一种连续玻纤预浸片材增强热塑性塑料蜂窝复合板材的成型设备与方法
【专利摘要】本发明涉及一种连续玻纤预浸片材增强热塑性塑料蜂窝复合板材的成型设备与方法，所成型的复合板材包括聚丙烯蜂窝板芯层和连续玻纤预浸聚丙烯片材表层，该复合板材的成型设备，依次包括：输送芯层的输送轨道、对芯层进行预热的红外辐射预热装置、对表层进行输送、预热和张紧的放卷系统、对预热后表层和芯层进行加热加压和复合的加热复合单元、对复合后的板材冷却定型的冷却单元、使成型的复合板材进一步冷却的冷却托架、提供输送动力的牵引机、横向锯切机和升降打包台。芯层聚丙烯蜂窝板经导向进入红外辐射预热装置进行预热，上表层和下表层用连续玻纤预浸聚丙烯片材经“S”型排布的辊筒预热，然后同步进入加热复合单元，分别实现横向和纵向的熔融复合，并通过冷却单元和冷却托架冷却定型。该方法具有生产设备制造成本低、生成效率高、自动化程度高、维护成本低的显著优点。
【专利说明】一种连续玻纤预浸片材增强热塑性塑料蜂窝复合板材的成型设备与方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种复合板材的的成型设备与方法，尤其是一种连续玻纤预浸片材增强热塑性塑料蜂窝复合板材的成型设备与方法。
【背景技术】
[0002]连续玻纤预浸片材增强热塑性塑料蜂窝复合板材具有优异的拉伸强度、弯曲强度/模量、高低温冲击强度等，并具有相对较低的密度和可回收利用等特点，近年来在国外得到巨大的发展，以汽车为首，船舶、建筑构件等以往采用金属材料的地方不少已被连续玻纤预浸片材增强热塑性塑料蜂窝复合板材所代替。
[0003]已有技术由多层材料复合生产的塑料蜂窝复合板材，由于上下表层塑料基体和蜂窝芯层塑料基体不同，复合材料的相容性差，上下表层材料和蜂窝芯层多采用粘结剂粘结，而这种粘结剂粘结，不但连接牢固性不足，而且不环保，加上在实用过程中酸碱、空气和水汽的作用，以致这种粘结剂粘结的接缝，极易发生脱胶分层，而直接影响实用寿命。而且，传统的蜂窝复合板材缺乏对上下表层材料的结构设计，纤维排布均为同方向，从而导致产品的力学性能在某个方向偏低。
[0004]近年来也有通过热熔平铺在钢带上的叠合的多层原料，然后热轧、冷轧来制备多层蜂窝夹芯板材(如中国专利申请CN102975464A)，而该方法存在以下缺点:(1)上下表层用连续玻纤预浸片材通过预热直接与芯层蜂窝板复合，上下表层由于缺少张紧装置，导致受热时上下表层横向和纵向收缩不一致，从而严重影响复合板材的表面质量；(2)该方法实际上是两步法生产工艺，即先将上下表层用3-5片连续玻纤预浸片材复合好，先制备上下表层，然后再与芯层蜂窝复合板复合，生产效率低，而且需要不同的设备分别制备上下表层和复合板；(3)上下表层材料缺少结构设计，导致复合材料的力学性能较差；(4)所用的设备为连续钢带复合机，即通过钢带平面热轧副热压复合，再通过钢带平面冷轧副冷却成型，钢带平面复合机的制造成本及维护成本都很高，此外，热传递是通过热源传递给钢带平面，钢带平面又传递给复合板，导致传热效率低，影响生产效率。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种各向力学性能优异的连续玻纤预浸片材增强热塑性塑料蜂窝复合板材的成型设备和方法，有效解决了现有技术存在产品各向力学性能低、产品收缩不一致、生产线自动化程度低、设备制造成本高、生产效率低的技术缺陷。
[0006]为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
[0007]—种连续玻纤预浸片材增强热塑性塑料蜂窝复合板材的成型设备，所成型的复合板材包括聚丙烯蜂窝板芯层和连续玻纤预浸聚丙烯片材表层，其特征在于，该设备依次包括:输送芯层的输送轨道(I)、对芯层进行预热的红外辐射预热装置(2)、对表层进行输送、预热和张紧的放卷系统(3)、对预热后表层和芯层进行加热、加压、复合的加热复合单元(4)、对复合后的板材冷却定型的冷却单元(5)、使成型的复合板材进一步冷却的冷却托架
