CN108638530B - 一步法制备三明治夹芯结构复合材料注塑成型装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种一步法制备三明治夹芯结构复合材料注塑成型装置，被用于加工芯材，包括进料装置、纤维编织机、注塑模具、牵引装置和切割装置，纤维编织机为环形，芯材穿过纤维编织机；所述纤维编织机上设置有纱筒，纱筒中设置有单向纤维，单向纤维的一端通过成型板与芯材表面抵接，芯材穿过注塑模具内的通道，进料装置、纤维编织机、注塑模具、牵引装置和切割装置沿芯材长度方向依次设置。本发明还提供一种一步法制备三明治夹芯结构复合材料注塑成型方法，芯材依次经过进料装置、纤维编织机、注塑模具、牵引装置和切割装置，成为三明治夹芯结构复合材料。本发明的纤维管采用顺时针和逆时针的纤维编织，不存在交织，纤维力学性能损失。

Description

一步法制备三明治夹芯结构复合材料注塑成型装置及方法

技术领域

本发明涉及一种加工三明治夹芯结构复合材料的方法，具体为一种一步法制备三明治夹芯结构复合材料注塑成型装置及方法。

背景技术

三明治夹芯结构复合材料是由高强度高刚度的上下蒙皮(如碳纤维层合板、玻璃纤维层合板、芳纶纤维层合板、玄武岩纤维层合板等)和力学性能优异的芯材(如泡沫、蜂窝、轻木、PP等)设计组合而成，它既具有优异的弯曲性能、抗冲击性能、耐疲劳性能和减振性能，又具有质量轻、耐腐蚀等诸多优点，已被广泛应用于航空航天、交通运输、能源、建筑、运动器材等众多领域，是目前发展最快、应用最广泛的高性能复合材料之一。

目前，在三明治夹芯结构复合材料的制备过程中，一般利用手糊工艺、模压工艺或树脂传递模塑工艺(RTM)，这些工艺存在无法直接利用单向纤维束(需要先加工上、下蒙皮)，存在生产周期偏长，不能连续生产等问题，从而使三明治夹心结构复合材料的生产成本居高不下。

因此，需要对现有技术进行改进。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种高效的一步法制备三明治夹芯结构复合材料注塑成型装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种一步法制备三明治夹芯结构复合材料注塑成型装置，被用于加工芯材，包括进料装置、纤维编织机、注塑模具、牵引装置和切割装置；

所述纤维编织机为环形，芯材穿过纤维编织机；所述纤维编织机上设置有纱筒，纱筒中设置有单向纤维，单向纤维的一端通过成型板与芯材表面抵接；

所述芯材穿过注塑模具内的通道；

所述进料装置、纤维编织机、注塑模具、牵引装置和切割装置沿芯材长度方向依次设置。

作为对本发明一步法制备三明治夹芯结构复合材料注塑成型装置的改进：所述纤维编织机包括两个平行设置的环形编织机，芯材穿过两个环形编织机的中心位置，两个环形编织机上都周向均匀设置有至少两个纱筒。

作为对本发明一步法制备三明治夹芯结构复合材料注塑成型装置的进一步改进：所述注塑模具包括相互连通的预成型区、加热固化区和冷却区，预成型区、加热固化区和冷却区沿芯材长度方向依次设置。

作为对本发明一步法制备三明治夹芯结构复合材料注塑成型装置的进一步改进：所述预成型区连接有树脂注塑装置。

作为对本发明一步法制备三明治夹芯结构复合材料注塑成型装置的进一步改进：所述树脂注塑装置包括含有不同树脂的两个注塑罐，两个注塑罐通过管道连接后与预成型区内的通道连通。

本发明还提供一种一步法制备三明治夹芯结构复合材料注塑成型方法，包括以下步骤：

1)、将芯材一端放置在进料装置上，芯材在进料装置的带动下移动，当芯材经过成型板时，启动纤维编织机的两个环形编织机，两个环形编织机以相反方向旋转，两个环形编织机的纱筒中的单向纤维通过成型板螺旋状覆盖到芯材表面，芯材表面的单向纤维形成编织管；

2)、然后外表面覆盖有编织管的芯材经过预成型区，通过树脂注塑装置将两个注塑罐中的树脂混合成双组份树脂注塑到预成型区中，芯材表面的编织管被混合后的双组份树脂充分浸润；

3)、接着浸润后带有编织管的芯材经过加热固化区，双组份树脂浸润编织管后熔融固化；

4)、然后熔融固化后的编织管复合材料在冷却区中冷却成型，形成蒙皮，与芯材形成一体结构，成为泡沫夹心复合材料；

5)、然后将泡沫夹心复合材料经过切割装置，由切割装置切割成型。

本发明一步法制备三明治夹芯结构复合材料注塑成型装置及方法的技术优势为：

(1)原来传统的泡沫夹心结构复合材料一般都采用二步法工艺生产，即先将线束制备成复合材料蒙皮，然后将蒙皮与芯材固化成型。

本发明将直接采用单向纤维束作为蒙皮外壳，泡沫作为芯材，采用注塑式拉压成型工艺，可以一步法连续式生产三明治夹芯结构复合材料，能实现产品的大批量连续化生产加工，简化了工艺流程，能有效减少原材料浪费，极大的缩短产品生产周期，有效的降低了产品生产成本。

