CN104441323B - 熔体供料装置、连续纤维增强热塑性浸渍带成型装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种熔体供料装置、连续纤维增强热塑性浸渍带成型装置及方法，属于连续纤维增强热塑性树脂基复合材料的制备技术领域，熔体供料装置包括主流道，主流道依次与一级分流道、二级分流道及三级分流道连通，一级分流道由主流道分出并沿主流道并联分布；连续纤维增强热塑性浸渍带成型装置包括浸渍单元，浸渍单元内设置所述的熔体供料装置及浸渍辊轮，其中，沿进料方向第一个下压浸渍辊轮设置在熔体供料装置的主流道正上方；连续纤维增强热塑性浸渍带成型方法，包括预热预分散、预热张紧、浸渍、上光冷却、收取等步骤。本发明结构简单，纤维预热速度快、效率高，降低熔体流动阻力和受热时间，预浸带纤维浸润效果良好。

Description

熔体供料装置、连续纤维增强热塑性浸渍带成型装置及方法

技术领域

本发明涉及一种熔体供料装置、连续纤维增强热塑性浸渍带成型装置及方法，属于连续纤维增强热塑性树脂基复合材料的制备技术领域。

背景技术

连续纤维增强热塑性复合材料CFRTP是以连续纤维作为增强材料、以热塑性树脂为基体，通过特殊工艺制造的高强度、高刚性、高韧性的新型复合材料。由于CFRTP的增强纤维是连续的，其力学性能远高于长纤维和短纤维增强热塑性复合材料。

连续纤维增强热塑性树脂基浸渍带是采用专有工艺，用热塑性树脂配混物充分浸渍连续纤维制成的带状半成品或制品。纤维呈单向或0/90双向布置，带中纤维含量40％-80％。塑料含量为60-20％。特点是沿纤维方向拉伸强度极高，已超过大多数优质结构钢。起初，CFRTP主要用于航空航天和军事等附加值极高的领域，基体采用特种工程塑料，如聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚酰亚胺等；纤维采用高性能纤维，如碳纤维、芳纶等。但近年来，市场逐渐向汽车、体育、运输、工业及其他领域开放，基体和纤维采用价格相对便宜的工程塑料、通用塑料，如尼龙、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯等，纤维用玻璃纤维。

专利CN101474868A，公开了一种连续纤维增强热塑性树脂复合材料预浸带的制备设备，该设备包括纱架、张力调节装置、静电消除装置、预加热烘箱、张力调节装置、双挤出模头、三辊浸渍装置、冷却辊压装置和牵引卷绕装置，该设备采用交错的双挤出模头对连续纤维带进行预浸渍。仅采用预加热烘箱对纤维进行加热，空气加热，传热效率不高。

专利CNCN102950780A涉及一种连续纤维增强热塑性复合材料预浸带的制备装置及其应用，该装置包括纱架、纤维丝束张力调解装置牵引装置，纤维分散张力调节装置、压平定型装置、收卷装置，还包括浸渍复合装置，所述的浸渍复合装置包括复合辊、双向火焰喷涂头和粉末回收装置。主要采用双向火焰喷涂粉状树脂与纤维共热浸渍。

实用新型专利CN202895503U公开了一种连续长纤维增强热塑性树脂成型用的熔融浸渍机头，机头内设有熔体分配流道和浸渍流道，熔体分配流道的各个出料口通过出料辊与浸渍流道连接；浸渍流道两端为入口通道和出口通道，入口通道与出料辊之间设置至少一组张力辊，出口通道与出料辊之间设置至少一组张力辊。该专利的浸渍机头进料流道采用多级分支的结构形式，多级分流道串联，流道较长。

发明内容

根据以上现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种熔体供料装置，熔体流道流程短，降低熔体流动阻力和受热时间，预浸带纤维浸润效果良好。

