专利名称：连续纤维增强热塑性复合材料预浸带的制备方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种预浸带的制备方法及设备，尤其是涉及连续纤维增强热塑性复合 材料预浸带的制备方法及设备。
背景技术：
连续纤维增强热塑性复合材料具有优异的机械性能、较强的可加工性及稳定的化 学性，如高的拉伸强度和弯曲强度/模量、出色的高低温冲击性能、可设计性强、成型效率 高和耐酸碱等，另外还具有可回收的特点，近年来在环保节能等政策理念的推动下，其开发 与应用得到了巨大发展，相应的制造技术也不断改进与提高。现今主要发展了溶液浸渍、熔融浸渍、粉末浸渍、悬浮浸渍及混编制备等技术路 线，其中熔融浸渍由于便于连续化生产、适应能力强等特点，受到青睐，并且由此延伸出不 同浸渍的方法。但现有设备依然存在浸渍单元的结构设计复杂、生产线投资大等不足。基于连续纤维增强热塑性复合材料的制造工艺来说，纤维丝束的分散性与可浸润 性，以及纤维与树脂基体间的界面结合性最为关键。目前通过熔融树脂浸渍连续纤维制造 预浸带，都采用设计复杂的熔融浸渍单元，如美国专利US5037284，使用浸渍辊与刮刀形成 的初级浸渍，此法由于纤维丝束与辊表面形成的张力方向与树脂渗透方向相反，不利于熔 融态树脂进入丝束内部。后期进入成型辊后，通过外部红外加热使树脂处于熔融态，但与纤 维接触部分不能保证是熔融态，而温度过高容易造成树脂粘辊等不足，并且仅能制造窄幅 预浸带。美国专利US5529652介绍浸渍模头方法，是把熔融树脂通过螺杆挤出机挤到浸渍 模头中，再利用特殊设计的内部浸渍单元实现纤维完全浸润，浸渍后的连续纤维要通过适 当的出口来控制树脂含量，这样能大幅提高树脂对纤维的浸渍性。但由于纤维的浸润发生 在浸渍模头的内部，对纤维的浸渍情况难以控制，且对浸渍模头的清理和纤维的排布和穿 纱困难，不适于制造宽幅预浸带。美国专利US3908042中使用旋转浸渍辊经过熔融态树脂 池将其粘附在表面，再与纤维接触，由于辊表面与纤维的张力使得树脂能够透过纤维丝束， 此法较好的解决了前面提到浸渍及穿丝难等问题，但存在熔融树脂池易氧化和树脂含量不 易控制等问题。另外中国专利CN88102218A及公开号为CN101152767A的两个专利现同样 存在美国专利US5529652中提到的问题，由于使用封闭的腔体，使得穿丝及模头清理困难。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种成本低、纤维分 散均勻、浸润完全、空隙率低的连续纤维增强热塑性复合材料预浸带的制备方法及设备。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现连续纤维增强热塑性复合材料预浸带的制备方法，该方法包括以下步骤将连续纤维从纱架(10)上的连续纤维卷(11)中引出并展开，再依次经过张力调 节装置(20)、静电消除装置(30)、预加热装置(40)、张力调节装置(50)后得到预热的连续 纤维带，导入交错可开合双挤出模头组(60)进行预浸渍，将预浸渍后的连续纤维带导入浸渍压延辊组(70)进行浸渍，然后经冷却辊压装置(80)冷却定型，最后导入牵引卷绕装置 (90)卷绕成型，即得到连续纤维增强热塑性复合材料预浸带；其特征在于，所述预热的连 续纤维带导入交错可开合双挤出模头组(60)，该交错可开合双挤出模头组(60)包括挤出 模头(61)、挤出模头(62)和轨道运动装置(621)，连续纤维带与挤出模头(61)接触并产生 与纤维带平面相垂直的渗透压力，使熔融的热塑性树脂对连续纤维带的一侧进行预浸渍， 连续纤维带的另一侧与挤出模头(62)接触并产生同样的渗透压力，使熔融的热塑性树脂 对连续纤维带的另一侧进行再浸渍。