一种热塑性连续碳纤维单向带的生产设备及生产工艺的制作方法

本发明涉及一种热塑性连续碳纤维单向带的生产设备及生产工艺。

背景技术：

连续纤维增强热塑性复合材料cfrtp(continuousfiberreinforcedthermoplasticcompositespanels)该系列产品运用独特的工艺，生产出的产品具有高强度、高模量、高抗冲、耐疲劳、热稳定性好、耐腐蚀、低翘曲及环保可回收等优越性能。连续纤维增强热塑性复合材料常采用高温浸渍的方法进行制备。具体的方法是：连续纤维纱经放卷装置在张力牵引下导入一个具有特殊结构的浸渍模头，使用专用的挤出机将热塑性的塑料在高温、高压下熔化成液态树脂流，迅速通过浸渍模头的充分浸渍、粘和在预热过的单向连续纤维(丝或带)上，随即冷却定型成为具有一定刚性的连续纤维增强热塑性复合材料带。该制备方法存在以下缺点：连续纤维中的树脂含量不高、树脂种类单一，性能不稳定。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷而提供一种热塑性连续碳纤维单向带的生产设备及生产工艺，它有效保障了纤维单向带的生产质量。

实现本发明的目的的一种技术方案是：一种热塑性连续碳纤维单向带的生产设备，包括依序设置的纤维放卷装置、展纱机构、浸渍装置、压平机构、冷却板、裁边装置、牵引辊、两个废边收卷机、横向裁切机和收卷装置；其中，

所述纤维放卷装置包括机架、两组纱筒芯轴、两组导纱辊、两组导纱瓷眼、两组过渡纱辊和四个移动轮；所述机架包括由顶板、底板、前端板和后端板构成的矩形主框架、若干连接在顶板的横向中部和底板的横向中部之间的立杆和一块安装在前端板的外侧面上的支架板；两组纱筒芯轴各自以矩阵排列的方式背靠背地安装在所有的立杆的左、右侧面上；每组导纱辊的数量与每组纱筒芯轴的数量相同，两组导纱辊也各自以矩阵排列的方式背靠背地安装在所有的立杆的左、右侧面上，且每排导纱辊一一对应安装在每排纱筒芯轴的上方；每组瓷眼的数量与每组纱筒芯轴的排数相同，两组导纱瓷眼背靠背地安装在所述前端板的内侧面上，每组导纱瓷眼的间距与每组导纱辊的排距相同；每组过渡纱辊的数量与每组导纱瓷眼的数量相同，两组过渡纱辊背靠背地并与两组导纱瓷眼一一对应地安装在所述支架板的左右侧面上；四个所述移动轮各自安装在主框架的底板的四个角部；

