专利名称：使用纤维垫加工纤维强化复合材料的设备及制造方法
技术领域：
本发明涉及使用纤维垫(mat)制造纤维强化复合材料的方法，用于制造高性能纤维强化复合材料物品，并涉及制造纤维强化复合材料的设备。
特别地，本发明针对一种通过使至少两种结合和编织在一起的长纤维和短纤维经受加热和压挤或者冷却制造多功能纤维强化复合材料的方法，其特征在于，使用选择性地含有任何一种无机强化纤维的至少两种热塑性树脂纤维，来制造复合材料垫或复合材料板材、和轻质绝热泡沫复合材料板，其尽管没有另外使用化学发泡剂，但由于辊子压挤复合材料板时非熔融的纤维或者强化纤维的固有弹性而发泡形成了泡孔(cell)；并针对一种用于制造纤维强化复合材料的设备。
背景技术：
如本领域内普通技术人员所公知，已经开发出可以通过结合和编织至少两种不同类型的材料而展现新的功能的所谓纤维强化复合材料，其具有轻的重量、高的特征强度和高弹性模量，具有增强的机械性能。因此，纤维强化复合材料已经广泛地应用于要求强度、硬度和耐久性的各个工业领域，譬如飞机、船舶和汽车的结构部件、以及电气和电子部件。
作为所述复合材料的一个代表例，提出了一种纤维强化聚合物(FRP)复合材料，包括一种玻璃纤维强化的热固性不饱和聚酯树脂，以及一种纤维强化的热塑性聚合物(ERTP)复合材料。
FRP复合材料具有优于金属的功能，并且可以用在上述的应用中。特别地，FRP复合材料在单向模制后可以用作具有高弹性模量的弹性材料。
然而，FRP复合材料的耐冲击性和断裂韧性等物理性能不佳，并且不利的是它只能够在有限的条件下使用，并且不是可回收的。
然而，FRTP复合材料避免了FRP复合材料的上述问题，并且进一步地能够替代汽车部件中的金属。
例如，主要用于汽车中的内部装饰和非结构性部件的FRTP复合材料，能够用于要求抗冲击性和高强度的车底盘、以及不同外装饰。而且，与FRP复合材料比较，FRTP复合材料可以经受与金属模制加工类似的冲压模制加工。因此，FRTP复合材料的生产率高并且可以比金属更加自由地设计，结果是越来越多地用于各种工业领域。
因此，FRTP复合材料应当制备成可冲压的平面板材，适用于各种模制物件的模制加工中。为此目的，典型地，使强化纤维与作为基质树脂的粉末或者颗粒型的热塑性树脂结合，并且对其进行加热和模制。但是，在这样的情况下，由于存在不同的材料相，所以难以均匀地结合这两种材料。还有，在结合后，在多个处理工艺过程中，树脂粉末或者颗粒可能易于与强化纤维分离。从而，强化纤维不是均匀地分散在基质树脂中，从而难于制造要求稳定的质量的成品。
关于制造可冲制板材(stampable sheet)的方法，由本发明人拥有的韩国专利10-296229号揭示了一种制造性能提高的纤维强化复合材料的方法和设备。在上述专利中，用离心力把作为基质树脂的热塑性树脂纤维与强化纤维结合，以制造具有随机取向基质纤维的复合材料垫，用具有多个加热辊和冷却辊的上述设备使其熔融并压制而成。还有，在改变辊轴之间的角度时，熔融的基质树脂被均匀地分布和浸渍进强化纤维中。从而增加了基质和强化纤维之间的界面间粘合力，以连续地提供具有优良的物理特性且厚度均匀、表面光滑度卓越的可冲压的纤维强化复合材料板。特别地，为补充由于只是随机取向的强化纤维而不足的硬度，通过使用制造可冲压板材的设备在复合材料垫的顶面、底面和侧面叠加单向强化纤维，从而使纤维强化的复合材料的性能提高。
本发明进一步地改进了上述专利，并且以韩国专利10-173440号的“用于制造可冲压的纤维强化复合材料板材的设备”的技术构思为基础。在该专利中，可以通过可选择地控制熔融树脂中的热滞后因素的熔流方向使得在均匀厚度和高度表面光滑性方面有优势的泡沫复合材料具有高性能。
在这点上，日本专利公开号平6-47737公开了一种用于制造冲压板材的设备，包含一树脂挤压机，用于挤压/馈给熔融聚丙烯树脂至连续的玻璃纤维板材与具有分散的短玻璃纤维的聚丙烯板材之间；一返回传送带，用于在传输聚丙烯板材、熔融聚丙烯树脂和连续的玻璃纤维的同时竖直地对其进行挤压和叠层；一加热炉，用于通过加热叠层的板材把熔融的聚丙烯浸渍到连续的玻璃纤维板材中，以形成整体的叠层板材；和一冷却炉，用于冷却加热了的板材。如上所述，当熔融的聚丙烯被挤压进板材时，附加地需要挤压机。另外，其难以在连续的板材的整个表面上均匀地涂覆熔融的树脂。
这既不能够借助于传送带确保有选择地控制板材厚度，也不能确保成品的致密地粘接的结构和均匀的表面光滑度。另外，所述加热炉和冷却炉是腔室形的，并且没有设置用于加热和冷却后再控制产品的厚度的附加装置。