所述的连续纤维卷11中的纤维包括无机纤维，有机纤维或金属纤维；所述的热塑性树脂选自聚烯烃类树脂、热塑性聚酯类树脂、聚酰胺类树脂、聚碳酸酯树脂或其他通用树 脂中的一种或几种。所述的无机纤维包括玻璃纤维或碳纤维，有机纤维包括芳香族聚酰胺纤维或超高 分子量聚乙烯纤维，金属纤维包括不锈钢纤维；所述的聚烯烃类树脂包括PP或PE，热塑性 聚酯类树脂包括PET、PTT或PBT，聚酰胺类树脂包括尼龙6、尼龙66、尼龙12、尼龙1212或 尼龙612，其他通用树脂包括PVC、PS或HIPS。所述的纱架10上设置能水平转动的锭子支架12，该锭子支架带有阻尼装置，通过 张力调节控制连续纤维均勻展开。所述的张力调节装置20由排丝口 21和张力辊22组成，排丝口 21使从纱架10上 引出展开的连续纤维带均勻平行排布，张力辊22调节连续纤维带的张力。所述的预加热装置40采用红外加热方式或电加热方式加热。所述的浸渍压延辊组70由辊71、辊72和辊73组成，浸渍压延辊组70采用热电偶 控制加热，导热油加热或红外热辐射加热。所述的冷却辊压装置80由上辊81、下辊82和刀片组成，上辊81和下辊82采用通 冷凝水的方式冷却，调节上辊81和下辊82的间距来控制预浸带的厚度，刀片对预浸带进行 裁边，修正预浸带的宽幅。一种实施连续纤维增强热塑性复合材料预浸带的制备方法的设备，该设备包括纱 架10、张力调节装置20、静电消除装置30、预加热装置40、张力调节装置50、浸渍压延辊组 70、冷却辊压装置80和卷绕装置90，其特征在于，还包括交错可开合双挤出模头组60，该交 错可开合双挤出模头组60由挤出模头61、挤出模头62和轨道运动装置621组成，所述的挤 出模头61和挤出模头62间平行，优选平行并使连续纤维带在两个模头之间形成S形或反 S形。所述的挤出模头61与其配套的挤出机组成一体并相对生产线位置固定，所述的 挤出模头62与其配套的挤出机组成一体并设置在轨道运动装置621上，随轨道运动装置 621沿着与生产线平行的轨道移动(轨道运动装置安装在轨道上)，所述的轨道运动装置 621可由液压或电力驱动，所述的挤出模头61和挤出模头62间的间隔由限位装置固定。与现有技术相比，本发明了提供一种简单的制造宽幅连续纤维增强热塑性复合材 料预浸带的方法及实施该方法的设备。设计的双挤出模头浸渍纤维有以下优点1.当高温 的熔融态树脂被挤出到纤维带与挤出模头表面间隙，两者产生的张力迫使树脂更快向纤维 布的另一侧扩散，减少了对纤维的损害；2.纤维带和模头所形成的紧密半封闭状态减少树 脂的热降解和熔融树脂的温度流失；3.两模头与纤维带形成的“S”狭缝不但能提供均勻的温度分布，还能减少与空气的接触；4.可开合设计为解决纤维布的穿丝以及生产过程出现 的断丝现象提供了便捷的操作方式。因此纤维的分散性、可浸润性及可操作性显著提高，能 够得到纤维分散均勻和浸渍完全的连续纤维增强热塑性复合材料预浸带，预浸带中树脂的 含量较易控制，并实现低成本及可连续化生产。