所述展纱机构包括依序设置的第一导向辊、筘门、分纱牵引机、展纱过渡辊、震动辊、两个张力主动辊、两个张力浮动辊和第二导向辊；其中，

所述分纱牵引机包括上下设置的分纱压辊和分纱主动辊；所述分纱压辊为胶辊并连接在压紧气缸上；所述分纱主动辊由伺服电机驱动；

所述震动辊的两端辊轴各自安装超声振荡器，使震动辊的震幅为3～5mm；

两个所述张力主动辊与两个所述张力浮动辊前后交错设置；两个张力主动辊各自由伺服电机驱动；两个张力浮动辊均安装在高度调节机构上，以调节与两个张力主动辊的夹角；

所述第一导向辊、第二导向辊、分纱主动辊、展纱过渡辊、两个张力主动辊和两个张力浮动辊的材质均为表面经过氮化处理和镜面抛光的合金钢辊，且均采用电磁感应加热；

所述浸渍装置包括浸渍模头、出料模头和挤出机；所述浸渍模头包括下模和下模；所述上模包括上模板、各自固定在上模板的底面和顶面的上模芯的上加热板；所述上模芯的底面为呈波浪形的浸渍面；所述下模包括出料端与上模板铰接的下模板、各自固定在下模板的顶面和底面的下模芯和下加热板；下模芯的顶面为与上模芯的浸渍面相吻合的波浪形浸渍面，上模芯和下模芯扣合后构成浸渍型腔；所述下模的进料端设置一个缺口；所述出料模头连接在所述挤出机的出料口且头部伸到所述下模的缺口中，该出料模头包括后端固定在底座上的内模体和外模体，内模体的前部外侧面和外模体的前部外侧面均为斜面，外模体的前部外侧面上开设一个凹槽，该凹槽至外模体的头部之间构成模唇，由内模体的内侧面和外模体的内侧面之间的间隙构成与进入浸渍型腔的纤维束垂直的出料通道，该出料通道的中部由宽变窄而呈水滴形；

所述压平机构包括依序设置的一对定型辊、一对前冷却辊和一对后冷却辊，一对定型辊、一对前冷却辊和一对后冷却辊均由上下设置的上辊和下辊构成；上辊由液压站控制液压缸向下辊施压；

所述冷却板与一对定型辊、一对前冷却辊和一对后冷却辊均连接在同一个冷却水循环系统上；

两个废边收卷机一一对应地设在所述牵引辊的前方两侧；

所述收卷装置包括设在横向裁切机的前方的第一收卷机和第二收卷机；第一收卷机和第二收卷机各自由伺服电机控制收卷长度。

上述的热塑性连续碳纤维单向带的生产设备，其中，所述主框架的左右侧面上均安装移动门。

上述的热塑性连续碳纤维单向带的生产设备，其中，所述纱筒芯轴为机械式涨紧轴且带有张力调节器。

上述的热塑性连续碳纤维单向带的生产设备，其中，所述筘门安装在横幅调节机构上。

上述的热塑性连续碳纤维单向带的生产工艺，其中，所述浸渍模头水平放置或倾斜放置，放置角度为5～30°；所述上模通过气缸实现与下模开合，打开角度为5～60°。

上述的热塑性连续碳纤维单向带的生产设备，其中，所述出料模头的外模体上设置一个出料厚度微调机构，该出料厚度微调机构包括固定在凹槽内的微调块和插在外模体上开设的穿孔中并与微调块螺纹连接的微调螺丝。

实现本发明的目的的另一种技术方案是：一种热塑性连续碳纤维单向带的生产工艺，包括以下步骤：

1)牵引放纱：先根据产品的宽幅、厚度和纤维含量计算出所需的碳纤维纱的数量，接着将安装在纤维放卷装置的纱筒芯轴上的碳纤维纱经导纱辊、导纱瓷眼和过渡纱辊不断地被输送给后续设备，碳纤维纱在向后续设备输送的过程中，通过纱筒芯轴自带的张力调节器来自动调节碳纤维纱的放卷张力，张力调节范围为200～600n；

2)纤维展纱：将纤维纱引入到展纱机构中，通过第一导向辊引到筘门中，由筘门通过横幅调节机构进行横向排布和整定，最终具有一定的幅宽的碳纤维束，再依序引到分纱牵引机、分纱过渡辊、震动辊、两个张力主动辊、两个张力浮动辊和第二导向辊对碳纤维同时进行电磁加热展纱、震动展纱和多辊张力展纱；电磁加热展纱的温度为100～160℃，震动展纱的振幅为3～5mm，展纱的宽度为6～12mm；

3)纤维浸渍：经展纱后的碳纤维束引入浸渍模头的浸渍型腔中，将树脂颗粒输入挤出机中，由挤出机在高温、高压下熔化成液态树脂并经出料模头进入浸渍模头的浸渍型腔内，使热熔树脂与碳纤维束结合，在浸渍型腔里经过波峰、波谷产生的张力进行快速充分浸渍、粘和在碳纤维束的表面上，形成碳纤维片，浸渍模头通过上加热板和下加热板的加热温度为350～400℃；

