CN1306095C - 一种纤维复合材料平铺及交叠成型设备及材料制造方法 - Google Patents

Abstract

一种基于缠绕成型原理的纤维复合材料平铺及交叠成型设备及材料制造方法，该设备包括供料装置，展丝及张力控制装置，浸胶及胶量控制装置，导丝及喂入装置，干燥及应力消除定型装置和程控装置；本发明的纤维复合材料平铺片材的制造方法包括单层片材平铺及多层片材交叠成型的方法；本发明的纤维复合材料平铺及交叠成型设备及材料制造方法不但克服了上述现有技术的不足，且可在平铺片材的基础上实现交叠成型，制造单层及多层纤维复合材料，特别适合多品种中小批量产品的生产。经过复制组合亦可低成本地满足一定生产规模的需求。

Description

一种纤维复合材料平铺及交叠成型设备及材料制造方法

技术领域

本发明涉及一种纤维复合材料的成型设备及材料制造方法，尤其是涉及纤维复合材料平铺及交叠成型设备及材料制造方法。

背景技术

通常平铺片材可通过专门的纤维排布涂层设备实现，但其设备投资高，占地面积大，且一次用纤量较大，根据平铺宽度需同时具备几十至几百筒纤维方可工作，不适合多品种、中小批量浸片生产。有些平铺片材也可通过板框式缠绕形成，但由于缠绕时纤维张力变化较大，缠绕速度及效率均难以提高。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于缠绕成型原理的纤维复合材料平铺及交叠成型设备及材料制造方法，不但克服了上述现有技术的不足，且可在平铺片材的基础上实现交叠成型，制造单层及多层纤维复合材料，特别适合多品种中小批量产品的生产。经过复制组合亦可低成本地满足一定生产规模的需求。

根据本发明的第一方面，本发明的纤维复合材料平铺及交叠成型的设备包括供料装置，展丝及张力控制装置，浸胶及胶量控制装置，导丝及喂入装置，干燥及应力消除定型装置和程控装置，其中，

供料装置是由纱卷阻尼退绕轴支架组成，其功能为使装在纱卷退绕轴的纱卷带张力退绕；

展丝及张力控制装置是由张力均衡装置，调节拉簧，导向及展丝装置，张力调节装置和导向辊组成，使纤维丝实现恒力退绕及平行展开；

浸胶及胶量控制装置是由浸胶辊，胶盒，补胶管，胶泵，浸胶管，胶量控制装置和储胶箱组成，使胶盒内的胶量平衡稳定，控制纤维丝浸胶量；

铺片及成型装置是由浸渍纤维成型导入装置，卷桶，横动拖架和变频调速器组成，控制卷桶的转速和横动拖架的横动速度；实现纤维重叠率可调的平行排布。

干燥及应力消除定型装置是由加热干燥装置，定型胶辊，气缸，定型轮支架和PLC可编程控制器组成，完成片材的干燥和冷却程序；

程控装置为小型可编程控制器，实现设备的各个工序的控制和自动转换。

根据本发明的第二方面，本发明的纤维复合材料单层片材的制造方法包括单层片材平铺及多层片材交叠成型的方法，其中配合热压定型工艺，单层片材平铺的方法包括以下步骤：

1.选取所需强力和模量的纤维一卷或二卷，将纱卷装在纱卷退绕装置上并卡紧，将纤维头依次引过展丝及张力控制装置，浸胶及胶量控制装置，导丝及喂入装置，并将纱卷上的纤维头固定在导丝及喂入装置的导入辊旁边的纤维挂钩上；

2.将一单轴取向，宽度与卷桶长度尺寸相同的薄膜均匀的平铺在带隔离层的卷桶上；

3.将固定在导丝及喂入装置的导入辊旁边的纤维挂钩上的纤维头依卷桶转动方向固定在卷桶边缘的挂钩上；

4.将配制的水溶性胶液倒入储胶箱中，启动胶泵，通过胶液循环系统使浸胶盒中的胶液量保持平衡稳定，使纤维过胶均匀；

5.根据工艺要求计算出卷桶转速及横动拖架得横动速度，并通过变频器控制主轴转速及横动速度；

6.启动排片设备运行。利用小型可编程序控制器配合变频器调速器，实现整个系统控制及定时参数选择；

7.缠绕结束后，启动干燥定型程序，卷桶在预先设定干燥转速下旋转并进行加热，在旋转中与空气对流，通过调节加热器与卷桶表面的距离及加热器功率可控制卷桶表面温度；根据基体材料性质确定加热温度及加热时间；

