TWI693139B - 用於纖維表面前處理的纖維擴展設備及複合纖維的製造系統 - Google Patents

用於纖維表面前處理的纖維擴展設備及複合纖維的製造系統 Download PDF

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Abstract

本發明實施例提供一種用於纖維表面前處理的纖維擴展設備以及複合纖維的製造系統。纖維擴展設備包括張力裝置、加熱裝置以及反應性氣體供應裝置。張力裝置經配置以對通過張力裝置的纖維束施加張力，以擴展纖維束。加熱裝置設置於張力裝置的一側，以加熱纖維束。反應性氣體供應裝置設置於張力裝置的一側，以對行進中的纖維束提供反應性氣體。

Description

用於纖維表面前處理的纖維擴展設備及複合纖維的製造系統
本發明是有關於一種用於纖維表面前處理的纖維擴展設備以及複合纖維的製造系統。
複合材料的種類繁多，其中包覆有熱塑性高分子的纖維的複合纖維材料具有密度低、強度高、抗衝擊性佳、可回收、加工成型快以及製造成本低等優點。因此，上述的複合纖維材料受到廣泛的應用。
然而，在目前的複合纖維材料中，纖維與熱塑性高分子之間的匹配性不佳。此外，當纖維未經擴展時，熱塑性高分子對於纖維的含浸性低。如此一來，造成纖維與熱塑性高分子之間的附著性不佳的問題。因此，對複合纖維材料的機械性質造成不良的影響。
本發明實施例提供一種用於纖維表面前處理的纖維擴展設備，整合了對纖維束進行擴展、加熱以及表面改質的功能。
本發明實施例提供一種複合纖維的製造系統，可提高複合纖維的機械性質。
本發明實施例的用於纖維表面前處理的纖維擴展設備包括張力裝置、加熱裝置以及反應性氣體供應裝置。張力裝置經配置以對通過張力裝置的纖維束施加張力，以擴展纖維束。加熱裝置設置於張力裝置的一側，以加熱纖維束。反應性氣體供應裝置設置於張力裝置的一側，以對行進中的纖維束提供反應性氣體。
在本發明的一些實施例中，纖維擴展設備更可包括腔體，其中張力裝置橫跨並連接於腔體的相對兩側壁。
在本發明的一些實施例中，腔體的頂面與底面可分別具有開口，加熱裝置可包括第一加熱板與第二加熱板，且第一加熱板與第二加熱板可分別覆蓋腔體的頂面與底面的開口。
在本發明的一些實施例中，反應性氣體供應裝置可包括第一反應性氣體供應裝置與第二反應性氣體供應裝置，分別位於腔體的頂面與底面的開口中並可分別設置於第一加熱板與第二加熱板。
在本發明的一些實施例中，張力裝置可包括至少一張力連桿。至少一張力連桿的長軸方向可與纖維束的行進方向交錯。
在本發明的一些實施例中，反應性氣體可包括臭氧、氧氣、氨氣、二氧化硫、硫化氫、一氧化氮、二氧化氮或其組合。
在本發明的一些實施例中，纖維擴展設備內的壓力範圍可為10 psi至50 psi。
在本發明的一些實施例中，加熱裝置的加熱溫度範圍可為120℃至500℃。
本發明實施例的複合纖維的製造系統包括以上所述的用於纖維表面前處理的纖維擴展設備以及押出熔融設備。押出熔融設備熔融熱塑性高分子，且使熔融的熱塑性高分子包覆自所述纖維擴展設備進入押出熔融設備的纖維束，以形成複合纖維。
在本發明的一些實施例中，複合纖維的製造系統更可包括冷卻設備。複合纖維自押出熔融設備進入冷卻設備，冷卻設備可使熔融的熱塑性高分子冷卻硬化。
在本發明的一些實施例中，熱塑性高分子可包括苯乙烯類化合物、烯烴類化合物、雙烯類化合物、氯乙烯類化合物、氨酯類化合物、酯類化合物、碳酸酯類化合物、醯胺類化合物、有機矽類化合物、乙烯類化合物或其組合。
基於上述，由於本發明實施例的用於纖維表面前處理的纖維擴展設備除了可對纖維束進行擴展之外，更可利用高溫去除纖維束表面的漿劑與水汽，且對纖維束進行表面改質。如此一來，利用押出熔融設備在纖維束的表面包覆熱塑性高分子時，纖維束與熱塑性高分子之間可具有較佳的附著性。如此一來，由本發明實施例的複合纖維的製造系統製造出的複合纖維可具有較佳的機械性質。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1是依照本發明一些實施例的用於纖維表面前處理的纖維擴展設備10的分解示意圖。
