CN205631113U - 连续纤维增强热塑性预浸料的连续化制备装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种连续纤维增强热塑性预浸料的连续化制备装置，包括纤维厚度调节设备、挤出机、与挤出机对接的浸渍模头和与浸渍模头对接的二次浸渍设备。所述纤维厚度调节设备主要实现纤维丝束的薄层化；浸渍模头主要实现纤维与树脂的初次接触浸渍；二次浸润设备通过特殊的结构组合，实现充分浸润。本实用新型解决了高温高粘度热塑性树脂对纤维的充分浸渍问题。

Description

连续纤维增强热塑性预浸料的连续化制备装置

技术领域

本实用新型涉及一种制备预浸料的装置，具体地涉及一种连续纤维增强热塑性预浸料的连续化制备装置。

背景技术

连续纤维增强热塑性预浸料是制备热塑性复合材料的最主要的原材料，热塑性复合材料具有突出优点：(1)线性柔韧的高分子结构赋予热塑性复合材料优异的抗冲击性能和抗损伤性能；(2)使用温度区间广；(3)热塑性复合材料的加工过程是一个加热熔融、冷却固化的物理过程，成形周期短；(4)易于二次加工，能够多次成型以精确控制尺寸和纤维含量；(5)热塑性树脂在常温条件下不会发生化学变化，因此没有储存条件的限制；(6)能回收再利用。因此，纤维增强热塑性复合材料发展迅猛，近年来的增长速度己经赶超纤维增强热固性复合材料，特别是连续纤维增强热塑性复合材料已在全球各个领域有着重大应用，例如对材料性能要求较高的大型客机、运输机、战斗机、无人机、火箭、卫星等航空航天领域，高铁动车、厢式货车、汽车、空投车等交通运输领域，体育运动器材、电子产品外壳、医疗防护件等民用产品领域。

目前连续纤维增强热塑性预浸料制备设备及方法众多，包括熔融浸渍、溶剂浸渍、薄膜层合、粉末包覆、混纤法以及熔体拉挤等。其中熔融浸渍法制备预浸料(如美国Cytec公司)工艺简单，但是对树脂的热稳定性要求较高，需能经受长时高温熔融而不发生氧化劣化；溶剂浸渍法制备预浸料时溶剂有害且不易排除干净，从而影响成品质量，而且热塑性树脂由于分子量普遍较大而不易溶于溶剂，只会发生溶胀，因此该方法基本没有被生产企业所广泛采用；薄膜层合法有部分国外公司采用(如德国Lanxess公司)，其初期投入成本较大，需要高温的模压设备以及精确的张力牵引设备，而 且其连续化生产需要一定的实践积累，对设备要求较高；粉末包覆法在世界范围内有较多公司采用，主要由于其有利于制备大尺寸以及各种单向或织物预浸料，但其制备的预浸料存在较多的空隙缺陷，降低了成品质量，若要有效提高成品质量，需深入研究静电撒粉工艺以及超细树脂粉末的研制工艺，周期长经费投入大，目前可借鉴经验少；至于混纤法，其成品质量较差，不适宜用于制备高质量热塑性预浸料。综合考量，本实用新型涉及一种适于采用熔体拉挤法制备连续纤维增强热塑性预浸料的装置，其能促使纤维与熔体强制性的浸渍，从而得到高质量的热塑性预浸料。

当然，国内也有很多专利涉及连续纤维增强热塑性预浸料的制备方法及设备，如专利CN101856782A、专利CN103131170A、专利CN102328443A、专利CN104494170A等。但是在国内相关专利涉及的连续纤维增强热塑性预浸料制备装置能够实现连续碳纤维或玻璃纤维与耐高温高粘度热塑性树脂体系的充分浸渍尚属空白。本实用新型涉及一种适于采用熔体拉挤法制备连续纤维增强热塑性预浸料的装置。熔体拉挤法是实现纤维和高粘度热塑性树脂浸润的最优方法，虽然前期投资偏高且技术难度大，但是该方法制备的连续纤维增强热塑性预浸料性能稳定，便于连续化生产。

