CN103158209B - 一种连续碳纤维增强热塑性预浸带的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于复合材料技术领域，涉及一种连续碳纤维增强热塑性预浸带的制备方法，其包含以下步骤：将连续碳纤维安放在纱架单元的纱架轴上，经过纱架前段的小导丝排，使碳纤维引出，再经过牵引单元的大导丝排使碳纤维分布均匀，经过张力调节辊调节使碳纤维受力均匀，经牵引辊牵引，进入展丝单元；在展丝单元，烘箱加热，碳纤维经过展丝辊和烘箱加热，使碳纤维充分展开，进入复合定型单元，在浸渍槽中加热，使热塑性树脂熔融，碳纤维经过浸渍辊使树脂充分浸渍碳纤维，再经过树脂调节辊调节树脂含量，由定型辊定型，确定预浸带的厚度；再经切割、收卷，制成连续碳纤维增强热塑性树脂预浸带。本发明本方法具有树脂浸渍碳纤维充分，碳纤维含量高等特点。
Description
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，涉及一种碳纤维增强热塑性树脂预浸带的制备方法。
背景技术
连续纤维增强热塑性复合材料由于连续纤维在基体内有序排列，因此表现出很高的机械性能，也是近年来国内外研究的重点之一。碳纤维具有高强度、高模量，由连续碳纤维增强的复合材料具有了更高的强度和模量，其产品可以应用到很多高端领域，如军工、航天等领域。但是目前碳纤维复合材料大多是热固性基体，由于热塑性树脂有韧性好，可重复利用等优点也成了研究热点。目前开发出的碳纤维增强热塑性复合材料，热塑性树脂大多是聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚芳醚砜酮(PPESK)等高熔点的工程塑料。例如中国专利一类连续纤维增强聚芳醚砜酮先进复合材料的制备(申请号：200410050246.6)中，采用溶剂法将聚芳醚砜酮(PPESK)溶解再浸渍碳纤维，再经缠绕拉起成型，制成连续纤维增强聚芳醚砜酮复合材料，但此工艺只适合可以溶解的热塑性树脂。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷而提供了一种热塑性树脂预浸带的制备方法。本发明采用了熔融浸渍槽方法，将经过高温除胶、展开均匀的碳纤维充分浸渍，再经过定型辊挤压，制备出连续碳纤维增强热塑性树脂预浸带。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明采用熔融浸渍槽法制备连续碳纤维增强热塑性树脂预浸带，具有树脂浸渍碳纤维充分，碳纤维含量高等特点，设备通用性广等特点。本发明通过位置交错的展丝辊来展开碳纤维，展开均匀的碳纤维通过浸渍槽，经过浸渍槽中大辊的充分挤压浸渍，定型得到浸渍充分的碳纤维预浸带
一种连续碳纤维增强热塑性预浸带的制备方法，其特征在于：包含以下步骤：
(1)首先，将碳纤维加热；
(2)将步骤(1)中加热的碳纤维充分浸渍到熔融的热塑性树脂中，
(3)将浸渍后的碳纤维定型；
(4)切割、收卷得连续碳纤维增强热塑性树脂预浸带。
所述的连续碳纤维增强热塑性预浸带的制备方法，具体包含以下步骤：
(1)将连续碳纤维安放在纱架单元的纱架轴上，经过纱架单元前段的小导丝排，引出碳纤维，再经过牵引单元的大导丝排使碳纤维分布均匀，经过张力调节辊调节使碳纤维受力均匀，经牵引辊牵引，进入展丝单元；
(2)在展丝单元，碳纤维经过展丝辊和烘箱加热，使碳纤维充分展开，进入复合定型单元，在浸渍槽加热，使热塑性树脂熔融，保持碳纤维走速为2-10m/min，碳纤维经过浸渍辊使树脂充分浸渍碳纤维，再经过树脂调节辊调节树脂含量，由定型辊定型，确定预浸带的厚度；
