一种用于使单向纱扩幅的振动扩幅辊的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求于2012年12月20日提交的美国临时申请号61/739,809的优先权， 该临时申请通过引用结合到本申请中。
技术领域
[0003] 本发明涉及一种对用于纤维增强型复合材料的纤维束进行扩幅的方法和系统。
【背景技术】
[0004] 分别具有多个单丝的纤维束是公知的并被用于制造防弹纤维增强材料层和叠片。 可通过将纤维束在一个辊子或成组的辊子上张紧来使纤维束沿与单丝的方向垂直的方向 进行扩幅。但是，该张紧会使部分纤维断裂并由此降低该材料层或叠片的防弹性能。
【发明内容】
[0005] 根据本发明的一个示例的纤维加工系统包括具有在第一端部与第二端部之间沿 纵向方向延伸的扩幅辊的纤维扩幅器。扩幅辊具有位于第一端部与第二端部之间的至少一 个圆弧状表面，以及可操作用于使扩幅辊振动的至少一个机械振动装置。该至少一个机械 振动装置连接成用于在第一端部与第二端部之间的位置处将机械振动输入扩幅辊。
[0006] 上述实施例中的任何一者的另一个实施例中，至少一个机械振动装置由单个机械 振动装置组成。
[0007] 上述实施例中的任何一者的另一个实施例中，至少一个机械振动装置由连接成用 于在第一端部与第二端部之间的扩幅辊的中点处将机械振动输入扩幅辊的单个机械振动 装置组成。
[0008] 上述实施例中的任何一者的另一个实施例中，至少一个机械振动装置包括多个分 立的机械振动装置。
[0009] 上述实施例中的任何一者的另一个实施例中，至少一个机械振动装置包括连接成 用于在沿扩幅辊的不同分散位置处将机械振动输入扩幅辊的多个分立的机械振动装置。
[0010] 上述实施例中的任何一者的另一个实施例中，至少一个扩幅辊浸入到树脂浴中， 并且至少一个圆弧状表面具有一米或大于一米的跨距S。
[0011] 上述实施例中的任何一者的另一个实施例中，树脂浴的粘度为300-1200厘泊。
[0012] 根据本发明的示例的一种对至少一个纤维束进行扩幅的方法包括使至少一个张 紧的纤维束在第一端部与第二端部之间沿纵向方向延伸的扩幅辊的圆弧状表面上运动，并 在运动过程中，在第一端部与第二端部之间的位置处将机械振动输入扩幅辊，以便将所述 至少一个张紧的纤维束横向地扩幅和展平。
[0013] 上述实施例中的任何一者的另一个实施例包括在第一端部与第二端部之间的单 一、排他的位置处将机械振动输入扩幅辊。
[0014] 上述实施例中的任何一者的另一个实施例中，该单一、排他的位置位于第一端部 与第二端部之间的中点处。
[0015] 上述实施例中的任何一者的另一个实施例包括在第一端部与第二端部之间的中 点处将机械振动输入扩幅辊。
[0016] 上述实施例中的任何一者的另一个实施例包括在沿扩幅辊的多个位置处将机械 振动输入扩幅辊。
[0017] 上述实施例中的任何一者的另一个实施例中，沿扩幅辊的多个位置排除了扩幅辊 的中点。
[0018] 上述实施例中的任何一者的另一个实施例中，沿扩幅辊的多个位置关于扩幅辊的 中点对称。
[0019] 上述实施例中的任何一者的另一个实施例包括将机械振动输入扩幅辊以便产生 至少5000Hz的扩幅辊振动频率以及至少300镑的扩幅辊振动力。
[0020] 上述实施例中的任何一者的另一个实施例包括将机械振动输入扩幅辊并且产生 至少7000Hz的扩幅辊振动频率和至少300镑的扩幅辊振动力。
[0021] 上述实施例中的任何一者的另一个实施例中，至少一个张紧的纤维束在圆弧状表 面上的运动包括使并排的纤维束的纤网在圆弧状表面上进行覆盖跨距S的运动。
[0022] 上述实施例中的任何一者的另一个实施例中，跨距S为一米或大于一米，而圆弧 状表面则浸入到树脂浴中。
[0023] 上述实施例中的任何一者的另一个实施例中，树脂浴的粘度为300-1200厘泊。
【附图说明】
[0024] 本领域技术人员通过下文的详细描述将明了本发明的各种特征和优点。与所述详 细描述一并的附图可简述如下。
