CN107283861B - 一种单向连续性纤维热塑性增强带的制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种单向连续性纤维热塑性增强带及其制备工艺。制备工艺步骤包括：放纤与开纤处理、张力调节、薄膜放卷、加热处理、打印浸渍、热压粘合、冷压定形、收卷几个基本步骤。本发明是一种基于3D打印技术的单向连续性纤维热塑性增强带制备工艺，实现了单向连续性纤维增强带的快速成型，极大的简化了生产步骤，提高了生产效率。本发明的单向连续性纤维增强带具有纤维分布均匀、尺寸稳定性好，力学性能优良等显著优点。

Description

一种单向连续性纤维热塑性增强带的制备工艺

技术领域

本发明属于高分子复合材料领域，具体涉及一种单向连续性纤维热塑性增强带的制备工艺。

背景技术

近年来，热塑性连续纤维复合材料由于具有优异的抗拉伸、抗冲击和耐腐蚀性能，并具有相对密度较低和可回收等特点，因而得到了迅猛的发展。随着航天航空、汽车等行业的快速发展，对材料的耐热、耐磨、抗疲劳、耐腐蚀等性能提出了更高的要求。目前热塑性连续纤维增强复合材料带的基体树脂材料多是采用聚乙烯、聚丙烯等普通工程塑料，纤维与树脂结合强度低，制成的复合材料带的抗溶剂性、耐疲劳性等往往不能满足实际应用需要。此外，制备该材料的关键在于树脂对纤维的浸润，尤其针对实际生产，既要保证连续化生产，又要保证树脂对纤维的充分浸润。

目前，热塑性连续纤维增强复合材料带的制备方法主要包括溶液浸渍、熔体浸渍、粉沫浸渍、薄膜层迭法等，尽管方法很多，但每种方法均有各自的优缺点。溶液浸渍法虽然工艺简便，设备简单，但需要通过加热除去溶剂，污染大、危害健康。如果溶剂挥发不完全，则会对带材的性能产生严重影响。熔体浸渍法有较高的局限性，由于需要将热塑性树脂加热熔融，热耗大；树脂熔化后的粘度极高(通常为500～5000Pa·s)，一般很难将纤维完全浸润。粉沫浸渍法的不足在于纤维的浸润仅在成型加工过程中才能完成，且浸润所需的时间、温度、压力均与粉末直径的大小及其分布状况有关，制备的预浸料质量稳定性差且不易控制。覆膜方式，多采用预浸带成型后，后期热压覆膜，不但造成工作量加大，能源耗费，且效率低，容易出现排气不佳导致的气泡，从而造成次品。

发明内容

本发明的目的是提供一种单向连续性纤维热塑性增强带的制备工艺，这种工艺方法克服了传统制造方法浸渍效果差的缺点，极大简化了工艺步骤。

本发明采用的技术方案为：提供一种单向连续性纤维热塑性增强带的制备工艺，包括以下步骤：

(1)放纤与开纤处理：将连续性纤维卷安放在纱架之上，连续性纤维通过纱架上的小导丝孔牵引导出，所述的连续性纤维穿过导丝孔板架与开纤装置均匀平行排布成带状，所述的连续性纤维再经张紧辊组施加100～500N的张力；

(2)薄膜卷放卷：将聚合物材料薄膜卷放置在放卷电机上，所述的聚合物材料薄膜经导向辊导出，并与连续性纤维汇集至一处，所述的聚合物材料薄膜位于连续性纤维正下方的一面，然后调节两个压合辊之间高度，使连续性纤维与聚合物材料薄膜贴合在一起；

(3)加热处理：将连续性纤维与聚合物材料薄膜共同经过工作平台区域的加热装置，加热温度控制在聚合物材料薄膜所用聚合物熔点之上的10～60℃，使薄膜熔融软化但不发生垂滴为准；

