CN104924487B - 一种热塑性碳纤维预浸料的制备系统和制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热塑性碳纤维预浸料的制备系统和制备方法，包括展平装置、开纤装置、上下对称安装的两个加热除胶装置、浸渍装置、热压装置以及收卷装置，所述各个装置按“一”字形依次排列。首先将织物展平，展平后的织物进行开纤处理，开纤后的织物进入上下对称安装的两个加热除胶装置之间进行快速除胶，然后通过浸渍装置对织物进行热塑性树脂粉末超声真空浸渍，通过热压装置对织物热压定型，最后收卷。热压快速定型使树脂粉体半熔融颗粒与碳纤维单丝间形成牢固粘接，保持了纤维丝束的柔软度以实现后期的可设计性，同时将传统熔融浸渍法的预浸料熔融工序与模压加热工序中的加热工序相结合，一次完成热塑性树脂的熔融和加压定型。

Description

一种热塑性碳纤维预浸料的制备系统和制备方法

技术领域

本发明属于碳纤维复合材料预浸料制备领域，特别涉及一种热塑性碳纤维预浸料的制备系统和制备方法。

背景技术

连续碳纤维长丝、碳纤维二维或三维织物增强的热塑性树脂预浸料，基于碳纤维长丝的高拉伸强度、高弯曲强度和冲击强度以及热塑性树脂的高韧性和反复可设计性，其成型周期较短，而且可以得到反复利用。利用的基体树脂和碳纤维长丝束及其织物的综合优点，碳纤维热塑性预浸料得到了工业、农业、交通以及航空航天等领域的广泛应用。同时，随着碳纤维增强树脂基复合材料的先进成型工艺的发展和成熟，作为碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的中间原料—热塑性碳纤维预浸料，近年来也得到了较快的开发和应用。

目前碳纤维长丝热塑性树脂预浸料的形式主要为单向纤维预浸带，目前成熟的制备工艺包括热熔浸渍法、溶液浸渍法以及粉末浸渍法。鉴于高性能热塑性树脂的溶解较难实现，适宜的溶剂又有较强的毒性会对人体或者环境造成伤害和污染，同时溶解后的树脂也会因为溶剂的存在产生较多气泡。因此，为了避免溶剂浸渍法带来的诸多问题，大多数碳纤维热塑性预浸带的制备均采用熔融浸渍法和粉末浸渍法等。然而这两种工艺在设备及技术上均存在较大的复杂性，公开号CN101856872A专利采用了熔融浸渍工艺，将熔融的热塑性树脂从注射头挤出直接浸渍连续纤维长丝，该过程在空气环境下浸渍会出现树脂裂解等不稳定问题。公开号CN103158209专利使用了浸渍辊将碳纤维长丝浸渍熔融的热塑性树脂，由于热塑性树脂粘度较大很难使碳纤维充分浸渍树脂，制备的单向预浸带存在较大的孔隙率。公开号CN102417600A专利和公开号CN103978696A专利采用了粉末浸渍法，将热塑性树脂粉末与溶剂配成悬浊液，通过热压成型得到预浸料产品，本方法仍然采用的毒性溶剂，对环境带来了较大污染，同时制备的预浸料仍含有孔隙率较大的问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种热塑性碳纤维预浸料的制备系统和制备方法，克服上述熔融浸渍法或传统粉末浸渍法中存在的诸如热塑性树脂粘度较大、热塑性粉末悬浊液存在溶剂毒性及难挥发等问题。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

一种热塑性碳纤维预浸料的制备系统，包括展平装置、开纤装置、上下对称安装的两个加热除胶装置、浸渍装置、热压装置以及收卷装置，所述各个装置按“一”字形依次排列，所述加热除胶装置包括沿织物方向均匀设置的若干个加热电极以及安装在加热电极外侧的红外加热器，所述浸渍装置包括干燥料斗、设置在干燥料斗下方的高压喷头以及设置在高压喷头下方的真空吸附装置，织物放置在所述高压喷头和真空吸附装置之间的空隙中。

优选的，所述展平装置为传动辊。

优选的，所述浸渍装置还包括分别设置在所述真空吸附装置左右两侧的两个超声振荡器。

优选的，所述热压装置为转动方向相反、并排设置且与织物运动方向垂直的两个加热辊，且靠近所述浸渍装置的一侧为相向转动。

一种热塑性碳纤维预浸料的制备方法，包括如下步骤：首先将织物展平，展平后的织物进行开纤处理，开纤后的织物进入上下对称安装的两个加热除胶装置之间进行快速除胶，然后通过浸渍装置对织物进行热塑性树脂粉末超声真空浸渍，通过热压装置对织物热压定型，最后收卷。