(3)再经过收卷单元的切刀切割成的预浸带，最终由收卷机收卷，制备成连续碳纤维增强热塑性树脂预浸带。
所述的步骤(2)中的热塑性树脂选自聚烯烃、聚酯、聚酰胺、通用树脂或高性能工程塑料中的一种或一种以上。
所述的聚烯烃选自均聚聚丙烯、共聚聚丙烯或聚乙烯；所述的聚酯选自PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PTT(聚对苯二甲酸丙二醇酯)或PBT(聚对苯二甲酸丁二醇酯)等，所述的聚酰胺选自尼龙6、尼龙66、尼龙12、尼龙1212或尼龙612等；所述的通用树脂选自聚氯乙烯、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物(ABS)、聚苯乙烯(PS)或耐冲击性聚苯乙烯(HIPS)等；所述的高性能工程塑料选自聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)、改性聚苯醚(MPPO)或聚醚酰亚胺(PEI)等中的一种或一种以上。
所述的预浸带厚度为0.1～0.3mm，宽度为1～400mm。
所述的步骤(2)中浸渍槽的加热温度为到200～350℃。
所述的步骤(2)中烘箱的加热温度为200～250℃。
包括纱架单元、牵引单元、展丝单元、复合定型单元和收卷单元。
所述的纱架单元包含碳纤维、纱架轴和小导丝排。所述的碳纤维放置在纱架轴的上面，纱架轴位于纱架单元的一侧，起承载碳纤维作用，纱架单元的前端为小导丝排，使碳纤维按顺序引出。碳纤维放置在纱架轴的上面，碳纤维从纱架轴上引出，再经过小导丝排，最终碳纤维以一定的速度从纱架单元引出。
所述的牵引单元包含大导丝、导丝辊、张力调节辊、牵引辊和展丝辊，牵引单元的前端为大导丝排，使碳纤维按顺序进入牵引单元，大导丝排前端为导丝辊，导丝辊使碳纤维排布均匀；张力调节辊位于牵引单元的下方，其位置可以上下移动，碳纤维从其底部绕过时，张力调节辊通过自身的重力来调节碳纤维的张力，使碳纤维受力均匀，以便于后面的展丝；牵引辊位于张力调节辊后面，位置高于张力调节辊，由上下牵引辊组成，上牵引辊为橡胶辊，下牵引辊为金属辊，其作用为碳纤维运行提供动力；碳纤维从牵引辊出来后，进入展丝辊，展丝辊在牵引辊前，其作用初步展丝碳纤维。从牵引单元出来后，碳纤维经过了初步展开，进入展丝单元。
所述的展丝单元包含6～10个展丝辊和烘箱。烘箱位于展丝单元的中部，加热范围在200～250℃，形状为V形，在V形底部有一个展丝辊，烘箱前端有3-5个展丝辊，其位置上下相互交错，烘箱的后端3-5个展丝辊，其位置上下相互交错；碳纤维进入展丝单元后，经过前段3-5个展丝辊，使碳纤维进一步展开，再经过烘箱加热，碳纤维表面上浆剂熔融、部分分解，使碳纤维更容易展开；再经过后端展丝辊展丝，使碳纤维展开到理想的宽度。
所述的复合定型单元包含浸渍辊、浸渍槽、树脂调节辊和定型辊，浸渍辊位于浸渍槽中，浸渍槽可以加热，加热范围在200～350℃，浸渍槽与挤出机连接，挤出机挤出熔融状态树脂，在浸渍槽中保持熔融状态；展开均匀的碳纤维在浸渍槽中通过浸渍辊充分浸渍，在经过浸渍槽上方的树脂调节辊挤压调节碳纤维上树脂的含量，最后由定型辊定型成预浸带。
所述的收卷单元包含切刀和收卷机，切刀由两组刀片组成根据需要切割出需要的宽度，收卷机由两个收卷轴组成，可以相互转换收卷。
碳纤维放置在纱架单元上，经过牵引单元牵引后，再经展丝单元展丝，将碳纤维展开均匀，进入复合浸渍单元，在浸渍槽中充分浸渍，再经过定型辊，最后由收卷单元收卷，制备成连续碳纤维增强热塑性树脂预浸带。