图1为连续纤维增强热塑性复合材料预浸带的制备工艺图；图中1为连续纤维束，2为连续纤维带，3为浸渍后的连续纤维带，10为纱架，11为 连续纤维卷，12为锭子支架，20为张力调节装置，21为排丝口，22为张力辊，30为静电消除 装置，40为预加热装置，50为张力调节装置，60为交错可开合双挤出模头组、61为挤出模 头、62为挤出模头、621为轨道运动装置，70为浸渍压延辊组、71为辊、72为辊、73为辊，80 为冷却辊压装置、81为上辊、82为下辊，90为卷绕装置；图2为交错可开合双挤出模头组示意图；图中61为挤出模头，62为挤出模头，63为与61配套的挤出机，64为与62配套的 挤出机，621为轨道运动装置，622为轨道。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。实施例1如图1 2所示，一种实施连续纤维增强热塑性复合材料预浸带的制备方法的设 备，该设备包括纱架10、张力调节装置20、静电消除装置30、预加热装置40、张力调节装置 50、浸渍压延辊组70、冷却辊压装置80和卷绕装置90，还包括交错可开合双挤出模头组60， 该交错可开合双挤出模头组60由挤出模头61、挤出模头62和轨道运动装置621组成，所述 的挤出模头61和挤出模头62间平行并与纤维带形成S形狭缝。纱架10主要用来放置连续纤维卷11。它的主要目的是将连续纤维束1从纤维卷 11上平行展开。纱架10上设有水平转动的锭子支架12，用于放置连续纤维卷11。为了控 制连续纤维束1从连续纤维卷上展开时的稳定性和张紧力的均勻性，每个水平转动的锭子 支架设有阻尼装置用来保证纤维的平行排列和张力的均勻性。为了进一步保证从纱架10引出的连续纤维束1的均勻平行排列，且不产生扭曲或 变形，设计了张力调节装置20，由排丝口 21和张力辊22组成。排丝口使从纺纱架引出、展 开的连续纤维束1均勻平行排布，保证厚度的均勻性和不变形。调节张力辊22的交错角度 可调节纤维的张力。在经纱架10引出和张力装置20展开的过程中，连续纤维带2由于无法避免的摩 擦会产生静电，从而造成起毛，影响产品的质量和生产的连续性。因此在平行排布的连续纤 维带进入烘箱进行预热前设置静电消除装置30用来消除纤维表面的静电。为了实现平行排列的连续纤维带的完全浸润，必须保证纤维带在与熔融树脂接触 时的温度处于树脂的熔融温度和表面处理剂破坏温度之间，从而保证纤维在与熔融树脂接 触时不会造成树脂基体在纤维的表面结晶而结膜影响纤维的浸润。用于纤维预热的加热方 式包括电加热方式或红外加热方式，为提高加热的效率，本发明中采用红外加热方式，经预热装置40预热到一定温度的平行排列的连续纤维带经张力调节装置50的调整，达到平行 和得到预定张力的目的。经张力调节装置50调整后的平行排列的连续纤维带导入交错可开合双挤出模头 组60，与其中的一个挤出模头61接触并产生一定的渗透压力，熔融的高温树脂对连续纤维 带进行预浸渍，接着连续纤维带的另一侧与另一挤出模头62接触并也产生一定的 渗透压 力，熔融的高温树脂对连续纤维带的另一侧进行预浸渍。熔融树脂的供料方式采用单螺杆 挤出机或双螺杆挤出机。采用双挤出机分别对双挤出模头61、62供料，其中模头61与其配 套的挤出机组成一体并相对生产线位置固定，而模头62与其配套的挤出机组成一体则设 置在轨道运动装置621上，随轨道运动装置621沿着与生产线平行的轨道移动，两模头间平 行并与纤维带形成S形狭缝，且生产时的间隔有固定的限位装置。通过控制模头62的位置， 可以进行穿丝及清理操作，大大提高可操作性。经过交错可开合式双挤出模头预浸渍的连续纤维带进入浸渍压延辊组70，它由辊 71、辊72和辊73组成，辊表面必须光滑洁净，减少树脂的粘附。三根辊为预浸渍的连续纤 维带提供足够张力，实现熔融树脂对纤维的完全浸渍。为保证纤维的完全浸渍，树脂必须处 于熔融状态，因此三根辊的表面温度需能使树脂处于熔融流动状态，对于结晶聚合物，三根 辊的表面温度应高于聚合物的结晶熔融温度。辊的加热方式包括热电偶电加热、导热油加 热或红外热辐射加热。为保证经过基体树脂完全浸渍的连续纤维带保持平整和光洁的表面，设置了冷却 辊压装置80。