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CN114474484A - 树脂原位包覆纤维原丝的制造方法、设备及其应用 - Google Patents

树脂原位包覆纤维原丝的制造方法、设备及其应用 Download PDF

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CN114474484A
CN114474484A CN202210101040.XA CN202210101040A CN114474484A CN 114474484 A CN114474484 A CN 114474484A CN 202210101040 A CN202210101040 A CN 202210101040A CN 114474484 A CN114474484 A CN 114474484A
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Abstract

本发明公开树脂原位包覆纤维原丝的制造方法、设备及其应用,该制造方法包括以下步骤:S1:将树脂附着于多根纤维单丝原丝上,复合成预浸原丝;S2:在一定的温度和/或一定的压力下使预浸原丝拢集成预浸纱束;S3:使预浸纱束卷绕成预浸纱卷。本发明使不同形态的树脂附着在纤维原丝上,形成预浸原丝,再将预浸原丝拢集成预浸纱束,预浸纱束卷绕成预浸纱卷,降低了现有技术中树脂的断丝率,又使树脂浸润包覆速度与拉丝速度实现了良好的匹配,还能够免去了纤维生产中的喷水冷却和干燥工艺,节省了能源,使原丝被树脂充分包覆,得到最大限度地保护,避免纤维存放和使用过程中的损伤,最大限度地维持了纤维的强度和各向性能。

Description

树脂原位包覆纤维原丝的制造方法、设备及其应用
技术领域
本发明具体涉及一种树脂原位包覆纤维原丝的制造方法、设备及其应用。
背景技术
纤维尤其是玻璃纤维、玄武岩纤维通过使液态的材料在高温下通过孔板再经过高速牵引并且冷却成单丝,通常地,再通过涂油棍涂敷含有润滑剂、偶联剂、成膜剂等成分的浸润剂以修复/防止单丝表面损伤,然后再集束成纱,绕卷成团,最后,常见地,需要干燥成纱卷。
纤维纱是纤维增强复合材料的最初级产品,为了满足各种不同复合材料工艺的需求,纤维纱还被进一步地制成纤维毡、布、3D制品等等纤维制品,也被直接和/或通过纤维制品与热固性树脂/热塑性树脂一起制作预浸料/团状模塑料/片状模塑料甚至线材或者粒料等半成品,当然也可以直接通过拉挤、喷射、缠绕等等工艺制造复合材料制品。
在纤维被用于制造复合材料的工艺中尤其是被用于制造热塑性复合材料半成品或者成品的工艺中,会经历浸润和成型两个基本阶段,其中浸润质量的好坏对复合材料的性能起着至关重要的作用。纤维纱是以多根纤维成束的形式供应的,在浸润阶段,树脂不仅要充分充满纤维束之间的空隙,还需要渗透充满纤维束内部的单丝之间的空隙。因为纤维单丝的直径小,比表面积大,单丝间隙小,并且单丝还会相互缠结,所以单丝之间的空隙极难得到理想的填充状态,尤其是对于熔体粘度大的热塑性树脂来说更是难上加难。有鉴于此,复合材料工艺的众多努力集中于如何提高纤维的浸润质量,尤其是热塑性树脂浸润纤维的质量,其中的理想或者梦想是对单丝进行树脂浸润,如果在纤维拉丝阶段可以实现树脂的理想浸润包覆,那么在复合材料成品或半成品成型中的浸润问题就迎刃而解了。
但是,至今在工业上也没有人能够实现这个理想。其原因主要是:(1)拉丝原位复合,因为树脂粘度变化引起拉丝张力变化,当拉丝张力超过玻璃熔融体强度,则发生断丝,断丝则迫使拉丝生产停顿中断;(2)拉丝原位复合,要求涂覆速度必须与拉丝速度一致,拉丝速度非常高,达2000米/分钟,而涂覆速度受树脂粘度和浸润速度的制约,现有适于作基体材料的树脂粘度偏高,浸润速度慢,难以和拉丝速度匹配。