請參照圖1，本發明實施例的用於纖維表面前處理的纖維擴展設備10包括張力裝置100。張力裝置100經配置以對通過張力裝置100的纖維束FT施加張力，以擴展纖維束FT。然而，所屬領域中具有通常知識者可依據製程需求調整張力裝置100對纖維束FT施加的張力，以改變纖維束FT的擴展程度，本發明並不以此為限。在一些實施例中，纖維束FT可包括碳纖維、玻璃纖維、克維拉（Kevlar）纖維、玄武岩（Basalt）纖維、天然纖維、化學纖維或其組合。
在一些實施例中，張力裝置100可包括多個張力連桿102。舉例而言，張力連桿102的數量範圍可為2至7。在其他實施例中，張力連桿102的數量亦可為單數，或大於7。所屬領域中具有通常知識者可依據製程需求調整張力連桿102的數量，本發明並不以此為限。張力連桿102的長軸方向D1與纖維束FT的行進方向D2交錯。在一些實施例中，多個張力連桿102可沿著纖維束FT的行進方向D2高低交替設置。相鄰的兩個張力連桿102的高度差H可大於0公分，且小於或等於30公分。在其他實施例中，相鄰的兩個張力連桿102亦可具有相同的高度，亦即相鄰的兩個張力連桿102的高度差H可實質上為0公分。此外，相鄰的兩個張力連桿102的水平間距D的範圍可為5公分至25公分。每一張力連桿102可為滾動式的張力連桿或是固定式的張力連桿。張力裝置100與纖維束FT之間的摩擦力可對纖維束FT產生張力，以擴展纖維束FT。
在一些實施例中，纖維擴展設備10更可包括腔體104。張力裝置100（例如是至少一張力連桿102）可橫跨並連接於腔體104的相對兩側壁。具體而言，腔體104的相對兩側壁可分別包括至少一狹縫SL。至少一張力連桿102穿過且固定於彼此相對的至少一對狹縫SL。藉由在腔體104的側壁設置狹縫SL，可簡單地調整至少一張力連桿102的高度。
纖維擴展設備10更包括加熱裝置110。加熱裝置110設置於張力裝置100的至少一側。在一些實施例中，加熱裝置110可包括第一加熱板110a與第二加熱板110b。第一加熱板110a與第二加熱板110b分別設置於張力裝置100的上下兩側。舉例而言，腔體104的頂面與底面可分別具有開口P1與開口P2。第一加熱板110a與第二加熱板110b可分別覆蓋開口P1與開口P2。在一些實施例中，第一加熱板110a與第二加熱板110b可分別為紅外線加熱器、電加熱器或高週波加熱器。在一些實施例中，加熱裝置110（例如是第一加熱板110a與第二加熱板110b）的加熱溫度的範圍可為120℃至500℃。藉由設置加熱裝置110，可對通過張力裝置100的纖維束FT進行加熱。如此一來，可去除纖維束FT表面所含有的漿劑與水汽。
纖維擴展設備10更包括反應性氣體供應裝置120。反應性氣體供應裝置120設置於張力裝置100的至少一側。在一些實施例中，反應性氣體供應裝置120包括第一反應性氣體供應裝置120a與第二反應性氣體供應裝置120b。第一反應性氣體供應裝置120a與第二反應性氣體供應裝置120b分別設置於張力裝置100的上下兩側。舉例而言，第一反應性氣體供應裝置120a與第二反應性氣體供應裝置120b可分別設置於開口P1與開口P2中，且分別設置於第一加熱板110a與第二加熱板110b的內側。在本文中，第一加熱板110a與第二加熱板110b的所述內側所指的是第一加熱板110a與第二加熱板110b的朝向腔體104的內部的表面。在一些實施例中，可調整反應性氣體供應裝置120的氣體流量，以使腔體104內維持正壓。換言之，纖維擴展設備10內可維持正壓。舉例而言，纖維擴展設備10內的壓力範圍可為10 psi至50 psi。在一些實施例中，反應性氣體可包括臭氧、氧氣、氨氣、二氧化硫、硫化氫、一氧化氮、二氧化氮或其組合。藉由設置反應性氣體供應裝置120，可對通過張力裝置100的纖維束FT提供反應性氣體。如此一來，反應性氣體供應裝置120所提供的反應性氣體可對纖維束FT進行表面改質。