另外在日本专利公开号平5-285947中，公开了一种用于制造纤维强化复合材料板材的设备，其包含三个料斗，用于分别地容纳热塑性树脂颗粒、强化的短纤维和玻璃泡材(glass blown)(空心的颗粒)；一分发容器，用于把从每个料斗馈给的材料分发到液体中；一流浆箱(headbox)，用于从分发的液体中去掉水；一个通过移动进流浆箱在其上形成纸网的网格；一个热空气干燥器，用于干燥纸网；和一个连续的压机。然而上述专利因为使用颗粒或者短纤维，所以难以处理材料。而且不能够通过使用该设备处理连续的纤维或者长纤维。而且可能产生尘屑并且使工作环境变得非常糟。因为材料分开地馈给到设备并且在其中分发，所以需要附加的脱水装置，从而可能发生水污染。
而且，在日本专利公开号平5-16137中公开了一种用于制造纤维强化复合材料板材的设备，包含一个用于制备附着树脂的纤维束的具有分开形成的上层、中层和下层的流动层装置；用于切割纤维束的上旋转切割器和下旋转切割器；一个连续的传送带，用于传送从中流动层装置馈送的附着在连续的厚垫附着的纤维束的顶部和底部的切割了的附着树脂的纤维束；一个加热装置；以及一个冷却装置。然而，该加热装置采用电加热系统或者热空气循环系统，其中加热辊的轴是固定的。从而不能够改变熔融的热塑性树脂的热滞后因素的熔融流动方向。从而不能够均匀地浸渍熔融树脂。而且，难于控制板材张力，导致复合材料板材的厚度和表面光滑度不均匀。另外，由于冷却装置采用吹风系统或者用固定的引导辊的冷却系统，所以难于控制加热了的板材的最后厚度。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种通过加热和压挤、或者冷却复合材料垫的工艺制造纤维强化复合材料的方法，所述复合材料垫通过均匀地结合和编织至少两种类型强化纤维和作为基质的热塑纤维而得到的，其特征在于，可供选择性地改变熔融的树脂的热滞后因素的熔融物流动方向，以制造可以用于各种工业领域的、具有均匀的厚度和表面光滑度的泡沫复合材料垫或者板材。
本发明的另一个目的是提供一种用于制造纤维强化复合材料的设备。
为了达到上述目的，本发明提供一种通过加热和挤压复合材料垫来制造具有高强度的纤维强化复合材料的方法，该复合材料垫包含结合和编织在一起的强化纤维和作为基质树脂的热塑性纤维，该方法包含步骤使热塑性纤维和强化纤维原纤维化(fibrillating)；编织(matting)原纤维化的热塑性纤维和强化纤维，以制备一热塑性纤维熔合复合材料垫；通过相继地在该复合材料垫顶面、底面和侧面上加以各种层片来制备加层的复合材料垫，并且然后加热该加层的复合材料垫，以制备由于强化纤维的固有弹性而具有发泡的泡孔的高性能纤维强化复合材料板材。
另外，本发明提供一种用于制造高强度纤维复合材料的设备，包含一热塑性纤维和强化纤维的原纤维化装置；一复合材料垫制备装置，用于通过处理原纤维化的纤维使热塑性纤维熔合；一加层复合材料垫制备装置，用于相继地在该复合材料垫顶面、底面和侧面上加以各种层片；以及一纤维强化复合材料板材制备装置，用于加热该加层的复合材料垫，以由于强化纤维的固有弹性而形成具有发泡的泡孔。
如此，上述的纤维原纤维化装置包含一个传送部分，用于把纤维传送到预定的位置；一原纤维化滚筒，用于使传送来的纤维原纤维化；一个动力产生部分，用于转动原纤维化滚筒；一个抽吸部分，用于把原纤维化的纤维吸入进一个管道中；一个称重部分，用于通过均匀地把吸取的纤维落入进一个分发部分中来控制馈送的纤维的量；一个设置在称重部分上的传感器，用于检测要馈送到馈送辊的原纤维化的纤维的量。
而且，复合材料垫制备装置包括一个传送部分，用于把原纤维化的热塑性纤维传送到一个预定的位置；一对馈送辊，用于馈送或者支持传送的热塑性纤维；一个邻接于馈送辊的结合和编织滚筒，用于凭借分布了针的辊子的快速转动使从馈送辊馈送的纤维原纤维化，和一个移动件(walker)，用于提高纤维的结合率。
还有，复合材料板材制备装置包括压挤辊，用于安全地接收制备的复合材料垫；一个置于传送部分上方的运行滚筒，用于把压挤了的复合材料垫传送到一个预定的位置；邻接于运行滚筒的板材辊；加热压挤辊，用于加热和压挤经预热区递送的、具有不同纤维类型的复合材料垫；和一个冷却/发泡部分，用于冷却和高度发泡经压挤辊递送的复合材料垫。
