定向布丝短切碳纤维热塑性树脂基预浸料制备装置及方法与流程

本发明属于复合材料制备领域，涉及一种定向布丝的短切碳纤维增强热塑性树脂基预浸料制备装置及方法，特别适用于短切碳纤维在其中难以均匀分散、且熔融粘度较高的热塑性树脂基短切纤维增强复合材料预浸料的制备。

背景技术

碳纤维是一种新型纤维材料，具有高比强度和比刚度、耐腐蚀、耐高温等优异特性。碳纤维一种非常重要的应用形式，是用各种热塑性或热固性树脂作为基体，用短切、长切或连续碳纤维丝作为增强相制备成碳纤维复合材料预浸料，为各种碳纤维复合材料构件提供中间材料。尤其是对于热塑性短切碳纤维复合材料预浸料，现有制备方法是将短切碳纤维直接与树脂粉体混合后利用挤出工艺获得所需制品，该方法存在以下几方面的问题：1）树脂熔融粘度高，对增强纤维充分浸渗难度大；2）纤维丝难以在树脂中均匀分布，且易出现纤维丝弯曲、缠绕等不良现象，既影响构件力学性能的稳定性，也限制了纤维含量的提高；3）纤维丝在树脂基体中取向一般随机排布，难以控制取向，因而制备出的碳纤维复合材料预浸料呈现出各向同性特征，使所制成复合材料构件力学性能的可设计性无法充分发挥。

针对短切碳纤维增强热塑性树脂基预浸料制备中如何实现纤维丝定向排列问题，中国专利申请号为cn201710106058.8的文献中公布了一种实现碳纤维预浸料中纤维取向的方法，将热塑性树脂粉末与碳纤维丝先充分混合，然后利用挤出机将混合物挤出，在挤出过程中添加磁场以实现纤维丝取向；该方法中由于热塑性树脂较高的熔融粘度而使其取向效果不理想。中国专利申请号为cn201611051977.1的文献中公布了一种制备短切纤维连续取向毡的方法，将纤维丝与分散剂放入搅拌器中搅拌至悬浊液，在将悬浊液导入渐缩式取向喷头实现纤维丝取向，该方法中由于其渐缩式喷头的宽度为30mm，纤维丝下落容易呈横着和竖着两种状态下落，使纤维丝取向效果不佳，而且整个工艺复杂，不能实现自动化生产。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述问题，提供一种定向布丝的短切碳纤维增强热塑性树脂基预浸料制备装置及其制备方法，实现短切碳纤维运动方向上的定向排列，制成纤维取向良好的热塑性树脂基预浸料。

本发明定向布丝短切碳纤维热塑性树脂基预浸料制备装置采用的技术方案是：从左到右依次是第一抓取运输单元、定向铺设单元、压模单元、第二抓取运输单元、冷却单元；所述的第一抓取运输单元由第一吸盘导轨、第一伸缩杆、第一真空吸盘、红外线加热器、原料箱组成，盛放有树脂膜的原料箱放置于前后水平放置的第一吸盘导轨的正前下方，红外线加热器设置于第一吸盘导轨的右侧，上下垂直布置的第一伸缩杆的上端可移动地连接第一吸盘导轨、下端固定连接第一真空吸盘；所述的定向铺设单元从上到下依次包括下料机构、振动取向机构和前后左右移动机构，所述的振动取向机构由振动箱和振动筛构成，振动箱底面设置水平的振动筛，振动筛的下方是工作台，工作台固定置放在前后移动机构的上表面上，工作台上表面上放置下模槽；所述的压模单元设置由上模和支撑柱组成，上模正下方是四个设置于地面上的支撑柱；所述的第二抓取运输单元由第二吸盘导轨、第二伸缩杆、第二真空吸盘组成，两个第二伸缩杆的上端可滑动地连接于左右水平布置的第二吸盘导轨、下端固定连接第二真空吸盘；所述的冷却单元设置由冷却槽、流动箱、水箱组成，冷却槽置放在流动箱中，水箱的左侧通过进水管连接流动箱、右侧通过排水管连接流动箱。

