一种连续纤维增强热塑性复合材料的生产设备及生产方法与流程

本发明涉及复合材料的生产设备领域，特别是涉及一种连续纤维增强热塑性复合材料的生产设备及生产方法。

背景技术：

连续纤维增强热塑性复合材料预浸带由于具有优异的机械性能例如高的拉伸强度、弯曲强度和模量、出色的高低温冲击性能、低的密度和可回收利用等特性，近年来得到了巨大的发展，相应制造技术也得到了重大的突破。对于该材料的制造来说，纤维的分散与浸润，纤维与树脂间的界面的粘接最为关键。因此，所有的制造技术主要解决纤维的分散和树脂对纤维的浸润。但目前通过熔融树脂浸渍连续纤维制造预浸带都采用设计复杂的熔融浸渍的模头，例如美国专利us5158806、us4588538、us5037284、us5529652。这些方法一方面模头的设计较复杂，设计、制造成本高，由于在这些方法中都需要把熔融的高温树脂通过螺杆挤出机挤到浸渍模头中，然后利用各自设计的浸渍单元实现纤维的完全浸润，同时浸渍后的连续纤维要通过控制树脂含量的出口，因此树脂的含量较难控制；另一方面，由于纤维的浸润发生在浸渍模头的内部，对纤维的浸渍情况难以控制，且对模头的清理和纤维的排布和穿纱困难；熔融树脂的粘度一般较高，通过挤出模头将熔融树脂浸润连续纤维，使连续纤维不易完全浸润，造成产品的合格率较低。

技术实现要素：

发明目的：针对上述问题，本发明的目的之一是提供一种连续纤维增强热塑性复合材料的生产设备，以解决连续纤维不易完全浸润的技术问题。

本发明的目的之二在于提供一种连续纤维增强热塑性复合材料的生产方法。

技术方案：

一种连续纤维增强热塑性复合材料的生产设备，包括纱架、张力展丝装置、螺杆挤出机、超临界二氧化碳发生装置、纤维浸渍结构、冷却压辊装置及牵引装置，连续纤维束从所述纱架经所述张力展丝装置、所述纤维浸渍结构、所述冷却压辊装置后，传输至所述牵引装置，所述螺杆挤出机连通至所述纤维浸渍结构，所述超临界二氧化碳发生装置连通至所述螺杆挤出机的螺杆机筒内，将超临界二氧化碳注入至所述螺杆机筒内的熔融热塑性树脂中。由于设有超临界二氧化碳发生装置，可以将超临界二氧化碳注入至螺杆机筒内的熔融热塑性树脂中，使熔融热塑性树脂的粘度得到降低，从而在纤维浸渍结构中，使熔融热塑性树脂能够完全浸润连续纤维束，浸润后，超临界二氧化碳达到正常压力，二氧化碳释放到空气中，不会影响整个产品的性能，并能增强产品强度，保证了产品质量。

在其中一个实施例中，所述超临界二氧化碳发生装置包括储料罐、压力控制阀一、正向计量泵及传输管路，所述储料罐内储存有液态二氧化碳，所述传输管路一端连通所述储料罐，另一端连通至所述螺杆机筒内，所述传输管路上设有所述压力控制阀一及所述正向计量泵，所述压力控制阀一位于靠近所述储料罐的位置。由于设有压力控制阀一，可以通过调节压力将二氧化碳调整至超临界态，正向计量泵可以控制加入到螺杆机筒内超临界二氧化碳的加入量，达到精准控制。

在其中一个实施例中，所述压力控制阀一控制超临界二氧化碳的输送压力为8～12mpa。

在其中一个实施例中，所述超临界二氧化碳发生装置还包括压力控制阀二，所述压力控制阀二位于所述传输管路靠近所述螺杆机筒的一端，所述压力控制阀二控制输送至所述螺杆机筒内的超临界二氧化碳的输送压力为8.5～15mpa。由于设有压力控制阀二，可以进一步提高超临界二氧化碳的压力，有利于超临界二氧化碳更容易注入至熔融热塑性树脂中。