(4)打印浸渍：利用3D打印机上的3D打印机头将聚合物树脂熔条打印在连续性纤维的正上方的一面，所述3D打印机头的加热温度为180～380℃，具体温度可根据所选用的聚合物树脂材料而定，3D打印机通过滑杆导轨与3台电机调节控制3D打印机头可以沿带材平行的平面前后、左右移动，又可以调节上下高度，通过预先编制好的程序，输入连续性纤维行进速度和3D打印机头的行进速度后程序自动计算出3D打印机头的行进路径，最终使得3D打印机头打印的聚合物树脂熔条轨迹在连续性纤维的上表面呈S型

(5)热压粘合：将打印的聚合物树脂熔条与下层聚合物薄膜通过上、下热压辊压合，得到预浸带，所述的上、下热压辊的表面温度控制在聚合物薄膜所用聚合物熔点以下20～60℃；

(6)冷压定形：将步骤(5)所得预浸带导入冷却辊组冷却，冷却辊组内通冷凝水作为冷却介质，冷却的同时调节冷却辊组的上下辊组间距，控制预浸带带材厚度，所述的冷却辊组压力控制在1～5MPa，最终得到厚度为0.1～5mm的单向连续性纤维热塑性增强带；

(7)收卷：通过牵引辊将制好的单向连续性纤维热塑性增强带带材缠绕到收卷装置上。

优选地，3D打印机头行进速率0.1～5m/min。

优选地，步骤(1)中的开纤装置采用空气开纤、超声波开纤、机械压辊开纤中的一种。

优选地，步骤(3)中加热装置的加热方式为激光加热、红外加热、远红外加热、电阻丝加热、微波加热中的一种。

优选地，聚合物树脂熔条和聚合物薄膜所用聚合物材料是聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚偏氟乙烯、聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚酰亚胺中的一种或几种。

优选地，聚合物材料有薄膜和丝状两种，丝状的聚合物材料进入3D打印机头中融化挤出聚合物树脂熔条。

优选地，连续性纤维是玻璃纤维、硼纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、碳纤维中的一种或几种。

本发明的有益效果为：1、本发明采用3D打印机头将聚合物树脂熔条按设计好的S路径贴附在连续性纤维的正上面，通过调节3D打印机头的行进速度控制熔条之间间距，使得在热压粘合步骤中上层的聚合物树脂熔条经过压辊之后，完全可以连成一片，在下层的聚合物薄膜与上层的聚合物树脂熔条热压贴合中如有气泡就会从连续性纤维的上部挤出，因此采用该种工艺制备单向连续性纤维热塑性增强带相较于传统的熔体浸渍法极大的降低了带材中气泡发生的机率，较好的解决了带材生产过程中气泡产生的问题，使得带材更加紧密，纤维分布均匀，进而增强了带材强度，尺寸稳定性更好，力学性能优良。

2、此种工艺相比传统的制带工艺显著改善了传统覆膜工艺高粘度树脂在增强纤维间的浸润效果，简化了工艺步骤，减少了生产设备，使得生产设备规模降低，同时降低了生产过程中的能量消耗。

附图说明

图1为本发明单向连续性纤维热塑性增强带的制备工艺简图；

图2为聚合物熔条打印路径。

图中：1-连续性纤维卷；2-连续性纤维；3-开纤装置；4-张紧辊组；5-压合辊；6-聚合物材料薄膜卷；7-聚合物材料薄膜；8-加热装置；9-工作平台；10-3D打印机头；11-热压辊；12-冷压辊组；13-预浸带；14-收卷装置；15-聚合物树脂熔条。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，如图1、2所示，本发明提供一种单向连续性纤维热塑性增强带的制备工艺，主要包括以下步骤：

(1)首先将连续性纤维卷1安放在纱架之上，连续性纤维2可以是玻璃纤维、硼纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、碳纤维中的一种或几种，连续性纤维2通过纱架上的小导丝孔牵引导出，连续性纤维2穿过导丝孔板架与开纤装置3均匀平行排布成带状，连续性纤维2再经张紧辊组4施加100～500N的张力，开纤装置3可采用空气开纤、超声波开纤、机械压辊开纤中的一种。