以玻璃纤维为例,如图1和2所示,展示了现有的拉丝技术,玻璃在高温1100~1300℃下为玻璃液,承装于玻璃液坩埚1中,坩埚底部是坩埚漏板2,其上有400~3000个的丝孔21,玻璃液从丝孔中漏出成为丝根,经拉丝棒粘连丝根向下牵引,玻璃液被一边牵引一边冷却至30~70℃成为400~3000根单根的原丝3,再绕经涂油辊4涂敷浸润剂,然后经集束辊5拢合成纱,最后绕制收卷辊6上成为纱卷,收卷辊的转动线速动和牵引张力构成了原丝的牵引速度和牵引力,当牵引力受扰动超过丝根处原丝可承受的力时,就出现断丝;通常地,收卷系统由连接在收卷转换轴上的多个收卷辊构成并且同步旋转,当一个收卷辊工作时,其他的收卷辊成为备用收卷辊,拉丝时将原丝捻和先绕卷在收卷辊上,收卷辊高速旋转牵引这原丝通过涂油辊和集束辊成为纱束连续不断地绕在收卷辊上,一个收卷辊绕满,或者需要退出工作位置推出纱卷的时候,收卷辊转换轴转动,使备用收卷辊换至收卷辊的工作位置上,纱束继续卷绕在处于工作位置上的收卷辊上。由于浸润剂是含有偶联剂、润滑剂、成膜剂的水溶液,这时的纱卷是湿润的,需要在80℃左右烘烤4~24小时来除掉水分才能成为成品,烘烤过程中,成膜剂多少会迁移至纱卷外层的纱束甚至整个纱束外层的原丝上。总之,成品的玻璃纤维的原丝上分布有及薄的成膜剂膜,成膜剂是聚酯、淀粉、环氧、聚氨酯类的聚合物,但是成膜剂是非连续的,过厚的成膜剂会降低树脂浸润纤维的质量。玻璃纤维纱是玻璃纤维的最初级产品。
由此技术可以看到,简单地用树脂取代浸润剂是不行的。首先,拉丝牵引的速度很高,达到500~3000m/min,单丝在极短的时间就要集束成纤维纱并卷绕在收卷辊上成为纱卷,如果树脂不固化,纱束之间就会粘连缠结,无法开卷使用。并且,如果树脂粘度大,涂油辊转动时对原丝会产生垂直于原丝牵引方向的横向牵引力,这种横向牵引力不但增加对原丝的牵引力,还会产生牵引力的扰动,容易断丝。
现有的涂敷方式对原丝的涂敷均无法解决原丝牵引力扰动造成的断丝问题,如:公开号CN1880255A的专利文献中所公开的内容“对新生态玻璃纤维表面涂覆基体树脂的通用装置为:滚筒式涂覆器,喷咀式涂覆器,开放杯式涂覆器,压力杯式涂覆器,流化床式涂覆器,鸭咀式热熔泵压涂覆器等等”。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明提出了一种树脂原位包覆纤维原丝的制造方法、设备及其应用,为了达到上述目的,本发明的技术方案如下:
一方面,本发明公开一种树脂原位包覆纤维原丝的制造方法,包括以下步骤:
S1:将树脂附着于多根纤维单丝原丝上,复合成预浸原丝;
其中S1中,树脂采用T1至T5中任一个方式或多个方式的组合将树脂附着于多根纤维单丝原丝上,形成预浸原丝;
T1:将由树脂制成的树脂膜、树脂纤维、树脂织物中的一种或多种与原丝熔合,复合成预浸原丝;
T2:树脂通过隔离材料转移至原丝上,与原丝复合成预浸原丝;
T3:树脂通过涂油辊或施胶辊涂敷在原丝表面,与原丝复合成预浸原丝;
T4:原丝经过含有树脂粉末的流化床,使树脂粉末吸附于原丝表面,与原丝复合或熔合成预浸原丝;
T5:树脂被喷射向原丝,与原丝复合或熔合成预浸原丝;
S2:在一定的温度和/或一定的压力下使预浸原丝拢集成预浸纱束;
S3:使预浸纱束卷绕成预浸纱卷;
S1中,树脂的形态为液态本体、溶液、乳液、粉末悬浮液、熔体、粉末、膜、纤维、织物中的一种或多种。
在上述技术方案的基础上,还可做如下改进:
作为优选的方案,在S1之前还包括以下步骤:
S0:使原丝带上电荷;或,使原丝带上电荷的同时,使树脂带上与原丝表面电荷相反的电荷。
采用上述优选的方案,使树脂可以快速充分地粘附与原丝表面。
作为优选的方案,S2中树脂和隔离材料一起被集束成预浸纱束,防止预浸纱束在纱卷中粘连缠结。
采用上述优选的方案,防止预浸纱卷中的预浸纱束相互粘连缠结。
作为优选的方案,当树脂形态为熔体、粉体、膜、纤维、织物中的一种或多种时,S1中,原丝温度处于树脂熔点以上0~40℃,使树脂在原丝表面熔化粘附于原丝表面。
采用上述优选的方案,温度合适,保证树脂可以顺利熔化粘附于原丝表面。
作为优选的方案,S1在具有惰性气体的保护环境下执行当树脂形态为膜、纤维、织物中的一种或多种时,对树脂与原丝的接触面的背面冷却,防止树脂膜、树脂纤维、树脂织物中的一种或多种过早熔化断裂。
