专利名称：用于缠绕多股热塑性树脂浸渍纱线的装置和方法以及由此制得的产品的制作方法
技术领域：
本发明涉及缠绕纤维增强树脂产品，特别涉及缠绕多股热塑性树脂浸渍纱线而形成现场固化产品。
在型芯上缠绕单股热塑性树脂浸渍纱线的设备是已知的。然而，以这种方式来组合工件是既慢又贵的，因为它仅仅是一股浸渍纱线以低速进行缠绕。当人们试图进行比拟放大时，由于缠绕是以高速进行的，因此对多股这样纱线的控制遇到了障碍，因为在缠绕过程中需要将树脂加热到它的熔点，而这会引起聚合物粘附在导向器上，并使带宽失控、纱线起毛，造成不合格的可操作性和引起长丝断裂使机械性能变差。此外，由于未能将足够的热施加到多端系统上使聚合物熔化，因此除非对产品再进行后加热处理，否则所制工件的空隙率总不能达到令人满意的水平。而且，这些限制使最终的使用者不能获得由热塑性树脂浸渍纱线制造的低成本的改进产品。
根据本发明，一种现场固化的复合结构(即在结构的缠绕过程中能使结构固化，而无需在缠绕后进行固化处理)是由多股热塑性树脂浸渍纱线同时缠绕在型芯上而成的。其中这些多头纱线是以控制张力在这些纱线的极限拉伸强度的5%～50%的范围内，由供料源以一个平的均匀带状形式被输送到长丝缠绕机的往复滑架上，然后在以预定的螺旋缠路或短程缠路铺叠到旋转的型芯之前，此带子先穿过包括予热段、加热导向器和触点加热源的长丝缠绕机的“头”部分。
长丝缠绕机的头部被装在滑架供料臂的端部，此供料臂能移近或移离型芯，以便补偿旋转型芯的截面变化，红外(IR)带式加热器设置在机头上以便预热多头的浸渍纱线，加热器之长度及热强度被设计成能使热塑性树脂被加热到它的熔点或加工温度的±10℃的范围内。预热后的浸渍纱线然后穿过加热导向器，导向器的温度保持在热塑性树脂的熔点以上但低于热塑性树脂的分解温度，导向器尽可能地安装在靠近被缠绕工件的表面。必须对导向器进行加热以防止聚合物和纤维粘附在它的表面。为了在到达铺叠点之前能保持浸渍纱线的温度，使导向器的位置尽可能靠近被缠绕工件的表面是很重要的。
设置在机头最前部的是触点式加热源，它使工件表面保持足够高的温度，由此而对型芯进行加热和对被被缠绕表面进行直接加热，保证多股进入的浸渍纱线在铺叠点的配合表面处于熔融状态。此处热空气、明火及红外触点加热源均可被使用，而选择使用哪种热源则视纱线、热塑性树脂、型芯类型及操作速度而定。
在缠绕过程完成时，所有热源都被取消，冷郤工件，在温度降到室温后，可以容易地从型芯上取下工件，由此得到一个现场固化、空隙率小于6%的、无需后固化处理的工件。
图1是实施本发明的缠绕装置的示意性侧视图。
图2是图1的另一种实施装置的示意性侧视图。
图3是图1的又一种实施装置的示意性侧视图。
图4是图1所示的缠绕装置之机头的侧视图。
图5和图6分别为图2所示的缠绕装置机头的侧视图及前视图。
在图1～3中，实施本发明所用的纱线铺叠头通常用数字10标示，如图示它包括一个往复滑架12，和装在滑架上的一个可移近或移离旋转型芯16的供料臂14。往复架、供料臂及型芯构成型号为W60-16的三轴长丝缠绕机，它装备有N-210计算机(由威斯康辛州密耳瓦基市的McCleanAnderson提供)。供料臂14上装有红外加热器18、加热导向器20和明火加热器22(见图1)。