进一步地，振动筛的上下厚度等于短切碳纤维丝的平均长度，振动筛的中间设有按行列分布的多个水平的圆形管路，圆形管路上方的振动筛上按行列分布多个垂直的气孔，气孔的下端与圆形管路相连接且相通，气孔的上端均与振动箱相通，圆形管路与外部气源接通；在振动筛上按行列分布多个垂直的筛孔，筛孔与气孔彼此行列交错分布，筛孔上下贯通振动筛。

所述定向布丝的短切碳纤维热塑性树脂基预浸料制备装置的制备方法采用的技术方案是包括以下步骤：

a、前后左右移动机构移至第一真空吸盘下方，第一真空吸盘将树脂膜吸出并放于下模槽内，红外线加热器对树脂膜加热至熔融温度，然后前后左右移动机构向右移至振动筛的下方；同时短切碳纤维丝由下料机构均匀地撒在振动筛上；

b、启动振动筛，接通气源，通过气孔将振动筛上表面上均匀分布的短切碳纤维丝吹至筛孔中，随着振动筛的振动，短切碳纤维丝经过筛孔呈竖直状态下落；

c、前后左右移动机构带动短切碳纤维丝向着与工作台运动方向的反方向倒下并排列于树脂膜上，实现对短切碳纤维丝的取向；当铺放一次后，工作台向前或后移动一个步距继续进行短切碳纤维丝的第二次定向铺放，直到整张树脂膜都被均匀地铺上一层短切碳纤维丝；

d、铺放一层结束后，前后左右移动机构重新运动至第一真空吸盘下方，对第二层树脂膜表面开始下一层铺放，如此往复，完成布丝过程并实现对预浸料中纤维含量的控制；

e、前后左右移动机构移至压模单元工作位置，上模下压工作台，使树脂膜与铺放好的短切碳纤维丝进一步充分结合，制得短切碳纤维热塑性树脂基预浸料；

f、前后左右移动机构将经压模过后的预浸料运送至第二抓取运输单元工作位置，第二真空吸盘吸住下模槽左右两边的槽口并运送至冷却槽中冷却。

本发明采用上述技术方案后，具有的有益效果是：

1、本发明基于物体的自由落体运动及相对运动原理，利用振动筛的特殊结构，通过振动筛孔的约束作用，使从细长的筛孔振动下来的碳纤维丝做竖直的自由落体运动，当下落过程中纤维丝一端粘在树脂膜上，利用树脂膜粘性及碳纤维与二维移动平台的单向相对运动使碳纤维倒向固定，实现碳纤维运动方向上的定向排列及均匀分布，随后用压模单元对树脂膜层与碳纤维进行压膜，制成纤维取向良好的短切碳纤维定向排列增强热塑性预浸带料，很好地解决了短切碳纤维在热塑性树脂中的分布不均及定向困难的问题。

2、通过对热塑性树脂膜规格的控制，对二维移动平台移动速度的控制，对二维移动平台铺层次数的控制，实现短切碳纤维增强热塑性预浸料中的碳纤维含量的精确控制，碳纤维取向可以为二维的任意方向，自行控制，也可以实现多层树脂膜多层碳纤维的相嵌分布，进一步提高碳纤维复合材料的力学性能。

3、通过设置取向单元、第一装载单元、压模单元、第二装载单元和冷却单元，节约了能源，实现了短切碳纤维定向增强热塑性预浸带料的连续、高效、自动化生产。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