采用上述优选的方案,防止树脂膜、树脂纤维、树脂织物中的一种或多种过早熔化断裂。
作为优选的方案,S1在具有惰性气体保护的环境下执行。
采用上述优选的方案,采用具有惰性气体的保护环境可以避免高温下树脂劣化或者燃烧。惰性气体包括但不限于二氧化碳、氮气、氦气、氩气等。
作为优选的方案,S2中,一定的温度为树脂熔点以上0~40℃的温度。
采用上述优选的方案,温度合适,保证树脂可以顺利熔化粘附于原丝表面。
作为优选的方案,S2还包括以下步骤:对集束的预浸纱束进行挤压,加速预浸纱束中树脂对原丝的浸润,排除预浸纱束中的气泡和/或挤出多余的树脂来调节预浸纱束中的树脂含量。
采用上述优选的方案,调节预浸纱束中的树脂含量。
作为优选的方案,S1与S2之间还包括以下步骤:对预浸原丝进行加热和/或固化,使预浸原丝上的树脂实现熔化、干燥、固化中的一种或多种。
采用上述优选的方案,加热和/或固化方式包括但不限于热风、红外、微波、超声波、激光、紫外光及其组合。
作为优选的方案,S2与S3之间还包括以下步骤:
对集束后的预浸纱束进行以下一种或多种操作:对预浸纱束加热、固化、半固化,减除预浸纱束中的水分或使预浸纱束中的树脂部分或者完全固化,防止预浸纱卷中的预浸纱束相互粘连缠结。
采用上述优选的方案,防止预浸纱卷中的预浸纱束相互粘连缠结。
作为优选的方案,S2与S3之间还包括以下步骤:对集束后的预浸纱束进行冷却,防止预浸纱束在纱卷中粘连缠结。
采用上述优选的方案,冷却方法包括但不限于自然冷却、吹气/冷气、喷水雾/涂水、冷辊接触冷却以及它们的组合。
作为优选的方案,树脂内含有固化剂、润滑剂、着色剂、填料、阻燃剂、抗静电剂、离子助剂中的一种或多种的组合。
采用上述优选的方案,在树脂内添加合适的助剂。
另一方面,本发明还公开一种树脂原位包覆纤维原丝的制造设备,利用上述任一种制造方法进行制备,具体包括:
预浸原丝复合装置,用于将树脂附着于多根纤维单丝原丝上,复合成预浸原丝,预浸原丝复合装置包括:输送辊和/或涂油辊和/或施胶辊和/或流化床和/或加温装置和/或冷却装置,输送辊用于传输树脂膜、树脂纤维、树脂织物、隔离材料中的一种或多种;
预浸原丝集束装置,用于在一定的温度和/或一定的压力下使预浸原丝拢集成预浸纱束;
纤维绕卷装置,用于使预浸纱束卷绕成预浸纱卷。
作为优选的方案,预浸原丝复合装置还包括:静电发生装置,静电发生装置用于使树脂带上静电。
采用上述优选的方案,使树脂可以快速充分地粘附与原丝表面。
作为优选的方案,预浸原丝复合装置包括相对水平设置或者相对交错设置的一对或者多对涂油辊,涂油辊相对位置固定或者可以开合。
采用上述优选的方案,对水平设置或者相对交错设置的一对或者多对涂油辊,以平衡树脂粘附原丝产生的牵引力的横向扰动。作为优选的方案,预浸原丝复合装置还包括:粉末涂敷装置;
粉末涂敷装置包括:压缩气输送管道、气压调节装置、树脂粉末输送装置以及一个或者多个喷嘴,喷嘴朝向原丝的牵引方向由下往上斜向吹喷树脂粉末。
采用上述优选的方案,树脂从下往上斜向吹喷于原丝表面,采用气压调节装置控制吹喷压力使树脂粉末动态地保持在一定的高度上。
作为优选的方案,喷嘴为相对布置的一对或者多对,原丝从相对设置的喷嘴之间通过。
采用上述优选的方案,从原丝的正反两面斜上方向吹喷树脂。
作为优选的方案,在喷嘴的相对面设有粉末收集装置,粉末收集装置用于对多余的树脂粉末进行收集。
采用上述优选的方案,粉末收集装置可以收集多余的树脂粉末,进行重复利用,收集方法包括但不限于自然沉降、负压吸附和静电吸附。
作为优选的方案,预浸原丝复合装置包括:上下漏空的流化床,流化床包括:外层壳体和设置于外层壳体内部的内胆,内胆的上缘低于外层壳体,外层壳体和内胆之间形成集尘夹层。
采用上述优选的方案,集尘夹层用于收集沉降从底部吹上的树脂粉末,便于后续重复利用。
作为优选的方案,制造设备还包括:第一加热固化装置,第一加热固化装置用于对预浸原丝进行加热和/或固化,使预浸原丝上的树脂实现熔化、干燥、固化中的一种或多种。
采用上述优选的方案,第一加热固化装置用于对预浸原丝进行加热和/或固化。