实用新型内容

本实用新型的目的是解决如何实现连续纤维与耐高温高粘度热塑性树脂体系的充分浸渍的问题。所述问题通过提供一种连续纤维增强热塑性预浸料的连续化制备装置而解决。

具体地，本实用新型涉及一种用于连续制备连续纤维增强热塑性预浸料的装置，其特征在于：所述装置沿纤维的前进方向依次包括纤维厚度调节设备、浸渍模头、与所述浸渍模头对接的挤出机，和连接在所述浸渍模头下游的二次浸渍设备。

所述纤维厚度调节设备包括两组或更多组，优选2-10组，更优选3-8组，更优选4-6组交错排列的张力辊。在厚度调节期间，连续纤维依次经过各组张力辊，在张力的作用下薄层化。所述张力辊优选具有小弧度，从而能够高效薄层化纤维。

由于纤维在纤维厚度调节设备中实现薄层化，这有利于热塑性树脂对连续纤维的浸润，减少缺陷。这使得即使对由于具有高熔点和/或高熔体粘度而采用现有技术无法获得令人满意的浸渍效果的高熔点和/或高熔体粘度热塑性树脂也能获得满意的浸渍效果。因此，本实用新型的装置特别有利地适于高熔点和/或高熔体粘度热塑性树脂对连续纤维的浸润。

薄层化的纤维然后进入浸渍设备进行浸渍。

作为所述预浸料连续化制备装置的核心，本实用新型的装置包括浸渍设备。所述浸渍设备由独立且紧邻的浸渍模头和二次浸渍设备组成。所述浸渍设备的最高使用温度可达500℃。所述浸渍模头包括与所述挤出机对接的接口、纤维入口和与所述二次浸渍设备对接的纤维出口。优选地，该出口间隙在0.03-2.2mm之间可调。

在浸渍期间，连续纤维被牵引辊牵引通过浸渍模头，同时挤出机将热塑性树脂熔体经由挤出机对接口挤入浸渍模头中，从而浸渍连续纤维，经浸渍的连续纤维从纤维出口牵引出去。通过使用本实用新型的浸渍模头，可实现热塑性树脂熔体对纤维的快速浸渍，而且由于树脂流动性好，其能充分浸渍纤维，从而制得具有良好浸渍效果的预浸料。

在浸渍期间，需要将热塑性树脂熔体经由挤出机对接口挤出到浸渍模头中以浸渍纤维纱，在这种情况下，由于树脂熔体粘度大，仅从纤维纱上表面或下表面单面渗透进纤维内部较困难。为了解决这个问题，浸渍模头可具有两个挤出机对接口，从而同时从纤维纱上下表面接触浸渍，这大大提高了浸渍质量和浸渍效率。更进一步地，为了确保充分浸渍，甚至可使用更多的挤出机对接口。

在浸渍期间，为了避免从挤出机中挤出的热塑性熔体在浸渍模头中冷却，从而影响浸渍效果，所述浸渍模头还包括高温腔体。所述高温腔体具有加热功能，从而保持挤出的热塑性熔体具有足够的流动性。所述高温腔体工作温度为100-500℃，优选为200-450℃，更优选为300-450℃，最优选为350-420℃。

然后，从浸渍模头出来的经浸渍纤维进入二次浸渍设备中。

所述二次浸渍设备包括前高温加热辊、后高温加热辊以及介于前后高 温加热辊之间的小弧形热板。在二次浸渍期间，使从浸渍模头出来的经浸渍纤维通过前高温加热辊的辊间隙，经小弧形热板进一步加热和挤压；然后通过后高温加热辊的辊间隙。

所述高温加热辊间隙为0.03-6mm可调，辊表面光滑洁净；所述小弧形热板由上下两组热板构成，间隙为0.03-6mm可调。

优选地，为了避免浸渍纤维在二次浸渍期间发生冷却，可将所述前高温加热辊、后高温加热辊以及介于前后高温加热辊之间的小弧形热板置于高温红外箱中，其中前高温加热辊设置在高温红外箱中的入口处，而后高温加热辊设置在高温红外箱中的出口处。所述高温红外箱左右两侧均有进料的扁平入口及出口，从而维持腔体温度，减少散热。

