一种连续纤维增强热塑性树脂的制备方法及装置与流程

本发明涉及一种连续纤维增强热塑性树脂的制备方法及装置。

背景技术：

连续纤维增强热塑性树脂是一种增强纤维单向排布且其长度与树脂颗粒长度相等的增强型热塑性复合材料。与热固性树脂基复合材料相比，热塑性树脂基复合材料具有更好的比刚度、比强度、抗冲击、抗蠕变性能以及重量轻、可回收利用等特点，受到市场的广泛关注。而与短切纤维增强热塑性树脂基复合材料相比，连续纤维增强树脂基复合材料因其增强纤维在树脂基体中是连续的，因此力学性能更优，已被广泛应用于航空航天、交通运输、建筑材料、工业设计以及体育用品等行业，成为复合材料开发和研究的热点。

制备连续纤维增强热塑性树脂基复合材料的最大难题是如何使高粘度(一般超过100pa·s)的树脂熔体均匀、充分地浸渍到纤维束中。目前制备连续纤维增强热塑性树脂基复合材料的方法有：熔融浸渍法、溶液浸渍法、混纤纱法、原位聚合法、薄膜层叠法等，熔融浸渍法因其工艺过程简单、易于工业化等特点，成为制备连续纤维增强热塑性树脂复合材料最常用工艺方法。熔融浸渍法是利用热塑性树脂的熔融特性，先将连续纤维束预分散，预分散后的纤维束通过充满熔融聚合物的浸渍模具中，纤维束在一定的张力和压力作用下得到分散浸渍。因此，除了浸渍模具的设计，纤维束预分散程度也对预浸料浸渍质量的有很大影响。纤维束预分散是指利用扩纤技术将纤维束沿径向均匀展开，并尽量减少展开过程中纤维断裂。目前常用的展丝扩纤方法有机械装置分丝法、气流分丝法、超声水浴分丝法、声波扩纤法等。

在公开号为cn102002787a的中国发明专利中，提到了一种采用碳纤维丝束展开的机械分丝装置，该装置包含放丝、加热、扩纤以及收卷等装置，通过压辊展开纤维，通过带点金属辊为碳纤维加热；美国专利us007536761也公布了与此类似的一种碳纤维分丝和加热装置。公开号为cn103343444a的中国发明专利中，提到了采用超声波扩纤方法展开碳纤维丝束的装置，该装置中装有化学溶液，碳纤维丝束进入溶液中，在导纱辊牵引作用下，通过超声波频率的变化带动溶液共振进而展开碳纤维束。在公开号为cn102505242a的中国发明专利中，公开了一种由放料辊、气动展开装置、引导辊和收料辊组成的展丝装置，通过将机械装置和气动分丝结合进行纤维分散。在公开号为us5057338的美国专利中，提到了一种纤维束通过气流型腔进行分丝的气动分散装置。

现有分丝装置和公开的专利有以下不足：1.很多分丝装置仅针对碳纤维丝束设计，对玻璃纤维丝束作用不大；2.采用单纯的机械分丝装置容易导致纤维损伤，产生浮纤、毛刺等；3.机械装置和气流分丝相结合可以有效减少纤维损伤，但是气流分丝波动较大，对于纤维单丝之间均匀性难以保证。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术和方法中存在的问题，提供一种连续纤维增强热塑性树脂的制备方法及装置。

本发明所提供的一种连续纤维增强热塑性树脂的制备方法，包括如下步骤：

1)连续纤维束经过导向轮后通过纤维分散与预热装置进行预分散和预热；

2)预分散和预热后的连续纤维束经导向轮进入相对设置的静电场上极板和静电场下极板之间，所述连续纤维束受高压静电场力的作用二次分散；

3)经过高压静电场后的连续纤维束进入熔融浸渍模具，二次分散后的连续纤维束在熔融浸渍模具中得到热塑性树脂熔体充分浸渍；

4)充分浸渍的连续纤维束通过冷却定型装置冷却定型，并在牵引装置的牵引下连续生产。

优选地，连续纤维束选自玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维或者玄武岩纤维中的至少一种。

优选地，热塑性树脂熔体选自聚乙烯、聚丙烯、尼龙、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氨酯、聚甲醛中的至少一种。

根据本发明所提出的连续纤维增强热塑性树脂的制备方法，连续纤维束经过预分散和预热后进入高压静电场中，在高压静电场中受到静电场力作用二次分散，纤维束中单丝之间的分散均匀性更好，分散后的连续纤维束在熔融浸渍模具中受到熔体浸渍。通过改变上、下极板之间的距离和高压静电发生器的输出电压，可以控制静电场强弱，改变玻璃纤维所受静电场力大小和分散情况，制备出连续纤维增强热塑性复合材料预浸料或预浸带。