作为优选的方案,冷却装置用于对树脂膜、树脂纤维、树脂织物或隔离材料与原丝接触面的背面和/或集束后的预浸纱束进行冷却,防止树脂膜、树脂纤维、树脂织物或隔离材料在与原丝复合形成预浸原丝过程中过早断裂和/或在集束成预浸纱束再绕成预浸纱卷后防止预浸纱束在纱卷中粘连缠结。
采用上述优选的方案,冷却方法包括但不限于自然冷却、吹气/冷气、喷水雾/涂水、冷辊接触冷却以及它们的组合。
作为优选的方案,制造设备还包括:第二加热固化装置,第二加热固化装置用于对集束后的预浸纱束进行以下一种或多种操作:加热、固化、半固化成膜,减除预浸纱束中的水分或使预浸纱束中的树脂部分或者完全固化,防止预浸纱卷中的预浸纱束相互粘连缠结。
采用上述优选的方案,防止预浸纱卷中的预浸纱束相互粘连缠结。
作为优选的方案,制造设备还包括:隔离材料输送设备,隔离材料输送设备用于将隔离材料和预浸原丝一起输送至集束设备中一起集束,防止预浸纱束在纱卷中粘连缠结。
采用上述优选的方案,防止预浸纱束在纱卷中粘连缠结。
作为优选的方案,制造设备还包括:挤压设备,挤压设备用于对集束中的预浸纱束进行挤压,加速预浸纱束中树脂对原丝的浸润,排除预浸纱束中的气泡和/或挤出多余的树脂来调节预浸纱束中的树脂含量。
采用上述优选的方案,排除预浸纱束中的气泡和/或挤出多余的树脂来调节预浸纱束中的树脂含量。优选地,集束装置为集束辊,挤压装置为靠压在集束辊上的挤压辊,挤压辊和集束辊之间的间隙可以调节。
此外,本发明还公开一种纤维预浸纱,使树脂原位浸渍多根纤维原丝然后集束成预浸纱束,预浸纱束采用上述任一种制造方法和/或采用上述任一种制造设备制造。此外,本发明还公开一种复合材料预浸料或者制品,直接采用上述纤维预浸纱制造或者通过上述纤维预浸纱制成的预浸料制品。
此外,本发明还公开一种3D打印增材,由树脂原位包覆多根纤维原丝制造成预浸纱束制成,预浸纱束采用上述任一种制造方法和/或采用上述任一种制造设备制造。
本发明巧妙地解决了以上困扰复合材料工业已久的难题,通过本发明公开的制造方法及设备使不同形态的树脂附着在纤维原丝上,甚至可以在纤维从液态到成原丝的过程中利用拉丝过程的余热使不同形态的树脂附着在纤维原丝上,形成预浸原丝,再将预浸原丝拢集成预浸纱束,预浸纱束卷绕成预浸纱卷,降低了现有技术中树脂的断丝率,又使树脂浸润包覆速度与拉丝速度实现了良好的匹配,还能够免去了纤维生产中的喷水冷却和干燥工艺,节省了能源,进一步地,还能使原丝被树脂充分包覆,得到最大限度地保护,避免了通常在纤维存放和使用过程中的损伤,从而最大限度地维持了纤维的强度和各项性能,最终既降低了纤维生产成本,又能够大幅度提高复合材料能,实现经济性、技术性和环保性的全面提高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,应当理解,以下附图仅示出了本发明的某些实施例,因此不应被看作是对范围的限定,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为现有技术中现有的拉丝设备示意图。
图2为现有技术中坩埚漏板的主视图。
图3为本发明实施例一提供的制造设备主视图。
图4为本发明实施例一提供的制造设备侧视图。
图5为本发明实施例二提供的制造设备主视图。
图6为本发明实施例二提供的制造设备侧视图。
图7为本发明实施例三提供的制造设备主视图。
图8为本发明实施例三提供的制造设备侧视图。
图9为本发明实施例四提供的制造设备主视图。
图10为本发明实施例四提供的制造设备侧视图。
图11为本发明实施例五提供的制造设备主视图。
图12为本发明实施例五提供的制造设备侧视图。
图13为本发明实施例六提供的制造设备主视图。
图14为本发明实施例六提供的制造设备侧视图。
图15为本发明实施例七提供的制造设备主视图。
图16为本发明实施例七提供的制造设备侧视图。
图17为本发明实施例八提供的制造设备主视图。
图18为本发明实施例八提供的制造设备侧视图。
图19为本发明实施例十提供的制造设备主视图。
图20为本发明实施例十提供的制造设备侧视图。
