一种连续碳纤维增强热塑性树脂基预浸料制备装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开复合材料领域中一种连续碳纤维增强热塑性树脂基预浸料制备装置及方法，通过左、右楔形摆块分别与第一左、右弹性张力辊配合实现碳纤维松束、开纤、张紧，通过左、右楔形摆块分别与第二左、右弹性张力辊的接触和快速下压作用，使张紧的碳纤维束对熔融态基体树脂膜进行快速垂直向下切割，并包埋入其中，实现碳纤维丝束在热塑性基体树脂中的嵌入及包埋，再通过随后压力辊的二次压实制备单向连续碳纤维热塑性预浸带料，通过二次纺织或编织，制成各种单向、双向、斜向及三维连续碳纤维增强预浸布或织物，很好地解决了热塑性树脂基体粘性大、对碳纤维束浸透性差和浸润难、树脂含量难以精确控制的问题，也适用于热固性碳纤维预浸料带制备。

【技术实现步骤摘要】
一种连续碳纤维增强热塑性树脂基预浸料制备装置及方法
本专利技术属于复合材料领域，涉及一种连续碳纤维增强热塑性树脂基预浸料的制备技术，特别适用于熔融粘度高、对连续碳纤维布或织物渗透性差的热塑性树脂基复合材料预浸料的制备。
技术介绍
作为汽车轻量化的重要手段之一，热固性碳纤维复合材料构件由于存在原材料成本高、保质期短、运输贮存条件苛刻、生产周期长、工艺成本高、易发生脆性破坏、维护修复难、材料重复利用率低、回收报废能耗高等问题，因而难以满足批量化生产的要求。为此，汽车行业对采用连续碳纤维增强热塑性树脂基预浸料热成形工艺来制造高性能热塑性碳纤维复合材料构件（CFRTP）提出了迫切需求，而连续碳纤维增强热塑性树脂基预浸料制备已成为其关键技术瓶颈之一。目前广使用的热固性树脂基碳纤维增强预浸料生产技术主要包括：熔融法、粉末法、溶剂浸渍法等。如中国专利公开号为CN101474868A的文献中公布了一种熔融浸渍法制备连续碳纤维增强热塑性预浸带的设备，采用交错双挤出模头，从纤维两侧添加熔融热塑性树脂，但由于热塑性树脂熔融温度高、粘度大而难以保证碳纤维的均匀浸润，制得的预浸带孔隙率较大。中国专利公开号为CN102328443A的文献中提供了一种溶液浸渍法制备连续碳纤维增强热塑性预浸带的设备，设计了二次浸渍槽使纤维能在熔融树脂箱体中进一步浸渍，但未能很好地解决热塑性树脂对碳纤维丝束浸润性差的问题。中国专利公开号为CN103978695的文献中提供了一种采用粉末浸渍法制备连续功能化碳纤维增强热塑性树脂基预浸带的设备，该设备设计了可喷洒含热塑性树脂粉体悬浊液的喷洒装置，并在喷洒装置前设置了开纤装置，但该设备本质上仍是基于热压成形工艺原理，无法从根本上改变热塑性树脂基体粘性大、流动性差、难以均匀、充分浸渍碳纤维布或织物的特性，因此很难制备出纤维含量可精确控制、浸润均匀的高性能连续碳纤维增强热塑性预浸带料。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种连续碳纤维增强热塑性树脂基体预浸料制备装置和方法，以解决现有连续碳纤维增强热塑性树脂基预浸料制备技术中所存在的高粘度热塑性树脂难以浸渍连续碳纤维束内部形成均匀有效粘结，从而导致所制得碳纤维复合材料构件力学性能欠佳和承载能力较低的问题。本专利技术一种连续碳纤维增强热塑性树脂基预浸料制备装置采用的技术方案是：包含卷有碳纤维束的碳纤维束卷辊和卷有树脂膜的树脂膜卷辊，碳纤维束经碳纤维束卷辊引出，从左到右依次经中心轴都前后水平布置的碳纤维束牵引辊、第一左弹性张力辊、第二左弹性张力辊、第二右弹性张力辊和第一右弹性张力辊向右输送，在第一左弹性张力辊至第一右弹性张力辊之间的碳纤维束的正上方布置有开纤器；树脂膜从树脂膜卷辊引出，从左到右依次经第二左弹性张力辊、第二右弹性张力辊和第一右弹性张力辊向右输送，树脂膜位于碳纤维束的正下方，均水平布置且相互平行，其间留有上下间隙；在第二左弹性张力辊和第二右弹性张力辊之间的树脂膜的正下方设有红外加热器，红外加热器最上部设有水平的砧板；第一左弹性张力辊、第二左弹性张力辊、第二右弹性张力辊和第一右弹性张力辊的正下端各固定连接一个垂直布置的压簧；开纤器上设置有能旋转的左楔形摆块和右楔形摆块，左楔形摆块位于第一左弹性张力辊和第二左弹性张力辊的正上方，右楔形摆块位于第二右弹性张力辊和第一右弹性张力辊的正上方；左楔形摆块的下表面是左楔形面，右楔形摆块的下表面是右楔形面，左楔面和右楔面相互面对面地布置，左楔形摆块和右楔形摆块的中间之间连接一根左右水平布置的拉簧。