CN1948566A - 采用二次超声分切的自动铺丝预浸纱制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采用二次超声分切的自动铺丝预浸纱制备方法，尤其适用于作为自动铺丝机的铺放原材料，属于复合材料纤维自动铺放成型技术领域。将多根纤维束从纱架导出，纤维束展平排列后与上下两层涂敷树脂胶膜的背衬纸一并经过热压辊，胶膜熔融浸渍后冷却成型，然后通过使用超声切割刀实现预浸带的一次分切，收取上背衬纸后将奇数纱和偶数纱分别引导并覆薄膜，最后使用超声切割刀分别实现奇数纱和偶数纱的二次分切，在收取下背衬纸后将覆薄膜的预浸纱收卷。该制造方法可以同时制备不同宽度规格的预浸纱，提高生产效率，预浸纱纤维排列比较规整，无边缘厚度起伏问题，采用超声切刀提高了切割精度和切割质量，延长了切刀的使用寿命。
Description
一技术领域
本发明涉及一种采用二次超声分切的自动铺丝预浸纱制备方法，尤其适用于作为自动铺丝机的铺放原材料，属于复合材料纤维自动铺放成型技术领域。
二背景技术
自动铺丝预浸纱是树脂在严格控制的条件下浸渍单根连续纤维束，制成树脂基体与增强材料的组合体，然后再将浸渍树脂的单根连续纤维束缠绕到收纱筒上，铺丝时由自动铺丝机直接从收纱筒上退纱铺放到模具表面。自动铺丝预浸纱作为自动铺丝技术的原材料，其性能参数将直接影响到自动铺丝工艺过程和复合材料构件的质量和性能，近几年，由于自动铺丝技术的广泛应用，自动铺丝预浸纱制备技术也在向追求高效率、高质量的方向发展。
自动铺丝预浸纱的制备技术是在预浸带的制备技术基础上发展起来的。预浸带作为自动铺带技术的原材料，具有从十几mm至上百mm不同的宽度规格，其制备工艺是将多根经预浸的纤维束平行展平排列，利用树脂浸渍纤维，冷却定型后与背衬纸一起收卷，获得一定宽度的单向预浸带。其中，又根据树脂浸渍工艺的不同而分为溶液浸渍法、热熔浸渍法和粉末预浸法等不同的制备技术。自动铺丝预浸纱由于自动铺丝工艺的要求，其宽度仅为几个mm，基本上相当于单根纤维束展开的纱片宽度，如果沿用预浸带得的制备技术和设备，仅仅采用减小预浸带的宽度至几个mm来制备预浸纱的方案，不仅会浪费原材料，生产效率也难以得到保证。
三发明内容
针对自动铺丝技术对预浸纱的需求，为获得一种工艺过程简单的预浸纱制备技术，能够同时制备不同宽度规格的预浸纱，提高生产效率，并能保证预浸纱截面的规整，解决边缘厚度起伏的问题，本发明在热熔浸渍法制备预浸带的基础上，提供一种采用二次超声分切的自动铺丝预浸纱制备方法。
本发明的技术解决方案是：将多根纤维束从纱架导出，纤维束展平排列后与上下两层涂敷树脂胶膜的背衬纸一并经过热压辊，胶膜熔融浸渍后冷却成型，然后通过使用超声切割刀实现预浸带的一次分切，收取上背衬纸后将奇数纱和偶数纱分别引导并覆薄膜，最后使用超声切割刀分别实现奇数纱和偶数纱的二次分切，在收取下背衬纸后将覆薄膜的预浸纱收卷。
一种采用二次超声分切的自动铺丝预浸纱制备方法，其特征在于由以下制备工艺组成：
(1)、根据纤维的规格参数和自动铺丝预浸纱的纱片参数确定纤维束数；
(2)、将纤维束从纱架导出后，纤维束在所需宽度内平行展开排列，各纤维束之间无间隙；
(3)、树脂加热热熔，涂敷在背衬纸上形成胶膜；
(4)、展平的纤维与上下两层背衬纸上的胶膜复合后经过热压辊，胶膜受热熔融，浸渍纤维，然后经过冷却定型，获得预浸带；
(5)、根据所需预浸纱的宽度调节切割间距，利用第一组超声切割刀将上下背衬纸和纤维切割，获得预浸纱；
(6)、收取上背衬纸后，预浸纱被按其排列顺序定义为奇数纱和偶数纱，奇数纱和偶数纱分开引导，并分别在其上表面覆一层薄膜；
(7)、奇数纱和偶数纱分别经过第二组超声切割刀，沿预浸纱的间隙中心线将薄膜切割成条状；
(8)、分别收取奇数纱和偶数纱的下背衬纸后，将覆有薄膜的预浸纱分别收取成卷状。