它由上辊81和下辊82组成，两根辊均采用通冷凝水的方式冷却，以保证结晶 树脂的结晶或保证非晶聚合物的冷却至玻璃化转变温度以下，实现熔融树脂的冷却凝固。 另外，通过调节上下两根辊的间距来控制最终预浸带的厚度。同时冷却辊压设备80中还设 有刀片对预浸带进行裁边，修正预浸带的宽幅，对切下的边角料能过其它途径进行回收再 利用。通过冷却辊压装置80后，预浸带再经过风冷或水冷，使整个预浸带的温度降到室 温即可通过卷绕装置90卷绕成筒状，便于包装、运输及贮藏。为了更好地描述本发明所提及的连续纤维增强热塑性复合材料预浸带制造方法， 现以连续玻璃纤维增强聚丙烯(PP)预浸带为实施例，进一步阐述本发明的特点和过程连续玻璃纤维卷(PPG公司45882400tex)安装在纱架10上的锭子12中，小心的将 纤维束牵引通过安装在纱架上的导丝孔，经导丝孔引出的纤维束通过张力调节装置20中 的排丝口 21，使纤维带平行均勻排布，避免纤维带间的相互交叉与磨损。然后平行排布的连 续纤维带穿过张力辊22，给纤维带施加一定的张力保证纤维的初步分散。经静电消除装置 30消除产生的静电。连续纤维带的预热装置40采用红外烘箱，连续纤维带预热到温度230°C，经预热 的连续纤维带经张力调节装置50导到挤出模头61，待穿丝完成后再将挤出模头62滑行进 入预定位置，两模头共作用产生一定的渗透压力，熔融的聚丙烯树脂对连续纤维带进行预 浸渍，本实施例采用的聚丙烯为燕山石化的7726，所采用的挤出机为单螺杆挤出机。挤出模 头的温度设置在230°C，保证熔融的聚丙烯树脂具有较低的黏度。通过交错可开合式双挤出模头组60预浸渍的连续纤维带导入浸渍压延辊组70， 所包含的辊71、辊72和辊73的温度都设定在210°C，保证了聚丙烯树脂具有较低的黏度和流动性，实现熔融树脂对纤维的完全浸润。
经过浸渍压延辊组70完全浸渍后的连续纤维带导入冷却辊压装置80冷却定型， 上辊81和下辊82均通有冷凝水，两辊的间隙调节到0. 3mm。连续纤维带经冷却定型辊定 型冷却后得到厚度为0. 3mm，表面光滑浸渍完全的连续玻璃纤维增强热塑性聚丙烯预浸带。 最后，经风冷却至25°C，再卷绕成卷后进行包装，就可得到连续纤维增强热塑性聚丙烯预浸 带产品。
权利要求
连续纤维增强热塑性复合材料预浸带的制备方法，该方法包括以下步骤将连续纤维从纱架(10)上的连续纤维卷(11)中引出并展开，再依次经过张力调节装置(20)、静电消除装置(30)、预加热装置(40)、张力调节装置(50)后得到预热的连续纤维带，导入交错可开合双挤出模头组(60)进行预浸渍，将预浸渍后的连续纤维带导入浸渍压延辊组(70)进行浸渍，然后经冷却辊压装置(80)冷却定型，最后导入牵引卷绕装置(90)卷绕成型，即得到连续纤维增强热塑性复合材料预浸带；其特征在于，所述预热的连续纤维带导入交错可开合双挤出模头组(60)，该交错可开合双挤出模头组(60)包括挤出模头(61)、挤出模头(62)和轨道运动装置(621)，连续纤维带与挤出模头(61)接触并产生与纤维带平面相垂直的渗透压力，使熔融的热塑性树脂对连续纤维带的一侧进行预浸渍，连续纤维带的另一侧与挤出模头(62)接触并产生同样的渗透压力，使熔融的热塑性树脂对连续纤维带的另一侧进行再浸渍。
2.根据权利要求1所述的连续纤维增强热塑性复合材料预浸带的制备方法，其特征在 于，所述的连续纤维卷(11)中的纤维包括无机纤维，有机纤维或金属纤维；所述的热塑性 树脂选自聚烯烃类树脂、热塑性聚酯类树脂、聚酰胺类树脂、聚碳酸酯树脂或其他通用树脂 中的一种或几种。