4)压平和冷却：浸渍后的碳纤维片在一对定向辊、一对前冷却辊和一对后冷却辊的工作压力下，工作压力为10～16mpa，使碳纤维片材平整且厚度均匀，并在一对定型辊、一对前冷却辊、一对后冷却辊与冷却板的作用下，使碳纤维片的冷却温度递减至160℃、60℃、30℃、10℃，形成碳纤维单向带；

5)裁边：经冷却后的碳纤维单向带进入裁刀装置，裁刀装置将碳纤维单向带的两侧废边裁切掉，两侧废边各自经一个废边收卷机收卷；

6)成品收卷：经过裁边后的碳纤维单向带被牵引辊带到第一收卷装置收卷，待第一收卷装置将碳纤维单向带卷到预设长度时，警铃报警，自动启动第二收卷装置的伺服电机，同时横向裁切机将碳纤维单向带切断，并将碳纤维单向带卷到第二收卷装置的纸芯上，实现第二卷碳纤维单向带的收卷；最后手动停止第一收卷装置，吊走第一收卷装置上的成品卷，重新换上气胀轴和纸芯，等候下一次切换，实现连续换卷。

上述的热塑性连续碳纤维单向带的生产工艺，其中，所述树脂为pp聚丙烯、pa聚酰胺或peek聚醚醚酮。

本发明的热塑性连续碳纤维单向带挤出设备具有以下特点：通过在纤维放卷装置再过横向排布和整定，最终具有一定的幅宽；每个纱筒芯轴为涨紧轴且带有张力调节器，能对单个纱筒的张力进行控制，使几十根碳纤维纱以相同的速度和张力进入浸渍装置中；通过展纱机构对几十根碳纤维纱同时进行电磁加热展纱、震动展纱、多辊张力展纱，使碳纤维纱受到全方位均匀的预热，把带有上浆剂的纤维分散展宽，有效保证了纤维在树脂中的分散性、合理方向；通过浸渍装置使实现纤维和树脂的充分浸渍，降低孔隙率，无明显干纱或树脂分层现象，在浸渍模头的上模和下模上还均设有铸铜加热板，对上模和下模进行加热，温度可达200～400℃，使得浸渍型腔始终保持在一个适宜的温度，还在出料模头内设置加热棒，使进入浸渍型腔内的热熔树脂始终处于热熔状态，从而在纤维束上分散更为均匀，得到充分的浸渍。通过压平机构和冷却板，使碳纤维片材平整、厚度均匀。由本发明的生产设备及生产工艺保障了纤维单向带的生产质量，生产的热塑性连续碳纤维单向带具有强度高、韧性好、耐腐蚀、耐热性能高、抗蠕变、抗损伤、抗冲击等多方面的特性。

附图说明

图1是本发明的热塑性连续碳纤维单向带的生产设备的侧视图；

图2是本发明的热塑性连续碳纤维单向带的生产设备的俯视图；

图3是本发明的热塑性连续碳纤维单向带的生产设备中浸渍模头的剖面图；

图4是本发明的热塑性连续碳纤维单向带的生产设备中出料模头的剖面图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

请参阅图1至图4，本发明的热塑性连续碳纤维单向带的生产设备，包括依序设置的纤维放卷装置1、展纱机构2、浸渍装置3、压平机构5、冷却板6、裁边装置7、牵引辊8、两个废边收卷机9、横向裁切机10和收卷装置11。

