CN211415886U - 缠绕成型工艺制备热塑性预浸料的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种一种缠绕成型工艺制备热塑性预浸料的装置，包括：沿纤维前进方向设置的纱架、张力调节装置、第一导向装置、浸胶槽、挤胶装置、第二导向装置和收卷装置，所述收卷装置的外部设有加热装置。本发明的装置，将泥浆法与缠绕成型工艺相结合，实现热塑性预浸料的生产。
Description
技术领域
本发明属于热塑性复合材料预浸料成型技术领域，涉及一种缠绕成型工艺制备热塑性预浸料的装置。
背景技术
热塑性树脂分子链呈线性结构，分子链中不含有反应性化学基团，加热融化具有流动性，因此具备可重复加工成型等特点吸引了航空航天、新能源汽车等产业的目光。但由于热塑性树脂熔点高、粘度大，使得预浸料制造困难、成型设备要求苛刻，制约了热塑性预浸料在民用市场进一步广泛应用。
目前热塑性复合材料成型加工技术主要有热压成型、真空模压成型、缠绕成型和拉挤成型等工艺。热压成型主要存在问题是树脂粘度高，树脂基体浸渍纤维效果差，层间空隙难以排除等；真空模压成型工艺的成型压力较低，仅适合低熔融指数聚合物为基体树脂的热塑性复合材料；而拉挤成型工艺的缺点是：制品性能具有明显的方向性，横向强度差，只适用于生产型材；而上述缺点限制了热压、真空模压、拉挤等成型工艺的应用。
缠绕成型工艺是一种连续化制备纤维增强复合材料方法，将连续纤维浸渍树脂胶液后制成预浸带，然后在缠绕机上按照指定方向缠绕并固结于模具表面实现一次成型。缠绕成型工艺制备热塑性复合材料具有制造成本低、效率高，能够实现自动化成型等优点。目前的缠绕成型都是相对于热固性(即环氧树脂)，使用低沸点的溶剂溶解环氧树脂，配置出低粘度的浆料。目前也有人用强极性溶剂溶解热塑性树脂，一方面用于溶解热塑性树脂的溶剂挥发点普遍较高，另一方面溶剂能够溶解树脂种类较少，局限性较大，且制备的浆料粘度相对较高，不利于浸渍。热塑性基体树脂的熔融粘度高，要获得密实低空隙率的缠绕产品，成型过程需要施加较高的温度和压力，但对于缠绕成型中实现高温高压较为困难。
发明内容
发明目的：本发明提供了一种缠绕成型工艺制备热塑性预浸料的装置，利用该装置可以将泥浆法工艺与缠绕成型工艺相结合，用于生产热塑性预浸料。
技术方案：
本发明提供了一种缠绕成型工艺制备热塑性预浸料的装置，包括：沿纤维前进方向设置的纱架、张力调节装置、第一导向装置、浸胶槽、挤胶装置、第二导向装置和收卷装置，所述收卷装置的外部设有加热装置。
所述的加热装置为红外加热器。红外加热能够快速升温且加热温度比较均匀, 加热温度可以足够高，能够达到750℃,对材料表面加热温度能够达到450℃,能够满足不同材料加热需求。红外加热器位于收卷辊四周，对收卷好的预浸料进行加热。
所述的张力调节装置包括处于纤维两侧的两排张力辊，所述第一导向装置和第二导向装置均为导向辊。
进一步，所述张力调节装置为三个张力辊，其中处于中间的张力辊与其他两个张力辊处于纤维的两侧。中间张力辊调节上下位置改变纤维与辊之间包角，从而形成张力。
所述浸胶槽的内壁设有超声展纱装置，所述浸胶槽的外部设有浆料恒温装置。
所述浸胶槽内设有浸胶辊。
所述浸胶槽内设有多根浸胶辊，所述浸胶槽的内壁相对固定有两个固定板，每个固定板设有竖直的滑槽，每根浸胶辊的两端设于对应的滑槽内。
所述的挤胶装置为相对设置的两个挤胶辊，纤维从两个挤胶辊之间通过。
所述浸胶槽为倒置的梯形结构。
有益效果：