图21为本发明实施例十二提供的制造设备侧视图。
图22为本发明实施例十四提供的制造设备侧视图。
其中:1-玻璃液坩埚,2-坩埚漏板,21-丝孔,3-原丝,4-涂油辊,5-集束辊,51-凹槽,6-收卷辊,7-输送辊,8-树脂膜,9-预浸原丝,10-预浸纱束,11-鼓风装置,12-挤压辊,13-冷却装置,14-隔离材料,15-加热装置,16-涂油盒,17-粉末流化床,18-垂直流化床,19-移胶辊,20-刮板,22-干燥加温器,23-可升降的流化床,24-施胶辊,25-上胶辊,26-胶量控制辊。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施方式。
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。“包括”元件的表述是“开放式”表述,该“开放式”表述仅仅是指存在对应的部件或步骤,不应当解释为排除附加的部件或步骤。
为了达到本发明的目的,一种树脂原位包覆纤维原丝的制造方法、设备及其应用的其中一些实施例中,该制造方法包括以下步骤:
S1:将树脂附着于多根纤维单丝原丝上,复合成预浸原丝;
其中S1中,树脂采用T1至T5中任一个方式或多个方式的组合将树脂附着于多根纤维单丝原丝上,形成预浸原丝;
T1:将由树脂制成的树脂膜、树脂纤维、树脂织物中的一种或多种与原丝熔合,复合成预浸原丝;
T2:树脂通过隔离材料转移至原丝上,与原丝复合成预浸原丝;
T3:树脂通过涂油辊或施胶辊涂敷在原丝表面,与原丝复合成预浸原丝;
T4:原丝经过含有树脂粉末的流化床,使树脂粉末吸附于原丝表面,与原丝复合或熔合成预浸原丝;
T5:树脂被喷射向原丝,与原丝复合或熔合成预浸原丝;
S2:在一定的温度和/或一定的压力下使预浸原丝拢集成预浸纱束;
S3:使预浸纱束卷绕成预浸纱卷;
S1中,树脂的形态为液态本体、溶液、乳液、粉末悬浮液、熔体、粉末、膜、纤维、织物中的一种或多种。
为了进一步地优化本发明的实施效果,在另外一些实施方式中,其余特征技术相同,不同之处在于,在S1之前还包括以下步骤:
S0:使原丝带上电荷;或,使原丝带上电荷的同时,使树脂带上与原丝表面电荷相反的电荷。
采用上述优选的方案,使树脂可以快速充分地粘附与原丝表面。
为了进一步地优化本发明的实施效果,在另外一些实施方式中,其余特征技术相同,不同之处在于,S2中树脂和隔离材料一起被集束成预浸纱束,防止预浸纱束在纱卷中粘连缠结。
采用上述优选的方案,防止预浸纱卷中的预浸纱束相互粘连缠结。隔离材料包括但不限于聚丙烯、聚乙烯、涂有离型剂的玻璃纸或者其他纸或聚酯薄膜、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、尼龙、聚醚醚酮、聚酰亚胺、聚苯硫醚、涂膜织物、硅橡胶中的一种或多种的组合;优选地,隔离材料具备离型功能或其表面涂有离型剂;优选地,隔离材料为透明或透光的。
为了进一步地优化本发明的实施效果,在另外一些实施方式中,其余特征技术相同,不同之处在于,当树脂形态为熔体、粉体、膜、纤维、织物中的一种或多种时,S1中,原丝温度处于树脂熔点以上0~40℃,使树脂在原丝表面熔化粘附于原丝表面。
采用上述优选的方案,温度合适,保证树脂可以顺利熔化粘附于原丝表面。同时,可以在拉丝过程中利用原丝自身的余热在原丝处于以上温度区间内实现复合工艺,既减除了冷却耗时耗能,又节省了对原丝加热的工序和能耗
为了进一步地优化本发明的实施效果,在另外一些实施方式中,其余特征技术相同,不同之处在于,S1在具有惰性气体的保护环境下执行当树脂形态为膜、纤维、织物中的一种或多种时,对树脂与原丝的接触面的背面冷却,防止树脂膜、树脂纤维、树脂织物中的一种或多种过早熔化断裂。
采用上述优选的方案,防止树脂膜、树脂纤维、树脂织物中的一种或多种过早熔化断裂。
为了进一步地优化本发明的实施效果,在另外一些实施方式中,其余特征技术相同,不同之处在于,S1在具有惰性气体保护的环境下执行。