从下面参照附图的详细说明可以更加清楚地理解本发明的上述目的和其它目的、特征和其它的优点，在附图中图1表示本发明的复合材料垫馈送设备；图2表示用于制造本发明的纤维强化复合材料板材和绝热复合材料板材的设备；图3是本发明中使用的复合材料垫的预热设备的示意图；图4是本发明中使用的压挤区的示意图；图5是本发明中使用的冷却区的示意图；图6是本发明中使用的压力控制装置的示意图；而图7是本发明的一种辅助设备的示意图。
具体实施例方式
现在参见附图，其中在不同的图中用相同的标号指代相同的或者相似的部件。
图1示出一种根据本发明的复合材料垫馈送设备。如图1中所示，该复合材料馈送设备包括一原纤维化机构10、一结合机构20、一称重机构30、一编织机构(webber machine)40和一针刺(needle-punching)机构50。
在该图中，原纤维化机构10具有一个传送部分，用于把要使用的纤维传送到预定的位置，其中传送部分包括一个传送带11，用于定时地传送称重的两种类型的纤维；一个原纤维化滚筒12，用于把传送带11传送来的纤维适当地原纤维化；一个抽吸部分13，用于平稳地把原纤维化的纤维抽吸进管道14中；一个分散部分21，使得吸入管道14中的纤维能够均匀地落入其中；以及第二动力产生装置和抽吸部分22，用于把分散和落下的纤维馈送到下文的编织机构40。
这样，从有效和连续地馈送纤维材料以及降低复合材料的制造成本的角度而言，优选在原纤维化机构10中使用预定含量的切割了的纤维，而不是连续纤维。
在原纤维化机构10中，按照预定的比例加载基质纤维和强化纤维，并且把基质纤维和强化纤维馈送到均化区以通过离心力均匀地结合加载的纤维。然后编织结合的纤维，并且把规定量的编织的纤维传送到馈送部分，并且把编织了的纤维分发进编织机构40。
在原纤维化机构10中使纤维原纤维化并且编织了以后，复合纤维垫要求的每装置面积量是0.5-10kg/min，并且优选地是1-6kg/min。因此，将优选量的编织纤维送至编织机构40在本发明中，考虑到与编织机构40的兼容性，专一地使用常规的可冲压板材制造工艺，其中在称重机构30中超过所要求的量的两种类型的纤维自动地引入到第二抽吸部分22，从而增加了经济效益和制造方便性。
为了增加纤维的分散性并且防止其在称重机构30的料斗中偏心，在具有吸取的纤维的料斗的上端的双侧都装备有分离设备31，并且具有对吸取的纤维进行分类的作用。在使用有机强化纤维制备了复合材料垫以后，编织机构40的编织滚筒42以300-1000rpm的转速转动，并且同时进行使纤维原纤维化和编织纤维的工作。然而在滚筒高速转动时基质树脂的熔融纤维废料附着在分布于滚筒42中的针上，从而工作效率降低，因此难于以高的转速转动滚筒。
编织滚筒42中所要求的转速在500至800rpm内变化。在使用无机强化纤维的情况下，使用该转速编织纤维的工艺更加有效。因此，能够同时使用有机纤维和无机纤维的优化的转速落在800-900rpm的范围。
为使用复合材料垫馈送设备制备具有随机取向的单向纤维的复合材料垫，在上述馈送设备上附加地安装该编织机构40。从而提高了复合材料物件的物理性能(抗拉强度和抗冲击强度)。
在复合材料垫馈送设备中，传送的纤维经过水平振动分离器(stripper)31均匀地分散进入料斗中。可以通过一个安装在料斗上部的附加的传感器馈送适当量的纤维。从而馈送的纤维经过馈送器41递送并且然后引入能够高速旋转的编织滚筒42，以形成纤维均匀分布的复合材料垫，然后由传送带传送经过压挤辊43，并且然后传输到针刺机50。
馈送到针刺机构50的垫的厚度是可以依据编织滚筒42和传送带的旋转频率有选择地控制的。当切割纤维强化的复合材料板材的边缘时剩余的纤维经过一个附加地安装在辊43下部的抽吸部分重新引入第二纤维馈送装置中。
在由于高转速下缠结的纤维的磨擦作用使纤维熔合在分布于旋转的滚筒的内壁上的针上的情况下，纤维的重量分布的均匀性下降。还有，在滚筒长时间运行后，大量的熔融纤维熔合在针上。在去除熔合纤维以后再重新运行所述滚筒。
因此，编织机构40会更加有效和更加适合于大规模制造，并且会易于挥发(volatilize)纤维。另外，当向编织机构40提供以预定的量结合的复合材料垫时，可以根据转速计算其重量。
在恒定的转速下，包含在编织机构40中原纤维化的纤维丛状态的复合材料垫是150-2000mm厚。当把这样的复合材料垫引入针刺机构50时，这种复合材料垫的厚度太厚以至于不能馈送。因此，这样的复合材料垫要经压挤辊43递送并且被传送带51压挤，以减小纤维垫的体积。这样减小了体积的纤维垫就易于被馈送到针刺机构50中了。