3.根据权利要求2所述的连续纤维增强热塑性复合材料预浸带的制备方法，其特征在 于，所述的无机纤维包括玻璃纤维或碳纤维，有机纤维包括芳香族聚酰胺纤维或超高分子 量聚乙烯纤维，金属纤维包括不锈钢纤维；所述的聚烯烃类树脂包括PP或PE，热塑性聚酯 类树脂包括PET、PTT或PBT，聚酰胺类树脂包括尼龙6、尼龙66、尼龙12、尼龙1212或尼龙 612，其他通用树脂包括PVC、PS或HIPS。
4.根据权利要求1所述的连续纤维增强热塑性复合材料预浸带的制备方法，其特征在 于，所述的纱架(10)上设置能水平转动的锭子支架(12)，该锭子支架带有阻尼装置，通过 张力调节控制连续纤维均勻展开。
5.根据权利要求1所述的连续纤维增强热塑性复合材料预浸带的制备方法，其特征在 于，所述的张力调节装置(20)由排丝口(21)和张力辊(22)组成，排丝口(21)使从纱架 (10)上引出展开的连续纤维带均勻平行排布，张力辊(22)调节连续纤维带的张力。
6.根据权利要求1所述的连续纤维增强热塑性复合材料预浸带的制备方法，其特征在 于，所述的预加热装置(40)采用红外加热方式或电加热方式加热。
7.根据权利要求1所述的连续纤维增强热塑性复合材料预浸带的制备方法，其特征在 于，所述的浸渍压延辊组(70)由辊(71)、辊(72)和辊(73)组成，浸渍压延辊组(70)采用 热电偶控制加热，导热油加热或红外热辐射加热。
8.根据权利要求1所述的连续纤维增强热塑性复合材料预浸带的制备方法，其特征在 于，所述的冷却辊压装置(80)由上辊(81)、下辊(82)和刀片组成，上辊(81)和下辊(82) 采用通冷凝水的方式冷却，调节上辊(81)和下辊(82)的间距来控制预浸带的厚度，刀片对 预浸带进行裁边，修正预浸带的宽幅。
9.一种实施如权利要求1所述的连续纤维增强热塑性复合材料预浸带的制备方法的 设备，该设备包括纱架(10)、张力调节装置(20)、静电消除装置(30)、预加热装置(40)、张 力调节装置(50)、浸渍压延辊组(70)、冷却辊压装置(80)和卷绕装置(90)，其特征在于，还 包括交错可开合双挤出模头组(60)，该交错可开合双挤出模头组(60)由挤出模头(61)、挤出模头(62)和轨道运动装置(621)组成，所述的挤出模头(61)和挤出模头(62)间平行。
10.根据权利要求9所述的连续纤维增强热塑性复合材料预浸带的制备方法的设备， 其特征在于，所述的挤出模头(61)与其配套的挤出机组成一体并相对生产线位置固定，所 述的挤出模头(62)与其配套的挤出机组成一体并设置在轨道运动装置(621)上，随轨道运 动装置(621)沿着与生产线平行的轨道移动，所述的挤出模头(61)和挤出模头(62)间的 间隔由限位装置固定。
全文摘要
本发明涉及连续纤维增强热塑性复合材料预浸带的制备方法及设备，该方法包括以下步骤(a)将连续纤维从纱架(10)上引出并展开，再依次经过张力调节装置(20)、静电消除装置(30)后，送至预加热烘箱(40)预热，然后经张力调节装置(50)；(b)将预热后的连续纤维带导入交错可开合双挤出模头组(60)进行预浸渍；(c)将预浸渍后的连续纤维带导入浸渍压延辊组(70)进行浸渍，然后经冷却辊压装置(80)冷却，最后导入牵引卷绕装置(90)卷绕成型，即得到产品。与现有技术相比，本发明显著提高了纤维的分散性、可浸润性及可操作性，得到纤维分散均匀和浸渍完全的连续纤维增强热塑性复合材料预浸带。
文档编号B29K27/06GK101856872SQ20091004897
公开日2010年10月13日 申请日期2009年4月8日 优先权日2009年4月8日
发明者孙波, 解廷秀 申请人:上海杰事杰新材料股份有限公司