采用上述优选的方案,采用具有惰性气体的保护环境可以避免高温下树脂劣化或者燃烧。惰性气体包括但不限于二氧化碳、氮气、氦气、氩气等。优选地,采用氮气保护,因为它比空气重,容易沉积,不易扩散,又不影响空气中二氧化碳含量。
为了进一步地优化本发明的实施效果,在另外一些实施方式中,其余特征技术相同,不同之处在于,S2中,一定的温度为树脂熔点以上0~40℃的温度。
采用上述优选的方案,温度合适,保证树脂可以充分熔化粘附于原丝表面。
为了进一步地优化本发明的实施效果,在另外一些实施方式中,其余特征技术相同,不同之处在于,S2还包括以下步骤:对集束的预浸纱束进行挤压,加速预浸纱束中树脂对原丝的浸润,排除预浸纱束中的气泡和/或挤出多余的树脂来调节预浸纱束中的树脂含量。
采用上述优选的方案,调节预浸纱束中的树脂含量。
为了进一步地优化本发明的实施效果,在另外一些实施方式中,其余特征技术相同,不同之处在于,S1与S2之间还包括以下步骤:对预浸原丝进行加热和/或固化,使预浸原丝上的树脂实现熔化、干燥、固化中的一种或多种。
采用上述优选的方案,加热和/或固化方式包括但不限于热风、红外、微波、超声波、激光、紫外光及其组合。这一些实施方式尤其是针对树脂是液态本体、溶液、乳液、粉末悬浮液,对于它们,S1中树脂与原丝复合的温度在20~80℃之间。
为了进一步地优化本发明的实施效果,在另外一些实施方式中,其余特征技术相同,不同之处在于,S2与S3之间还包括以下步骤:
对集束后的预浸纱束进行以下一种或多种操作:对预浸纱束加热、固化、半固化,减除预浸纱束中的水分或使预浸纱束中的树脂部分或者完全固化,防止预浸纱卷中的预浸纱束相互粘连缠结。
采用上述优选的方案,防止预浸纱卷中的预浸纱束相互粘连缠结。
为了进一步地优化本发明的实施效果,在另外一些实施方式中,其余特征技术相同,不同之处在于,S2与S3之间还包括以下步骤:对集束后的预浸纱束进行冷却,防止预浸纱束在纱卷中粘连缠结。
采用上述优选的方案,冷却方法包括但不限于自然冷却、吹气/冷气、喷水雾/涂水、冷辊接触冷却以及它们的组合。
为了进一步地优化本发明的实施效果,在另外一些实施方式中,其余特征技术相同,不同之处在于,树脂内含有固化剂、润滑剂、着色剂、填料、阻燃剂、抗静电剂、离子助剂中的一种或多种的组合。
采用上述优选的方案,在树脂内添加合适的助剂,以适应不同的工艺或者应用的要求。
另一方面,本发明实施例还公开一种树脂原位包覆纤维原丝的制造设备,利用上述任一实施例公开的制造方法进行制备,具体包括:
预浸原丝复合装置,用于将树脂附着于多根纤维单丝原丝上,复合成预浸原丝,预浸原丝复合装置包括:输送辊和/或涂油辊和/或施胶辊和/或流化床和/或加温装置和/或冷却装置,输送辊用于传输树脂膜、树脂纤维、树脂织物、隔离材料中的一种或多种;
预浸原丝集束装置,用于在一定的温度和/或一定的压力下使预浸原丝拢集成预浸纱束;
纤维绕卷装置,用于使预浸纱束卷绕成预浸纱卷。
为了进一步地优化本发明的实施效果,在另外一些实施方式中,其余特征技术相同,不同之处在于,预浸原丝复合装置还包括:静电发生装置,静电发生装置用于使树脂带上静电。
采用上述优选的方案,使树脂可以快速充分地粘附与原丝表面。
为了进一步地优化本发明的实施效果,在另外一些实施方式中,其余特征技术相同,不同之处在于,预浸原丝复合装置包括相对水平设置或者相对交错设置的一对或者多对涂油辊,涂油辊相对位置固定或者可以开合。
采用上述优选的方案,对水平设置或者相对交错设置的一对或者多对涂油辊,以平衡树脂粘附原丝产生的牵引力的横向扰动。
可选地,在涂油辊上设有用于原丝穿过的凹槽,通过凹槽中沉积的树脂包覆原丝。进一步,涂油辊可采用磁悬浮轴承或者液体轴承或转动线速度与原丝的牵引速度同步,以减少扭矩,减少原丝上的牵引阻力,防止断丝,此装置尤其适用于树脂状态为液态本体、溶液、乳液、粉末悬浮液和熔体的时候,在树脂为粉末状态时,结合粉末流化床使用。
为了进一步地优化本发明的实施效果,在另外一些实施方式中,其余特征技术相同,不同之处在于,预浸原丝复合装置还包括:粉末涂敷装置;
粉末涂敷装置包括:压缩气输送管道、气压调节装置、树脂粉末输送装置以及一个或者多个喷嘴,喷嘴朝向原丝的牵引方向由下往上斜向吹喷树脂粉末。