(2)将聚合物材料薄膜卷6放置在放卷电机上，所述的聚合物材料薄膜7经导向辊导出，并与连续性纤维2汇集至一处，所述的聚合物材料薄膜7位于连续性纤维2正下方的一面，然后调节两个压合辊5之间高度，使连续性纤维2与聚合物材料薄膜7贴合在一起；

(3)将连续性纤维2与聚合物材料薄膜7共同经过工作平台9区域的加热装置8，加热装置8的加热方式可为激光加热、红外加热、远红外加热、电阻丝加热、微波加热中的一种，加热温度控制在聚合物材料薄膜7所用聚合物熔点之上的10～60℃，使薄膜熔融软化但不发生垂滴为准；

(4)利用3D打印机上的3D打印机头10将聚合物树脂熔条15打印在连续性纤维2的正上方的一面，所用的聚合物树脂材料为丝状，丝状的聚合物材料进入3D打印机头10中融化挤出聚合物树脂熔条15，3D打印机头10的加热温度为180～380℃，具体温度可根据所选用的聚合物树脂材料而定；3D打印机通过滑杆导轨与3台电机调节控制3D打印机头可以沿带材平行的平面前后、左右移动，又可以调节上下高度。通过预先编制好的程序，输入连续性纤维行进速度和3D打印机头10的行进速度后程序自动计算出3D打印机头10的行进路径，最终使得3D打印机头10打印的聚合物树脂熔条15轨迹在连续性纤维2的上表面呈S型。3D打印机头10行进速率0.1～5m/min。

(5)将打印的聚合物树脂熔条15与下层聚合物薄膜7通过上、下热压辊11压合，得到预浸带，所述的上、下热压辊11的表面温度控制在聚合物薄膜7所用聚合物熔点以下20～60℃，上层聚合物树脂熔条15与下层聚合物薄膜7所用的聚合物材料是聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚偏氟乙烯、聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚酰亚胺中的一种或几种。

(6)将步骤(5)所得预浸带13导入冷却辊组12冷却，所述的冷却辊组12内通冷凝水作为冷却介质，冷却的同时调节冷却辊组12的上下辊组间距，控制预浸带带材厚度，冷却辊组12压力控制在1～5MPa，最终得到厚度为0.1～5mm的单向连续性纤维热塑性增强带；

(7)通过牵引辊将制好的单向连续性纤维热塑性增强带带材缠绕到收卷装置14上。

实施例1

聚合物树脂熔条与聚合物薄膜所用的聚合物材料为高密度聚乙烯HDPE，连续性纤维为玻璃纤维。纤维含量70％，带材厚度0.25mm，带材宽度50mm。

玻璃纤维卷经过放纤之后进入开纤装置，采用空气开纤，空气压力0.5～0.8MPa。张紧辊对纤维施加100N的张力后经压合辊使纤维与薄膜贴合在一起进入覆膜与打印浸渍区域，红外加热，温度170℃，使薄膜表面熔融软化。3D打印机头将HDPE熔条按照图2路径打印在带材表面。热压辊表面温度110℃，将聚合物树脂熔条与下层聚合物薄膜压合。3D打印机头行进速率5m/min，调节冷压辊上下辊高度，冷压定型，最终得到单向连续性玻璃纤维增强高密度聚乙烯带。

通过测试得出带材拉伸强度830MPa，拉伸模量35.4GPa，断裂伸长率2.52％，弯曲强度465MPa，弯曲模量34.7GPa。

实施例2

聚合物树脂熔条与聚合物薄膜所用的聚合物材料为聚苯硫醚PPS，纤维为碳纤维。纤维含量为65％，带材厚度0.15mm，带材宽度100mm。

碳纤维卷经过放纤之后进入开纤装置，采用空气开纤，空气压力0.4～0.6MPa。张紧辊对纤维施加100N的张力后经压合辊使纤维与薄膜贴合在一起进入覆膜与打印浸渍区域，红外加热，温度300℃，使薄膜表面熔融软化。3D打印机头将PPS熔条按照图2路径打印在带材表面。热压辊表面温度260℃，将聚合物熔体与下层聚合物薄膜压合。打印机头行进速率3m/min，调节冷压辊上下辊高度，冷压定型，最终得到单向连续性碳纤维增强聚苯硫醚带。