在其中一个实施例中，所述纤维浸渍结构包括至少一个浸渍头，所述浸渍头与所述连续纤维束接触，所述浸渍头上设有向所述连续纤维束方向设置的涂覆缝隙。

一种连续纤维增强热塑性复合材料的生产方法，包括以下步骤：

1)将连续纤维束从纱架上引出后经张力展丝装置传输后引入纤维浸渍结构；

2)打开超临界二氧化碳发生装置，将超临界二氧化碳注入至熔融热塑性树脂中，得到含二氧化碳的熔融热塑性树脂，其中，熔融热塑性树脂位于螺杆挤出机的螺杆机筒内；

3)将步骤2)得到的含二氧化碳的熔融热塑性树脂涂覆在纤维浸渍结构内的连续纤维束上，得到完全浸渍的连续纤维带；

4)将完全浸渍的连续纤维带通过冷却压辊装置辊压冷却、经牵引装置牵引后得到连续纤维增强热塑性复合材料。由于通过超临界二氧化碳发生装置将超临界二氧化碳注入至熔融热塑性树脂中，从而降低热塑性树脂的粘度，后将低粘度的热塑性树脂浸润连续纤维束，从而达到完全浸润的效果，后超临界二氧化碳达到正常压力，二氧化碳释放到空气中，不影响后续生产工艺的正常进行。

在其中一个实施例中，热塑性树脂为聚乙烯、聚丙烯、尼龙6、尼龙66、尼龙12、尼龙9t中的至少一种。

在其中一个实施例中，螺杆挤出机与纤维浸渍结构通过连接器连接，将含二氧化碳的熔融热塑性树脂通过连接器传输至纤维浸渍结构的浸渍头中。

在其中一个实施例中，螺杆机筒内超临界二氧化碳的通入量为熔融热塑性树脂体积的5～30％。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：

1)上述连续纤维增强热塑性复合材料，由于设有超临界二氧化碳发生装置，可以将超临界二氧化碳注入至螺杆机筒内的熔融热塑性树脂中，使熔融热塑性树脂的粘度得到降低，从而在纤维浸渍结构中，使熔融热塑性树脂能够完全浸润连续纤维束，浸润后，超临界二氧化碳达到正常压力，二氧化碳释放到空气中，不会影响整个产品的性能，并能增强产品强度，保证了产品质量。

2)上述连续纤维增强热塑性复合材料的生产方法，由于通过超临界二氧化碳发生装置将超临界二氧化碳注入至熔融热塑性树脂中，从而降低热塑性树脂的粘度，后将低粘度的热塑性树脂浸润连续纤维束，从而达到完全浸润的效果，后超临界二氧化碳达到正常压力，二氧化碳释放到空气中，不影响后续生产工艺的正常进行。

附图说明

图1为本发明的连续纤维增强热塑性复合材料的生产设备结构示意图；

图2为本发明的连续纤维增强热塑性复合材料的超临界二氧化碳发生装置与螺杆挤出机的安装结构示意图；

图3为本发明的纤维浸渍结构的结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1及图2，一种连续纤维增强热塑性复合材料的生产设备，包括纱架1、张力展丝装置2、螺杆挤出机3、超临界二氧化碳发生装置4、纤维浸渍结构5、冷却压辊装置6、牵引装置7及收卷装置9，连续纤维束100从纱架1经张力展丝装置2、纤维浸渍结构5、冷却压辊装置6、牵引装置7后，传输至收卷装置9，螺杆挤出机3连通至纤维浸渍结构5，超临界二氧化碳发生装置4连通至螺杆挤出机3的螺杆机筒31内，将超临界二氧化碳注入至螺杆机筒31内的熔融热塑性树脂中。

请参阅图2，超临界二氧化碳发生装置4包括储料罐41、压力控制阀一42、正向计量泵43、压力控制阀二45及传输管路44，储料罐41内储存有液态二氧化碳，传输管路44一端连通储料罐41，另一端连通至所述螺杆机筒31内，传输管路44上设有压力控制阀一42、正向计量泵43及压力控制阀二45，压力控制阀一42位于靠近储料罐41的位置。压力控制阀一42控制超临界二氧化碳的输送压力为8～12mpa。压力控制阀二45位于传输管路44靠近螺杆机筒31的一端，压力控制阀二45控制输送至螺杆机筒31内的超临界二氧化碳的输送压力为8.5～15mpa。

请参阅图3，纤维浸渍结构5包括至少一个浸渍头51，浸渍头51与连续纤维束100接触，浸渍头51上设有向靠近连续纤维束100方向设置的涂覆缝隙511。本实施例中，浸渍头51的数量为两个，两个浸渍头51分别位于连续纤维束100的上方、下方，两个浸渍头51形成s型结构，通过两个浸渍头51，分别对连续纤维束100的上、下表面使用含二氧化碳的熔融热塑性树脂进行浸润，使连续纤维束100呈s型路径通过纤维浸渍结构5，涂覆缝隙511远离连续纤维束100的一端与连接器8一端连通，连接器8另一端与螺杆机筒31的末端连通，将含二氧化碳的熔融热塑性树脂传输至涂覆缝隙511中。螺杆机筒31的末端为含二氧化碳的熔融热塑性树脂从螺杆机筒31中排出的一端。