采用上述优选的方案,树脂从下往上斜向吹喷于原丝表面,采用气压调节装置控制吹喷压力使树脂粉末动态地保持在一定的高度上。
为了进一步地优化本发明的实施效果,在另外一些实施方式中,其余特征技术相同,不同之处在于,喷嘴为相对布置的一对或者多对,原丝从相对设置的喷嘴之间通过。
采用上述优选的方案,从原丝的正反两面斜上方向吹喷树脂来,使原丝充分地被树脂包覆。
为了进一步地优化本发明的实施效果,在另外一些实施方式中,其余特征技术相同,不同之处在于,在喷嘴的相对面设有粉末收集装置,粉末收集装置用于对多余的树脂粉末进行收集。
采用上述优选的方案,粉末收集装置可以收集多余的树脂粉末,进行重复利用,收集方法包括但不限于自然沉降、负压吸附和静电吸附。
为了进一步地优化本发明的实施效果,在另外一些实施方式中,其余特征技术相同,不同之处在于,预浸原丝复合装置包括:上下漏空的流化床,流化床包括:外层壳体和设置于外层壳体内部的内胆,内胆的上缘低于外层壳体,外层壳体和内胆之间形成集尘夹层。
采用上述优选的方案,集尘夹层用于收集沉降从底部吹上的树脂粉末,便于后续重复利用,也防止粉尘飞散。
为了进一步地优化本发明的实施效果,在另外一些实施方式中,其余特征技术相同,不同之处在于,制造设备还包括:第一加热固化装置,第一加热固化装置用于对预浸原丝进行加热和/或固化,使预浸原丝上的树脂实现熔化、干燥、固化中的一种或多种。
采用上述优选的方案,第一加热固化装置用于对预浸原丝进行加热和/或固化。此装置尤其适用于当树脂为液态本体、溶液、乳液、粉末悬浮液等状态时。
为了进一步地优化本发明的实施效果,在另外一些实施方式中,其余特征技术相同,不同之处在于,冷却装置用于对树脂膜、树脂纤维、树脂织物或隔离材料与原丝接触面的背面和/或集束后的预浸纱束进行冷却,防止树脂膜、树脂纤维、树脂织物或隔离材料在与原丝复合形成预浸原丝过程中过早断裂和/或在集束成预浸纱束再绕成预浸纱卷后防止预浸纱束在纱卷中粘连缠结。
采用上述优选的方案,冷却方法包括但不限于自然冷却、吹气/冷气、喷水雾/涂水、冷辊接触冷却以及它们的组合。
为了进一步地优化本发明的实施效果,在另外一些实施方式中,其余特征技术相同,不同之处在于,制造设备还包括:第二加热固化装置,第二加热固化装置用于对集束后的预浸纱束进行以下一种或多种操作:加热、固化、半固化成膜,减除预浸纱束中的水分或使预浸纱束中的树脂部分或者完全固化,防止预浸纱卷中的预浸纱束相互粘连缠结。
采用上述优选的方案,防止预浸纱卷中的预浸纱束相互粘连缠结。
为了进一步地优化本发明的实施效果,在另外一些实施方式中,其余特征技术相同,不同之处在于,制造设备还包括:隔离材料输送设备,隔离材料输送设备用于将隔离材料和预浸原丝一起输送至集束设备中一起集束,防止预浸纱束在纱卷中粘连缠结。
采用上述优选的方案,防止预浸纱束在纱卷中粘连缠结。
为了进一步地优化本发明的实施效果,在另外一些实施方式中,其余特征技术相同,不同之处在于,制造设备还包括:挤压设备,挤压设备用于对集束中的预浸纱束进行挤压,加速预浸纱束中树脂对原丝的浸润,排除预浸纱束中的气泡和/或挤出多余的树脂来调节预浸纱束中的树脂含量。
采用上述优选的方案,排除预浸纱束中的气泡和/或挤出多余的树脂来调节预浸纱束中的树脂含量。优选地,集束装置为集束辊,挤压装置为靠压在集束辊上的挤压辊,挤压辊和集束辊之间的间隙可以调节。
此外,本发明实施例还公开一种纤维预浸纱,使树脂原位浸渍多根纤维原丝然后集束成预浸纱束,预浸纱束采用上述任一种制造方法和/或采用上述任一种制造设备制造。此外,本发明还公开一种复合材料预浸料或者制品,直接采用上述纤维预浸纱制造或者通过上述纤维预浸纱制成的预浸料制品。
此外,本发明实施例还公开一种3D打印增材,由树脂原位包覆多根纤维原丝制造成预浸纱束制成,预浸纱束采用上述任一种制造方法和/或采用上述任一种制造设备制造。
本发明公开的3D打印增材含有纤维增强,强度远远超过普通增材,并且纤维含量可调,而且预浸纱增材可以极细,实现精密打印,也可以由多束预浸纱集束而成,实现大尺寸制品快速打印。