本发明提供了一种连续纤维增强热塑性树脂的制备装置，包括预分散及预热装置、导向轮、静电场上极板、静电场下极板、高压静电发生器、熔融浸渍模具、挤出机、冷却定型装置和牵引装置，在导向轮和熔融浸渍模具之间设置有静电场上极板和与该静电场上极板正对的静电场下极板，所述静电场上极板通过上导线与高压静电发生器连接，所述静电场下极板通过下导线接地。其中，静电场上极板、静电场下极板、高压静电发生器与上导线和下导线共同组成高压静电场分丝装置。所述静电场上极板、静电场下极板之间高压静电场的电场压力由高压静电发生器控制。静电场上下极板之间垂直距离在5cm-30cm之间可调。高压静电发生器输出电压在10kv-100kv之间可调。静电场上极板和静电场下极板所用材料为铝箔、铝、铁、铜等金属导电材料中的一种。

优选地，静电场上极板和静电场下极板之间垂直距离在10cm-20cm之间调节。上下极板之间距离过小容易发生击穿，距离过大静电场作用力太弱。

优选地，高压静电场的电场压力在10kv-60kv之间调节。当静电场压力小于10kv，静电场作用力太弱，对分散贡献不大；静电场压力高于100kv，容易发生击穿。

与现有技术相比，本发明所提的连续纤维增强热塑性树脂的制备方法及装置有以下优点：

1.本发明提供的连续纤维增强热塑性树脂的制备方法及装置中对连续纤维束采用机械分丝和静电场分丝相结合，装置结构简单易实现。

2.本发明可通过改变高压静电发生器的输出电压和上下极板之间的距离调节纤维束所受的静电场力，连续调节方便。

3.纤维束中单丝受到静电场作用力，单丝之间相互作用力使分散更均匀，制备出的复合材料预浸料纤维分散良好；此外，纤维丝束由于静电场作用，使得纤维与聚合物熔体表面结合更容易。

附图说明

图1是本发明连续纤维增强热塑性树脂熔融浸渍装置示意图。

图2是纤维束1穿过静电场上极板5和静电场下极板6之间的示意图。

图中，1、连续纤维束；2、导向轮；3、预分散及预热装置；4、导向轮；5、静电场上极板；6、静电场下极板；7、导线；8、高压静电发生器；9、导线；10、熔融浸渍模具；11、挤出机；12、冷却定型装置；13、牵引装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。

本发明的连续纤维增强热塑性树脂的制备装置包括：预分散及预热装置3、导向轮4、静电场上极板5、静电场下极板6、上导线7、高压静电发生器8、下导线9、熔融浸渍模具10、挤出机11、冷却定型装置12和牵引装置13；静电场上极板5、静电场下极板6正对放置，静电场上极板5通过上导线7与高压静电发生器8连接，静电场下极板6通过下导线9接地。其中，静电场上极板5、静电场下极板6、高压静电发生器8与上导线7和下导线9共同组成高压静电场分丝装置。所述静电场上极板5、静电场下极板6之间高压静电场的电场压力由高压静电发生器8控制。

根据本发明的装置的一个实施方式，静电场上极板5和静电场下极板6的形状为长方形薄板，静电场上极板5和静电场下极板6之间垂直距离在5cm-30cm之间可调；高压静电场的电场压力由高压静电发生器8控制，静电场电压在0-100kv之间可调；静电场上极板5和静电场下极板6所用材料为铝箔、铝、铁等金属导电材料中的一种。

本发明所提供的一种连续纤维增强热塑性树脂的制备方法，包括如下步骤：

1)连续纤维束1经过导向轮2后通过纤维分散与预热装置3进行预分散和预热；

2)预分散和预热后的连续纤维束1经导向轮4进入相对设置的静电场上极板5和静电场下极板6之间，所述连续纤维束1受高压静电场力的作用二次分散；

3)经过高压静电场后的连续纤维束1进入熔融浸渍模具10，二次分散后的连续纤维束1在熔融浸渍模具10中得到热塑性树脂熔体充分浸渍；

4)充分浸渍的连续纤维束1通过冷却定型装置12冷却定型，并在牵引装置13的牵引下连续生产。

根据本发明的方法的一个实施方式，静电场上极板5和静电场下极板6之间的垂直距离可在5cm-30cm之间调节；静电场强度由高压静电发生器8调节；连续纤维束1通过导向轮4后在牵引力作用下从静电场上极板5和静电场下极板6中间穿过静电场。

根据本发明的方法的一个实施方式，连续纤维束1选自玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维或者玄武岩纤维中的至少一种；

根据本发明的方法的一个实施方式，所述热塑性树脂熔体选自聚乙烯、聚丙烯、尼龙、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氨酯、聚甲醛中的至少一种。

根据本发明所提出的连续纤维增强热塑性树脂的制备方法，连续纤维束1经过预分散和预热后进入高压静电场中，在高压静电场中受到静电场力作用二次分散，纤维束中单丝之间的分散均匀性更好，分散后的连续纤维束1在熔融浸渍模具10中受到熔体浸渍。通过改变上极板5、下极板6之间的距离和高压静电发生器8的输出电压，可以控制静电场强弱，改变连续纤维束1所受静电场力大小和分散情况，制备出连续纤维增强热塑性复合材料预浸料或预浸带。