纤维放卷装置1包括机架100、两组纱筒芯轴110、两组导纱辊120、两组导纱瓷眼130、两组过渡纱辊140和四个移动轮150；其中，机架包括由顶板、底板、前端板和后端板构成的矩形主框架、七根连接在顶板的横向中部和底板的横向中部之间的立杆和一块安装在前端板的外侧面上的支架板；两组纱筒芯轴110各自以四排七列的方式背靠背地安装在所有的立杆的左、右侧面上；每组导纱辊120的数量与每组纱筒芯轴110的数量相同为二十八根，两组导纱辊12也各自以矩阵排列的方式背靠背地安装在七根立杆的左、右侧面上，且每排导纱辊120一一对应安装在每排纱筒芯轴110的上方；每组瓷眼130的数量与每组纱筒芯轴110的排数相同为四个，两组导纱瓷眼130背靠背地安装在前端板的内侧面上，每组导纱瓷眼130的间距与每组导纱辊120的排距相同；每组过渡纱辊140的数量与每组导纱瓷眼130的数量相同为四根，两组过渡纱辊140背靠背地并与两组导纱瓷眼130一一对应地安装在支架板的左右侧面上；每根纱筒芯轴为机械式涨紧轴且带有张力调节器，能对单个纱筒的张力进行控制，张力控制范围为200～600n；主框架的左右侧面上均安装移动门，以杜绝生产时灰尘进入主框架；四个移动轮150各自安装在主框架的底板的四个角部，方便机架1移动。

展纱机构2包括依序设置的第一导向辊21、筘门22、分纱牵引机23、展纱过渡辊24、震动辊25、两个张力主动辊26、两个张力浮动辊28和第二导向辊29；其中，

筘门22安装在横幅调节机构(参见cn110202805a)上，能实现对碳纤维束的横幅方向调节，使碳纤维束的展纱宽度根据碳纤维含量和厚度调整，调节范围为6～12mm；

分纱牵引机23包括上下设置的分纱压辊231和分纱主动辊232；分纱压辊231为胶辊并连接在压紧气缸上；分纱主动辊232由伺服电机驱动；

震动辊24的两端辊轴各自安装超声振荡器，使震动辊25的震幅为3～5mm；

两个张力主动辊26与两个张力浮动辊27前后交错设置；两个张力主动辊各自由伺服电机27驱动，实现正转、反转、暂停互换；两个张力浮动辊28均安装在高度调节机构上，以调节与两个张力主动辊26的夹角，实现碳纤维的张力调节。

第一导向辊21、第二导向辊29、分纱主动辊232、展纱过渡辊24、两个张力主动辊26和两个张力浮动辊28的材质均为表面经过氮化处理和镜面抛光的合金钢辊，且均采用电磁感应加热。

浸渍装置包括浸渍模头3、出料模头40和挤出机4；其中，浸渍模头3包括下模和下模；上模包括上模板31、固定在上模板31的底面的上模芯32和安装在上模板31的顶面的上加热板33；上模芯32的底面为呈波浪形的浸渍面；下模包括出料端与上模板31铰接的下模板34、固定在下模板34的顶面的下模芯35和安装在下模板34的底面的下加热板36；下模芯35的顶面为与上模芯32的浸渍面相吻合的波浪形浸渍面，上模芯32和下模芯35扣合后构成浸渍型腔；下模的进料端设置一个缺口；浸渍模头3可以水平放置或倾斜放置，倾斜放置的角度为5～30°；上模通过气缸实现与下模开合，上模与下模的打开角度α为5～60°；出料模头40连接在挤出机4的出料口且纵截面呈锥形的头部伸入下模的缺口中，该出料模头40包括后端固定在底座上的内模体41和外模体42，内模体41的前部外侧面和外模体42的前部外侧面均为斜面，外模体42的前部外侧面上开设一个凹槽43，该凹槽43至外模体42的头部之间构成模唇，由内模体41的内侧面和外模体42的内侧面之间的间隙构成与进入浸渍型腔的纤维束200垂直的出料通道44，该出料通道44的中部由宽变窄而呈水滴形；外模体42上还设置了出料厚度微调机构，该出料厚度微调机构包括固定在凹槽43的后侧面上的微调块45和插在外模体42上开设的穿孔中并与微调块45螺纹连接的微调螺丝46。通过转动微调螺丝46，直到微调螺丝46的头部轻微接触到凹槽43的前侧面为止，由于外模体42的前部外侧面上开设了凹槽43，凹槽43的底面至外模体42的内侧面之间壁厚变薄，当微调螺丝46接触到凹槽43的前侧面时，模唇即能微微向内侧摆动，进而使模唇与内模体41的端头之间的间隙得到调节，籍此能调节热熔树脂的出料厚度，还能防止漏料。内模体41和外模体42均在出料通道44的一侧设置加热棒47；挤出机4为单螺杆挤出机或是双螺杆挤出机，与浸渍模头3垂直摆放。