本发明的有益效果是：
本发明同现有技术相比，采用了V形状烘箱，延长了加热距离，同时使碳纤维在烘箱中的路线显V形，避免了碳纤维运行路线成直线时碳纤维容易打捻的情况。加热使碳纤维表面的上浆剂部分除去，同时加热使碳纤维展丝效果提高，再经过浸渍槽中浸渍辊接触充分浸渍，制的了展丝均匀、浸渍充分的碳纤维预浸带，从而获得了高强度的碳纤维制品。
附图说明
图1为连续碳纤维增强热塑性树脂预浸带制备装置示意图。
附图标注说明：
10纱架单元， 11碳纤维，
12纱架轴， 13小导丝排，
20牵引单元， 21大导丝排，
22导丝辊， 23张力调节辊，
24牵引辊， 25展丝辊，
26上牵引辊， 27下牵引辊，
30展丝单元， 31展丝辊，
32烘箱，
40复合定型单元，41浸渍辊，
42浸渍槽， 43树脂调节辊，
44定型辊，
50收卷单元， 51切刀，
52收卷机。
具体实施方式
以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
(1)连续碳纤维11安放在纱架单元10的纱架轴12上，经过纱架前段的小导丝排13，使碳纤维11以一定速度引出，再经过牵引单元20的大导丝排21使碳纤维11分布均匀，经过张力调节辊23调节使碳纤维11受力均匀，经牵引辊24牵引，进入展丝单元30；
(2)在展丝单元30，烘箱温度加热至200℃，碳纤维11经过展丝辊31和烘箱32加热，使碳纤维11充分展开，进入复合定型单元40。浸渍槽42加热至200℃，使聚乙烯(PE)树脂熔融，保持碳纤维11走速为2m/min，碳纤维11经过浸渍辊41使树脂充分浸渍碳纤维11，再经过树脂调节辊43调节树脂含量，由定型辊44定型，使预浸带厚度保持在0.3mm。再经过收卷单元50的切刀51切割成1mm的预浸带，最终由收卷机52收卷，制备成连续碳纤维增强聚乙烯(PE)预浸带。
实施例2
(1)连续碳纤维11安放在纱架单元10的纱架轴12上，经过纱架前段的小导丝排13，使碳纤维11以一定速度引出，再经过牵引单元20的大导丝排21使碳纤维11分布均匀，经过张力调节辊23调节使碳纤维11受力均匀，经牵引辊24牵引，进入展丝单元30；
(2)在展丝单元30，烘箱温度加热至210℃，碳纤维11经过展丝辊31和烘箱32加热，使碳纤维11充分展开，进入复合定型单40元。浸渍槽42加热至250℃，使尼龙6树脂熔融，保持碳纤维11走速为4m/min，碳纤维11经过浸渍辊41使树脂充分浸渍碳纤维11，再经过树脂调节辊43调节树脂含量，由定型辊44定型，使预浸带厚度保持在0.25mm。再经过收卷单元50的切刀51切割成20mm的预浸带，最终由收卷机52收卷，制备成连续碳纤维增强尼龙6预浸带。
实施例3
(1)连续碳纤维11安放在纱架单元10的纱架轴12上，经过纱架前段的小导丝排13，使碳纤维11以一定速度引出，再经过牵引单元20的大导丝排21使碳纤维11分布均匀，经过张力调节辊23调节使碳纤维11受力均匀，经牵引辊24牵引，进入展丝单元30；
(2)在展丝单元30，烘箱温度加热至220℃，碳纤维11经过展丝辊31和烘箱32加热，使碳纤维11充分展开，进入复合定型单40元。浸渍槽42加热至260℃，使PBT树脂熔融，保持碳纤维11走速为6m/min，碳纤维11经过浸渍辊41使树脂充分浸渍碳纤维11，再经过树脂调节辊43调节树脂含量，由定型辊44定型，使预浸带厚度保持在0.20mm。再经过收卷单元50的切刀51切割成200mm的预浸带，最终由收卷机52收卷，制备成连续碳纤维增强PBT预浸带。
实施例4