所述小弧形热板由上下两块热板组成，所述上下两块热板相对的表面上周期性地设有凸起，从而在上下热板的相对表面上形成相互对应的波浪形流道。其中“相互对应”是指上下热板的波浪形凸起相互对应，即上热板流道的波峰对应于下热板流道的波谷，上热板流道的波谷对应于下热板流道的波峰，反之亦然。所述凸起优选为圆弧形状。

在二次浸渍期间，从前端浸渍模头出来的预浸料进一步被高温辊压以及在波浪形流道内反复挤压，从而使得高粘度的热塑性树脂能够有足够的温度、足够的压力和时间充分浸渍到纤维丝束内部，降低预浸料的缺陷。特别地，所述二次浸渍过程对高温高粘度的热塑性树脂(如聚醚醚酮和聚苯硫醚等)与纤维的充分浸渍有决定性作用。此外，所述二次浸渍设备有助于对预浸料的厚度和表面质量进行控制。经二次浸渍的预浸料具有高表面质量和低孔隙率。一般而言，经二次浸渍的预浸料的孔隙率不超过1％。

本实用新型的装置还可任选包括位于纤维厚度调节设备之后且位于浸渍模头之前的纤维表面处理设备，其用于在纤维厚度调节之后，对纤维进行表面处理。所述纤维表面处理设备包括溶剂洗涤槽和/或上浆剂上浆槽。所述溶剂洗涤槽可选用能洗去上浆剂的溶剂如丙酮等，用于除去纤维表面的原始上浆剂，而所述上浆槽用于补充与随后所用的热塑性树脂相容的上浆剂。任选地，在溶剂洗涤槽之后和/或在上浆槽之后，设置有干燥设备，优选为红外烘道。所述干燥设备可用于干燥经溶剂洗涤槽处理的纤维，和/ 或干燥经上浆槽处理的纤维。因此，在优选的实施方案中，所述纤维表面处理设备包括溶剂洗涤槽、前红外烘道、热塑性上浆剂上浆槽和后红外烘道。

所述装置还可包括纤维纱架，其设置在所述纤维厚度调节设备之前。所述纤维纱架包括放纱立架，所述放纱立架由10-50组纤维纱筒芯轴构成，每组纤维纱筒芯轴可调节放纱的张力；所述纤维纱架还包括针形导纱设备，所述针形导纱设备由两组或更多组(优选2-10组，更优选2-8组，最优选2-6组)间距可调的针形立柱组成，可均匀排布多条纤维纱及避免交缠。

本实用新型的装置还可任选包括设置在二次浸渍设备之后的预浸料紧压定型设备。所述预浸料紧压定型设备用于将由二次浸渍设备获得的预浸料冷却定型。所述预浸料紧压定型设备由多组，优选2-6组，更优选2-4组冷辊组成，冷辊间隙0.03-6mm可调。

本实用新型的装置还可任选包括冷却设备，其设置在所述预浸料紧压定型设备之后。所述冷却设备由长距离金属平台构成，所述长距离金属平台表面光滑，长度为1-1.5m。

本实用新型的用于连续制备连续纤维增强热塑性预浸料的装置还包括牵引设备。所述牵引设备包括牵引辊。所述牵引设备用于牵引连续纤维，从而使得其通过本实用新型的装置。所述牵引设备可位于本实用新型装置的不同位置。本实用新型的装置包括多组，例如2-10组，优选2-8组，更优选为2-6组牵引辊，优选为橡胶牵引辊。作为一个实例，本实用新型的牵引设备包括两组共四个橡胶牵引辊，其中一组位于纤维表面处理设备的后段，另一组位于冷却设备后段，所述两处橡胶牵引辊转速可调。

本实用新型的还可包括切割设备，其用于将预浸料切割成所需的尺寸，其设置在冷却装置之后。所述切割设备由金属平台，金属导辊及位于导辊两侧的间距可调的两个切刀构成。

本实用新型的装置还可包括收卷设备。所述收卷设备设置在切割设备之后。所述收卷设备由多组，例如2-10组，优选2-8组，更优选2-4组收卷轴构成，所述多组收卷轴由电机控制，收卷速率可调。所述收卷轴包括预浸料小收卷轴和预浸料大收卷轴。