图1是本发明定向布丝短切碳纤维热塑性树脂基预浸料制备装置的结构示意图；

图2是图1中振动筛结构的俯视放大图：

图3是图2的b-b剖视图；

图4是图2的a-a剖视图；

图5是图1中前后左右移动机构的俯视放大图。

图中：1.短切碳纤维丝；2.传送带；3.料斗；4.下料辊；5.转轴；6.左摆动板；7.右摆动板；8.振动箱；9.振动筛；10.气孔；11.筛孔；12.树脂膜；13.下模槽；14.红外线加热器；15.工作台；16.第二直线滑动导轨；17.溜板；20.支架；21.第一吸盘导轨；22.第一伸缩杆；23.第一真空吸盘；24.原料箱；25.上模；26.支撑柱；27.冷却槽；28.流动箱；29.水箱；30.第二外壳；31.第一直线滑动导轨；33.第一滚珠丝杠；34.第一滚动轴承；35.第一螺母；36.第二吸盘导轨；37.第二伸缩杆；38.第二真空吸盘；39.第二滚动轴承；40.第一外壳；41.圆形管路；42.第二滚珠丝杠；43.第二螺母。

具体实施方式

如图1所示，本发明定向布丝短切碳纤维热塑性树脂基预浸料制备装置从左到右依次是第一抓取运输单元、定向铺设单元、压模单元、第二抓取运输单元、冷却单元。

其中，第一抓取运输单元由第一吸盘导轨21、第一伸缩杆22、第一真空吸盘23、红外线加热器14、原料箱24组成。第一吸盘导轨21前后水平放置，原料箱24放置于第一吸盘导轨21的正前下方，原料箱24中盛放了树脂膜12。红外线加热器14设置于第一吸盘导轨21的右侧。第一伸缩杆22上下垂直布置，长短可上下伸缩。第一伸缩杆22的上端可移动地连接第一吸盘导轨21，可沿第一吸盘导轨21前后水平移动，第一伸缩杆22的下端固定连接第一真空吸盘23。当第一吸盘导轨21向前移动至原料箱24的正上方时，第一伸缩杆22向下伸长至原料箱24中，第一真空吸盘23通过排除空气来吸住原料箱24中的树脂膜12，使第一抓取运输单元实现抓取树脂膜12的功能。

短切纤维的定向铺设单元从上到下依次包括下料机构、振动取向机构和前后左右移动机构。其中，下料机构由传送带2、料斗3、转轴5、下料辊4、左摆动板6、右摆动板7构成。短切碳纤维丝1置放在传送带2上表面，传送带2左右水平布置，传送带2下方是料斗3，由传送带2将短切碳纤维丝1运送至料斗3中。料斗3底部设置有两个相向旋转的下料辊4，下料辊4前后水平布置，两个下料辊4的正下方布置有前后水平布置的转轴5，转轴5上固定连接左摆动板6和右摆动板7，左摆动板6和右摆动板7成90度固定在转轴5的下方。两个下料辊4、转轴5分别由3个不同的电机带动旋转，转轴5旋转时带动与其固定安装的左摆动板6和右摆动板7绕转轴5同步匀速摆动。整个下料机构通过支架20固定并置于振动取向机构正上方。

振动取向机构由振动箱8、振动筛9构成，其中，振动箱8底面设置水平的振动筛9，由振动电机为振动筛9提供动力。振动筛9的上下厚度根据短切碳纤维丝1的平均长度而定，等于短切碳纤维丝1的平均长度，约为8mm。振动箱8也通过支架20固定于前后左右移动机构的正上方。再参见图2、3、4所示，振动筛9的中间设有按行列分布的多个圆形管路41，圆形管路41前后或左右水平布置，并且彼此相通。圆形管路41上方的振动筛9上按行列分布多个垂直的气孔10，气孔10的下端与圆形管路41相连接且相通，气孔10的上端均与振动箱8相通。气孔10直径为1.5mm，与每行气孔10连接的圆形管路41与外部气源接通并供气，使气孔10之间彼此通气。在振动筛9上按行列分布多个垂直的筛孔11，筛孔11与气孔10彼此行列交错分布，筛孔11上下贯通振动筛9。筛孔11上下呈漏斗状，即筛孔11上部为上大、下小的短锥孔，下部为长度略长的圆柱状通孔；上部短锥孔上下高度约3mm，锥孔的大端口直径为3mm，下部圆柱状通孔上下高度为5mm，直径为2mm，即锥孔的小端口直径为2mm。