(2)本成型工艺可根据芯材结构形状，制备不同截面形状的夹心结构(如圆形、矩形、三角形、多边形等)。

(3)本成型工艺可单独使用碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维，也可将上述纤维根据需要组合使用，能根据需要生产多种产品，极大丰富了产品的品种和性能。

(4)本发明采用注塑工艺来成型相较于普通的纤维材料浸润槽浸润，浸润效果要好很多。而且采用浸润槽浸润只适合热固性树脂，本发明还可以适合热塑性树脂(热固性树脂的玻璃化转变温度一般是100～200℃，而热塑性树脂的熔融温度一般都超过250℃。而注塑成型工艺能够提供更高的树脂加热熔融温度)。

(5)本发明的纤维管采用顺时针和逆时针的纤维编织，不存在交织。这种结构的特点是纤维不交织，摩擦少，纤维力学性能损失少，另外生产速度比常规交织编织要快30-40％。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1为本发明一步法制备三明治夹芯结构复合材料注塑成型装置的结构示意图；

图2为图1中纤维编织机4和成型板6配合使用的结构示意图；

图3为图1中纤维编织机4的环形编织机41与型板6配合使用的结构示意图；

图4为一个环形编织机41在芯材1上缠绕单向纤维5的结构示意图；

图5为两个环形编织机41在芯材1上缠绕单向纤维5的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。

实施例1、一步法制备三明治夹芯结构复合材料注塑成型装置，被用于加工芯材1(采用泡沫芯材)，如图1-5所示，包括进料装置2、纤维编织机4、注塑模具8、牵引装置12和切割装置13。进料装置2、纤维编织机4、注塑模具8、牵引装置12和切割装置13在芯材1上从左到右依次设置。

在芯材1上下两端各设置一个进料装置2，进料装置2能带动芯材1移动。

纤维编织机4包括两个平行设置的环形编织机41，两个环形编织机41都带有电机，可以以相反方向旋转。芯材1穿过纤维编织机4的两个环形编织机41的中心位置，纤维编织机4的两个环形编织机41上周向设置有相同数量的若干个纱筒3，每个纱筒3中放置有单向纤维5，单向纤维5的一端通过成型板6(成型板6为环形，芯材1穿过成型板6中心位置)与芯材1表面抵接贴合，接着单向纤维5穿过注塑模具8再与牵引装置12连接。两个环形编织机41上相应的纱筒3上的单向纤维5与成型板6的连线是相互交叉的，如图2所示，这样可以使得单向纤维5缠绕在芯材1上更加均匀。

芯材1穿过注塑模具8，注塑模具8内包括相互连通的预成型区9、加热固化区10和冷却区11，预成型区9、加热固化区10和冷却区11在芯材1上从左到右依次设置。注塑模具8连接有树脂注塑装置14，树脂注塑装置14包括分别含有聚氨酯树脂和环氧树脂的两个注塑罐7，树脂注塑装置14能将双组份树脂(如聚氨酯树脂、环氧树脂)混合后加到注塑模具8(注塑模具8的预成型区9部分)里面。注塑模具8再将混合后的双组份树脂加工到芯材1上。

双组份树脂一般有A、B两种成分(使用双组份的聚氨酯树脂或环氧树脂，也可以使用其他需要的树脂)按照树脂厂家提供的比例配方，组合在一起才能反应固化，聚氨酯树脂或环氧树脂的加入量可以根据拉挤速度实时调节，有效保证了树脂的使用效率，减少了浪费。另外，聚氨酯树脂或环氧树脂采用注塑机注塑浸润单向纤维5，注塑的时候有较大的注塑力，能保证树脂与纤维更好的浸润。采用注塑工艺来成型相较于普通的纤维材料浸润槽浸润，浸润效果要好很多。而且采用浸润槽浸润只适合热固性树脂，本发明还可以适合热塑性树脂(热固性树脂的玻璃化转变温度一般是100～200℃，而热塑性树脂的熔融温度一般都超过250℃。而注塑成型工艺能够提供更高的树脂加热熔融温度)。

在芯材1上下两侧各设置一个牵引装置12，两个牵引装置12与芯材1上下两表面(单向纤维5)抵接，牵引装置12能带动单向纤维5和芯材1移动。

在芯材1上下两侧各设置一个切割装置13，两个切割装置13配合可以对芯材1或成型后的三明治夹芯结构复合材料进行相应切割。

本发明一步法制备三明治夹芯结构复合材料注塑成型方法：

首先将芯材1加工成所需尺寸(芯材1一般为圆柱形，但也可以采用直条状或者其他形状)，

将芯材1一端放置在两个进料装置2之间，芯材1在进料装置2的带动下从左到右开始移动，当芯材1经过成型板6时，启动纤维编织机4的两个环形编织机41，两个环形编织机41以相反方向旋转，两个环形编织机41的纱筒3中的单向纤维5通过成型板6覆盖到芯材1表面，在该过程中纤维编织机4周向旋转(两个环形编织机41相反方向旋转：一个环形编织机41顺时针旋转，另一个环形编织机41逆时针旋转)，顺时针和逆时针的纤维不存在交织，将单向纤维5缠绕成编织管。这种结构的特点是纤维不交织，摩擦少，纤维力学性能损失少，另外生产速度比常规编织要快30-40％。另外，纤维编织机4也可以根据产品开发需要，编织纤维相互交织的常规编织结构。