(1)连续碳纤维11安放在纱架单元10的纱架轴12上，经过纱架前段的小导丝排13，使碳纤维11以一定速度引出，再经过牵引单元20的大导丝排21使碳纤维11分布均匀，经过张力调节辊23调节使碳纤维11受力均匀，经牵引辊24牵引，进入展丝单元30；
(2)在展丝单元30，烘箱温度加热至230℃，碳纤维11经过展丝辊31和烘箱32加热，使碳纤维11充分展开，进入复合定型单40元。浸渍槽42加热至350℃，使聚醚醚酮(PEEK)树脂熔融，保持碳纤维11走速为10m/min，碳纤维11经过浸渍辊41使树脂充分浸渍碳纤维11，再经过树脂调节辊43调节树脂含量，由定型辊44定型，使预浸带厚度保持在0.10mm。再经过收卷单元50的切刀51切割成400mm的预浸带，最终由收卷机52收卷，制备成连续碳纤维增强聚醚醚酮(PEEK)预浸带。
实施例5
(1)连续碳纤维11安放在纱架单元10的纱架轴12上，经过纱架前段的小导丝排13，使碳纤维11以一定速度引出，再经过牵引单元20的大导丝排21使碳纤维11分布均匀，经过张力调节辊23调节使碳纤维11受力均匀，经牵引辊24牵引，进入展丝单元30；
(2)在展丝单元30，烘箱温度加热至250℃，碳纤维11经过展丝辊31和烘箱32加热，使碳纤维11充分展开，进入复合定型单40元。浸渍槽42加热至260℃，使聚苯乙烯(PS)树脂熔融，保持碳纤维11走速为8m/min，碳纤维11经过浸渍辊41使树脂充分浸渍碳纤维11，再经过树脂调节辊43调节树脂含量，由定型辊44定型，使预浸带厚度保持在0.15mm。再经过收卷单元50的切刀51切割成300mm的预浸带，最终由收卷机52收卷，制备成连续碳纤维增强聚苯乙烯(PS)预浸带。
实施例6
(1)连续碳纤维11安放在纱架单元10的纱架轴12上，经过纱架前段的小导丝排13，使碳纤维11以一定速度引出，再经过牵引单元20的大导丝排21使碳纤维11分布均匀，经过张力调节辊23调节使碳纤维11受力均匀，经牵引辊24牵引，进入展丝单元30；
(2)在展丝单元30，烘箱温度加热至250℃，碳纤维11经过展丝辊31和烘箱32加热，使碳纤维11充分展开，进入复合定型单40元。浸渍槽42加热至240℃，使聚丙烯(PP)树脂熔融，保持碳纤维11走速为5m/min，碳纤维11经过浸渍辊41使树脂充分浸渍碳纤维11，再经过树脂调节辊43调节树脂含量，由定型辊44定型，使预浸带厚度保持在0.18mm。再经过收卷单元50的切刀51切割成350mm的预浸带，最终由收卷机52收卷，制备成连续碳纤维增强聚丙烯(PP)预浸带。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种连续碳纤维增强热塑性预浸带的制备方法，其特征在于：包含以下步骤：
(1)首先，将连续碳纤维加热；
(2)将步骤(1)中加热的连续碳纤维充分浸渍到熔融的热塑性树脂中，
(3)将浸渍后的连续碳纤维定型；
(4)切割、收卷得到连续碳纤维增强热塑性树脂预浸带；
上述的制备方法通过连续碳纤维增强热塑性树脂预浸带制备装置实现，所述连续碳纤维增强热塑性树脂预浸带制备装置包括纱架单元、牵引单元、展丝单元、复合定型单元和收卷单元；
展丝单元包括6-10个展丝辊和烘箱；烘箱位于展丝单元的中部，加热范围在200-250℃，形状为V形，在V形底部有一个展丝辊；烘箱前端有3-5个展丝辊，其位置上下相互交错，烘箱的后端3-5个展丝辊，其位置上下相互交错；
在步骤(1)中，连续碳纤维进入展丝单元后，经过前端3-5个展丝辊，再经过烘箱加热，再经过后端展丝辊展丝；