(6)、提供输送动力的牵引机(7)、横向锯切机(8)和升降打包台(9)，所述的放卷系统(3)对应复合板材的上表层和下表层包括上放卷系统和下放卷系统，分别安装在加热复合单元
(4)入口处的上部和下部，所述的上下放卷系统分别由多个辊筒(10)组成，辊筒(10)为空心结构，内通加热介质。
[0008]其中，所述的上下放卷系统(3)分别由3-5个辊筒(10)组成，辊筒(10)呈“S”型排布，棍筒(10)的直径为300-400mm,间距为400-500mm,棍筒(10)内加热介质为导热油。
[0009]其中，所述的加热复合单元(4)由4-6对加热对辊(11)组成，加热对辊(11)的直径为250-350mm，间距为400-500mm，加热对辊(11)为空心结构，加热介质为导热油。
[0010]其中，所述的冷却单元(5)由4-6对冷却对辊(12)组成，冷却对辊(12)的直径为200-250mm,间距为300-400mm，冷却对辊(12)为空心结构，冷却介质为制冷水。
[0011]本发明还提供一种成型连续玻纤预浸片材增强热塑性塑料蜂窝复合板材的方法，包括如下步骤:
(1)放置在输送轨道(I)上的芯层经导向辊(13)导入红外辐射预热装置(2)进行预热，预热温度为180-200°C，预热时间为l_2min，芯层采用聚丙烯蜂窝板；
(2)放置在上下放卷系统上的上表层和下表层经辊筒(10)预热、张紧，预热温度为150-180°C，预热时间为l_2min，上表层和下表层采用连续玻纤预浸聚丙烯片材；
(3 )预热后的上表层、下表层和芯层同步进入加热复合单元(4 )，在加热对辊(11)的加热和加压作用下，实现上下表层和芯层之间的界面熔融复合，加热对辊(11)的加热温度为180-200°C，加压压力为 10-15MPa ；
(4)熔融复合后的复合板材进入冷却单元(5)，在冷却对辊(12)的冷却和加压作用下，冷却成型，冷却对辊(12)的冷却温度为5-10°C，加压压力为5-10MPa ；
(5 )冷却后的复合板材，在牵引机(7 )的作用下，通过冷却托架(6 )，进一步自然冷却，以消除内应力，形成连续玻纤预浸片材增强热塑性塑料蜂窝复合板材；
(7)复合板材经横向锯切机(8)进行定长切割，并由通过升降打包台(9)进行打包、包装。
[0012]其中步骤(5)之后还可以包括:(6)将复合好的板材转向90°，重复步骤(I)至
(5)，可实现上下表层用多层连续玻纤预浸聚丙烯片材之间的交错熔融复合，从而保证所制备的复合板材上下表层的连续玻纤单向预浸聚丙烯片材之间呈0° /90°交错排布。
[0013]与现有的连续玻纤预浸片材增强热塑性塑料蜂窝复合板材及制备方法相比，该技术具有以下显著优点:(1)通过上下表层材料的结构设计，使多层连续玻纤预浸片材之间呈0° /90°交错排布，以提高复合板材的各项力学性能；(2)复合板材的上下表层材料与芯层蜂窝复合板材的塑料基体均为聚丙烯，从而使三者具有极好的相容性，通过熔融复合，可使上下表层材料与芯层蜂窝复合板材之间牢固结合；(3)通过输送轨道、红外辐射预热装置、上下放卷系统、加热复合单元、冷却单元、冷却托架、牵引机、横向锯切机和升降打包台的组合设计，实现上下表层材料用多层连续玻纤单向预浸聚丙烯片材和芯层蜂窝复合板材的一次性自动复合，实现连续化自动生成；(4)连续玻纤预浸片材在通过“S”型排布的上下放卷系统的辊筒时，不仅可以充分预热，而且，由于张力作用，能有效克服传统制造方法多层连续玻纤预浸片材受热时纵向和横向的收缩不一致，影响表层和芯层的复合，导致板材表面质量差的缺陷；(5)通过对辊式加热复合单元和冷却单元的结构设计替代传统的钢带复合压机，制造成本低、维护成本低、生成效率高。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是本发明连续玻纤预浸片材增强热塑性塑料蜂窝复合板材的结构示意图。
[0015]图2是本发明连续玻纤预浸片材增强热塑性塑料蜂窝复合板材的成型设备的结构示意图。
[0016]图3是本发明连续玻纤预浸片材增强热塑性塑料蜂窝复合板材的工艺流程图。