[0025] 图1示出了纤维加工系统的示例。
[0026] 图2示出了扩幅辊和位于扩幅辊的中点的机械振动装置的示例。
[0027] 图3示出了具有三个机械振动装置的扩幅辊的另一个示例。
[0028] 图4示出了具有两个机械振动装置的扩幅辊的另一个示例。
【具体实施方式】
[0029] 图1示出了用多个纤维束制造防弹单向性纤维增强复合材料薄板（也称作纤维单 层板）的纤维加工系统20的一个示例。每个纤维束包括多个单丝。若干单层可被层压在 一起以便例如制造多层防弹叠片，例如具有或不具有层压在外表面上的聚合物膜的2-层 0° /90°或4-层0° /90° /0° /90°构型。在这方面，纤维束可以是防弹纤维束，例如 芳香族聚酰胺纤维束或对位芳香族聚酰胺纤维束。
[0030] 在防弹的终端使用中，单层叠片和多层叠片的低的面密度以及重量的层对层标准 偏差对减轻重量和改善性能至关重要。为降低纤维面密度、使单丝分布更均匀、以及减小单 层中的重量的标准偏差，纤维束在加工过程中采用机械振动来扩幅。在这方面，纤维加工 系统20包括至少一个有助于使纤维束扩幅和展平的纤维扩幅器22。为进行描述，因此参考 在图1中显示的示例来描述纤维扩幅器22 ;但是，应该理解，纤维扩幅器22以及纤维加工 系统20的布置不限于所显示的示例并且其他纤维加工系统也将从本文的示例获益。
[0031] 在该示例中，纤维加工系统20构造成用于制造上述的单层。例如，该单层可包括 单向纤维束，例如芳香族聚酰胺纤维束或对位芳香族聚酰胺纤维束，将其嵌入到聚合物基 体中。例如，该聚合物基体可以是弹性块体共聚物PRINLIN B7137HV。对扩幅的对位芳香族 聚酰胺纤维束而言，该单层中的纤维面密度可低于50g/m2,干树脂含量的重量比在10%至 20%之间，使得所述单层的总面密度低于60g/m 2。可理解的是，纤维加工系统20可以构造 成用于加工其他类型和面密度的防弹纤维束。
[0032] 纤维加工系统20包括纤维束轴架24,纤维束24a从轴架24被牵引至纤维扩幅器 22。纤维扩幅器22包括扩幅辊26,也如图2所示，其在第一端部26a与第二端部26b之间 沿纵向方向延伸达跨距S。跨距S相对较长并且可以大于一米或等于一米、大致1. 3米、大 致1. 5米、或一米到两米之间，如下文将进一步描述的。在该示例中，扩幅辊26固定在一个 或更多个安装部件27上。安装部件27可以是刚性的安装部件或柔性的安装部件。柔性的 安装部件可以包括（例如）橡胶安装部件。扩幅辊26具有在第一端部26a与第二端部26b 之间的至少一个圆弧状表面28。可以以并排的纤维束24a的平行纤网的布置方式使纤维 束24a在至少一个圆弧状表面28上覆盖扩幅辊的整个或者大致整个跨距S来进行张紧并 且运动或受拉，不过一些纤维束24a可以重叠。
[0033] 至少一个机械振动装置30能够操作以使扩幅辊26例如以受控的预定频率振动。 例如，上述的振动可以是水平振动（沿着扩幅辊26的长度）、竖直振动（垂直于扩幅辊26) 或它们的组合。机械振动装置30可以是适合于将振动输入扩幅辊26的气动振动装置、电 磁振动装置或其他类型的振动装置。机械振动装置30连接成用于在第一端部26a与第二 端部26b之间的位置（表示为L)处将机械振动输入扩幅辊26。
[0034] 在该示例中，纤维扩幅器22或至少扩幅辊26或圆弧状表面28浸入到树脂浴32 中从而在将纤维束24a浸入到树脂浴32中的情况下进行扩幅。树脂浴的作用是用树脂浴 32处的基体树脂材料浸渍纤维束24a，基体树脂材料进而在加热器34中固化。在布卷36 上获取单层薄板。
[0035] 对同时处于树脂浴中并且覆盖较宽的纤网或跨距的纤维束进行扩幅会面临大量 困难。例如，该树脂浴中的树脂会抑制扩幅，并且在整个较长的扩幅辊上振动会不均衡，导 致在整个纤网上局部扩幅效果不良。但是，下文的示例能够提供更有效的扩幅效果（尤其 是对浸在较低粘度的树脂浴中的防弹纤维束而言）。
[0036] 在图2所示的例子中，具有单一、排他的机械振动装置30布置成用