优选的，所述织物在传动辊上进行展平，快速除胶时传动辊的速率为2-10m/min。

优选的，所述加热除胶装置通过加热电极对碳纤维通电和红外加热器产生的红外辐射对碳纤维表面的上浆剂进行去除，其中，所述红外加热器的波长为2.5-20微米。通过红外辐射加热的波长匹配性以实现高效快速除胶的效果。

优选的，所述织物为连续碳纤维单向带、碳纤维二维织物或者碳纤维三维立体连续织物。

优选的，所述碳纤维二维织物为碳纤维采用平纹、斜纹或者缎纹的形式编织而成。

优选的，所述碳纤维三维立体连续织物为碳纤维采用三维四向或三维五向的形式编织而成。

优选的，所述热塑性树脂粉末为聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚苯醚、聚醚酮以及聚砜中的一种或多种，所述热塑性树脂粉末的粒度为5-500微米。

优选的，所述热塑性树脂粉末超声真空浸渍工序，包括如下步骤：首先将热塑性树脂粉体在干燥料斗中在80-120℃进行干燥，干燥时间为12-48小时；将干燥后的热塑性树脂粉末通过高压喷头均匀喷射在织物表面，然后启动超声振荡器，并启动织物下方的真空吸附装置，使热塑性树脂粉末完全浸渗在织物丝束之间。

优选的，所述高压喷头距离织物的高度为10-60cm，所述热塑性树脂粉末浸渗在织物丝束中的真空度为-0.06MPa到-0.1MPa。

优选的，所述热压快速定型工序为通过热辊将均匀涂覆在织物上的热塑性树脂粉末快速加热，使其软化，然后对织物进行加压定型，使软化的热塑性树脂粉末与碳纤维单丝粘接牢固。

优选的，所述热辊的温度控制在高于树脂熔点10-30℃内，热辊的运动速率为1-40m/min。通过两个热辊碾压作用将半熔融树脂粉体压入纤维单丝内部，形成颗粒与纤维丝束间的适宜粘接。

本发明的有益效果是：

(1)本发明适用于多种不同粘度的热塑性树脂，通过超细化处理得到的热塑性树脂粉末具有较强的渗透性和流动性以及高效的熔融性，可以与碳纤维织物形成良好浸渍；

(2)本发明所制备的预浸料适用于不同碳纤维织物，包括连续碳纤维单向带、二维织物或三维立体织物；

(3)本发明采用通电与外部红外热源结合的快速除胶方式可以有效除去碳纤维表面上浆剂保证纤维与树脂的良好结合界面；

(4)超细树脂粉体的超声震荡浸渍与真空浸渍相结合的方式，保证纤维与丝束之间形成均匀涂覆效果；

(5)热压快速定型使树脂粉体半熔融颗粒与碳纤维单丝间形成牢固粘接，保持了纤维丝束的柔软度以实现后期的可设计性，同时将传统熔融浸渍法的预浸料熔融工序与模压加热工序中的加热工序相结合，一次完成热塑性树脂的熔融和加压定型，节省能源、提高生产效率。

附图说明

图1为热塑性碳纤维预浸料制备装置结构示意图。

其中，1、织物，2、展平装置，3、开纤装置，4、加热电极，5、红外加热器，6、干燥料斗，7、高压喷头，8、热压装置，9、收卷装置，10、超声振荡器，11、真空吸附装置。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和附图对本发明作进一步说明。

一种热塑性碳纤维预浸料的制备装置，包括展平装置2、开纤装置3、上下对称安装的两个加热除胶装置、浸渍装置、热压装置8以及收卷装置9，所述各个装置按“一”字形依次排列。

所述展平装置2为两个相向转动的传动辊。

所述加热除胶装置包括沿织物方向均匀设置的若干个加热电极4以及安装在加热电极4外侧的红外加热器5，加热电极的数量可以是2、3、4或5个。

所述浸渍装置包括干燥料斗6、设置在干燥料斗6下方的高压喷头7以及设置在高压喷头7下方的真空吸附装置11，织物1放置在所述高压喷头7和真空吸附装置11之间的空隙中。