实施例1

本实施例中的高压静电发生装置中静电场上极板5和下极板6的尺寸为100×150mm，所用材料为铝箔。高压静电发生器8为立奥(天津)科技有限公司生产的高压电源，可调电压为0-50kv。本发明所用静电场上极板5和下极板6之间的垂直距离采用10cm。

该连续纤维增强热塑性树脂的制备方法包括以下步骤：

(a)连续纤维束1经过导向轮2后通过纤维分散与预热装置3进行预分散和预热，预热温度为190℃。

(b)将所述步骤(a)处理后的连续纤维束1经导向轮4进入高压静电场上极板5和静电场下极板6之间，经过高压静电场后的连续纤维束1进入熔融浸渍模具10，通过挤出机11将塑化好的热塑性树脂熔体挤入熔融浸渍模具10；预分散后的连续纤维束1在熔融浸渍模具10中得到热塑性树脂熔体充分浸渍。挤出机11加料段加热温度190℃，塑化段加热温度210℃，均化段和挤出机头温度为230℃，熔融浸渍模具10的加热温度230℃；

(c)将所述步骤(b)处理后的连续纤维束1和热塑性树脂熔体通过冷却装置12进行冷却定型，在牵引装置13的牵引下连续生产，制备得到所述连续纤维增强热塑性树脂。

步骤(a)中，连续纤维束1为玻璃纤维。

步骤(b)中，热塑性树脂熔体为聚丙烯。

所述步骤(b)中高压静电场电压在10kv-30kv之间调节。

所述步骤(c)中牵引装置(13)的牵引速度2m/min。

吸水率是反映浸渍程度的重要指标，根据gb/t1462-2005《纤维增强塑料吸水性试验方法》，针对本实施例所制备的每组料条垂直于轴向截取长50mm±1mm的样本5个；试样放进50℃±2℃的烘箱中干燥20h±1h，取出试样称量每个试样质量(m1)，精确至0.001g；随后将试样浸入温度为23℃±0.5℃的蒸馏水中24h±0.5h，将试样取出用滤纸去除表面水分后再次称得试样质量(m2)，精确至0.001g；每组样条重复以上测试步骤，相对于试样质量的吸水百分率根据式计算可得。

层间剪切强度示反映聚合物和增强体表面结合的重要指标，根据astmd2344，在平板硫化机中将本实施例中制备的预浸料制备成厚h＝2mm，宽b＝4mm的标准测试样条，在拉力测试机上测试曾间剪切强度，加载点直径6mm，支撑点直径3mm，加载速度1mm/min，曾间剪切强度根据式计算可得。

拉伸强度是反映预浸料力学性能的重要指标，根据gb/t1477-2005《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》，将本实施例所制备的预浸料制备成厚度d＝4mm、中间平行段宽度b＝10mm的标准测试样条，并在拉力测试机上进行拉伸性能测试，拉力测试机夹具间距离115mm，加载速度2mm/min，拉伸应力根据式计算可得。试验数据请见下表1。

表1

未加静电场分丝所制备的预浸料性能参数如下表2：

表2

由上可见，采用本工艺预浸料吸水率明显下降，层间剪切强度和拉伸强度等力学性能也显著提高。

实施例2

本实施例连续纤维增强热塑性树脂的制备方法以及结果评价方法均与实施例一相同，其不同之处在于：本实施例中高压静电发生装置中静电场上极板5和下极板之间距离为30cm；高压静电发生器8输出电压40kv。本实施例中所用连续纤维束1为碳纤维，热塑性树脂熔体为聚丙烯。

所制备的预浸料性能参数如下表3所示：

表3

实施例3

本实施例连续纤维增强热塑性树脂的制备方法以及结果评价方法均与实施例一相同，其不同之处在于：静电场上极板5和下极板6之间的垂直距离采用20cm。本实施例中所用连续纤维束1为芳纶纤维，热塑性树脂熔体为尼龙。挤出机11加料段加热温度210℃，塑化段加热温度230℃，均化段和挤出机头温度为250℃，熔融浸渍模具10的加热温度250℃。

所制备的预浸料性能参数如下表4所示：

表4

实施例4

本实施例连续纤维增强热塑性树脂的制备方法以及结果评价方法均与实施例一相同，其不同之处在于：静电场上极板5和下极板6之间的垂直距离采用30mm。本实施例中所用连续纤维束1为玄武岩纤维，热塑性树脂熔体为聚乙烯。挤出机11加料段加热温度190℃，塑化段加热温度210℃，均化段和挤出机头温度为230℃，熔融浸渍模具10的加热温度230℃。

所制备的预浸料性能参数如下表5所示：

表5

实施例5

本实施例连续纤维增强热塑性树脂的制备方法以及结果评价方法均与实施例一相同，其不同之处在于：静电场上极板5和下极板6之间的垂直距离采用20cm，高压静电场工作电压30kv。本实施例中所用连续纤维束1为玻璃纤维，热塑性树脂熔体为聚乙烯。挤出机11加料段加热温度190℃，塑化段加热温度210℃，均化段和挤出机头温度为230℃，熔融浸渍模具10的加热温度230℃。

所制备的预浸料性能参数如下表6所示：

表6

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。