1.利用本发明的装置可以将泥浆法工艺与缠绕成型工艺的优点相结合，在浸胶槽内配制以水作为分散剂的浆料，纱架上的纤维经张力调节后通过第一导向装置进入浸胶槽内浸渍纤维，然后挤胶后经第二导向装置导向后进行加热收卷，整个装置内不需要采用高压高温的设备及有毒污染溶剂的相关设备，即可进行热塑性预浸料的生产，便于工业化生产。
2.设置超声展纱装置，利用超声在水中空化产生的强大冲击波撞击纤维束，在显著降低纤维损伤的同时，实现更为均匀的纤维铺展。
附图说明
图1为本发明缠绕成型工艺制备热塑性预浸料的装置的结构示意图；
图2为浸胶辊安装部分的结构示意图；
图3为浸胶辊安装部分的俯视图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明。
如图1，本发明缠绕成型工艺制备热塑性预浸料的装置包括：沿纤维前进方向设置的纱架1、张力调节装置2、第一导向装置3、浸胶槽5、挤胶装置7、第二导向装置8和收卷装置10。
原料纤维缠绕在纱架1上。张力调节装置2为三个张力辊，分别为第一张力辊2-1、第二张力辊2-2和第三张力辊2-3，其中第一张力辊2-1和第三张力辊2-3 处于纤维的一侧，处于中间的第二张力辊2-2处于纤维的另一侧。通过调节中间的第二张力辊2-2在合适的位置，改变纤维与张力辊包角大小，形成不同张力，例如第一张力辊2-1和第三张力辊2-3处于纤维的下侧时，调节正中间的第二张力辊2-2的上下位置即可。三个张力辊均为固定辊，表面镀硬洛，张力辊的直径为50-150mm。
第一导向装置3和第二导向装置8均为导向辊，用于导向，且两者均为固定 2。
浸胶槽5内盛有浆料，浸胶槽为倒置(即梯形的上底处于底面)的梯形结构，梯形结构能够减少浸胶槽体积，同时保证浸胶槽的长度和深度，减少体积能够使用较少浆料就能够进行试验，浸胶槽内的侧壁和底壁均设有超声展纱装置12，超声展纱装置为超声震荡器，通过其发射的超声波对纤维展纱。运用特定功率和频率的超声空化技术在液体介质中形成真空空穴，利用超声在浆料液体中空化产生的强大冲击波撞击纤维束，在显著降低纤维损伤的同时，实现更为均匀的纤维铺展；经多次试验，超声波功率：100-5000W，超声波频率：10-200KHz可以达到更好的展纱效果。超声展纱装置12安装在浸胶槽内壁，使浆料与超声直接接触，减少超声能力损失。
浸胶槽5内固定有三根浸胶辊4。浸胶辊可以采用多种方式进行固定，可以采用简单的螺栓固定、焊接，还可以如图2和图3所示，三根浸胶辊4的两端通过两个不锈钢支架17与浸胶槽的内壁进行固定，两个不锈钢支架17为相对固定在浸胶槽内壁的两个不锈钢板，每个不锈钢钢板上安装三条竖直的导轨18，每个浸胶辊的两端可以在对应的导轨上滑动，如此便于调节三根浸胶辊上下位移，当浸胶槽体积一定时，通过调整浸胶辊位置改变纤维在浸胶槽中的停留时间，停留时间相对延长能够增加浆料对纤维的浸透。浸胶辊挤压纤维表面，帮助树脂浆料挤压进入纤维束内部，增加纤维在树脂浆料中停留时间，提高浸渍效果。
浸胶槽5的外部设有浆料恒温装置13，在超声展纱过程中，超声作用会使浆料温度升高，导致水分挥发和树脂浆料粘度降低，会影响纤维吸附浆料含量。浆料恒温装置可以保持浆料在恒定的温度，浆料恒温装置13为恒温夹套，恒温夹套的底部具有进水口，顶部具有出水口，该出水口至进水口之间的外接管路上依次设有泵14、冷却机15、恒温水槽16，泵将夹套出水泵至冷却机进行冷却后输送至恒温水槽，再送至夹套进水口。
挤胶装置7为相对设置的两个挤胶辊，其中一个为固定辊，另一个由伺服电机驱动转动，纤维从两个挤胶辊之间通过，通过调整两个挤胶辊之间的间隙(精度为0.002mm)大小，控制纤维吸附浆料含量。