本发明的优点：可以同时制备多根不同宽度规格的预浸纱，提高了生产效率；利用超声切割宽幅预浸带的方案制备预浸纱，能够保证预浸纱具有满足使用要求的宽度和厚度，纤维排列比较规整，无边缘厚度起伏问题，并且可以使用不同规格的纤维制备相同宽度和厚度的预浸纱，不仅可以采用12K及其以上大丝束纤维为原材料，也可采用6K以下的纤维，降低了对适用的纤维规格的限制；在热熔浸渍法制备预浸带的基础上制备预浸纱，工艺过程简单，并能够保证预浸纱的质量；采用超声切刀方案实现自动铺丝预浸纱的切割，可以精确控制切割深度，保证了切割精度和切割质量，延长了切刀的使用寿命。
四附图说明
图1是本发明提供的方法的工艺流程图。
图2是一次切割前预浸带的横截面示意图。
图3是二次切割前预浸纱的横截面示意图。
图4是自动铺丝预浸纱的横截面示意图。
图5是采用本发明提供方法制备的预浸纱的纤维截面示意图。
图6是采用单根纤维束成型方法制备的预浸纱的纤维截面示意图。
图1中标号名称：1.纱架，2.导纱架，3.涂胶辊，4.背衬纸卷轴，5.热压辊，6.牵引辊，7.冷却平台，8.第一组超声切割刀，9.上背衬纸收取卷轴，10.薄膜卷轴，11.第二组超声切割刀，12.预浸纱收取卷轴，13.下背衬纸收取卷轴，F.纤维，B.背衬纸，P.薄膜。
五具体实施方式
下面结合图1说明本发明提供的方法。
如图1所示，将多根纤维束从纱架1导出后，利用导纱架2将纤维束平行排列，相互之间预留切割间隙，同时，热熔树脂通过涂胶辊3涂敷在从背衬纸卷轴4引出的背衬纸B上制备胶膜，背衬纸B上下各有一层，与展平的纤维F形成夹层结构，在牵引辊6的牵引作用下，它们一起经过热压辊5，胶膜熔融浸渍纤维F后经过冷却平台7冷却成型，然后使用第一组超声切割刀8实现预浸带的一次分切，利用上背衬纸收取卷轴9收取上背衬纸B后将奇数纱和偶数纱分别引导并覆薄膜P，薄膜P从薄膜卷轴10引出，最后使用第二组超声切割刀11分别实现奇数纱和偶数纱的二次分切，利用下背衬纸收取卷轴12收取下背衬纸B后通过预浸纱收取卷轴11将覆薄膜P的预浸纱收卷。
下面结合图1、2、3、4对本发明提供的方法做进一步的说明。
首先应根据纤维的规格参数和自动铺丝预浸纱的纱片参数确定纤维束数。本方法中设计生产能力为同时制备N根自动铺丝预浸纱，所使用纤维的规格参数为线密度ρl、体密度ρv，自动铺丝预浸纱的纱片宽度为b、厚度为h、纤维体积含量为Vf，据此确定应该使用的最少纤维束数n，其计算公式为：
n＝N·b·h·Vf·ρl/ρv
其中，n利用进一法取整数。纤维体积含量Vf可以由树脂含量C％(质量含量)换算，两者的关系为：
Vf＝ρ(1-C％)/[ρv·C％+ρ(1-C％)]
其中，ρ表示树脂密度。纤维束数n还应该保证其纤维展开宽度在切割时边缘预留合适的切割余量。
如图1所示，N根纤维F经单束张力调控后，从纱架1引出，在所需宽度内，通过导纱架2平行展开排列。可以通过导纱架2调节纤维F之间的间距，以实现可以使用不同规格的纤维F以及制备不同规格的自动铺丝预浸纱的目的。导纱架2可以采用栅格或者导纱孔等不同导纱方式。
制备涂有树脂胶膜的背衬纸B，可以采用两种不同的制备方案：一种是一步连续生产法，即在预浸机上将背衬纸B放卷的同时，通过涂胶辊3将熔融树脂涂敷在背衬纸B上，冷却后得到胶膜；另一种是两步预制法，即预先在胶膜机上生产出涂有胶膜的背衬纸B，送至预浸机上，预浸时直接开卷使用。这样的背衬纸卷轴4在展开纤维F上方和下方各放置一个，以提供两层背衬纸B，展开纤维F夹在两层背衬纸B中间，呈夹层结构。
展平的纤维F与上下两层背衬纸B上的胶膜复合后经过热压辊5，热压辊5保持一定的温度，使树脂在此温度下具有较低的黏度，处于粘流态，便于浸渍纤维。调整上下两个热压辊5之间的间隙，可以控制热压后获得的预浸带的厚度，同时能够提供热压压力。胶膜在温度和压力作用下受热熔融，浸渍纤维F，获得预浸带。为了保证良好的复合效果，可以采用多组热压辊逐级压合的方式。
经热压后的预浸带经过冷却平台7冷却定型，冷却平台可以采用吹冷空气或者冰水冷却箱的方式。