基於上述，本發明實施例的用於纖維表面前處理的纖維擴展設備整合了擴展、加熱以及表面改質的功能。具體而言，藉由在張力裝置的一側設置加熱裝置以及反應性氣體供應裝置，可利用反應性氣體對纖維束進行表面改質，且可利用高溫去除纖維束表面的漿劑與水汽。如此一來，可改善纖維束對於熱塑性高分子的附著性。因此，纖維束應用於製作包覆有熱塑性高分子的複合纖維時，所得的複合纖維可具有較佳的機械性質。
圖2是依照本發明一些實施例的複合纖維的製造系統20的示意圖。
請參照圖1與圖2，複合纖維的製造系統20包括圖1所示的纖維擴展設備100以及押出熔融設備200。源自於纖維卷FP的纖維束FT進入纖維擴展設備100後，纖維束FT經擴展且受到表面改質與加熱處理。經擴展的纖維束FT1隨後進入押出熔融設備200。押出熔融設備200經配置以熔融熱塑性高分子，且使熔融的熱塑性高分子包覆纖維束FT1。在一些實施例中，熱塑性高分子包括苯乙烯類化合物、烯烴類化合物、雙烯類化合物、氯乙烯類化合物、氨酯類化合物、酯類化合物、碳酸酯類化合物、醯胺類化合物、有機矽類化合物、乙烯類化合物或其組合。
在一些實施例中，押出熔融設備200包括進料裝置202以及押合裝置204。進料裝置202使熱塑性高分子沿著方向D1進料至押合裝置204中。纖維束FT1沿著方向D2通過押合裝置204。熱塑性高分子在押合裝置204中被加熱而成為熔融態，且押合裝置204將熔融態的熱塑性高分子押合至纖維束FT1。如此一來，熔融態的熱塑性高分子可包覆在纖維束FT1的表面，以形成複合纖維CF1。在一些實施例中，複合纖維CF1的纖維含有率的範圍可為5 wt%至65 wt%。
在一些實施例中，複合纖維的製造系統20更可包括冷卻設備210。複合纖維CF1通過押出熔融設備200後，進入冷卻設備210。冷卻設備210可將熔融態的熱塑性高分子冷卻硬化，以形成固態的熱塑性高分子。如此一來，固態的熱塑性高分子可包覆在纖維束FT1的表面，以形成複合纖維CF2。複合纖維CF2可隨後被捲成複合纖維卷CFP。此外，複合纖維CF2可應用於製作熱塑性編織布，或可應用於利用熱塑性拉擠或熱塑性纏繞等成型工藝製作的複合材料成品中。
綜上所述，由於本發明實施例的用於纖維表面前處理的纖維擴展設備除了可對纖維束進行擴展之外，更可利用高溫去除纖維束表面的漿劑與水汽，且對纖維束進行表面改質。如此一來，利用押出熔融設備在纖維束的表面包覆熱塑性高分子時，纖維束與熱塑性高分子之間可具有較佳的附著性。如此一來，由本發明實施例的複合纖維的製造系統製造出的複合纖維可具有較佳的機械性質。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧纖維擴展設備100‧‧‧張力裝置102‧‧‧張力連桿104‧‧‧腔體110‧‧‧加熱裝置110a‧‧‧第一加熱板110b‧‧‧第二加熱板120‧‧‧反應性氣體供應裝置120a‧‧‧第一反應性氣體供應裝置120b‧‧‧第二反應性氣體供應裝置20‧‧‧複合纖維的製造系統200‧‧‧押出熔融設備202‧‧‧進料裝置204‧‧‧押合裝置210‧‧‧冷卻設備CF1、CF2‧‧‧複合纖維CFP‧‧‧複合纖維卷D‧‧‧水平間距D1、D2‧‧‧方向FP‧‧‧纖維卷FT、FT1‧‧‧纖維束H‧‧‧高度差P1、P2‧‧‧開口SL‧‧‧狹縫
圖1是依照本發明一些實施例的用於纖維表面前處理的纖維擴展設備的分解示意圖。 圖2是依照本發明一些實施例的複合纖維的製造系統的示意圖。
10‧‧‧纖維擴展設備
100‧‧‧張力裝置
102‧‧‧張力連桿
104‧‧‧腔體
110‧‧‧加熱裝置
110a‧‧‧第一加熱板
110b‧‧‧第二加熱板
120‧‧‧反應性氣體供應裝置
120a‧‧‧第一反應性氣體供應裝置
120b‧‧‧第二反應性氣體供應裝置
D‧‧‧水平間距
D1、D2‧‧‧方向
FT、FT1‧‧‧纖維束
H‧‧‧高度差
P1、P2‧‧‧開口
SL‧‧‧狹縫