所述浸渍装置还包括分别设置在所述真空吸附装置11左右两侧的两个超声振荡器10。

所述热压装置8为加热辊。

实施例1

将单向碳纤维带展平置于传动辊上，在传动过程中对碳纤维连续长丝进行开纤处理，开纤后的碳纤维带宽度为原始宽度的1.5倍。经过开纤后的碳纤维长丝带进入加热除胶装置，该装置通过传动辊中内置的加热电极4(加热电极4接在传动辊表面，传动辊与纤维接触即可)，对连续碳纤维带通电，利用碳纤维自身导电特性发热除去纤维束表面的上浆剂，同时在快速除胶装置内部配合有红外加热器5提供外部红外辐射热源，该热源也实现对碳纤维表面的除胶处理。除胶时间由传动辊的转速决定，传动辊转速控制在5m/min，除胶后的连续碳纤维带进入热塑性树脂粉末超声真空浸渍装置中。该装置配有干燥料斗6，将粒度在10微米的聚酰胺树脂粉末置于干燥料斗6中干燥，干燥温度为120℃、干燥时间为24小时，将干燥后的聚酰胺树脂粉末通过高压喷头7喷射在连续碳纤维单向带的上表面，高压喷头7离碳纤维表面的距离为10cm，同时喷射树脂粉末的碳纤维带在超声真空浸渍装置中，通过高频超声振动配合真空吸附处理，将超细粉末浸渍在连续碳纤维带丝束中，其中真空度控制在-0.06MPa。超声真空浸渍后的碳纤维单向带进入热压装置8，该装置由两个相向转动的自加热辊构成，通过两个加热辊的碾压对上述浸渍树脂粉末的碳纤维带进行加压，传动辊的加热温度为230℃，加热辊走速控制在20m/min，将聚酰胺树脂粉末半熔融与碳纤维长丝粘结，最终预浸料的含胶量控制在35％，所制备的预浸料带中树脂粉末与碳纤维半熔融分布均匀，厚度为1mm，宽度为10mm。

实施例2

将平纹碳纤维布展平置于传动辊上，在传动过程中对平纹碳纤维布进行张紧处理，张紧后的平纹碳纤维布进入加热除胶装置，该装置通过传动辊中内置的加热电极4(加热电极4接在传动辊表面，传动辊与纤维接触即可)，对连续碳纤维布通电，利用碳纤维自身导电特性发热除去纤维束表面的上浆剂，同时在加热除胶装置内部配合有红外加热器5提供外部红外辐射热源，该热源也实现对碳纤维表面的除胶处理。除胶时间由传动辊的转速决定，传动辊转速控制在7m/min，除胶后的平纹碳纤维布进入热塑性树脂粉末超声真空浸渍装置。该装置配有干燥料斗6，将粒度在20微米的聚乙烯树脂粉末置于干燥料斗6中干燥，干燥温度为110℃、干燥时间为26小时，将干燥后的聚乙烯树脂粉末通过高压喷头7喷射在平纹碳纤维布表面，高压喷头7离碳纤维表面距离为16cm，同时喷射树脂粉末的平纹碳纤维布在浸渍装置中，通过高频超声振动配合真空吸附处理，将超细粉末浸渍在平纹碳纤维布丝束中，其中真空度控制在-0.08MPa。超声真空浸渍后的平纹碳纤维布进入快速热压定型装置，该装置由两个转向相反的加热辊构成，通过加热辊的碾压对上述浸渍树脂粉末的碳纤维进行加压，加热辊的加热温度为240℃，加热辊走速控制在24m/min，将聚乙烯树脂粉末半熔融与平纹碳纤维布粘结，最终预浸料的含胶量控制在33％，所制备的预浸料中树脂粉末与碳纤维半熔融分布均匀，厚度为0.5mm，宽度为1m。

实施例3

将斜纹碳纤维布展平置于传动辊上，在传动过程中对斜纹碳纤维布进行张紧处理，张紧后的斜纹碳纤维布进入快速除胶装置，该装置通过传动辊中内置的加热电极4(加热电极4接在传动辊表面，传动辊与纤维接触即可)，对连续碳纤维布通电，利用碳纤维自身导电特性发热除去纤维束表面的上浆剂，同时在快速除胶装置内部配合有红外加热器5提供外部红外辐射热源，该热源也实现对碳纤维表面的除胶处理。除胶时间由传动辊的转速决定，传动辊转速控制在9m/min，除胶后的斜纹碳纤维布进入热塑性树脂粉末超声真空浸渍装置。该装置配有干燥料斗6，将粒度在25微米的聚丙烯树脂粉末置于干燥料斗6中干燥，干燥温度为115℃、干燥时间为20小时，将干燥后的聚丙烯树脂粉末通过高压喷头7喷射在斜纹碳纤维布的上表面，高压喷头7离碳纤维的上表面距离为20cm，同时喷射树脂粉末的斜纹碳纤维布在浸渍装置中，通过高频超声振动配合真空吸附处理，将超细粉末浸渍在斜纹碳纤维布丝束中，其中真空度控制在-0.1MPa。超声真空浸渍后的斜纹碳纤维布进入热压装置8，该装置由两个转向相反的自加热辊构成，通过两个加热辊的碾压对上述浸渍树脂粉末的碳纤维进行加压，两个加热辊的加热温度为230℃，热辊走速控制在30m/min，将聚丙烯树脂粉末半熔融与斜纹碳纤维布粘结，最终预浸料的含胶量控制在40％，所制备的预浸料中树脂粉末与碳纤维半熔融分布均匀，厚度为0.8mm，宽度为1m。

