固化。其中，卧式烘箱两侧分别设有进料口和出料口，进料口和出料口之间的卧式烘箱内部设有带式传送装置，带式传送装置为现有技术，用于输送碳纤维预浸料，具体结构不再赘述。卧式烘箱在邻近进料口的部位和邻近出料口的部位均设有具有加热功能的遮蔽管，卧式烘箱内部设有温度传感器、电加热管和控制部件，遮蔽管、温度传感器、电加热管均与控制部件电性连接。

遮蔽管为电热管，与电加热管的结构相似，但尺寸规格均比电加热管小，遮蔽管起到热屏蔽作用，减少进料口和出料口造成的热量损耗，并对经过遮蔽管的碳纤维预浸料进行补偿性加热。遮蔽管底部与卧式烘箱的带式传送装置表面之间具有容纳碳纤维预浸料通过的间距，避免干涉物料输送。

温度传感器设有六个，其中四个均匀间隔的设置在卧式烘箱的带式传送装置上方，另外两个分别位于邻近进料口和邻近出料口的带式传送装置部位的上方，温度传感器均为红外线测温传感器，能够较为准确的测量带式传送装置表面承载的碳纤维预浸料的温度，以及进料口处和出料口处碳纤维预浸料的温度。

虽然增加遮蔽管提高了热屏蔽效果，减小了热量损耗，但同时提高了卧式烘箱内部的温度控制复杂度，因此，该卧式烘箱的控制部件相应做出了调整。

控制部件包括PID控制器、PID参数调节控制器和环境参数预测控制器。PID控制器的输出控制量的数学表达式为：

T_con＝aT_out+(1-a)ΔT_t；

式中：T_con为PID控制器的温度输出控制量，T_out为PID控制器的温度反馈输出控制量，ΔT_t为预测温度变化量，a为温度反馈控制权重参数，0<a<1。

其中，PID控制器的温度反馈输出控制量由比例参数、积分参数、微分参数确定，比例参数、积分参数和微分参数由PID参数调节控制器的输出参数确定。

PID参数调节控制器用于运行PID参数调节模型，PID参数调节模型为由输入层、隐藏层和输出层构成的神经网络模型，输入层包括一个对应温度传感器采集的热风烘箱内温度值的第一节点，隐藏层包括多个第二节点，输出层包括三个第三节点，三个第三节点分别对应于比例参数、积分参数和微分参数，输出层的值作为PID参数调节控制器的输出参数。第二节点的数量分别大于第一节点的数量和第三节点的数量，在本实施例中设定为6个。该神经网络模型实质上是一个三层前馈神经网络模型，各层之间的连接权重通过采集数据和进行模型训练得出最优权重。

环境参数预测控制器用于运行温度参数预测模型，环境参数预测控制器的输出参数为预测温度变化量。通过环境参数预测控制器，将前馈控制方式引入且与PID控制器已有的反馈控制方式相结合。

温度参数预测模型的数学表达式为：

ΔT_t＝α₁ΔT_t-1+α₂ΔT_t-2+ε_t+β₁ε_t-1+β₂ε_t-2+β₃ε_t-3+γH_t；

式中：ΔT_t为预测温度变化量；α₁和α₂为AR系数，用于表示ΔT_t与其时序滞后值ΔT_t-1和ΔT_t-2的关系；ε_t为随机扰动项，用于表示对温度变化量的其它未建模影响因素；β₁、β₂和β₃为MA系数，用于表示ΔT_t与随机扰动项ε_t的时序滞后值ε_t-1、ε_t-2、ε_t-3的关系；H_t为遮蔽管的温度值；γ为H_t的回归系数，表示H_t对ΔT_t的影响程度。该温度参数预测模型建立遮蔽管温度值、温度变化量的时间因素及其他因素与预测温度变化量的关系，具有一定的前馈预测能力，从而在外部环境变动产生空气扰动时，PID控制器能够较为迅速的应对温度波动，在进行温度控制时包含一定的前馈控制量。

本发明的一种碳纤维预浸料的烘干方法，与现有技术中采用传统卧式烘箱或立式烘箱对碳纤维预浸料连续烘干的技术方案相比，具有以下优势：

通过在卧式烘箱的进料口和出料口设置具有加热功能的遮蔽管，有效补偿开口造成的热量损失而提高烘箱热效率；

采用PID控制器的精确控制烘箱内部温度，通过PID参数调节控制器根据烘干过程的变化动态优化PID参数而改善控温效果，通过环境参数预测控制器增加前馈控制，提前预测和补偿各种扰动的影响；

遮蔽管和控制部件的精确控温配合，协同提高热效率和温控水平，使卧式烘箱内部的热风流场分布均匀，从而提高碳纤维预浸料的浸胶固化均匀度。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种碳纤维预浸料的烘干方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

将浸胶后的碳纤维基材送入卧式烘箱进行烘干固化，烘干温度设定为95～100摄氏度；所述卧式烘箱两侧分别设有进料口和出料口，所述卧式烘箱在邻近所述进料口的部位和邻近所述出料口的部位均设有具有加热功能的遮蔽管，所述卧式烘箱内部设有温度传感器、电加热管和控制部件，所述遮蔽管、温度传感器、电加热管均与控制部件电性连接，所述控制部件包括PID控制器、PID参数调节控制器和环境参数预测控制器。

2.根据权利要求1所述的一种碳纤维预浸料的烘干方法，其特征在于：所述PID控制器的输出控制量的数学表达式为：

T_con＝aT_out+(1-a)ΔT_t；

式中：T_con为PID控制器的温度输出控制量，T_out为PID控制器的温度反馈输出控制量，ΔT_t为预测温度变化量，a为温度反馈控制权重参数，0<a<1。

3.根据权利要求1所述的一种碳纤维预浸料的烘干方法，其特征在于：所述PID控制器的温度反馈输出控制量由比例参数、积分参数、微分参数确定，所述比例参数、积分参数和微分参数由PID参数调节控制器的输出参数确定。

4.根据权利要求1所述的一种碳纤维预浸料的烘干方法，其特征在于：所述PID参数调节控制器用于运行PID参数调节模型，所述PID参数调节模型为由输入层、隐藏层和输出层构成的神经网络模型。

5.根据权利要求1所述的一种碳纤维预浸料的烘干方法，其特征在于：所述输入层包括一个对应温度传感器采集的热风烘箱内温度值的第一节点，所述隐藏层包括多个第二节点，所述输出层包括三个第三节点，三个第三节点分别对应于比例参数、积分参数和微分参数，输出层的值作为PID参数调节控制器的输出参数。

6.根据权利要求1所述的一种碳纤维预浸料的烘干方法，其特征在于：所述环境参数预测控制器用于运行温度参数预测模型，环境参数预测控制器的输出参数为预测温度变化量。

7.根据权利要求1所述的一种碳纤维预浸料的烘干方法，其特征在于：所述温度参数预测模型的数学表达式为：

ΔT_t＝α₁ΔT_t-1+α₂ΔT_t-2+ε_t+β₁ε_t-1+β₂ε_t-2+β₃ε_t-3+γH_t；

式中：ΔT_t为预测温度变化量；α₁和α₂为AR系数，用于表示ΔT_t与其时序滞后值ΔT_t-1和ΔT_t-2的关系；ε_t为随机扰动项，用于表示对温度变化量的其它未建模影响因素；β₁、β₂和β₃为MA系数，用于表示ΔT_t与随机扰动项ε_t的时序滞后值ε_t-1、ε_t-2、ε_t-3的关系；H_t为遮蔽管的温度值；γ为H_t的回归系数，表示H_t对ΔT_t的影响程度。