本发明的另一目的在于：提供一种连续纤维增强热塑性浸渍带成型装置，结构简单，纤维预热速度快、效率高。

本发明的另一目的在于：提供一种采用上述连续纤维增强热塑性浸渍带成型装置的连续纤维增强热塑性浸渍带成型方法，预浸带纤维浸渍效果好。

本发明所述的熔体供料装置，包括主流道，主流道依次与一级分流道、二级分流道及三级分流道连通，一级分流道由主流道分出并沿主流道并联分布。主流道沿熔体流动方向直径逐步变小。

所述的主流道沿熔体流动方向直径逐段变小，其中，同一段的直径相等，相邻段之间通过过渡倒角连接过渡。

所述的主流道沿熔体流动方向的后一段的直径相对其前一段的直径递减幅度为2％～20％。过渡倒角为45°～60°。

所述的一级分流道、二级分流道及三级分流道依次串联，一级分流道、二级分流道与主流道处于同一平面，三级分流道垂直于该平面并对称分布在主流道两侧，三级流道端部设置出料口。

连续纤维增强热塑性浸渍带成型装置，包括浸渍单元，浸渍单元内设置所述的熔体供料装置及浸渍辊轮，其中，沿进料方向第一个下压浸渍辊轮设置在熔体供料装置的主流道正上方。

还包括依次设置的放线单元、预热预分散单元、预热张紧单元、压延冷却单元及张紧卷曲单元，浸渍单元设置在预热张紧单元与压延冷却单元之间。

所述的预热预分散单元包括预热预分散单元外壳，其入口处设置预热预分散单元入口，其出口处设置预热预分散单元出口，其内部设置预热预分散辊轮，预热预分散单元外壳上设置预热预分散单元加热套。

所述的预热张紧单元包括预热张紧单元外壳，其入口处设置预热预张紧单元入口，其出口处设置预热预张紧单元出口，其内部设置预热预张紧辊轮，预热张紧单元外壳上设置预热张紧单元加热套。

连续纤维增强热塑性浸渍带成型方法，包括以下步骤：

a、将纱架上不同位置上的纤维纱引出，沿水平方向进入预热预分散单元，纤维纱通过在多个预热预分散辊轮表面滑移、摩擦，进行初步预热及分散纤维束后引出；

b、将由预热预分散单元引出的纤维纱引入预热张紧单元，经多个预热张紧辊轮表面滑移、摩擦，进行张紧及进一步预热后引出；

c、将由预热张紧单元引出的纤维纱引入浸渍单元，进入熔体供料装置浸渍，再经各浸渍辊轮，使纤维在熔体中强制浸渍、均匀分散，由浸渍单元口模引出；

d、将浸渍的纤维纱引入压延辊上光、冷却，即为所需的浸渍带，进入张紧卷取单元，浸渍带经张力辊，最终由卷取辊收卷，即可得到纤维分散均匀、浸渍良好的连续纤维增强热塑性树脂浸渍带。

所述的预热预分散单元、预热张紧单元、浸渍单元分别采用预热预分散单元加热套、预热张紧单元加热套、浸渍单元加热套加热，预热预分散单元加热套、预热张紧单元加热套的加热温度高出浸渍单元加热套设定加热温度10～50℃。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

1、本熔体供料装置通过采用并联式分流道结构，可大幅度缩短流道长度，降低熔体流动阻力和受热时间，熔体流动性好，出料均匀稳定。

2、主流道采用分段并向远端直径逐段缩小结构，以提高远端熔体的压力，弥补远端熔体的压力降。

3、本连续纤维增强热塑性浸渍带成型装置通过预热预分散单元可使纤维纱在熔体浸渍之前就能充分分散，将连续纤维通过预热预分散单元和预热张紧单元两个单元加热，纤维在预分散和张紧的同时，与辊轮表面直接接触传导吸收热量，通过辊轮直接传导热量，克服了烘箱空气传热效率低的缺点，使纤维预热速度快、效率高，以利于纤维的浸渍。

4、主流道与第一个下压浸渍辊轮上下正对应，三级分流道及出料口分设在第一个压浸渍辊轮两侧，预浸带纤维经过时，与前侧的出料口接触，树脂进入纤维束之间，经第一个下压浸渍辊轮挤压，再与后侧的出料口接触，再次浸渍，然后经后续的浸渍辊轮多次挤压，使树脂均匀充分的浸渍在纤维上，浸渍效果好。