本专利技术所述一种连续碳纤维增强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：具有以下步骤：A、开纤器在初始位置，左楔形面最下端位于第一左弹性张力辊上方，右楔形面最下端位于第一右弹性张力辊上方，不接触第一左弹性张力辊和第一右弹性张力辊上的碳纤维束；B、开纤器向下运动，左楔形面和右楔形面朝彼此方向摆动，最下端分别对应地接触上第一左弹性张力辊、第一右弹性张力辊上的碳纤维束，在拉簧拉力作用下对碳纤维束进行松束；C、开纤器继续向下运动，左楔形面作用于第一左弹性张力辊，右楔形面作用于第一右弹性张力辊，左楔形摆块和右楔形摆块彼此背向摆动，拉簧拉伸，将碳纤维束张紧；同时红外加热器工作，树脂膜加热至融化；D、开纤器再继续向下运动，左楔形面、右楔形面分别接触并下压对应位置的第二左弹性张力辊、第二右弹性张力辊，张紧的碳纤维束及树脂膜一起向下压向砧板，碳纤维束包埋入树脂膜中，制成软态碳纤维增强热塑性树脂基预浸料片。本专利技术采用上述技术方案后，具有的有益效果是：1、本专利技术根据张紧的风筝线切割运动物体的原理，通过左、右楔形摆块分别与第一左、右弹性张力辊配合实现碳纤维松束、开纤、张紧，通过左、右楔形摆块分别与第二左、右弹性张力辊的接触和快速下压作用，使张紧的碳纤维束对熔融态基体树脂膜进行快速垂直向下切割，并包埋入其中，实现碳纤维丝束在热塑性基体树脂中的嵌入及包埋，再通过随后压力辊的二次压实制备单向连续碳纤维热塑性预浸带料，通过二次纺织或编织，制成各种单向、双向、斜向及三维连续碳纤维增强预浸布或织物，很好地解决了热塑性树脂基体粘性大、对碳纤维束浸透性差和浸润难、树脂含量难以精确控制的问题，也适用于热固性碳纤维预浸料带制备。2、本专利技术能通过对热塑性树脂膜和碳纤维束的规格设置，精确控制连续碳纤维增强热塑性预浸料中的树脂含量，获得高纤维含量的单向连续碳纤维增强热塑性预浸料，可为双向、斜向、三维预浸料的制备提供必须的中间产品，以便进一步提高碳纤维复合材料构件力学性能的可设计性。3、本专利技术通过开纤器的特殊结构设计及其沿垂直方向的间歇式上下运动，顺次实现对碳纤维丝束的松束、开纤、张紧和垂直切割包埋，且碳纤维束开纤与热塑性树脂膜的非接触式、局部、红外加热方式同时进行，便于降低能源消耗，不仅节约能源，而且易于实现与其他生产单元的同步作业，实现了连续碳纤维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专利技术作进一步详细说明。图1为本专利技术一种连续碳纤维增强热塑性树脂基预浸料制备装置的结构示意图；图2为图1中碳纤维束松束、开纤时开纤器及相关部件的工作状态放大示意图；图3为图1中碳纤维束张紧、切割时开纤器及相关部件的工作状态放大示意图；图4为图1中红外加热器的结构及工作状态放大示意图。图中：1.碳纤维束卷辊；2.碳纤维束；3.碳纤维束牵引辊；4.第一左弹性张力辊；5.第一右弹性张力辊；6.第二左弹性张力辊；7.第二右弹性张力辊；8.树脂膜卷辊；9.树脂膜；10.软态碳纤维增强热塑性树脂基预浸料片；11.开纤器；12.红外加热器；13.上压力辊；14.下压力辊；15.冷却风扇；16.单向连续碳纤维增强预浸带；17.离型纸卷辊；18.离型纸；19.离型纸牵引辊；20.预浸料收卷辊；21.左旋转销轴；22.左楔形摆块；23.右旋转销轴；24.右楔形摆块；25.拉簧；26.红外加热灯管；27.砧板；28.温度传感器；29.温控仪；30.编织机单元；31.连续碳纤维预浸布/织物；32.左楔形面；33.右楔形面；34.第一左压簧；35.第一右压簧；36.第二左压簧；37.第二右压簧。