复合定型单元包含浸渍辊、浸渍槽、树脂调节辊和定型辊，浸渍辊位于浸渍槽中，浸渍槽的加热范围在200-350℃，浸渍槽与挤出机连接，挤出机挤出的熔融状态树脂在浸渍槽中保持熔融状态；
在步骤(2)中，展开均匀的连续碳纤维在浸渍槽中通过浸渍辊充分浸渍，再经过浸渍槽上方的树脂调节辊挤压以调节连续碳纤维上热塑性树脂的含量；
在步骤(3)中，由定型辊定型成连续碳纤维增强热塑性树脂预浸带。
2.一种连续碳纤维增强热塑性预浸带的制备方法，其特征在于：包含以下步骤：
(1)将连续碳纤维(11)安放在纱架单元(10)的纱架轴(12)上，经过纱架单元前段的小导丝排(13)，引出连续碳纤维(11)，再经过牵引单元(20)的大导丝排(21)使连续碳纤维(11)分布均匀，经过张力调节辊(23)调节使连续碳纤维(11)受力均匀，经牵引辊(24)牵引，进入展丝单元(30)；
(2)在展丝单元(30)，连续碳纤维(11)经过展丝辊(31)和烘箱(32)加热，使连续碳纤维(11)充分展开，进入复合定型单元(40)，在浸渍槽(42)中加热，使热塑性树脂熔融，保持连续碳纤维(11)走速为2-10m/min，连续碳纤维(11)经过浸渍辊(41)使树脂充分浸渍连续碳纤维(11)，再经过树脂调节辊(43)调节树脂含量，由定型辊(44)定型，确定预浸带的厚度；
(3)再经过收卷单元(50)的切刀(51)切割成的预浸带，最终由收卷机(52)收卷，制备成连续碳纤维增强热塑性树脂预浸带；
展丝单元(30)包括6-10个展丝辊(31)和烘箱(32)；烘箱(32)位于展丝单元(30)的中部，加热范围在200-250℃，形状为V形，在V形底部有一个展丝辊(31)；烘箱(32)前端有3-5个展丝辊(31)，其位置上下相互交错；烘箱(32)的后端3-5个展丝辊(31)，其位置上下相互交错；
复合定型单元包含浸渍辊(41)、浸渍槽(42)、树脂调节辊(43)和定型辊(44)，浸渍辊(41)位于浸渍槽(42)中，浸渍槽(42)的加热范围在200-350℃，浸渍槽(42)与挤出机连接，挤出机挤出的熔融状态树脂在浸渍槽(42)中保持熔融状态。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述的步骤(2)中的热塑性树脂选自聚烯烃、聚酯、聚酰胺、通用树脂或高性能工程塑料中的一种或一种以上；
所述的通用树脂选自聚氯乙烯、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物、聚苯乙烯或耐冲击性聚苯乙烯；
所述的高性能工程塑料选自聚醚醚酮、聚苯硫醚、改性聚苯醚或聚醚酰亚胺中的一种或一种以上。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述的聚烯烃选自均聚聚丙烯、共聚聚丙烯或聚乙烯。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述的聚酯选自聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丙二醇酯或聚对苯二甲酸丁二醇酯。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述的聚酰胺选自尼龙6、尼龙66、尼龙12、尼龙1212或尼龙612。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述的预浸带厚度为0.1～0.3mm，宽度为1～400mm。
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