通过测试得出带材拉伸强度2400MPa，拉伸模量132GPa，断裂伸长率1.6％，弯曲强度1200MPa，弯曲模量124.0GPa。

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)

1.一种单向连续性纤维热塑性增强带的制备工艺，其特征在于：包括以下步骤：

(1)放纤与开纤处理：

将连续性纤维卷安放在纱架之上，连续性纤维通过纱架上的小导丝孔牵引导出，所述的连续性纤维穿过导丝孔板架与开纤装置均匀平行排布成带状，所述的连续性纤维再经张紧辊组施加100～500N的张力；

(2)薄膜卷放卷：

将聚合物材料薄膜卷放置在放卷电机上，所述的聚合物材料薄膜经导向辊导出，并与连续性纤维汇集至一处，所述的聚合物材料薄膜位于连续性纤维正下方的一面，然后调节两个压合辊之间高度，使连续性纤维与聚合物材料薄膜贴合在一起；

(3)加热处理：

将连续性纤维与聚合物材料薄膜共同经过工作平台区域的加热装置，加热温度控制在聚合物材料薄膜所用聚合物熔点之上的10～60℃，使薄膜熔融软化但不发生垂滴为准；

(4)打印浸渍：

利用3D打印机上的3D打印机头将聚合物树脂熔条打印在连续性纤维的正上方的一面，所述3D打印机头的加热温度为180～380℃，具体温度可根据所选用的聚合物树脂材料而定，所述3D打印机通过滑杆导轨与3台电机调节控制3D打印机头可以沿带材平行的平面前后、左右移动，又可以调节上下高度，通过预先编制好的程序，输入连续性纤维行进速度和3D打印机头的行进速度后程序自动计算出3D打印机头的行进路径，最终使得3D打印机头打印的聚合物树脂熔条轨迹在连续性纤维的上表面呈S型；

(5)热压粘合：

将打印的上层聚合物树脂熔条与下层聚合物薄膜通过上、下热压辊压合，得到预浸带，所述的上、下热压辊的表面温度控制在聚合物树脂熔条和聚合物薄膜所用聚合物熔点以下20～60℃；

(6)冷压定形：

将步骤(5)所得预浸带导入冷却辊组冷却，所述的冷却辊组内通冷凝水作为冷却介质，冷却的同时调节冷却辊组的上下辊组间距，控制预浸带带材厚度，所述的冷却辊组压力控制在1～5MPa，最终得到厚度为0.1～5mm的单向连续性纤维热塑性增强带；

(7)收卷：

通过牵引辊将制好的单向连续性纤维热塑性增强带带材缠绕到收卷装置上。

2.根据权利要求1所述的单向连续性纤维热塑性增强带的制备工艺，其特征在于：所述的3D打印机头行进速率0.1～5m/min。

3.根据权利要求1或2所述的单向连续性纤维热塑性增强带的制备工艺，其特征在于：所述步骤(1)中的开纤装置采用空气开纤、超声波开纤、机械压辊开纤中的一种。

4.根据权利要求1或2所述的单向连续性纤维热塑性增强带的制备工艺，其特征在于：所述步骤(3)中加热装置的加热方式为激光加热、红外加热、远红外加热、电阻丝加热、微波加热中的一种。

5.根据权利要求1或2所述的单向连续性纤维热塑性增强带的制备工艺，其特征在于：所述的聚合物树脂熔条和聚合物薄膜所用聚合物材料是聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚偏氟乙烯、聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚酰亚胺中的一种或几种。

6.根据权利要求5所述的单向连续性纤维热塑性增强带的制备工艺，其特征在于：所述的聚合物材料有薄膜和丝状两种，丝状的聚合物材料进入3D打印机头中融化挤出聚合物树脂熔条。

7.根据权利要求1或2所述的单向连续性纤维热塑性增强带的制备工艺，其特征在于：连续性纤维是玻璃纤维、硼纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、碳纤维中的一种或几种。