当滑架12相对于型芯16作轴向往复运动时，多股热塑性树脂浸渍纱线24被从装在旋转取纱纱筒架25上的多个供料纱筒26上拉出，纱线被拉出时需克服由一个与纱筒架连接在一起的装置(未画出)所产生的一定大小的反向张力(其大小为带子极限拉伸强度的5%～50%)以便控制在纱筒26上的未缠绕张力，该设置例如可以是由新泽西州西考德威尔市的补偿张力控制器公司(CompensatingTensionControls，Inc.)制造的800CO12型张力补偿器。
当纱线铺叠头相对于缠绕在型芯16上的结构移动时，多股热塑性树脂浸渍纱线24暴露在辐射加热器18(由明尼苏达州明尼亚波利斯市的Research公司制造的5535型辐射加热器)下。这些加热器将热塑性树脂加热到在它的熔点温度的10℃范围内，然后多股纱线穿过加热导向器20。该导向器在最佳实施方案中是一个铝制的具有硬的阳极化处理表面的涂有聚四氟乙烯的环形眼。该导向器用电热带式加热器20a(例如型号为MBIEIJNI的MI带式加热器)包上，因而能将热塑性塑料加热到高于它的熔点而低于它的分解温度的范围内，显然该分解温度必须低于增强纤维的熔点。设置在供料臂14前端的是一个明火加热器22(带有3号喷咀的VulcanUni-Versal丙烷喷灯)，在它的上方带子24通向型芯16上的铺叠位置28。此加热器加热缠绕在型芯上的工件表面，由此引起对型芯的加热，并且当多股纱线24从导向器20到达铺叠位置28时，形起对它们的直接加热，保证在铺叠位置28处的铺叠表面处于熔融状态度。
在图2中，明火加热器22被一个红外加热器22′(Research公司的5535型加热器)所代替。在图3中，明火加热器22被一个热空气枪式加热器22″(Sylvania的SerpentineⅥ型CHE128767)所代替。
图4、5和6显示出长丝缠绕机机头上的带子、加热器和加热导向器相互间以及它们与型芯之间的位置关系。
空隙率为了确定复合结构试样的空隙率，必须测量试样的密度，还必须计算零空隙率时试样的密度，由这两个数字即可确定样品的空隙率。样品密度的测量使用ASTMD792-66的标准测试方法来测量试样的密度，其过程的顺序如下(1)在空气中称量试样的重量(a)(2)在水中称量试样的重量(b)(3)计算试样的比重(s.g.)，按式s.g.＝a/(a-b)(4)计算试样的密度测量密度＝s.g.×在测量温度时的水密度无空隙试样的理论密度Dc＝(Df×Vf)+(Dm×Vm)其中Dc＝复合物密度Df＝纤维密度Dm＝基料密度
Vf＝纤维体积Vm＝基料体积计算百分空隙率百分空隙率＝ ((理论密度-测量密度))/(理论密度) ×100实施例Ⅰ使用熔体注射工艺(如在美国专利4640861号中所介绍的)在具有接近6620旦尼尔和2000根长丝的OwenCorning30型的连续玻璃长丝束上涂覆PETG热塑性聚合物(一种由EastmanKodak公司制造的共聚物)，涂覆量接近50%体积。将四个绕有涂覆的玻璃长丝丝束的纱筒装在一个装备有控制未缠绕张力机构(由补偿张力控制器公司制造的800CO12型张力补偿器)的旋转取纱纱筒架上。借助于下游处型芯的旋转，丝束以30英尺/分的速度前进。而张力补偿器则在运动的丝束上施加一接近于3500克的张力。然后移动的丝束穿过位于下游处的长丝缠绕机的“头”部。它包括1)将长丝加热到260℃的预热段(用红外加热器加热)，接着是2)被带式加热器预热到200℃的导向器眼，和3)装在靠近(6厘米远)旋转型芯并使丝束的温度保持在200℃的热空气源。丝束最后被铺叠到电加热的型芯上(温度保持在250℃)。使计算机控制的缠绕机按予定程度提供缠绕角为45°的12英寸长的管子。缠绕完毕后，型芯及管子被冷郤约1小时直至工件温度约为100℃时为止。然后取下缠绕管、切割并测定其空隙率。