8.干燥程序完成后，转入冷却定型阶段，提高卷桶转速，加大对流降温速度，缠绕浸片在加压展平作用下冷却定型。设定时间到达后自动停机。将浸片沿卷桶轴向割断，再通过复膜及热定型工艺使浸片成为桶长×周长的矩形，其横断面为三层的片材，下层为第二基体材料，中间层为第一基体材料与平铺纤维，上层为第二基体材料；

9.测量并计算出成型片材面密度、用丝量、含胶量，根据实际结果与设计要求的偏差，通过调节平铺纤维重叠率(通过调节横动速度实现)来调节用丝量；通过调节浸胶量来调节含胶量(通过调节轧胶装置压力实现)，经几次重复操作调整后，使面密度、用丝量、含胶量等工艺参数达到设计要求。

根据本发明的第三方面，在本发明的纤维复合材料平铺及交叠成型方法中，其重叠率一般为20％-60％，优选40％左右；其含胶率，即胶体重量与总重量之比一般为20％-40％，优选30％；缠绕线速度V_线在100-300M/分较为适宜，优选200M/分，卷桶转速n根据n＝V_线/2πR计算；其横动速度V_横的计算公式如下：

V_横＝[1.4592×10^-4×A×B]^1/2×(1-C)×n

其中：A(以d表示)为纤维总纤度，B为复丝根数，纤维比重0.97，n为卷桶转速，C(％)为重叠率。

根据本发明的第四方面，在本发明的纤维复合材料平铺及交叠成型方法中的交叠多层平铺片材的方法包括步骤：

1.基层材料对缝拼接程序，取纤维长度等于卷桶长度的两片单层片材作为拼接的基层材料，将其中一片基层材料的边缘部分纤维从基层材料的第二基体上剥去，在该基体的上表面加涂形成第一基体的胶液，将两片基层材料在涂胶液的部分基体上对齐压实；

2.缠绕加工程序。按上述方法将基层材料长度拼接至卷桶周长平铺在卷桶隔离层上形成一新的基层材料，再铺上第二基体材料后，按单片制造工艺进行缠绕加工：如上所述在卷桶上进行一层卷绕即可实现两层交叠的复合材料，新形成的平行纤维根据横动速度与方向的不同可自然形成α或π-α角度，完成两层交叠复合材料的制造，如此重复可实现多层多倾角交叠材料。

3.交叠成型的基层材料可以是与缠绕纤维相同的材料，也可以是不同的其他材料；由于缠绕交角α的存在，尤以四层材料性能为佳；

4.热压定型程序，将该交叠片在卷桶沟槽处割开，从隔离层上取下交叠片材进行热压定型工艺，热定型温度优选高于基质材料的软化或熔融温度，同时低于纤维的熔融温度。

根据本发明的第四方面的交叠多层平铺片材的方法，本发明的第五方面在于在采用聚乙烯纤维材料及相应弹性基体材料的热定型工艺中，其热压温度为120℃-140℃，优选130℃左右加压，加压为0.5-2.0MPa，优选1Mpa。