5、本发明结构简单、纤维纱预热效率高，熔体流道流程短、流动阻力小，预浸带纤维浸渍效果好。

附图说明

图1是本连续纤维增强热塑性浸渍带成型装置结构示意图；

图2是熔体供料装置俯视图；

图3是熔体供料装置主视图。

图中：10、放线单元；11、纱架；12、纱辊；13、下导向轮；14、上导向轮；20、预热预分散单元；21、预热预分散单元入口；22、预热预分散单元观察口螺栓；23、预热预分散单元外壳；24、预热预分散辊轮；25、预热预分散单元出口；26、预热预分散单元加热套；30、预热张紧单元；31、预热张紧单元入口；32、预热张紧单元观察口螺栓；33、预热张紧辊轮；34、预热张紧单元外壳；35、预热张紧单元出口；36、预热张紧单元加热套；40、浸渍单元；41、浸渍单元入口；42、第一个下压浸渍辊轮；43、熔体供料装置；44、浸渍辊轮；45、浸渍单元外壳；46、浸渍带口模；47、浸渍单元加热套；50、压延冷却单元；51、压延辊；52、浸渍带；60、张紧卷取单元；61、张力辊；62、卷取辊。4301、主流道；4302、一级分流道；4303、二级分流道；4304、三级分流道；4305、出料口；4306、过渡倒角。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步描述。

如图2～3所示，熔体供料装置43包括主流道4301，主流道4301依次与一级分流道4302、二级分流道4303及三级分流道4304连通，一级分流道4301由主流道4301分出并沿主流道4301并联分布。主流道4301沿熔体流动方向直径逐步变小，直径变化方式可以为渐变或者逐段递减方式，本实施例将主流道4301分成多段，每一段直径递减，同一段的直径相等，沿熔体流动方向的后一段的直径相对其前一段的直径递减幅度为2％～20％，相邻段之间通过过渡倒角4306连接过渡，过渡倒角4306角度为45°～60°。

一级分流道4302、二级分流道4303及三级分流道4304依次串联，一级分流道4302、二级分流道4303与主流道4301处于同一平面，三级分流道4304垂直于该平面并对称分布在主流道4301两侧，三级流道4304端部设置出料口4305。一级分流道4302在等直径主流道段的数量为1～4个，如2个，与一个一级分流道4302相通的二级分流道4303数量为1～2个，与一个二级分流道4303相通的三级分流道4304数量为1个，主流道4301、一级分流道4302及二级分流道4303截面均为圆形，三级分流道4304截面为方形。

如图1所示，连续纤维增强热塑性浸渍带成型装置，包括依次设置的放线单元10、预热预分散单元20、预热张紧单元30、浸渍单元40、压延冷却单元50及张紧卷曲单元60。

放线单元10包括纱架11，纱架11上设置多排纱辊12，放线单元10与预热预分散单元20之间设置一次设置下导向轮13、上导向轮14，其中，上导向轮14与预热预分散单元20入口对应水平设置，纤维纱沿各个角度由纱辊12上引出，经下导向轮13统一方向，再经上导向轮14转为水平后进入预热预分散单元20。

预热预分散单元30包括预热预分散单元外壳23，其入口处设置预热预分散单元入口21，其出口处设置预热预分散单元出口25，其内部设置预热预分散辊轮24，预热预分散单元外壳23上设置预热预分散单元加热套26，预热预分散单元外壳23上还设置有预热预分散单元观察口螺栓22，通过预热预分散单元加热套26进行加热，通过预热预分散辊轮24传导热量，传导效率高。

预热张紧单元30包括预热张紧单元外壳34，其入口处设置预热预张紧单元入口31，其出口处设置预热预张紧单元出口35，其内部设置预热预张紧辊轮33，预热张紧单元外壳34上设置预热张紧单元加热套36，预热张紧单元外壳34上还设置预热张紧单元观察口螺栓32，通过预热张紧单元加热套36进行加热，通过预热张紧辊轮33传导热量，传导效率高。