所用的长丝缠绕机是由MeCleanAnderson制造的型号为W-60的工业用缠绕机，但为了适应本作业对其进行以下的改进-取消了热固性树脂槽，-热塑性塑料进口设置在滑架供料臂上，并将能量、水及N2供到热塑性塑料进口的滑架上。
所得管子的空隙率为4.8%。
实施例Ⅱ使用熔体注射工艺(如在美国专利4640861号中介绍的)在具有接近3000根长丝的HerculesAS4连续石墨长丝束上涂复一种无定形共聚多酰胺聚合物(如在美国专利4681411号中介绍的)，涂复量接近50%体积。
将两个绕有涂覆的石墨长丝丝束的纱筒装到一个装备有控制未缠绕张力机构(由补偿张力控制品公司制造的800C012型张力补偿器)的旋转取纱纱筒架上，借助于下游处的旋转型芯丝束以25英尺/分的速度前进，而张力补偿器则对运动的丝束施加一近似为1500克的张力。然后运动的丝束穿过位于下游处的长丝缠绕机的机头部分。它包括1)将长丝束加热到320℃的予热段(用红外加热器加热)，接着为2)由带式加热器予热到320℃导向器眼，3)装在靠近(3厘米远)旋转型芯并使纱线的温度保持在320℃的红外加热源，4)丝束最后被铺叠到电加热的型芯上(温度为220℃)。
将热的N2气(320℃)吹入到红外升温段可减少聚合物的降解，设定控制缠绕机的计算机程序以便得到具有±45°/±5°/90°/±45°/90°/±45°/90°的缠绕角的6英尺长的管子。
在完成缠绕后，型芯及管子被冷却近1小时直到工件的温度接近到100℃，然后取下缠绕好的工件，测定空隙率。空隙率为2.5%。
权利要求
1.由热塑性塑料浸渍纱线构成及固化复合结构的方法，包括在张力下将所说的纱线输送到旋转的型芯上，在它到达所说的型芯之前预热所说的纱线，借助于相对型芯作轴向往复运动的导向器以螺旋缠路导引所说的纱线，其特征包括将多股所说的纱线同时通过所说的导向器，将所说的导向器加热到温度从所说的热塑性树脂的熔点到低于所说的热塑性树脂的分解温度的范围，并在所说的多股纱线达到所说的铺叠位置之前，使所说的树脂保持它穿过所说的导向器时所达到的温度。
2.如权利要求1所限定的方法，其特征是所说的纱线是在相当于它的极限拉伸强度的约5%到约50%的张力下输送的。
3.一种现场固化的纤维增强热塑性树脂产品，其特征是由多股热塑性塑料浸渍纱线缠绕而成的，其空隙率小于6%。
4.一种现场固化的纤维增强热塑性树脂产品，其特征是根据权利要求1的方法由多股热塑性塑料浸渍纱线缠绕而成的，其空隙率小于6%。
5.一种在旋转型芯上缠绕热塑性塑料浸渍纱线的装置，该装置包括所说纱线的供料源，张紧所说纱线的装置和一个其上有导向器的滑架，滑架使纱线在型芯上来回移动以便缠绕制品，其特征包括所说的导向器有一个让所说纱线通过的环形眼，一个与导向器相连的导向器加热器。
6.权利要求5的装置，其特征是所说的导向器加热器是一个包在所说导向器上的电热带式加热器。
全文摘要
一种空隙率小于6％的固化结构，它是由多股热塑性塑料浸渍纱线往复缠绕在旋转型芯上而形成的。这些纱线是在张力下以相邻的平带状由一个供料源同时被送到往复滑架上的，然后各带子在以预定的缠绕铺叠到型芯上之前，顺序地通过预热段、加热的环状导向器及触点加热源。
文档编号D02J13/00GK1036165SQ8810684
公开日1989年10月11日 申请日期1988年9月10日 优先权日1987年9月11日
发明者马克·布赖恩·格鲁伯 申请人:纳幕尔杜邦公司