附图说明

图1是本发明的纤维复合材料平铺及交叠成型设备的构造示意图；

图2是根据本发明实施例的单层平铺片材的横截面图；

图3A，图3B和图3C是本发明的纤维复合材料平铺及交叠成型方法的示意图；

图4是根据本发明实施例的纤维缠绕方式的示意图；

图5是根据本发明实施例的多层交叠片材的结构示意图。

图中

1纱卷退绕轴       12张力调节辊          23加热器

2纱卷退绕轴支架； 13导向辊              24卷桶

3张力均衡辊       14导向辊              25定型胶辊

4横动拖架         15浸胶辊              26气缸

5调节拉簧         16浸渍纤维导入装置    27定型轮支架

6退绕丝束         17胶盒                28储胶箱

7导向辊           18导入辊              29纤维丝

8导向辊           19补胶管              30第一基体材料

9展丝装置         20胶泵                31第二基体材料

10张力调节杆      21浸胶管

11张力调节拉簧    22胶量控制装置

具体实施方式

以ZXP型平铺及交叠设备为例说明本发明的实施例。

图1是本发明的纤维复合材料平铺及交叠成型设备的构造示意图；如图1所示，本发明的纤维复合材料平铺及交叠成型设备由供料装置，展丝及张力控制装置，浸胶及胶量控制装置，导丝及喂入装置和干燥及应力消除定型装置组成。其中供料装置包括纱卷退绕轴1和退绕轴支架2，本发明的纤维复合材料平铺及交叠成型设备实施例包括两个纱卷退绕轴1，由退绕轴支架2支撑，因此，两个纱卷分别装入纱卷退绕轴1上并卡紧。张力均衡辊3配合调节拉簧5组成张力控制装置使两根退绕纤维张力保持均衡，两根纤维经导向辊7，导向辊8和展丝装置9组成的导向及展丝装置和并为一股。张力调节杆10，张力调节拉簧11和张力调节辊12组成张力调节装置，纤维丝通过张力调节装置和导向辊14进入胶量控制装置，纤维的浸渍及含胶量控制装置由浸胶辊15，胶盒17，补胶管19，胶泵20，浸胶管21，胶量控制装置22和储胶箱28完成，储胶箱28中的通过补胶管19和胶泵20进入胶盒17，浸胶管21实现对胶盒17内胶液液面的控制，使之处于平衡稳定状态。胶量控制装置22控制纤维丝浸胶量，浸渍纤维经导入装置16和导入辊18缠绕在卷桶24上；横动拖架4配合卷桶24完成纤维丝的平铺展开，平铺重叠率控制由设备卷桶24的转速及拖架4的横动速度关系决定，经计算设定变频调速器(图中未示)实现。当横动装置4运行到卷桶两端时，有终端限位结合电机制动可实现缓冲准确停车。设备卷桶及横动运动分别通过变频器控制交流电动机实现，根据传动精度要求不同，可选用永磁式同步交流电动机或异步交流电动机。主轴转速及横动速度用电信号进行主从联动，以保证横动与主轴同步运行，使缠绕螺距一致，从而保证纤维平行排列。

整个系统控制及定时参数选择利用小型可编程序控制器(图中未示)配合变频器、接近式限位开关实现。加热器23与卷桶24之间的距离可以根据加热温度的需要调整，定型胶辊25装在由气缸26推动的定型轮支架27上，定型胶辊25在气缸26的作用下可压靠在卷桶壁上，使缠绕浸片在加压展平作用下冷却定型。实现干燥及应力消除定型功能溶剂干燥控制。由加热器23配合PLC可编程控制器干燥时间设定实现。带张力冷却定型控制由气缸26及定型胶辊25配合PLC可编程控制器设定实现。

经冷却定型的缠绕浸片从卷桶上取下后经复膜及热定型工艺便可形成单层平铺片材。

图2是根据本发明实施例的单层平铺片材的横截面图；如图2所示，本发明实施例的单层平铺片材包括三层，第一基体材料30，第二基体材料31和平铺纤维29；第二基体材料31作为底层与面层.第一基体材料30与平铺纤维29合成为中间层。本发明的单层平铺片材制造的实施例是选取800D/240F，强力＞25g/d，模量＞1000g/d的高强聚乙烯纤维作为单层平铺材料浸片的平铺纤维29；第二基体材料31将一单轴取向，宽度与卷桶长度尺寸相同的薄膜均匀的平铺在带隔离层的卷桶24上形成，薄膜取厚度为0.003~0.008mm的高密度聚乙烯膜，卷桶24上的隔离层可采用有机硅涂层的纸基材料或聚脂膜；

采用本专利说明的ZPX型专用缠绕设备，通过主轴转速设定可选择70~90rpm，横动速度可选择150~300mm/min控制平铺纤维29的面密度。

第一基体材料30是将水溶性胶液(如同益中公司配置的水溶性TY-1020胶液)经干燥，压展，定型工艺形成。干燥定型阶段是由卷桶干燥转速下(预先设定可与卷绕转速不同)启动红外加热器23进行加热并在旋转中与空气对流实现的。通过调节加热器与卷桶表面的距离及加热器功率可控制卷桶表面温度。根据基体材料性质可确定加热温度及加热时间，本发明实施例的材料加工中，材料表面温度控制＜120℃，加热时间为5~8min，根据基体溶剂不同可对挥发溶剂采取回收或集中排放处理。优选水溶剂基体材料可无污染地在空间蒸发。

使缠绕浸片在加压展平作用下冷却定型。本发明实施例设定冷却定型时间为3~5min。将加工完成的单层片材取下后，经拼缝工艺可直接成为交叠成型的基层材料，亦可通过复膜及热定型工艺形成单层片材直接应用，如图2所示。