具体实施方式如图1所示的本专利技术一种连续碳纤维增强热塑性树脂基预浸料制备装置，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种连续碳纤维增强热塑性树脂基预浸料制备装置，包含卷有碳纤维束（2）的碳纤维束卷辊（1）和卷有树脂膜（8）的树脂膜卷辊（8），其特征是：碳纤维束（2）经碳纤维束卷辊（1）引出，从左到右依次经中心轴都前后水平布置的碳纤维束牵引辊（3）、第一左弹性张力辊（4）、第二左弹性张力辊（6）、第二右弹性张力辊（7）和第一右弹性张力辊（5）向右输送，在第一左弹性张力辊（4）至第一右弹性张力辊（5）之间的碳纤维束（2）的正上方布置有开纤器（11）；树脂膜（8）从树脂膜卷辊（1）引出，从左到右依次经第二左弹性张力辊（6）、第二右弹性张力辊（7）和第一右弹性张力辊（5）向右输送；树脂膜（8）位于碳纤维束（2）的正下方，两者水平布置且相互平行，其间留有上下间隙；在第二左弹性张力辊（6）和第二右弹性张力辊（7）之间的树脂膜（8）的正下方设有红外加热器（12），红外加热器（12）最上部设有水平的砧板（27）；第一左弹性张力辊（4）、第二左弹性张力辊（6）、第二右弹性张力辊（7）和第一右弹性张力辊（5）的正下端各固定连接一个垂直布置的压簧；开纤器（11）上设置有能旋转的左楔形摆块（22）和右楔形摆块（24），左楔形摆块（22）位于第一左弹性张力辊（4）和第二左弹性张力辊（6）的正上方，右楔形摆块（24）位于第二右弹性张力辊（7）和第一右弹性张力辊（5）的正上方；左楔形摆块（22）的下表面是左楔形面（32），右楔形摆块（24）的下表面是右楔形面（33），左楔面（32）和右楔面（33）相互面对面地布置，左楔形摆块（22）和右楔形摆块（24）的中间之间连接一根左右水平布置的拉簧（25）。...

【技术特征摘要】
1.一种连续碳纤维增强热塑性树脂基预浸料制备装置，包含卷有碳纤维束（2）的碳纤维束卷辊（1）和卷有树脂膜（8）的树脂膜卷辊（8），其特征是：碳纤维束（2）经碳纤维束卷辊（1）引出，从左到右依次经中心轴都前后水平布置的碳纤维束牵引辊（3）、第一左弹性张力辊（4）、第二左弹性张力辊（6）、第二右弹性张力辊（7）和第一右弹性张力辊（5）向右输送，在第一左弹性张力辊（4）至第一右弹性张力辊（5）之间的碳纤维束（2）的正上方布置有开纤器（11）；树脂膜（8）从树脂膜卷辊（1）引出，从左到右依次经第二左弹性张力辊（6）、第二右弹性张力辊（7）和第一右弹性张力辊（5）向右输送；树脂膜（8）位于碳纤维束（2）的正下方，两者水平布置且相互平行，其间留有上下间隙；在第二左弹性张力辊（6）和第二右弹性张力辊（7）之间的树脂膜（8）的正下方设有红外加热器（12），红外加热器（12）最上部设有水平的砧板（27）；第一左弹性张力辊（4）、第二左弹性张力辊（6）、第二右弹性张力辊（7）和第一右弹性张力辊（5）的正下端各固定连接一个垂直布置的压簧；开纤器（11）上设置有能旋转的左楔形摆块（22）和右楔形摆块（24），左楔形摆块（22）位于第一左弹性张力辊（4）和第二左弹性张力辊（6）的正上方，右楔形摆块（24）位于第二右弹性张力辊（7）和第一右弹性张力辊（5）的正上方；左楔形摆块（22）的下表面是左楔形面（32），右楔形摆块（24）的下表面是右楔形面（33），左楔面（32）和右楔面（33）相互面对面地布置，左楔形摆块（22）和右楔形摆块（24）的中间之间连接一根左右水平布置的拉簧（25）。2.根据权利要求1所述一种连续碳纤维增强热塑性树脂基预浸料制备装置，其特征是：第一右弹性张力辊（5）的右侧设有上压力辊（13）和下压力辊（14），上压力辊（13）和下压力辊（14）的右侧依次设有冷却风扇（15）、离型纸牵引辊（19）和预浸料收卷辊（20），离型纸牵引辊（19）的左下方设有离型纸卷辊（17），离型纸卷辊（17）上卷有离型纸（18），离型纸（18）依次经离型纸牵引辊（19）至预浸料收卷辊（20）向右输送。3.根据权利要求1所述一种连续碳纤维增强热塑性树脂基预浸料制备装置，其特征是：红外加热器（12）内部具有温度传感器（28）和多根红外加热灯管（26），温度传感器（28）与温控仪（29）相连。4.根据权利要求1所述一种连续碳纤维增强热塑性树脂基预浸料制备装置，其特征是：砧板（27）上表面和第二左弹性张力辊（6）、第二右弹性张力辊（7）下压前树脂膜（9）下表面之间留有1-2mm的上下垂直距离。5.根据权利要求1所述一种连续碳纤维增强热...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭玉琴，陈龙，王匀，李富柱，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32