在一个特别优选的实施方案中，本实用新型的装置沿纤维的前进方向依次包括：纤维纱架、纤维厚度调节设备、纤维表面处理设备、挤出机、与挤出机对接的浸渍模头、与浸渍模头对接的二次浸渍设备、预浸料紧压定型设备、冷却设备、切割设备和收卷设备。

本实用新型的有益效果是：

1、所述纤维预处理设备包括纤维厚度调节设备，可调节纤维纱层厚度；包括纤维表面处理设备，可改善纤维与热塑性树脂的界面结合性能；

2、能够通过所述的浸渍设备即独立且紧邻的浸渍模头和二次浸渍设备实现热塑性树脂对纤维的充分浸渍；可调节与浸渍模头对接的挤出机挤出的热塑性高温熔体的挤出量以及所述浸渍模头出口间距来控制连续纤维增强热塑性预浸料的纤维含量；

3、连续纤维增强热塑性预浸料的连续化制备装置的挤出机以及所述的二次浸渍设备工作温度最高可达500℃，因此可制备各种类型的连续纤维增强的热塑性预浸料，可适用的纤维包括玻璃纤维及碳纤维，可适用的基体树脂包括加工温度低于450℃的所有热塑性树脂，即包括聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚碳酸酯、聚酰胺等；

4、为了解决浸渍区域熔体的积聚问题，装置结构设计时考虑到各系统结构的装配及拆卸问题，使装置内长期使用累积的热塑性树脂方便清理。所述挤出机及浸渍模头容易拆卸，所述二次浸渍设备的罩于外部的高温红外箱容易拆卸。

附图说明

图1为本实用新型的连续纤维增强热塑性预浸料的连续化制备装置的一个实施方案的示意图。

在图中，各附图标记的含义如下：1.纱架、2.纤维纱、3.针形导纱设备、4.纤维厚度调节设备、5.纤维表面处理设备、6.橡胶牵引辊、7.挤出机、8.浸渍模头、9.高温红外箱、10.前高温加热辊、11.小弧形热板、12.后高温加热辊、13.预浸料紧压定型设备、14.冷却设备、15.橡胶牵引辊、16.预浸料、17.切割设备、18.预浸料小收卷轴、19.预浸料大收卷轴；

图2为本实用新型的针形导纱设备的示意图。

图中20.针形立柱，21.圆柱形金属筒。

具体实施方式

请参考图1，本实用新型的装置包括纤维纱架1，纤维厚度调节设备4，纤维表面处理设备5，挤出机7，浸渍模头8，二次浸渍设备，预浸料紧压定型设备13，冷却设备14，牵引设备，切割设备17及收卷设备。

首先连续纤维纱2放置于纱架1上，在橡胶牵引辊6的作用下将连续纤维纱2牵引至针形导纱设备3，使连续纤维纱2均匀排列；将均匀排列的连续纤维纱2穿过纤维厚度调节设备4以调整纤维纱厚度和幅宽；随后连续纤维纱2通过纤维表面处理设备5进行表面处理，其中使连续碳纤维纱2通过溶剂洗涤槽，在其中洗去碳纤维表面的原始上浆剂，然后通过红外烘道进行干燥，和/或任选地，进一步将经洗涤的纤维纱2在上浆槽中上浆，然后经红外烘道干燥；在橡胶牵引辊14的作用下将表面处理后的连续纤维纱2牵引至浸渍模头8，同时设定挤出机7和浸渍模头8温度，采用挤出机7将热塑性树脂熔体挤入浸渍模头8以浸渍连续纤维纱2；为了保证热塑性树脂可以充分浸渍连续纤维纱2，对通过浸渍模头8的被热塑性树脂初步浸渍的连续纤维纱2牵引至二次浸渍设备中，其中将连续纤维纱2牵引至高温红外箱9，通过调节前高温加热辊10的辊间压力和间隙来调整连续纤维纱2中热塑性树脂含量，之后通过小弧形热板11使热塑性树脂充分浸渍连续纤维纱2，再通过后高温加热辊12对预浸料进行厚度及表面质量的控制；随后被充分浸渍的连续纤维纱2在橡胶牵引辊15的作用下依次通过预浸料紧压定型设备13和冷却设备14后得到预浸料16；最后采用切割设备17将预浸料16切割成不同幅宽，依次收卷至预浸料小收卷轴18和预浸料大收卷轴19。