对于用于制备纤维强化复合板材和轻质绝热板材的复合材料垫，应当使纤维被有效地结合且被均匀地分散。为使纤维分散和分布均匀，另外设置两个复合材料垫馈送设备和两个针刺机构。首先，在复合材料垫馈送设备的滚筒中进行结合和编织纤维的操作，并且然后在针刺机构中形成体积恒定且具有均匀结合的纤维的均化的垫。
在将处于纤维丛状态的复合材料垫直接馈送给到连续的传送带情况下，由于纤维不固定所以难于制造均匀的复合材料板材。从而在能够固定纤维和减少其体积的针刺机构50中，对处于纤维丛状态的复合材料垫进行穿孔，由此降低纤维丛的体积并且均匀地控制纤维垫的体积。然后把这样处理的纤维垫馈送到加热区。这样凭借辊子的压力使树脂固定。
没有经针刺机构50递送的复合材料垫处于体积大的状态，类似于棉花卷。因此，当这样的纤维垫经红外线加热板A130递送时，垫可能损坏加热器，或者可能在与加热器发生接触后燃烧。然而，在经预热区和加热板递送时通过使用针刺机构50减小了纤维的固有收缩量，因此增加了复合材料板材的均匀性。而且，因为减少了体积，所以复合材料垫不会损坏加热器，并且在与加热器发生接触时燃烧的风险也降低了。
而且，垫是通过使用针穿孔的，因此减少了经编织机构40递送的复合材料垫的体积变化。
就针刺机构50而言，穿孔板52以500-1000次/分钟的频率工作。基于纤维的特性，可选择地设定穿孔频率并且控制传送速度，结果可以方便地调节复合材料纤维垫的基本重量和厚度。
在受到穿孔处理后的复合材料垫中，穿孔频率影响孔的尺寸和纤维的缠结。例如，随着穿孔频率增加，可以竖直地使折叠的纤维缠结。因为复合材料垫粘结良好，即使将其馈送到连续的传送带也能够保持复合材料垫中纤维缠结的状态。
当图中未示出的预热室的预热温度高于基质纤维的玻璃转变温度(Tg)时，纤维的结晶度降低并且纤维变得皱缩。当穿孔频率低时，复合材料垫较少缠结，并且从而发生原纤维化的现象。
然而，如果复合材料垫是刚性地粘着的，则即使是通过使用传送带51压挤它也不会被扰乱。而且，由于在垫中存在大量的孔，所以在预热区中热空气可以循环到垫的内部。从而在压挤和加热复合材料垫以后，易于熔融和浸渍基质树脂，以便形成复合材料板材。
从编织机构40馈送的复合材料纤维垫的重量、尺寸取决于旋转频率、强化纤维的类型和量。还有，复合材料垫的厚度基于穿孔板52的穿孔频率。垫的硬度和弹性与穿孔板52的针号相关联。
这样，为了取走穿孔板52中的断针，在第一预热区A100上装备一个具有高的磁性强度的电磁装置，起取走断针的作用。从而最小化断针对复合材料垫和轻质绝热板材的质量和安全性的负面作用，以及对连续的不粘污传送带(stainless belt)工作的负面影响。
转而参见图2，图中示出一种根据本发明的复合材料板材和轻质绝热板材的制造设备的总体结构，其中，轻质绝热板材是利用纤维的固有弹性由复合材料板材制造而成，并且称为类泡沫(pseudo-foamed)的复合材料板材。
上述的制造设备包含复合材料垫的预热区A100和A200、压挤区B100、B200和B300、冷却区C100和C200，以及其它辅助设备D100、D200、D300和D400。
预热区负责在传送带压挤区内熔融和浸渍复合材料垫的纤维。用于去除纤维中的水和油的设备是第一预热区A100，其中应当使热充分地传导到有复杂结构的复合材料垫的内部。
为了有较为有效的模制工艺，复合材料垫应当在受到压挤处理前由红外线加热板A210充分地预热。从而加热复合材料垫需要的时间短，从而通道长度减少。
如上所述，预热区可以起将热传导到复合材料板材内部的作用。而且，还使用了一种热空气循环部分A110，与红外线系统(加热)配合，可以完成对纤维的均匀热传导。
加热室的温度一般是80-250℃，然而该温度可以随着用于制备复合材料垫的树脂纤维的类型而改变。通过预热到100-200℃的空气可以去除在复合材料垫中的水，并且水的含量在0.01-0.2％的范围。另外上述的热经一个在图中未示出的热空气排出管道回收到余热回收系统，并且可以在以后重新利用。
干燥了的、具有预热了的热塑性纤维的复合材料垫经上和下传送部分递送。如此，使用的传送带以聚四氟乙烯网格带A120为例，所述聚四氟乙烯网格带A120具有利用空气抽吸循环系统使空气从带的上部循环到带的下部的作用。为了防止微纤维在预热设备中燃烧，使用一种过滤器过滤尘屑和微纤维。复合材料垫的后部由红外线加热器直接加热。
在高温下，复合材料垫的表面层中的有机基质纤维，例如聚丙烯纤维或者尼龙纤维熔化，其部分被氧化，因而复合材料的折叠处皱缩并且强化纤维的取向结构可能被破坏。因此复合材料板材在其物理特性上退变。