单向纤维5缠绕在芯材1表面后具有一定张力可以实现单向纤维5与芯材1外表面紧密接触，并保证不会有相对移动的发生，编织管与芯材1充分贴合，就可以生产非交织的三明治夹心结构。单向纤维5先由纤维编织机4缠绕成圆管状的编织管，再由成型板6集束贴合于芯材1表面。现有的装置，是通过现有的玻璃纤维编织机将玻璃纤维直接编织缠绕在内管外表面上，这样编织出的编织管的纤维都是沿着轴向均匀设置的(纤维纹路走向为与编织管长度方向相同)，且纤维是相互交织的，纤维力学性能损失较大，生产效率低；而本发明缠绕出的编织管除可以编织生产的纤维纹路走向为绕着编织管轴心方向螺旋状旋转，可以有扭曲效应，且纤维不交织，摩擦少。然后外表面覆盖有单向纤维5(编织管)的芯材1经过注塑模具8时，树脂注塑装置14将两个注塑罐7中的双组份树脂(聚氨酯树脂或环氧树脂)注塑到注塑模具8中，芯材1表面的编织管在注塑模具8的预成型区9被双组份树脂充分浸润，接着在加热固化区10中熔融固化(树脂在加热区已经开始固化)，树脂固化所需的压力由编织结构自身张力产生的压力、模具内部、芯材1外表面压力及注塑压力四部分组成；然后树脂和编织管在冷却区11中固化成型，形成蒙皮，与芯材1形成一体结构(带有蒙皮的芯材1，即三明治夹心结构复合材料)。

接着，带有蒙皮的芯材1在牵引装置12的牵引下继续前向运行，然后根据所需长度在切割装置13切割成型。

本发明制备得到的三明治夹心复合材料属于全包的三明治夹心复合材料，即为芯材1外侧包裹一层蒙皮。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一步法制备三明治夹芯结构复合材料注塑成型装置，被用于加工芯材(1)，其特征在于：包括进料装置(2)、纤维编织机(4)、注塑模具(8)、牵引装置(12)和切割装置(13)；

所述纤维编织机(4)为环形，所述纤维编织机(4)包括两个平行设置的环形编织机(41)，芯材(1)穿过两个环形编织机(41)的中心位置；两个环形编织机(41)上都周向均匀设置有至少两个纱筒(3)，纱筒(3)中设置有单向纤维(5)，单向纤维(5)的一端通过成型板(6)与芯材(1)表面抵接；

所述芯材(1)穿过注塑模具(8)内的通道；

所述进料装置(2)、纤维编织机(4)、注塑模具(8)、牵引装置(12)和切割装置(13)沿芯材(1)长度方向依次设置。

2.根据权利要求1所述的一步法制备三明治夹芯结构复合材料注塑成型装置，其特征在于：所述注塑模具(8)包括相互连通的预成型区(9)、加热固化区(10)和冷却区(11)，预成型区(9)、加热固化区(10)和冷却区(11)沿芯材(1)长度方向依次设置。

3.根据权利要求2所述的一步法制备三明治夹芯结构复合材料注塑成型装置，其特征在于：所述预成型区(9)连接有树脂注塑装置(14)。

4.根据权利要求3所述的一步法制备三明治夹芯结构复合材料注塑成型装置，其特征在于：所述树脂注塑装置(14)包括含有不同树脂的两个注塑罐(7)，两个注塑罐(7)通过管道连接后与预成型区(9)内的通道连通。

5.一步法制备三明治夹芯结构复合材料注塑成型方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)、将芯材(1)一端放置在进料装置(2)上，芯材(1)在进料装置(2)的带动下移动，当芯材(1)经过成型板(6)时，启动纤维编织机(4)的两个环形编织机(41)，两个环形编织机(41)以相反方向旋转，两个环形编织机(41)的纱筒(3)中的单向纤维(5)通过成型板(6)螺旋状覆盖到芯材(1)表面，芯材(1)表面的单向纤维(5)形成编织管；

2)、然后外表面覆盖有编织管的芯材(1)经过预成型区(9)，通过树脂注塑装置(14)将两个注塑罐(7)中的树脂混合成双组份树脂注塑到预成型区(9)中，芯材(1)表面的编织管被混合后的双组份树脂充分浸润；

3)、接着浸润后带有编织管的芯材(1)经过加热固化区(10)，双组份树脂浸润编织管后熔融固化；

4)、然后熔融固化后的编织管复合材料在冷却区(11)中冷却成型，形成蒙皮，与芯材(1)形成一体结构，成为泡沫夹心复合材料；

5)、然后将泡沫夹心复合材料经过切割装置(13)，由切割装置(13)切割成型。

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