具体地，本实用新型涉及如下方案：

1.一种连续化制备连续纤维增强热塑性预浸料的装置，其特征在于：所述装置沿纤维的前进方向依次包括纤维厚度调节设备4、浸渍模头8、与所述浸渍模头8对接的挤出机7，和连接在所述浸渍模头8下游的二次浸渍设备。

2.根据实施方案1所述的装置，其特征在于：所述纤维厚度调节设备4包括两组或更多组张力辊。

3.根据实施方案1所述的装置，其特征在于：所述浸渍模头8包括与所述挤出机7对接的接口、纤维入口和与所述二次浸渍设备对接的纤维出口。

4.根据实施方案3所述的装置，其特征在于：其中所述浸渍模头8还包括高温腔体。

5.根据实施方案1所述的装置，其特征在于：所述二次浸渍设备包括前高温加热辊10、后高温加热辊12以及介于前高温加热辊10和后高温加热辊12之间的小弧形热板11。

6.根据实施方案5所述的装置，其特征在于：所述小弧形热板11由上下两块热板组成，所述上下两块热板相对的表面上周期性地设有凸起，从而在上下热板的相对表面之间形成相互对应的波浪形通道。

7.根据实施方案1所述的装置，其特征在于：所述装置还包括设置在纤维厚度调节设备4之后且设置在浸渍模头8之前的纤维表面处理设备5，所述纤维表面处理设备包括溶剂洗涤槽和/或上浆剂上浆槽。

8.根据实施方案1所述的装置，其特征在于：所述装置还包括设置在所述纤维厚度调节设备4之前的纤维纱架1。

9.根据实施方案8所述的装置，其特征在于：所述纤维纱架1包括针形导纱设备，所述针形导纱设备由两组或更多组间距可调的针形立柱20组成。

10.根据实施方案1所述的装置，其特征在于：所述装置还包括设置在二次浸渍设备之后的预浸料紧压定型设备13；所述装置还包括设置在所述预浸料紧压定型设备13之后的冷却设备14、牵引设备、切割设备17和/或收卷设备。

Claims (10)

1.一种连续纤维增强热塑性预浸料的连续化制备装置，其特征在于：所述装置沿纤维的前进方向依次包括纤维厚度调节设备(4)、浸渍模头(8)、与所述浸渍模头(8)对接的挤出机(7)，和连接在所述浸渍模头(8)下游的二次浸渍设备。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述纤维厚度调节设备(4)包括两组或更多组张力辊。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述浸渍模头(8)包括与所述挤出机(7)对接的接口、纤维入口和与所述二次浸渍设备对接的纤维出口。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：其中所述浸渍模头(8)还包括高温腔体。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述二次浸渍设备包括前高温加热辊(10)、后高温加热辊(12)以及介于前高温加热辊(10)和后高温加热辊(12)之间的小弧形热板(11)。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述小弧形热板(11)由上下两块热板组成，所述上下两块热板相对的表面上周期性地设有凸起，从而在上下热板的相对表面之间形成相互对应的波浪形通道。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述装置还包括设置在纤维厚度调节设备(4)之后且设置在浸渍模头(8)之前的纤维表面处理设备(5)，所述纤维表面处理设备包括溶剂洗涤槽和/或上浆剂上浆槽。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述装置还包括设置在所述纤维厚度调节设备(4)之前的纤维纱架(1)。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：所述纤维纱架(1)包括针形导纱设备，所述针形导纱设备由两组或更多组间距可调的针形立柱(20)组成。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述装置还包括设置在二次浸渍设备之后的预浸料紧压定型设备(13)；所述装置还包括设置在所 述预浸料紧压定型设备(13)之后的冷却设备(14)、牵引设备、切割设备(17)和/或收卷设备。