在本发明中，通过有效的能量控制和连续操作，红外线加热器的加热时间缩短了。循环热空气从加热板A130的上部吹到下部，从而红外线加热器不与尘屑或者微纤维发生接触。因为红外线加热板A130易于控制在一位置上，所以能根据复合材料垫的厚度调节红外线加热板A130的上和下位置。因此热可以传导到复合材料垫的内部，并且可以根据生产速度调节升高或降低所述的上和下位置。
例如，为了增加生产率，在使用导热率低的碳纤维(CF)作为复合材料垫中的强化纤维的情况下，把红外线加热板A130定位在邻接垫，从而可以快速地加热垫。在此情况下，为了使热损耗最小，采用热空气循环系统，并且用过的热循环到抽吸管道而且在以后重新使用。
如此，为了确保管道工作的稳定性，设置一半永久性的过滤网，以去除含在经垫递送的热空气中的短纤维或者细尘屑。
为了赋予复合材料垫各种功能，在复合材料垫的表面层上叠层一聚丙烯膜。从而当无纺的纤维或者编织的材料粘附到纤维强化复合材料上以制备汽车的内部或外部装饰时，粘着性增加了。另外，在复合材料垫的表面上形成图案或者大理石样的材料作成多层结构，并且提供漂亮的表面。而且安装一卷绕机D100以将用于结构材料的各种板材应用于垫上。
通过使用本发明的制造设备，复合材料板材的厚度选择性地确定在0.5-10mm的范围。而且，还保持了0.3-10m/min的制造速率，并且可以进一步制备泡沫复合材料板材。
同时，用于制备复合材料板材的热塑性树脂的例子有聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、尼龙6、尼龙66、尼龙10、聚酰胺、维尼纶、聚酯，或者其结合物。而且，可以在热塑性树脂中另外添加增塑剂、热稳定剂、光稳定剂、填充物、着色剂、颜料、抗冲击提高剂、润滑剂等。
制备绝热板材所需要的强化纤维使用无机纤维，譬如玻璃纤维、碳纤维、硼纤维等；以及有机纤维，譬如尼龙6、尼龙66、尼龙10、维尼纶、芳族聚酰胺、聚酯等。在需要时，这些纤维可以组合使用。
在本发明中为了通过保持热滞后来有效地进行热传导，可选择地控制辊间的间隔，如下文的表1中所示。在作为基质的热塑性纤维与加热到约200℃的无粘污的连续传送带发生接触时，熔融热塑性树脂的热滞后因素沿垂直于熔融物流动方向的方向改变，从而熔融的热塑性树脂可以浸渍到复合材料垫的内部。
在熔融的热塑性树脂浸渍到缠绕的纤维强化物内部的同时，强化物表面的树脂的湿度增加。而且，因为树脂浸渍到复合材料垫的内部，所以可以制造有高强度的纤维强化复合材料。
利用强化纤维的弹性，可以制造泡沫纤维强化复合材料。就是说，在编织滚筒中结合和挥发热塑性基质纤维和纤维强化物，以使这两种类型的纤维缠绕，从而在三维结构中保持纤维的取向结构。结合的复合材料垫在被分布的针穿孔的同时被固定，并且有预定的厚度。尽管辊之间的间隔逐渐地减小，但是保持从辊子施加在连续的传送带上的压力。因此，基质树脂熔融并且浸渍进复合材料垫中。这样，当瞬时地将压力撤离被压在传送带上的强化纤维时，由于强化纤维的固有弹性，所以缠绕的强化纤维可以类似于化学泡沫材料那样发泡，以制造类泡沫纤维强化复合材料板材。
泡沫复合材料被制成3-20mm厚的成品板材，比重是0.5-0.9g/cm3，并且最终用作轻质绝热板材。例如在引入第一压挤区B100内以前，在编织机构40中编织的复合材料垫是250mm厚。在被辊压挤以后，通过使用针刺机构50使复合材料垫的厚度进一步降低到约50mm。当压挤这样的50mm厚的垫时在传送带上施加30巴或者更大的压力。只要按照初始厚度的变化降低10％的厚度时，就再需要1巴或者1巴以下的压力。
当作为复合材料垫的基质树脂的聚丙烯树脂没有熔融时，难于进行厚度控制。从而在连续的工艺中对传送带且然后对辊子施加高的压力。
压挤区起控制施加的压力的作用，在压挤区上安装一个滑块B160以保持常压，从而易于进行压挤区B100的竖直操作。在这样的竖直操作以后，在高度控制部分以及滑块B160上安装弹簧，使得在传送带上施加恒定的压力。初始压力设定到约60kg/cm2。当压力高于初始压力时，就有垫厚的情况。
通过弹簧张力调节厚度。随着压挤改变的弹簧张力取决于压挤条件，所述压挤条件示于下面的表1中。
表1厚度和弹簧张力的关系(最终厚度3mm)
*PP/PET的加工条件传送带的表面受辊子压挤，辊子被加以弹簧张力。在用弹簧张力压挤以后，复合材料垫按照传送带表面温度被不同地熔化。