实施例4

将碳纤维三维四向立体织物展平置于传动辊上，在传动过程中对碳纤维三维织物进行张紧处理，张紧后的碳纤维三维织物进入快速除胶装置，该装置通过传动辊中内置的加热电极4(加热电极4接在传动辊表面，传动辊与纤维接触即可)，对连续碳纤维织物通电，利用碳纤维自身导电特性发热除去纤维束表面的上浆剂，同时在快速除胶装置内部配合有碳素纤维电热加热元件提供外部红外辐射热源，该热源也实现对碳纤维表面的除胶处理。除胶时间由传动辊的转速决定，传动辊转速控制在5m/min，除胶后的碳纤维三维织物进入热塑性树脂粉末超声真空浸渍装置。该装置配有干燥料斗6，将粒度在5微米的聚氨酯树脂粉末置于干燥料斗6中干燥，干燥温度为80℃、干燥时间为15小时，将干燥后的聚氨酯树脂粉末通过高压喷头7喷射在碳纤维三维织物表面，高压喷头7离碳纤维表面距离为25cm，同时喷射树脂粉末的碳纤维三维织物在超声真空浸渍装置中，通过高频超声振动配合真空吸附处理，将超细粉末浸渍在碳纤维三维织物丝束中，其中真空度控制在-0.08MPa。超声真空浸渍后的碳纤维三维织物进入热压装置8，该装置由两个转向相反的加热辊构成，通过两个加热辊的碾压对上述浸渍树脂粉末的碳纤维进行加压，传动辊的加热温度为160℃，热辊走速控制在25m/min，将聚氨酯树脂粉末半熔融与碳纤维三维织物粘结，最终预浸料的含胶量控制在38％，所制备的预浸料中树脂粉末与碳纤维半熔融分布均匀，厚度为1mm，宽度为1m。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种热塑性碳纤维预浸料的制备方法，包括如下步骤：首先将织物展平，展平后的织物进行开纤处理，开纤后的织物进入上下对称安装的两个加热除胶装置之间进行快速除胶，然后通过浸渍装置对织物进行热塑性树脂粉末超声真空浸渍，真空度为-0.06MPa到-0.1MPa，通过热压装置对织物热压定型，最后收卷；

热塑性树脂粉末超声真空浸渍工序，包括如下步骤：首先将热塑性树脂粉体在干燥料斗中进行干燥，干燥温度为80-120℃，干燥时间为12-48小时；将干燥后的热塑性树脂粉末通过高压喷头均匀喷射在织物的上表面，然后启动超声振荡器，并启动织物下方的真空吸附装置，使热塑性树脂粉末完全浸渗在织物丝束之间；

以上制备方法使用的制备系统，包括展平装置、开纤装置、上下对称安装的两个加热除胶装置、浸渍装置、热压装置以及收卷装置，所述各个装置按“一”字形依次排列，所述加热除胶装置包括沿织物方向均匀设置的若干个加热电极以及安装在加热电极外侧的红外加热器，所述浸渍装置包括干燥料斗、设置在干燥料斗下方的高压喷头以及设置在高压喷头下方的真空吸附装置，织物放置在所述高压喷头和真空吸附装置之间的空隙中；

所述浸渍装置还包括分别设置在所述真空吸附装置左右两侧的两个超声振荡器。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述热压装置为转动方向相反、并排设置且与织物运动方向垂直的两个加热辊，且靠近所述浸渍装置的一侧为相向转动。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述织物在传动辊上进行展平，快速除胶时传动辊的速率为2-10m/min。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述加热除胶装置通过加热电极对碳纤维通电和红外加热器产生的红外辐射对碳纤维表面的上浆剂进行去除，其中，所述红外加热器的波长为2.5-20微米。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述织物为连续碳纤维单向带、碳纤维二维织物或者碳纤维三维立体连续织物；

所述碳纤维二维织物为碳纤维采用平纹、斜纹或者缎纹的形式编织而成；

所述碳纤维三维立体连续织物为碳纤维采用三维四向或三维五向的形式编织而成。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述热塑性树脂粉末为聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚苯醚、聚醚酮以及聚砜中的一种或多种，所述热塑性树脂粉末的粒度为5-500微米。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述热压装置为并排设置、与织物运动方向垂直且靠近所述浸渍装置一侧为相向旋转的两个加热辊，所述加热辊的温度为高于树脂熔点10-30℃，加热辊的运动速率为1-40m/min。