一种连续纤维增强热塑性复合材料的生产方法，包括以下步骤：

1)将连续纤维束100从纱架1上引出后经张力展丝装置2传输后引入纤维浸渍结构5；

2)打开超临界二氧化碳发生装置4，将超临界二氧化碳注入至熔融热塑性树脂中，得到含二氧化碳的熔融热塑性树脂，熔融热塑性树脂位于螺杆挤出机3的螺杆机筒31内；其中，热塑性树脂为聚乙烯、聚丙烯、尼龙6、尼龙66、尼龙12、尼龙9t、聚苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚对苯二甲酸丙二醇酯、聚碳酸酯、聚苯硫醚、聚乳酸中的至少一种。

3)将步骤2)得到的含二氧化碳的熔融热塑性树脂涂覆在纤维浸渍结构5内的连续纤维束100上，得到完全浸渍的连续纤维带；螺杆挤出机3与纤维浸渍结构5通过连接器8连接，将含二氧化碳的熔融热塑性树脂通过连接器8传输至纤维浸渍结构5的浸渍头51中。螺杆机筒内超临界二氧化碳的通入量为熔融热塑性树脂体积的5～30％。。

4)将完全浸渍的连续纤维带通过冷却压辊装置6辊压冷却、经牵引装置7牵引后得到连续纤维增强热塑性复合材料。

实施例1

一种连续纤维增强热塑性复合材料的生产方法，包括以下步骤：

1)将连续玻璃纤维束100(欧文斯科宁oc-se4850-1200tex)从纱架1上引出后经张力展丝装置2传输后引入纤维浸渍结构5；

2)打开超临界二氧化碳发生装置4，将超临界二氧化碳注入至熔融热塑性树脂中，熔融热塑性树脂位于螺杆挤出机3的螺杆机筒31内，得到含二氧化碳的熔融热塑性树脂；其中，热塑性树脂为聚碳酸酯。螺杆挤出机3的螺杆机筒31温度为240℃，超临界二氧化碳发生装置4中，调节压力控制阀一42使经过压力控制阀一42后的超临界二氧化碳压力为8.5mpa，正向计量泵43控制超临界二氧化碳的流量为5l/h，调节压力控制阀二45使经过压力控制阀二45进入螺杆机筒31内的超临界二氧化碳压力为12mpa。熔融热塑性树脂中通入的超临界二氧化碳量为熔融热塑性树脂体积的10％。

3)将步骤2)得到的含二氧化碳的熔融热塑性树脂涂覆在纤维浸渍结构5内的连续纤维束100上，得到完全浸渍的连续纤维带；其中，螺杆挤出机3与纤维浸渍结构5通过连接器8连接，将含二氧化碳的熔融热塑性树脂通过连接器8传输至纤维浸渍结构5的浸渍头51中。连接器8的温度为250℃。浸渍头51的温度为250℃。

4)将完全浸渍的连续纤维带通过冷却压辊装置6辊压冷却、经牵引装置7牵引后通过收卷装置9收卷，得到连续纤维增强热塑性复合材料。

实施例2

一种连续纤维增强热塑性复合材料的生产方法，包括以下步骤：

1)将连续玻璃纤维束100(浙江巨石352a1200tex)从纱架1上引出后经张力展丝装置2传输后引入纤维浸渍结构5；

2)打开超临界二氧化碳发生装置4，将超临界二氧化碳注入至熔融热塑性树脂中，熔融热塑性树脂位于螺杆挤出机3的螺杆机筒31内，得到含二氧化碳的熔融热塑性树脂；其中，热塑性树脂为聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)。螺杆挤出机3的螺杆机筒31温度为280℃，超临界二氧化碳发生装置4中，调节压力控制阀一42使经过压力控制阀一42后的超临界二氧化碳压力为10mpa，正向计量泵43控制超临界二氧化碳的流量为3l/h，调节压力控制阀二45使经过压力控制阀二45进入螺杆机筒31内的超临界二氧化碳压力为12.5mpa。螺杆机筒中通入的超临界二氧化碳量为熔融热塑性树脂体积的20％。

3)将步骤2)得到的含二氧化碳的熔融热塑性树脂涂覆在纤维浸渍结构5内的连续纤维束100上，得到完全浸渍的连续纤维带；螺杆挤出机3与纤维浸渍结构5通过连接器8连接，将含二氧化碳的熔融热塑性树脂通过连接器8传输至纤维浸渍结构5的浸渍头51中。连接器8的温度为285℃。浸渍头51的温度为285℃。