在振动筛9的下方是前后左右移动机构，前后左右移动机构为对称结构，由前后移动机构和左右移动机构组成，前后移动机构在左右移动机构的正上方，且前后移动机构与左右移动机构垂直设置。前后移动机构从上到下依次为第二螺母43、第二滚珠丝杠42、第二直线滑动导轨16。工作台15固定置放在前后移动机构的上表面上，即在整个前后左右移动机构的上表面上。再参见图5所示，左右移动机构从上到下依次为溜板17、第一螺母35、第一滚珠丝杠33、第一直线滑动导轨31。工作台15在振动筛9的下方，振动筛9与工作台15上表面保持一定的上下距离h1，以保证短切碳纤维丝1刚好能垂直下落。工作台15上表面上放置了下模槽13，从振动筛9上落下的短切碳纤维丝1刚好落在下模槽13中。工作台15内设有保温电阻，下模槽13的上下高度h2与单片碳纤维预浸料的高度相同；下模槽13底面为防粘材料制成，防止树脂膜12粘在下模槽13上，且能够导热。第二直线滑动导轨16前后水平设置，且数量为两根，工作台15置于第二直线滑动导轨16上且可沿在第二直线滑动导轨16前后滑动。第二螺母43固定在工作台15的下表面且不与溜板17接触，两根第二直线滑动导轨16之间的前后两端各设置有第二外壳30，第二外壳30中心安装有第二滚动轴承39，前后水平布置的第二滚珠丝杠42与第二螺母43配合并固定在前后两端的第二滚动轴承39上。步进电机驱动第二滚珠丝杠42工作，通过与工作台15固定的第二螺母43传力，带动工作台15沿第二直线滑动导轨16上前后滑动。第二直线滑动导轨16固定在其下方的溜板17的上表面上，与溜板17同步移动。两根第一直线滑动导轨31左右水平设置于溜板17的下表面，并固定在地面上。溜板17可在两根第一直线滑动导轨31上左右水平滑动，第一螺母35固定在溜板17的下表面且不与地面接触，两根第一直线滑动导轨31之间的左右两端各设置有第一外壳40，第一外壳40中心安装有第一滚动轴承34，第一滚珠丝杠33与第一螺母35配合并固定在左右两端的第一滚动轴承40上。步进电机驱动第一滚珠丝杠33，通过与溜板17固定的第一螺母35传力，带动溜板17在第一直线滑动导轨31上左右水平滑动。

参见图1所示，压模单元设置在定向铺设单元的右侧，压膜单元由上模25和支撑柱26组成。压膜单元的上模25正下方有四个设置于地面上的支撑柱26，当工作台15移至上模25正下方时，支撑柱26正好位于工作台15四个角的正下方位，当上模25压下时，为工作台15提供支撑力。

第二抓取运输单元设置在压膜单元的右侧，第二抓取运输单元由第二吸盘导轨36、第二伸缩杆37、第二真空吸盘38组成。第二吸盘导轨36左右水平布置，两个第二伸缩杆37的上端可滑动地连接于第二吸盘导轨36、下端固定连接第二真空吸盘38。第二伸缩杆37的长短可上下伸缩，设置在第二吸盘导轨36上可左右移动。当前后左右移动机构运动至第二真空吸盘38下方时，两个第二真空吸盘38通过排除空气来正好吸住下模槽13的两边，实现对下模槽13的搬运。

冷却单元设置在第二抓取运输单元的下方，由冷却槽27、流动箱28、水箱29组成。水箱29的左侧通过进水管连接流动箱28、右侧通过排水管连接流动箱28。冷却槽27置放在流动箱28中，流动箱28左侧进水管不断进水，右侧出水管不断排水，持续为冷却槽27降温。