[0017]其中，1-输送轨道；2_红外辐射预热装置；3_放卷系统；4_加热复合单元；5_冷却单元；6_冷却托架；7_牵引机；8_横向锯切机；9_升降打包台；10_辊筒；11_加热对辊；12-冷却对辊；13-导向辊。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图对本发明进行详细说明。
[0019]所制备的连续玻纤预浸片材增强热塑性塑料蜂窝复合板材共有三部分组成，包括芯层和上下表层，其中芯层为聚丙烯蜂窝板，上下表层分别为连续玻纤单向预浸聚丙烯片材。上下表层可以是一层或者多层。
[0020]实施例1
连续玻纤预浸片材增强热塑性塑料蜂窝复合板材上表层和下表层均由I片连续玻纤单向预浸聚丙烯片材组成，片材厚度为0.3mm,芯层为聚丙烯蜂窝板，蜂窝板的厚度为12mm。
[0021]连续玻纤预浸片材增强热塑性塑料蜂窝复合板材的成型设备依次包括，输送芯层的输送轨道(I)、对芯层进行预热的红外辐射预热装置(2)、对表层进行输送、预热和张紧的放卷系统(3)、对预热后表层和芯层进行加热、加压、复合的加热复合单元(4)、对复合后的板材冷却定型的冷却单元(5)、使成型的复合板材进一步冷却的冷却托架(6)、提供输送动力的牵引机(7)、横向锯切机(8)和升降打包台(9)，所述的放卷系统(3)对应复合板材的上表层和下表层包括上放卷系统和下放卷系统，分别安装在加热复合单元(4)入口处的上部和下部。
[0022]上下放卷系统由3个辊筒(10)组成，辊筒(10)呈“S”型排布，辊筒(10)的直径为Φ400mm,间距为500mm,棍筒(10)为空心结构，芯部加热介质为导热油；加热复合单元(4)由4对加热对辊(11)组成，加热对辊(11)的直径为Φ 350mm，间距为500mm，加热对辊(11)为空心结构，加热介质为导热油；冷却单元(5)由6对冷却对辊(12)组成，冷却对辊(12)的直径为Φ250mm，间距为400mm，冷却对辊(12)为空心结构，冷却介质为制冷水。
[0023]该复合板材的生产方法如下:
(O放置在输送轨道(I)的芯层聚丙烯蜂窝板经导向辊(13)导入红外辐射预热装置
(I)进行预热，预热温度为180°c,预热时间为2min ；
(2)放置在上下放卷系统(3)上的上表层和下表层用连续玻纤预浸聚丙烯片材，经“S”型排布的辊筒(10)预热，预热温度为150°C，预热时间为2min ； (3)预热后的上表层和下表层连续玻纤预浸聚丙烯片材、芯层聚丙烯蜂窝板同步进入加热复合单元(4)，在加热对辊(11)的加热和加压作用下，实现连续玻纤预浸聚丙烯片材与芯层聚丙烯蜂窝板之间的界面熔融复合，加热对辊(11)的加热温度为180°C，加压压力为 1MPa ；
(4)熔融复合后的复合板材进入冷却单元(5)，在冷却对辊(12)的冷却和加压作用下，冷却成型，冷却对辊(12)的冷却温度为10°C，加压压力为6MPa ；
(5)冷却后在复合板材，在牵引机(7)的作用下，通过冷却托架(6)，进一步自然冷却，以消除内应力；
(6)复合板材经横向锯切机(8)进行定长切割，并由通过升降打包台(9)进行打包、包装。
[0024]如【具体实施方式】所描述的制备方法，所制备的连续玻纤预浸片材增强热塑性塑料蜂窝复合板材的测试结果为:生产线速度6m/min，拉伸强度240MPa，弯曲强度250Mpa，弯曲模量 9.6GPa。
[0025]实施例2
连续玻纤预浸片材增强热塑性塑料蜂窝复合板材上表层和下表层均由2片连续玻纤单向预浸聚丙烯片材组成，单片片材厚度为0.3mm，片材和片材之间成0° /90°交错排布，芯层为聚丙烯蜂窝板，蜂窝板的厚度为12mm。
[0026]连续玻纤预浸片材增强热塑性塑料蜂窝复合板材的成型设备同实施例1。
[0027]该复合板材的生产方法如下:
(1)放置在输送轨道(I)的芯层聚丙烯蜂窝板经导向进入红外辐射预热装置(I)进行预热，预热温度为200°C，预热时间为Imin ；
(2)放置在上下放卷系统(3)上的上表层和下表层用连续玻纤预浸聚丙烯片材，经“S”型排布的辊筒(10)预热，预热温度为180°C，预热时间为Imin ；