4)将完全浸渍的连续纤维带通过冷却压辊装置6辊压冷却、经牵引装置7牵引后通过收卷装置9收卷，得到连续纤维增强热塑性复合材料。

实施例3

一种连续纤维增强热塑性复合材料的生产方法，包括以下步骤：

1)将连续玻璃纤维束100(浙江巨石362a1200tex)从纱架1上引出后经张力展丝装置2传输后引入纤维浸渍结构5；

2)打开超临界二氧化碳发生装置4，将超临界二氧化碳注入至熔融热塑性树脂中，熔融热塑性树脂位于螺杆挤出机3的螺杆机筒31内，得到含二氧化碳的熔融热塑性树脂；其中，热塑性树脂为聚乳酸(pla)。螺杆挤出机3的螺杆机筒31温度为200℃，超临界二氧化碳发生装置4中，调节压力控制阀一42使经过压力控制阀一42后的超临界二氧化碳压力为8.15mpa，正向计量泵43控制超临界二氧化碳的流量为4l/h，调节压力控制阀二45使经过压力控制阀二45进入螺杆机筒31内的超临界二氧化碳压力为9.5mpa。螺杆机筒中通入的超临界二氧化碳量为熔融热塑性树脂体积的30％。

3)将步骤2)得到的含二氧化碳的熔融热塑性树脂涂覆在纤维浸渍结构5内的连续纤维束100上，得到完全浸渍的连续纤维带；螺杆挤出机3与纤维浸渍结构5通过连接器8连接，将含二氧化碳的熔融热塑性树脂通过连接器8传输至纤维浸渍结构5的浸渍头51中。连接器8的温度为200℃。浸渍头51的温度为200℃。

4)将完全浸渍的连续纤维带通过冷却压辊装置6辊压冷却、经牵引装置7牵引后通过收卷装置9收卷，得到连续纤维增强热塑性复合材料。

实施例4

一种连续纤维增强热塑性复合材料的生产方法，包括以下步骤：

1)将连续碳纤维束100(东丽碳纤维t70012k)从纱架1上引出后经张力展丝装置2传输后引入纤维浸渍结构5；

2)打开超临界二氧化碳发生装置4，将超临界二氧化碳注入至熔融热塑性树脂中，熔融热塑性树脂位于螺杆挤出机3的螺杆机筒31内，得到含二氧化碳的熔融热塑性树脂；其中，热塑性树脂为尼龙66螺杆挤出机3的螺杆机筒31温度为280℃，超临界二氧化碳发生装置4中，调节压力控制阀一42使经过压力控制阀一42后的超临界二氧化碳压力为12mpa，正向计量泵43控制超临界二氧化碳的流量为3.5l/h，调节压力控制阀二45使经过压力控制阀二45进入螺杆机筒31内的超临界二氧化碳压力为15mpa。螺杆机筒31中通入的超临界二氧化碳量为熔融热塑性树脂体积的25％。

3)将步骤2)得到的含二氧化碳的熔融热塑性树脂涂覆在纤维浸渍结构5内的连续纤维束100上，得到完全浸渍的连续纤维带；螺杆挤出机3与纤维浸渍结构5通过连接器8连接，将含二氧化碳的熔融热塑性树脂通过连接器8传输至纤维浸渍结构5的浸渍头51中。连接器8的温度为285℃。浸渍头51的温度为285℃。

4)将完全浸渍的连续纤维带通过冷却压辊装置6辊压冷却、经牵引装置7牵引后通过收卷装置9收卷，得到连续纤维增强热塑性复合材料。

对比例1

本对比例与实施例1的区别点在于，本对比例中不设有超临界二氧化碳发生装置。

对比例2

本对比例与实施例2的区别点在于，本对比例中不设有超临界二氧化碳发生装置。

对比例3

本对比例与实施例3的区别点在于，本对比例中不设有超临界二氧化碳发生装置。

对比例4

本对比例与实施例4的区别点在于，本对比例中不设有超临界二氧化碳发生装置。

性能测试

将实施例1～4及对比例1～4得到的连续纤维增强热塑性复合材料进行力学性能测试，测试结果如表1所示。

表1实施例1～4及对比例1～4得到的连续纤维增强热塑性复合材料力学性能测试结果

由表1可知，生产过程中，实施例1～4得到的连续纤维增强热塑性复合材料，由于在熔融热塑性树脂中加入超临界二氧化碳，制得的产品强度较高，明显优于未加入超临界二氧化碳的对比例1～4产品的强度，说明超临界二氧化碳能够使熔融热塑性树脂完全浸润连续纤维束，能够增强产品的强度性能。