收卷装置10为收卷辊，由电机如变频的伺服电机提供驱动力，保证生产速度可以调节收卷辊转动，使纤维缠绕在收卷辊上，收卷辊的直径为450-1000mm，直径的大小根据所需预浸料长度制定。压辊9紧靠收卷辊，主要是起到抚平纤维，让纤维紧紧与收卷辊贴合在一起的作用。压辊的位置可以常规方式调整，lieu可以通过气缸装置调节位置。
收卷装置10的外部设有红外加热器11。缠绕在收卷辊上的纤维在红外加热器加热作用下，先以100-150℃将水分挥发，只保留树脂粉末和纤维；再进一步升高温度(温度依据树脂的熔点而定)加热使树脂粉末熔融浸渍纤维。红外加热器工作温度最高要达到450℃。
采用上述装置，缠绕成型工艺制备热塑性预浸料的方法包括以下步骤：
以水作为分散介质，制备浆料，其中热塑性树脂粉末为：尼龙PA、聚碳酸酯PC、聚苯硫醚PPS、聚醚醚酮PEEK、聚醚酰亚胺PEI等热塑性塑料。热塑性树脂粉末粒径：0.1-50um，密度需要大于1g/cm3，以使树脂粉末悬浮于水中，制备悬浮浆料，且该粒径下更有利于浆料浸润纤维且兼顾成本。
多束纤维丝束呈带状从纱架上牵引出，经过张力调节装置调节纤维至张紧状态后经第一导向装置进入浸胶槽浸渍，在浸胶槽内，纤维通过浸胶辊，超声展纱装置进行超声展纱，运用特定功率和频率进行超声空化实现纤维均匀铺展，浸胶辊主要帮助树脂浆料挤压进入纤维束内部和增加纤维在树脂浆料中停留时间。出浸胶槽的纤维经过挤胶装置挤胶，调整挤胶辊间隙，可以生产出不同树脂含量的预浸料，之后纤维经第二导向装置进入收卷装置进行收卷，缠绕在收卷辊上的纤维在红外加热器加热作用下，先以100-150℃将水分挥发，只保留树脂粉末和纤维；再进一步升高温度加热使树脂粉末熔融浸渍纤维，加热成型好的片材移出收卷辊。
本发明装置材料最好采用不锈钢材料，以免长期使用产生铁锈，影响预浸料产品性能。
Claims (5)
1.一种缠绕成型工艺制备热塑性预浸料的装置，其特征在于，包括：沿纤维前进方向设置的纱架、张力调节装置、第一导向装置、浸胶槽、挤胶装置、第二导向装置和收卷装置，所述收卷装置的外部设有加热装置；
所述张力调节装置为三个张力辊，其中处于中间的张力辊与其他两个张力辊处于纤维的两侧；
所述的挤胶装置为相对设置的两个挤胶辊，纤维从两个挤胶辊之间通过；
所述第一导向装置和第二导向装置均为导向辊；
所述浸胶槽的内壁设有超声展纱装置；
所述收卷装置为收卷辊。
2.根据权利要求1所述的缠绕成型工艺制备热塑性预浸料的装置，其特征在于，所述的加热装置为红外加热器。
3.根据权利要求1所述的缠绕成型工艺制备热塑性预浸料的装置，其特征在于，所述浸胶槽的外部设有浆料恒温装置。
4.根据权利要求1所述的缠绕成型工艺制备热塑性预浸料的装置，其特征在于，所述浸胶槽为倒置的梯形结构。
5.根据权利要求1所述的缠绕成型工艺制备热塑性预浸料的装置，其特征在于，所述浸胶槽内设有多根浸胶辊，所述浸胶槽的内壁相对固定有两个固定板，每个固定板设有竖直的滑槽，每根浸胶辊的两端设于对应的滑槽内。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116533413A (zh) * | 2023-05-10 | 2023-08-04 | 扬州利宏碳纤维材料有限公司 | 一种碳纤维复合材料固化成型设备 |
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