根据所需预浸纱的宽度调节切割间距，利用第一组超声切割刀8将预浸带切割成预浸纱。刀片要保证切割上下两层背衬纸B和中间的纤维F，使用超声切割刀能够提高切割精度和切割质量，延长切刀的使用寿命。第一组超声切割刀8的数量比制备预浸纱数量多一个，即(N+1)个。如图2所示，实线箭头指示位置即为第一组超声切割刀8的切割位置，切割间距为a，与制备的预浸纱的宽度相同。
一次切割完成后，将所有预浸纱的上背衬纸B分离，通过上背衬纸收取卷轴9同时收取上背衬纸B。
按照排列顺序，一次切割的预浸纱被依次定义为奇数纱和偶数纱，两类纱相互交错排列。将奇数纱和偶数纱分别引导，然后分别利用薄膜卷轴10在上表面覆一层薄膜P，替代被收取的上背衬纸B，避免预浸纱表面接触空气导致树脂产生化学变化。
奇数纱和偶数纱各自配备一组超声切割刀11，它们分别经过第二组超声切割刀11，沿预浸纱的间隙中心线，薄膜P被切割成条状。针对每类纱而言，第二组超声切割刀8的数量比每类纱中预浸纱的数量多一个，即(M+1)个，M为每类纱中预浸纱的数量，相邻刀片间的切割间距为2a，如图3所示，虚线箭头指示位置即为第二组超声切割刀11的切割位置，刀片仅切割薄膜P。
二次切割完成后，将预浸纱的下背衬纸B分离，通过下背衬纸收取卷轴13同时收取奇数纱和偶数纱的下背衬纸B。
利用预浸纱收取卷轴12收取预浸纱，预浸纱收取卷轴12的个数为N个。
最终预浸纱的形貌如图4所示，被浸渍的扁平状纤维F上表面覆有一层薄膜P，纤维F宽度为a，薄膜P宽度为2a。
通过调整第一组超声切割刀8及第二组超声切割刀11的切割间距，可以同时制备不同宽度规格的预浸纱。即先调整第一组超声切割刀8的切割间距，将纤维F切割成不同的宽度，然后第二组超声切割刀11的切割间距也要相应的调整，以保证切割路径沿预浸纱的间隙中心线位置。
图5所示即为采用本发明提供方法制备的预浸纱的纤维截面示意图，图6是采用单根纤维束成型方法制备的预浸纱的纤维截面示意图。对比两者可以发现，采用单根纤维束成型方法制备的预浸纱边缘未经过切割整形，两端呈尖锥状，铺层时两根相邻预浸纱的交界处会发生厚度起伏的现象，影响铺层质量；采用本发明制备的预浸纱由于经过超声切割，截面为矩形，纤维排列比较规整，边缘厚度没有变化，铺层时预浸纱之间排列紧密，不会产生厚度起伏的问题。
Claims (3)
1、一种采用二次超声分切的自动铺丝预浸纱制备方法，其特征在于由以下制备工艺组成：
(1)、根据纤维的规格参数和自动铺丝预浸纱的纱片参数确定纤维束数；
(2)、将纤维束从纱架导出后，纤维束在所需宽度内平行展开排列，各纤维束之间无间隙；
(3)、树脂加热热熔，涂敷在背衬纸上形成胶膜；
(4)、展平的纤维与上下两层背衬纸上的胶膜复合后经过热压辊，胶膜受热熔融，浸渍纤维，然后经过冷却定型，获得预浸带；
(5)、根据所需预浸纱的宽度调节切割间距，利用第一组超声切割刀将上下背衬纸和纤维切割，获得预浸纱；
(6)、收取上背衬纸后，预浸纱被按其排列顺序定义为奇数纱和偶数纱，奇数纱和偶数纱分开引导，并分别在其上表面覆一层薄膜；
(7)、奇数纱和偶数纱分别经过第二组超声切割刀，沿预浸纱的间隙中心线将薄膜切割成条状；
(8)、分别收取奇数纱和偶数纱的下背衬纸后，将覆有薄膜的预浸纱分别收取成卷状。
2、根据权利要求1所述的采用超声切割刀二次分切预浸带制备自动铺丝预浸纱的方法，其特征在于：根据纤维的规格参数和预浸纱的纱片参数确定纱架导出的最少纤维束数的计算公式为n＝N·b·h·Vf·ρl/ρv，n利用进一法取整数，式中：N-预浸纱数量，ρl-纤维线密度、ρv-纤维体密度，b-纱片宽度，h-纱片厚度，Vf-纤维体积含量。
3、根据权利要求1所述的采用超声切割刀二次分切预浸带制备自动铺丝预浸纱的方法，其特征在于：通过调整第一组及第二组超声切割刀的切割间距，制备不同宽度规格的预浸纱。
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