浸渍单元40包括浸渍单元外壳45，其入口处设置浸渍单元入口41，其出口处设置浸渍带口模46，浸渍单元外壳45上设置浸渍单元加热套47，浸渍单元40内前部设置熔体供料装置43，沿进料方向第一个下压浸渍辊轮42设置在熔体供料装置43的主流道4301正上方，熔体供料装置43后侧设置多个依次上下布置的浸渍辊轮44。预热预分散单元加热套26、预热张紧单元加热套36的加热温度高出浸渍单元加热套47设定加热温度10～50℃。

压延冷却单元50内设置压延辊51，张紧卷取单元60内设置张力辊61及卷取辊62。

连续纤维增强热塑性浸渍带成型方法，包括以下步骤：

a、将纱架11上不同位置上的纤维纱引出，沿水平方向进入预热预分散单元20，纤维纱通过在多个预热预分散辊轮24表面滑移、摩擦，进行初步预热及分散纤维束后引出；

b、将由预热预分散单元引出的纤维纱引入预热张紧单元30，经多个预热张紧辊轮33表面滑移、摩擦，进行张紧及进一步预热后引出；

c、将由预热张紧单元30引出的纤维纱引入浸渍单元40，进入熔体供料装置43浸渍，再经各浸渍辊轮44，使纤维在熔体中强制浸渍、均匀分散，由浸渍单元口模46引出；

d、将浸渍的纤维纱引入压延辊51上光、冷却，即为所需的浸渍带，进入张紧卷取单元60，浸渍带经张力辊61，最终由卷取辊62收卷，即可得到纤维分散均匀、浸渍良好的连续纤维增强热塑性树脂浸渍带。

Claims (5)

1.一种熔体供料装置，包括主流道(4301)，其特征在于：主流道(4301)依次与一级分流道(4302)、二级分流道(4303)及三级分流道(4304)连通，一级分流道(4302)由主流道(4301)分出并沿主流道(4301)并联分布；

所述的主流道(4301)沿熔体流动方向直径逐段变小，其中，同一段的直径相等，相邻段之间通过过渡倒角(4306)连接过渡；

所述的主流道(4301)沿熔体流动方向的后一段的直径相对其前一段的直径递减幅度为2％～20％；

所述的一级分流道(4302)、二级分流道(4303)及三级分流道(4304)依次串联，一级分流道(4302)、二级分流道(4303)与主流道(4301)处于同一平面，三级分流道(4304)垂直于该平面并对称分布在主流道(4301)两侧，三级流道(4304)端部设置出料口(4305)。

2.一种采用如权利要求1所述的熔体供料装置的连续纤维增强热塑性浸渍带成型装置，包括浸渍单元(40)，其特征在于：浸渍单元(40)内设置所述的熔体供料装置(43)及浸渍辊轮(44)，其中，沿进料方向第一个下压浸渍辊轮(42)设置在熔体供料装置(43)的主流道(4301)正上方。

3.根据权利要求2所述的连续纤维增强热塑性浸渍带成型装置，其特征在于：还包括依次设置的放线单元(10)、预热预分散单元(20)、预热张紧单元(30)、压延冷却单元(50)及张紧卷曲单元(60)，浸渍单元(40)设置在预热张紧单元(30)与压延冷却单元(50)之间。

4.根据权利要求3所述的连续纤维增强热塑性浸渍带成型装置，其特征在于：所述的预热预分散单元(30)包括预热预分散单元外壳(23)，其入口处设置预热预分散单元入口(21)，其出口处设置预热预分散单元出口(25)，其内部设置预热预分散辊轮(24)，预热预分散单元外壳(23)上设置预热预分散单元加热套(26)。

5.根据权利要求3所述的连续纤维增强热塑性浸渍带成型装置，其特征在于：所述的预热张紧单元(30)包括预热张紧单元外壳(34)，其入口处设置预热预张紧单元入口(31)，其出口处设置预热预张紧单元出口(35)，其内部设置预热预张紧辊轮(33)，预热张紧单元外壳(34)上设置预热张紧单元加热套(36)。