图3A，图3B和图3C是本发明的纤维复合材料平铺及交叠成型方法的示意图；交叠材料工序的关键是实现基层材料的对缝拼接。图3A显示两片准备对缝拼接的基层材料。其纤维长度等于卷桶长度，当基材纤维与卷桶轴向成β角时，其纤维长度W＝桶长/cosβ；当卷桶周长等于W时最佳，可减小复材时基片边缘的浪费。交叠材料卷桶基材可以是同一卷桶制造，根据交叠尺寸不同亦可选择其他匹配尺寸的卷桶制造，以使材料利用率最高。

如图3A所示，将两片基材之一的边缘部分纤维29从第二基体材料30上剥去，宽度约10mm左右，在第二基体材料30的上表面上，将裁剪整齐的另一块基材与该在涂胶液处对齐压实。整个工作在卷桶上进行较为方便，基材在卷桶切割沟槽处用胶带固定后沿卷桶圆周方向进行对缝拼接。

按上述方法拼接至卷桶24周长后，再铺上第二基体材料31后按单片制造工艺进行缠绕加工，形成如图3B所示片材。交叠成型的基材可以是与缠绕纤维相同的材料，也可以是不同的其他材料。

将该交叠片在卷桶24的沟槽处割开，从隔离层上取下交叠片材进行复膜及热定型工艺。复膜可用复膜机(专用设备)或手工完成，热定型工艺可以在平板式热压机或热辊压机中完成。热定型温度优选高于基质材料的软化或熔融温度，同时低于纤维的熔融温度。在采用聚乙烯纤维材料及相应弹性基体材料的工艺中，其热压温度为120℃～140℃，优选130℃左右加压，加压为0.5～2.0MPa，优选1MPa，热压成型后。

加工成型的片材既可单独使用也可组合使用，可组合成软质防弹及抗冲击片材，或进一步加工成硬质板材。

图4是根据本发明实施例的纤维缠绕方式的示意图；如图所示，将上述工艺完成的单层片材经拼缝联接后，平行纤维与卷桶轴向平行或旋转β角(90°＞β≥0°)(图中β＝0°)，平铺在卷桶隔离层上形成一新的基层材料。如上所述再行在卷桶上进行一层卷绕即可实现两层交叠的复合材料，新形成的平行纤维根据横动速度与方向的不同可自然形成α或π-α角度，如果横动拖架4相对卷桶从左向右摆动，图中所示的n层和2n层之间形成α角，而当横动拖架4相对卷桶从右向左摆动时，(n+1)层和2(n+1)层之间形成π-α角，完成两层交叠复合材料制造，

图5是根据本发明另一个实施例的多层交叠片材的结构示意图。如图5所示，该多层多倾角交叠材料尤以四层材料性能为佳。图中，31为四层第二基体材料，29分别为四层平铺材料。其中，四层平铺材料29的倾角分别平行，垂直或斜交。

Claims (9)

1.一种纤维复合材料平铺及交叠成型的设备，包括供料装置，展丝及张力控制装置，浸胶及胶量控制装置，铺片成型装置，干燥及应力消除定型装置和程控装置，其特征在于：

所述的供料装置是由纱卷退绕轴和退绕轴支架组成，其用于使装在纱卷退绕轴的纱卷阻尼退绕；

所述的展丝及张力控制装置是由张力均衡装置，调节拉簧，导向及展丝装置，张力调节装置和导向辊组成，使纤维丝实现恒力退绕及平行展开；

所述的浸胶及胶量控制装置是由浸胶辊，胶盒，补胶管，胶泵，浸胶管，胶量控制装置和储胶箱组成，其作用使胶盒内的胶量平衡稳定，控制纤维丝浸胶量；

所述的铺片成型装置是由浸渍纤维成型导入装置，卷桶，横动托架和变频调速器组成，控制卷桶的转速和横动拖架的横动速度，可实现纤维重叠率可调的平行排布；

所述的干燥及应力消除定型装置是由加热干燥装置，定型胶辊，气缸，定型轮支架和PLC可编程控制器组成，完成片材的干燥和冷却程序；

所述的程控装置为小型可编程控制器，实现设备的各个工序的控制和自动转换。

2.一种纤维复合材料平铺及交叠成型方法，包括单层片材平铺及多层片材交叠成型方法，其特征在于，单层片材平铺的方法包括以下步骤：

选取所需强力和模量的纤维一卷或二卷，将纱卷装在纱卷退绕装置上并卡紧，将纤维头依次引过展丝及张力控制装置，浸胶及胶量控制装置，导丝及喂入装置，并将纱卷上的纤维头固定在导丝及喂入装置的导入辊旁边的纤维挂钩上；