当在220℃的传送带温度下进行压挤处理时，复合材料垫的厚度远小于其初始厚度。如果大量地使用不熔融的基质纤维和强化纤维，厚度变化可以变小。在垫的厚度超过了辊间的间隔时，垫受到较大的弹簧张力。
这样，当弹簧的压力设定到预定级别时，传送带就不可以自由地运动。从而，鉴于传送带的速度和复合材料垫中熔融的树脂的熔融率，压挤力稍微减少。用一种设计的辊子系统达到连续地压挤传送带，并且考虑压力分布来重新设计压挤装置的结构。
例如在高的压力下使用杆棒型压挤装置压挤棉板。然而，在使热塑树脂熔化的情况下，在相对低的压力下优选使用辊子的压挤系统。
现在转而参见图4，图中示意地示出本发明中使用的挤压区。
如图4中所示，在通过使用压挤辊使经第一压挤区B100递送的复合材料垫保持在预定的厚度时，传送带的热传导到复合材料垫。在第二压挤区B200，作为基质树脂的热塑性树脂纤维熔融且浸渍进入强化纤维中。
在第二压挤区B200中，以直线排列的形式设置压挤辊和红外线加热板B210。基质树脂应当在第二压挤区B200中在高温下完全地浸渍进入强化纤维中。另外在第三压挤区B300中，当温度条件保持得如同在第二压挤区B200中那样的同时，可进一步地提供压力条件。因此，复合材料垫的孔隙度达到最小，或者热塑性树脂被充分地浸渍和浸湿。在经过厚度控制部分冷却垫时，可以制备高性能的复合材料板材。进一步地，重新加热复合材料板材并且加宽冷却区C100和C200的辊子之间的间隔。这样，由于强化纤维的固有弹性，所以可以制备高性能的类泡沫轻质绝热板材。
另一方面，在常规的纤维强化复合材料中用纤维作强化物的情况下，一直在使用着长度达25mm的短纤维。然而，短的强化纤维导致预定应力下无效的应力传递，从而强化效果差。
为了提高强化作用，优选使用长纤维作为强化纤维，而不是短纤维。这样，长纤维具有30mm或者以上的长度，特别地具有50mm或者以上的长度。纤维长度取决于复合材料的类型或者其用途。
依据纤维的长度，复合材料显示出不同的物理特性，譬如硬度、尺寸稳定性和耐热性。还有，上述特性受填充纤维的量、模制纤维的长度、纤维的分散状态和取向状态影响。常规地，纤维强化的复合材料具有随机分散的纤维强化物，并且因此强化纤维的分布只沿水平方向随机分散。因此，常规复合材料的抗冲击强度超过所要求的水平。然而，在本发明中，由于借助于使用离心力的复合材料垫馈送设备随机地确定强化纤维的方向，所以强化纤维缠绕以显示三维编织效果。
就是说，提供了显示出编织效果的方法，所述方法使用与编织类似的技术，因为通过直接编织纤维来制备纤维强化复合材料的方法生产率低。常规地，当强化纤维在基质树脂中随机地取向时，纤维沿水平方向形成。从而纤维没有竖直的取向，并且从而显示有限的强度。而在本发明中，基质和强化物都用作为纤维相，并且结合使用离心力，因此纤维沿水平方向卷绕。同样，10-20％的纤维沿竖直方向卷绕，以形成一种三维动态的结构。从而纤维强化的复合材料显示出高强度和高的张力状态。
复合材料的物理特性受基质和强化物的特性以及基质与强化纤维之间的粘着度即界面特性的显著影响。复合材料的接合起从基质向纤维传递应力或者外部冲击能量的变化的作用。因此，界面特性比较重要。
对制备的复合材料板材进行再加热(加热温度240℃或者以上)，并且熔融、膨胀和冷却其中的树脂以形成泡沫复合材料板材。在用于模制工艺的复合材料编物中，含有20-40％(体积百分含量)的具有大恢复力的无机强化纤维，有含量在30％(体积百分含量)或者以上的有机强化纤维。
图5示意地示出本发明中使用的冷却区。
如图5中所示，冷却区C100和C200包含被冷却的用于泡沫复合材料垫的磁性辊C110、冷却辊C120、空气冷却器C130和红外线加热器通道C140。
通过经第二冷却区C200递送来制造复合材料板材，同时，当磁性辊C110之间的间隔超过适用于凭借强化纤维固有弹性的类似泡沫工艺的厚度时，就得到了泡沫的轻质绝热板材。
例如，因为聚丙烯(PP)纤维的弹性低，并且碳纤维(CF)和玻璃纤维(GF)具有高的弹性模量，所以相互结合的纤维的缠绕导致泡沫复合材料板材所要求的较高的弹性。在使用有机强化纤维制备泡沫轻质绝热板材后，显然可通过泡沫的条件和适当量的譬如强化纤维之类的发泡剂实现最佳的板材表观。
为了进行发泡工艺，经红外线加热通道C140递送的复合材料垫应当充分地预热到其内部。在发泡工艺以后，纤维由于其固有弹性而膨胀和发泡。因此发泡的泡孔(cell)具有小的尺寸，并且可以保持均匀的分布。