Claims (10)

  1. 一種用於纖維表面前處理的纖維擴展設備，包括：張力裝置，經配置以對通過所述張力裝置的纖維束施加張力，以擴展所述纖維束，其中所述張力裝置包括至少一張力連桿；加熱裝置，設置於所述張力裝置的一側，以加熱所述纖維束；反應性氣體供應裝置，設置於所述張力裝置的一側，以對行進中的所述纖維束提供反應性氣體；以及腔體，其中所述張力裝置橫跨並連接於所述腔體的相對兩側壁，所述相對兩側壁分別包括至少一狹縫，所述至少一張力連桿穿過於彼此相對的所述至少一狹縫，且於所述至少一狹縫中調整所述至少一張力連桿的高度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的用於纖維表面前處理的纖維擴展設備，其中所述腔體的頂面與底面分別具有開口，所述加熱裝置包括第一加熱板與第二加熱板，且所述第一加熱板與所述第二加熱板分別覆蓋所述頂面與所述底面的所述開口。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的用於纖維表面前處理的纖維擴展設備，其中所述反應性氣體供應裝置包括第一反應性氣體供應裝置與第二反應性氣體供應裝置，分別位於所述頂面與所述底面的所述開口中並分別設置於所述第一加熱板與所述第二加熱板。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的用於纖維表面前處理的纖維擴展設備，其中所述至少一張力連桿的長軸方向與所述纖維束的行進方向交錯。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的用於纖維表面前處理的纖維擴展設備，其中所述反應性氣體包括臭氧、氧氣、氨氣、二氧化硫、硫化氫、一氧化氮、二氧化氮或其組合。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的用於纖維表面前處理的纖維擴展設備，其中所述纖維擴展設備內的壓力範圍為10psi至50psi。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的用於纖維表面前處理的纖維擴展設備，其中所述加熱裝置的加熱溫度範圍為120℃至500℃。
  8. 一種複合纖維的製造系統，包括：如申請專利範圍第1項至第7項中的任一項所述的用於纖維表面前處理的纖維擴展設備；以及押出熔融設備，其中所述押出熔融設備熔融熱塑性高分子，且使熔融的所述熱塑性高分子包覆自申請專利範圍第1項至第8項中的任一項所述的用於纖維表面前處理的纖維擴展設備進入所述押出熔融設備的所述纖維束，以形成複合纖維。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的複合纖維的製造系統，更包括冷卻設備，其中所述複合纖維自所述押出熔融設備進入所述冷卻設備，所述冷卻設備使熔融的所述熱塑性高分子冷卻硬化。
  10. 如申請專利範圍第8項所述的複合纖維的製造系統，其中所述熱塑性高分子包括苯乙烯類化合物、烯烴類化合物、雙烯類化合物、氯乙烯類化合物、氨酯類化合物、酯類化合物、碳酸酯類化合物、醯胺類化合物、有機矽類化合物、乙烯類化合物或其組合。
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