压平机构5包括依序设置的一对定型辊51、一对前冷却辊52和一对后冷却辊53，一对定型辊51、一对前冷却辊52和一对后冷却辊53均由上下设置的上辊和下辊构成；上辊由液压站控制液压缸向下辊施压。

冷却板6与一对定型辊51、一对前冷却辊52和一对后冷却辊53均连接在同一个冷却水循环系统上。

两个废边收卷机9一一对应地设在牵引辊8的前方两侧。

收卷装置包括设在横向裁切机10的前方的第一收卷机11和第二收卷机12；第一收卷机11和第二收卷机12各自由伺服电机控制收卷长度。

本发明的热塑性连续碳纤维单向带的生产工艺，包括以下步骤：

1)牵引放纱：先根据产品的宽幅、厚度和纤维含量计算出所需的碳纤维纱数量，接着将安装在纤维放卷装置的纱筒芯轴110上的碳纤维纱依次经导纱辊120、导纱瓷眼130、过渡纱辊140不断地被输送给后续设备，碳纤维纱在向后续设备输送的过程中，通过纱筒芯轴110自带的张力调节器来自动调节碳纤维纱的放卷张力，张力调节范围为200～600n；

2)纤维展纱：将放卷后的碳纤维纱引入到展纱机构2中，通过第一导向辊21引到筘门22中，由筘门22进行横向排布和整定，最终具有一定的幅宽的碳纤维束，再依序引到分纱牵引机23、分纱过渡辊24、震动辊25、两个张力主动辊26、两个张力浮动辊28和第二导向辊29对碳纤维同时进行电磁加热展纱、震动展纱和多辊张力展纱；电磁加热展纱的温度为100～160℃，震动展纱的振幅为3～5mm，展纱的宽度为6～12mm；

3)纤维浸渍：经展纱后的碳纤维束200引入浸渍模头3的浸渍型腔中，选择合适的连续纤维增强热塑性树脂预浸料，如pp聚丙烯、pa聚酰胺或peek聚醚醚酮树脂颗粒输入挤出机中，由挤出机4在高温、高压下熔化成液态树脂并经出料模头40进入浸渍模头3的浸渍型腔内，使热熔树脂与碳纤维束200结合，在浸渍型腔里经过波峰、波谷产生的张力进行快速充分浸渍、粘和在碳纤维束200的表面上，形成碳纤维片，浸渍模头3通过上加热板33和下加热板36的加热温度为350～400℃；出料模头40通过加热棒42加热。

4)压平和冷却：浸渍后的碳纤维片在一对定向辊51、一对前冷却辊52和一对后冷却辊52的工作压力下，工作压力为10～16mpa，使碳纤维片材平整且厚度均匀，并在一对定型辊51、一对前冷却辊52、一对后冷却辊53与冷却板6的作用下，使碳纤维片的冷却温度递减至160℃、60℃、30℃、10℃，形成碳纤维单向带；

5)裁边：经冷却后的碳纤维单向带进入裁刀装置7，裁刀装置7将碳纤维单向带的两侧废边裁切掉，两侧废边各自经一个废边收卷机9收卷；

6)成品收卷：经过裁边后的碳纤维单向带被牵引辊8带到第一收卷装置11上收卷，待第一收卷装置11将碳纤维单向带卷到预设长度时，警铃报警，自动启动第二收卷装置12的伺服电机，同时横向裁切机10将碳纤维单向带切断，并将碳纤维单向带卷到第二收卷装置12的纸芯上，实现第二卷碳纤维单向带的收卷；最后手动停止第一收卷装置11，吊走第一收卷装置11上的成品卷，重新换上气胀轴和纸芯，等候下一次切换，实现连续换卷。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。