在不使用预热工艺的情况下，进行较长时间的复合材料垫的熔融、加热和压挤处理。因此，为了提高发泡效率，压挤传送带应当设定到相对高的温度。当提高传送带的表面温度时，与聚丙烯纤维结合的碳纤维和玻璃纤维凭借其固有弹性而发泡，从而自然地进行发泡过程。然而，因为作为基质树脂的聚丙烯纤维被处理到高于其熔点温度的温度，所以聚丙烯纤维退变。因此，基质的强度变低，并且得到的泡沫复合材料板材不能满足所希望的绝热板材的要求。
由于冷却速度取决于泡沫层的厚度而不同，当冷却时，有热传导性的泡沫绝热复合材料的表层易于冷却，但是冷却其核心层所需要的时间却相当长。
典型地，辊子通过使用外部馈给的冷却水而显示冷却功能。然而由于辊子与传送带发生接触的表面小，所以冷却效率低。因此绝热板材难于保持成板形。因此，在本发明中采用了快速降低传送带温度的工艺。
在这种情况下，当急剧地降低传送带的温度时，复合材料垫可能由于其表面层和核心层之间的不同的热膨胀系数而损坏，从而降低了垫的物理强度，譬如抗冲击强度。因此，应当注意，借助于自然空气循环系统来冷却传送带表面。
也就是说，当快速冷却传送带后，复合材料垫沿着由于热膨胀系数不同而形成的细裂纹处的物理特性退化。因此，为了以恒定的速率冷却传送带，采用冷却空气循环系统。
而且冷却速率涉及纤维强化复合材料的生产率。也就是说，纤维强化复合材料的绝热特性是基于强化纤维材料，而冷却区的总长度与绝热特性成比例。因此考虑到冷却效率提供了3-5个空气循环冷却器C130。
图6示意地示出了在本发明中使用的压力控制装置。
如图6中所示，第一压挤区B100包含上辊B110和下辊B120、弹簧B130、高度控制部分B140、蜗轮B150、滑块B160和滑道B170。上辊B110补偿滑块B160中的竖直运行和摇动振动。设置弹簧B130以对辊子施加恒定的弹性力。进一步，分别地设置一个控制器，用于通过弹簧B130的压力向辊子施加适当的压力。
在每个上辊B110的左方和右方设置两个弹簧B130，以防止辊B110的水平振动并且当超载时保证其满意的工作。当使用一个整数值或者多个整数值表示弹簧B130的弹力时，设定高于预定量的压力施加到传送带上。
借助于扭力计表示为恒定数值的两个弹簧B130的弹力设定到预定级别。所述弹力根据压力装置的位置按照上述表1设定，并且设定的值依据各种材料而不同。
在不同位置上的复合材料垫的厚度不同，但是可以通过在弹簧B130的弹力作用下压挤传送带和熔融复合材料垫来控制其厚度。作为复合材料垫的基质树脂的热塑性树脂纤维在垫中的含量为60％(重量百分比)或更大。在用弹簧B130的弹力压挤垫以后，分散和浸渍熔融了的树脂，并且因此保持所要求的厚度和重量分布。在具有较大变化的过载的情况下，由于厚度变化会使弹簧B130的弹力增加。
例如，在正常状态的情况下，10mm厚的复合材料垫对应于60kg/cm2施加在传送带上的弹簧压力。另外，由于厚度变化增加0.5mm后的垫厚度10.5mm对应于80kg/cm2施加在传送带上的弹簧压力。
当在传送带上施加高压力时，邻接于传送带表面熔融的基质树脂浸渍进复合材料垫内。这样，可以肯定弹簧的长度减少了。通过辊子的压挤过程，基质树脂易于熔融并沿着与传送带的传送方向相反的方向浸渍。
在150kg/cm2的高压力下，可以沿与传送带的传送方向相反的方向安排纤维，不然就可能干扰纤维的传送操作。这种情况下，承载块可以形成为可滑动的类型，从而传送工作变得容易。
为了满足这样的条件，按照上述的表1所示调节第一压挤区B100中的辊间的间隔。复合材料垫的厚度可以根据传送带的表面温度、压挤压力以及熔融和浸渍垫所要求的压力来控制。
当在压挤区中由辊子固定的复合材料垫承受一减少厚度的压力时，在每个辊中设置的滑块B160的弹簧弹力施加在垫上。从而恒定地保持复合材料垫的光滑度和厚度。
图7示意性示出本发明的各种辅助设备。在图2中示出的作为辅助设备的卷绕机D100起在复合材料垫上叠加层膜或者无纺纤维的作用。如图7所示，冷却辊D200赋与向冷却的复合材料织稳定性的作用，以及通过冷却使得易于切割复合材料垫的作用。进一步地，设置一个能够把垫切割到预定的尺寸的切割装置D300，和一个能够传送切割了的复合材料垫的传送装置400。