将一单轴取向，宽度与卷桶长度尺寸相同的薄膜均匀地平铺在带隔离层的卷桶上；

将固定在导丝及喂入装置的导入辊旁边的纤维挂钩上的纤维头依卷桶转动方向固定在卷桶边缘的挂钩上；

将配制的水溶性胶液倒入储胶箱中，启动胶泵，通过胶液循环系统使浸胶盒中的胶液量保持平衡稳定，使纤维过胶均匀；

根据工艺要求计算出卷桶转速及横动拖架的横动速度，并通过变频器控制主轴转速及横动速度；

启动排片设备运行，利用小型可编程序控制器配合变频器调速器，实现整个系统控制及定时参数选择；

缠绕结束后，启动干燥定型程序，卷桶在预先设定干燥转速下旋转并进行加热，在旋转中与空气对流，通过调节加热器与卷桶表面的距离及加热器功率可控制卷桶表面温度；根据基体材料性质确定加热温度及加热时间；

干燥程序完成后，转入冷却定型阶段，提高卷桶转速，加大对流降温速度，缠绕浸片在加压展平作用下冷却定型，设定时间到达后自动停机：将浸片沿卷桶轴向割断，再通过复膜及热定型工艺使浸片成为桶长×周长的矩形，其横断面为三层的片材，下层为第二基体材料，中间层为第一基体材料与平铺纤维，上层为第二基体材料；

测量并计算出成型片材面密度、用丝量、含胶量，根据实际结果与设计要求的偏差，通过调节重叠率来调节用丝量；通过调节浸胶量来调节含胶量，经几次重复操作调整后，使面密度、用丝量、含胶量工艺参数达到设计要求。

3.根据权利要求2所述的纤维复合材料平铺及交叠成型方法，其特征在于：所述的重叠率为20％-60％；其含胶率为20-40％；缠绕线速度V_线在100-300M/分。

4.根据权利要求3所述的纤维复合材料平铺及交叠成型方法，其特征在于：所述的重叠率为40％；其含胶率为30％；缠绕线速度V_线为200M/分。

5.根据权利要求2所述的纤维复合材料平铺及交叠成型方法，其特征在于：所述的卷桶转速n为，

n＝V_线/2πR计算：

所述的横动速度V_横为，

V_横＝[1.4592×10^-4×A×B]^1/2×(1-C)×n

其中：A为纤维总纤度，B为复丝根数，纤维比重0.97，n为卷桶转速，C(％)为重叠率，V_线为缠绕线速度。

6.根据权利要求2所述的纤维复合材料平铺及交叠成型方法，其特征在于，多层片材交叠成型方法包括以下步骤：

基层材料对缝拼接程序，取纤维长度等于卷桶长度的两片单层片材作为拼接的基层材料，将其中一片基层材料的边缘部分纤维从基层材料的第二基体上剥去，在该基体的上表面加涂形成第一基体的胶液，将两片基层材料在涂胶液的部分基体上对齐压实；

缠绕加工程序，按上述方法将基层材料长度拼接至卷桶周长平铺在卷桶隔离层上形成一新的基层材料，再铺上第二基体材料后，按单片制造工艺进行缠绕加工，在卷桶上进行一层卷绕即可实现两层交叠的复合材料，新形成的平行纤维根据横动速度与方向的不同可自然形成α或π-α角度，完成两层交叠复合材料的制造；

热压定型程序，将该交叠片在卷桶沟槽处割开，从隔离层上取下交叠片材进行热压定型工艺，热定型温度优选高于基质材料的软化或熔融温度，同时低于纤维的熔融温度。

7.根据权利要求6所述的纤维复合材料平铺及交叠成型方法，其特征在于：交叠成型的基层材料为四层材料性能。

8.根据权利要求6所述的纤维复合材料平铺及交叠成型方法，其特征在于：采用聚乙烯纤维材料及相应弹性基体材料的热定型工艺中，其热压温度为120℃-140℃，加压为0.5-2.0Mpa。

9.根据权利要求8所述的纤维复合材料平铺及交叠成型方法，其特征在于：采用聚乙烯纤维材料及相应弹性基体材料的热定型工艺中，其热压温度为130℃，加压为1Mpa。

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