(3)预热后的上表层和下表层连续玻纤预浸聚丙烯片材、芯层聚丙烯蜂窝板同步进入加热复合单元(4)，在加热对辊(11)的加热和加压作用下，实现连续玻纤预浸聚丙烯片材与芯层聚丙烯蜂窝板之间的界面熔融复合，加热对辊(11)的加热温度为180°C，加压压力为 15MPa ；
(4)熔融复合后的复合板材进入冷却单元(5)，在冷却对辊(12)的冷却和加压作用下，冷却成型，冷却对辊(12)的冷却温度为5°C，加压压力为1MPa ；
(5)冷却后在复合板材，在牵引机(7)的作用下，通过冷却托架(6)，进一步自然冷却，以消除内应力；
(6)完全冷却后，将复合好的板材转向90°，重复步骤(I)至(5)，从而保证所制备的复合板材上下表层的连续玻纤单向预浸聚丙烯片材之间呈0° /90°交错排布；
(7)复合板材经横向锯切机(8)进行定长切割，并由通过升降打包台(9)进行打包、包装。
[0028]如【具体实施方式】所描述的制备方法，所制备的连续玻纤预浸片材增强热塑性塑料蜂窝复合板材的测试结果为:生产线速度6m/min，拉伸强度400MPa，弯曲强度450Mpa，弯曲模量15GPa。
[0029]实施例3 连续玻纤预浸片材增强热塑性塑料蜂窝复合板材上表层和下表层均由3片连续玻纤单向预浸聚丙烯片材组成，单片片材厚度为0.3mm，片材和片材之间成0° /90° /0°交错排布，芯层为聚丙烯蜂窝板，蜂窝板的厚度为12mm。
[0030]连续玻纤预浸片材增强热塑性塑料蜂窝复合板材的成型设备依次包括，输送芯层的输送轨道(I)、对芯层进行预热的红外辐射预热装置(2)、对表层进行输送、预热和张紧的放卷系统(3)、对预热后表层和芯层进行加热、加压、复合的加热复合单元(4)、对复合后的板材冷却定型的冷却单元(5)、使成型的复合板材进一步冷却的冷却托架(6)、提供输送动力的牵引机(7)、横向锯切机(8)和升降打包台(9)，所述的放卷系统(3)对应复合板材的上表层和下表层包括上放卷系统和下放卷系统，分别安装在加热复合单元(4)入口处的上部和下部。
[0031 ] 上下放卷系统由3个辊筒(10)组成，辊筒(10)呈“S”型排布，辊筒(10)的直径为Φ 300mm，间距为400mm，辊筒(10)为空心结构，芯部加热介质为导热油；加热复合单元(4)由6对加热对辊(11)组成，加热对辊(11)的直径为Φ 250mm，间距为400mm，加热对辊(11)为空心结构，加热介质为导热油；冷却单元(5)由6对冷却对辊(12)组成，冷却对辊(12)的直径为Φ200ι?πι,间距为300mm,冷却对棍(12)为空心结构,冷却介质为制冷水。
[0032]该复合板材的生产方法如下:
(O放置在输送轨道(I)的芯层聚丙烯蜂窝板经导向辊(13)导入红外辐射预热装置
(I)进行预热，预热温度为180°c,预热时间为2min ；
(2)放置在上下放卷系统(3)上的上表层和下表层用连续玻纤预浸聚丙烯片材，经“S”型排布的辊筒(10)预热，预热温度为150°C，预热时间为2min ；
(3)预热后的上表层和下表层连续玻纤预浸聚丙烯片材、芯层聚丙烯蜂窝板同步进入加热复合单元(4)，在加热对辊(11)的加热和加压作用下，实现连续玻纤预浸聚丙烯片材与芯层聚丙烯蜂窝板之间的界面熔融复合，加热对辊(11)的加热温度为180°C，加压压力为 15MPa ；
(4)熔融复合后的复合板材进入冷却单元(5)，在冷却对辊(12)的冷却和加压作用下，冷却成型，冷却对辊(12)的冷却温度为10°C，加压压力为5MPa ；
(5 )冷却后在复合板材，在牵引机(7 )的作用下，通过冷却托架(6 )，进一步自然冷却，以消除内应力；
(6)完全冷却后，将复合好的板材转向90°，重复步骤(I)至(5)，从而保证所制备的复合板材上下表层的连续玻纤单向预浸聚丙烯片材之间呈0° /90°交错排布；
(7)再将复合好的板材转向90°，再次重复步骤(I)至(5)，从而保证所制备的复合板材上下表层的连续玻纤单向预浸聚丙烯片材之间呈0° /90° /0°交错排布；