工业应用性如上所述，本发明提供一种使用复合材料纤维制造纤维强化复合材料的方法，和一种制造纤维强化复合材料的设备。在本发明中，使用热塑性纤维替代粉末或者珠粒型热塑性树脂作为复合材料的基质。这样的热塑性纤维在高旋转速度下与强化纤维结合和编织，以制备复合材料垫。即使在存储或者运输垫以后，它也可以在任何时候熔融成为纤维强化复合材料板材。另外，由于在强化纤维和基质树脂之间的均匀的粘接力，所以通过模制具有均匀分散的纤维的复合材料垫而得到的本发明的纤维强化复合材料板材料在接合粘着度上是优越的。因此可以制造具有高强度的纤维强化复合材料。
而且，不论是强化物还是基质都是纤维相的。因此，当通过使用复合材料垫馈给设备以高转速结合强化纤维和基质纤维时，纤维自行地支持的并且具有与三维结构类似的取向。因此，由复合材料垫制造的复合材料板材的抗冲击强度增强。还有，因为纤维相被同时用作基质和强化物，所以在制备的复合材料垫中的纤维相基质的分散状态是良好的。同时，初始分散的纤维能始终保持其物理特性。从而易于处理该复合材料垫。在开始熔融时，热塑性微纤维互相粘着到强化纤维上，从而增加了接合粘接度并且提高了强度。
使用热塑性树脂纤维作基质树脂和强化纤维来制备复合材料垫，使用制造设备使所述复合材料垫形成纤维强化复合材料板材。该复合材料板材使用加层薄膜或者单向强化纤维之类的加层片加层，以得到性能提高的纤维强化复合材料。另外，在制造复合材料板材以后，复合材料板材在受辊子压挤的同时凭借其固有的弹性而膨胀，从而得到具有提高了性能的纤维强化复合材料板材。另外，制造复合材料板材以后，在受辊子压挤的同时，复合材料板材由于其固有的弹性而膨胀，从而得到具有卓越的绝热特性以及尺寸和分布均匀的泡孔的泡沫轻质绝热复合材料板材。
尽管为阐述的目的揭示了本发明的优选实施方式，但本领域内普通技术人员将会理解可以有各种修改、补充和替代，而不偏离所附权利要求书中揭示的本发明的范围和精神。
权利要求
1.一种制造纤维强化复合材料的方法，通过加热和压挤一复合材料垫使所述纤维强化复合材料具有高强度，所述复合材料垫包含结合和编织在一起的强化纤维和作为基质树脂的热塑性纤维，所述方法包括以下步骤使所述热塑性纤维和所述强化纤维原纤维化并结合，以形成所述复合材料垫；使所述复合材料垫分散并挥发；以及针刺经分散和挥发的复合材料垫，以在所述垫中的所述强化纤维的取向是固定的情况下，增加在所述垫中的所述强化纤维的分散性，并且保持在所述垫中的所述纤维的卷绕纤维形状和三维结构。
2.如权利要求1所述的方法，其中，还包括在所述针刺步骤以后使所述复合材料垫在一预热区中预热、熔化、在一挤压区中挤压和模制、并在一冷却区中冷却的步骤，以获得一复合材料板材。
3.如权利要求2所述的方法，其中，还包括对通过所述挤压区的复合材料板材重新加热的步骤，以增加其厚度和宽度，从而凭借所述强化纤维的固有弹性而获得类泡沫复合材料板材。
4.如权利要求3所述的方法，其中，通过一连续的不粘污传送带和一磁性辊来增加所述复合材料垫的厚度和宽度。
5.一种用于制造具有高强度的纤维复合材料的设备，包含一原纤维化和结合装置，用于使强化纤维和作为基质树脂的热塑性纤维原纤维化并结合，以形成一复合材料垫；一分散和挥发装置，用于使所述复合材料垫分散并挥发；和一针刺装置，用于针刺经分散和挥发的复合材料垫，以在所述垫中的所述强化纤维的取向是固定的情况下，增加在所述垫中的所述强化纤维的分散性，并且保持在所述垫中的所述纤维的卷绕纤维形状和三维结构。
6.如权利要求5所述的设备，其中还包含一对上辊和下辊，用于熔化、挤压和模制由连续的不粘污传送带传送的、通过所述针刺装置的复合材料垫；以及一具有弹簧装置的压力控制装置，用于加热和挤压所述辊，使得热塑性树脂纤维熔化，并且通过所述辊使熔化的热塑性树脂浸渍到所述强化纤维中，并且用于防止热塑性树脂没有熔化时所述辊过载。
全文摘要
本发明公开了一种使用复合材料纤维垫制造多功能纤维强化复合材料的方法及制造设备，其中使用至少两种类型的热塑性纤维和强化纤维制造复合材料垫或者复合材料板材，以及通过在用辊子挤压复合材料板材的同时由于强化纤维的固有弹性而具有发泡孔的轻质绝热板材。所述方法包含使所述热塑性纤维和强化纤维原纤维化和结合以形成复合材料垫，使所述复合材料垫分散和挥发，以及针刺经分散和挥发的复合材料垫。然后，使复合材料垫在预热区中受预热、在挤压区中受挤压和模制，并在冷却区中受冷却，以产生复合材料板材。可选择对复合材料板材重新加热，以凭借强化纤维的固有弹性获得类泡沫复合材料板材。
文档编号D04H1/72GK1622872SQ02828670
公开日2005年6月1日 申请日期2002年4月11日 优先权日2002年4月11日
发明者徐德铉, 催炯基, 李湧茂 申请人:卡拉姆技术株式会社