参见图1-5所示，本发明定向布丝短切碳纤维热塑性树脂基预浸料制备装置工作时，具体按以下步骤实施：

（1）前后左右移动机构移动至于第一真空吸盘23下方，即下模槽13位于第一真空吸盘23下方，第一真空吸盘23从原料箱24中将树脂膜12吸出并放于下模槽13内，树脂膜12上方红外线加热器14对树脂膜12加热至熔融温度，位于工作台15内的保温元件对树脂膜12进行保温。然后，前后左右移动机构沿着固定于地面上的第一直线滑动导轨31向右移动，移至振动筛9的下方。同时，短切碳纤维丝1由传送带2送至料斗3，经料斗3底部的两个下料辊4的挤压、分散作用，均匀向下掉落，并被料斗3底部的转轴5平均分散到左摆动板6和右摆动板7上表面，左摆动板6和右摆动板7缓慢匀速左右摆动将短切碳纤维丝1均匀地撒在振动筛9上。

（2）启动振动筛9，并接通气源，通过位于振动筛9上的气孔10将振动筛9上表面上均匀分布的短切碳纤维丝1吹至筛孔11中，随着振动筛9的振动，筛孔11中的短切碳纤维丝1经过筛孔11下部的细长柱状通孔下落，受柱状通孔壁部约束而呈竖直状态。

当下落时呈竖直状态的短切碳纤维丝1底端与下模槽13内处于熔融状态的树脂膜12接触时，由于树脂的粘性作用而使短切碳纤维丝1底端与树脂膜12粘在一起。

（3）前后左右移动机构中的溜板17沿第一直线滑动导轨31移动，带动短切碳纤维丝1向着与工作台15（与溜板17一起运动）运动方向的反方向倒下并排列于树脂膜12上，实现对短切碳纤维丝1的取向，对树脂膜12定向布丝。当铺放一次后，工作台15沿第二直线滑动导轨16向前或后移动一个步距继续进行短切碳纤维丝1的第二次定向铺放，直到整张树脂膜12都被均匀地铺上一层碳纤维丝1，即实现对整张树脂膜12的定向布丝。

当溜板17沿第一直线滑动导轨31向右移动同时工作台15沿第二直线滑动导轨16向前移动时，即在水平面上，下模槽13的运动方向与第一直线滑动导轨31成一定角度，当短切碳纤维丝1下落时则实现短切碳纤维丝1在树脂膜12上沿左右方向成一定角度的布丝，即当工作台15随着前后左右移动机构同时前后左右移动时，下模槽13的运动方向与左右方向成一定角度，俯视短切碳纤维丝1时，短切碳纤维丝1并非是前后左右水平布置，而是与前后左右方向成一定的夹角。

（4）铺放一层结束后，前后左右移动机构沿固定在地面上的第一直线滑动导轨31运动至第一真空吸盘23下方，通过第一真空吸盘23将树脂膜12吸出并叠放于下模槽13现有的铺层上，红外线加热器14对第二层树脂膜12加热至熔融温度后，前后左右移动机构移动至振动筛9下方对第二层树脂膜12表面开始下一层铺放，如此往复，通过设置前后左右移动机构的运动速度、往复运动次数及铺层次数，实现对预浸料中纤维含量的控制。

（5）当布丝过程完全结束后，前后左右移动机构移动至第一真空吸盘23下方，第一真空吸盘23铺放最后一层树脂膜12，待红外线加热器14将最上层的树脂膜12加热至熔融状态，前后左右移动机构移至压模单元工作位置，通过上模25下压工作台15，使树脂膜12与铺放好的短切碳纤维丝1进一步充分结合，从而制得短切碳纤维增强热塑性树脂基预浸料。

（6）前后左右移动机构将经压模过后的短切碳纤维增强热塑性树脂基预浸料运送至第二抓取运输单元工作位置，第二真空吸盘38吸住下模槽13左右两边的槽口并运送至冷却槽27，并再将另一个下模槽13吸至工作台15上，碳纤维预浸料冷却后由第二真空吸盘38将冷却槽27中的预浸料吸出并放入封装箱，然后第二真空吸盘38将下模槽13从冷却槽27中取出，前后左右移动机构移动至第一真空吸盘23下方的初始位置进入下一个循环。