(8)复合板材经横向锯切机(8)进行定长切割，并由通过升降打包台(9)进行打包、包装。
[0033]如【具体实施方式】所描述的制备方法，所制备的连续玻纤预浸片材增强热塑性塑料蜂窝复合板材的测试结果为:生产线速度6m/min，拉伸强度540MPa，弯曲强度570Mpa，弯曲模量2 IGPa。
【权利要求】
1.一种连续玻纤预浸片材增强热塑性塑料蜂窝复合板材的成型设备，所成型的复合板材包括聚丙烯蜂窝板芯层和连续玻纤预浸聚丙烯片材表层，其特征在于，该设备依次包括:输送芯层的输送轨道(I)、对芯层进行预热的红外辐射预热装置(2)、对表层进行输送、预热和张紧的放卷系统(3)、对预热后表层和芯层进行加热、加压、复合的加热复合单元(4)、对复合后的板材冷却定型的冷却单元(5)、使成型的复合板材进一步冷却的冷却托架(6)、提供输送动力的牵引机(7)、横向锯切机(8)和升降打包台(9)，所述的放卷系统(3)对应复合板材的上表层和下表层包括上放卷系统和下放卷系统，分别安装在加热复合单元(4)入口处的上部和下部，所述的上下放卷系统分别由多个辊筒(10)组成，辊筒(10)为空心结构，内通加热介质。
2.根据权利要求1所述的连续玻纤预浸片材增强热塑性塑料蜂窝复合板材的成型设备，其特征在于，所述的上下放卷系统(3 )分别由3-5个辊筒(10 )组成，辊筒(10 )呈“ S”型排布，棍筒(10)的直径为300-400mm,间距为400-500mm,棍筒(10)内加热介质为导热油。
3.根据权利要求1所述的连续玻纤预浸片材增强热塑性塑料蜂窝板材的成型设备，其特征在于，所述的加热复合单元(4)由4-6对加热对辊(11)组成，加热对辊(11)的直径为250-350mm，间距为400-500mm，加热对辊(11)为空心结构，内通加热介质导热油。
4.根据权利要求1所述的一种连续玻纤预浸片材增强热塑性塑料蜂窝板材的成型设备，其特征在于，所述的冷却单元(5)由4-6对冷却对辊(12)组成，冷却对辊(12)的直径为200-250mm,间距为300-400mm，冷却对辊(12)为空心结构，内通冷却介质制冷水。
5.根据权利要求1-4任一项所述的连续玻纤预浸片材增强热塑性塑料蜂窝复合板材的成型设备生产复合板材的方法，包括如下步骤: (1)放置在输送轨道(I)上的芯层经导向辊(13)导入红外辐射预热装置(2)进行预热，预热温度为180-200°C，预热时间为l_2min，芯层采用聚丙烯蜂窝板； (2)放置在上下放卷系统上的上表层和下表层经辊筒(10)预热、张紧，预热温度为150-180°C，预热时间为l_2min，上表层和下表层采用连续玻纤预浸聚丙烯片材； (3 )预热后的上表层、下表层和芯层同步进入加热复合单元(4 )，在加热对辊(11)的加热和加压作用下，实现上下表层和芯层之间的界面熔融复合，加热对辊(11)的加热温度为180-200°C，加压压力为 10-15MPa ； (4)熔融复合后的复合板材进入冷却单元(5)，在冷却对辊(12)的冷却和加压作用下，冷却成型，冷却对辊(12)的冷却温度为5-10°C，加压压力为5-10MPa ； (5)冷却后的复合板材，在牵引机(7)的作用下，通过冷却托架(6)，进一步自然冷却，以消除内应力，形成连续玻纤预浸片材增强热塑性塑料蜂窝复合板材； (7)复合板材经横向锯切机(8)进行定长切割，并由通过升降打包台(9)进行打包、包装。
6.根据权利要求5所述的生产复合板材的方法，其特征在于，步骤(5)之后还包括:(6)将复合好的板材转向90°，重复步骤(I)至(5)，可实现上下表层用多层连续玻纤预浸聚丙烯片材之间的交错熔融复合，从而保证所制备的复合板材上下表层的连续玻纤单向预浸聚丙烯片材之间呈0° /90°交错排布。
【文档编号】B32B37/10GK104228295SQ201310236158
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年6月14日 优先权日:2013年6月14日
【发明者】贾明印, 陈同海, 薛平 申请人:北京化工大学