本发明巧妙地解决了以上困扰复合材料工业已久的难题,通过本发明公开的制造方法及设备使不同形态的树脂附着在纤维原丝上,甚至可以在纤维从液态到成原丝的过程中利用拉丝过程的余热使不同形态的树脂附着在纤维原丝上,形成预浸原丝,再将预浸原丝拢集成预浸纱束,预浸纱束卷绕成预浸纱卷,降低了现有技术中树脂的断丝率,又使树脂浸润包覆速度与拉丝速度实现了良好的匹配,还能够免去了纤维生产中的喷水冷却和干燥工艺,节省了能源,进一步地,还能使原丝被树脂充分包覆,得到最大限度地保护,避免了通常在纤维存放和使用过程中的损伤,从而最大限度地维持了纤维的强度和各项性能,最终既降低了纤维生产成本,又能够大幅度提高复合材料能,实现经济性、技术性和环保性的全面提高。
以上多种实施方式可交叉并行实现。
为了对本发明进行全面的理解,下面介绍多个实施例。
实施例一:如图3和4所示,预浸丝复合装置包括输送辊7,集束装置包括集束辊5,收卷装置包括收卷辊6,树脂的状态为树脂制成的纤维束、织物或者膜。以下以树脂膜8为例,玻璃纤维丝根被牵引成为原丝3,然后通过与输送辊7输送的树脂膜8复合成为预浸原丝9,然后一起通过集束辊5集束成为预浸纱束10后被绕卷在收卷辊6上成为预浸纱卷,通过控制树脂膜8的厚度可以控制预浸纱束10中的树脂含量。
优选地,为了改善树脂与原丝的附着性,使树脂带电荷或者将带电荷的阳离子偶联剂加入树脂中。优选地,原丝3在处于树脂熔点之上0~40℃与输送辊7上的树脂膜8复合,使树脂膜8熔化附着在原丝3上。优选地,输送辊7采用液体或磁悬浮轴承或者采用对辊的方式使输送辊以原丝牵引速度相同的线速度输送树脂膜8以降低对原丝的牵引阻力。优选地,对树脂膜8与原丝接触的面的背面进行冷却或者润滑,以免使树脂膜8过早熔化断裂,冷却的方式包括但不限于吹气/冷风/水雾;或,将水或者水溶液浸涂在转动的输送辊7上或直接对输送辊7冷却使通过输送辊7的树脂膜8的背面冷却和/或润滑,而不至于使树脂膜8在与原丝复合过程中熔化粘附在输送辊7上从而产生对原丝牵引力的横向扰动。优选地,集束辊5上有凹槽51,凹槽51的形状为开口宽底部窄的V型或者U型槽,使预浸原丝容易被拢集成预浸纱束。优选地,对集束辊5进行加温到树脂熔点之上0~40℃,使通过集束辊5的预浸原丝上的树脂充分熔化并浸润原丝。可选地,集束辊5为一个或者多个。可选地,靠紧集束辊5设置有刮板,将集束辊5表面上粘附的多余的树脂熔体刮除重新利用。优选地,在预浸原丝通过集束辊5之前,对预浸原丝加热干燥以除去附着在树脂膜8上的水分,加热干燥装置包括但不限于红外、微波、热风加热装置中的一种或多种的组合。优选地,对预浸纱束在进入收卷辊之前进行冷却和/或润滑,冷却和/或润滑装置包括但不限于自然风干区、吹气/冷风、喷水雾装置、冷却或水润滑的冷却辊接触冷却/润滑装置。可选地,收卷系统为处于收卷转换轴上圆周排布的2个或2个以上的收卷辊6,其自传速度同步,收卷转换轴每转动一次,工作位子上的收卷辊则离开工作位置,相邻的备用收卷辊则进入工作位子,依次循环;开机或者停机重新启动拉丝时,先将纤维从丝根上牵引成原丝,与树脂膜捻合通过集束辊5集束后后卷绕在高速旋转的收卷辊6上,待一个收卷辊6卷满后转动收卷转换轴,使新的收卷辊处于收卷工作位置,原收卷辊退出工作位置,切断预浸纱束,这样预浸纱束就能稳定地在新的收卷辊上卷绕成为预浸纱卷。
这种纤维预浸纱卷将成为生产复合材料预浸料或半成品或成品的最初级产品可以应用于各种复合材料工艺中,下游的加工工艺包括但不限于纤维预浸料制造工艺和复合材料成品的直接成型工艺,纤维预浸料包括但不限于一维、二维、三维的:热塑/热固预浸毡/布/带、预浸丝、纤维增强粒料、团装模塑料、片状模塑料、三维编织体,纤维预浸料的成型工艺包括但不限于编织、铺放、喷射沉积/粘合、三维成型中的一种或多种的组合;复合材料直接成型工艺包括但不限于拉挤、缠绕、卷制、喷射/铺放袋压/层压/模压、注射成型中的一种或多种的组合,其特点为:复合材料直接成型工艺中去除了树脂浸润环节,直接采用预浸纱进行预成型后在一定的压力和温度条件下成型复合材料,由于实现了树脂对纤维原丝的充分浸润,免去了树脂浸渍环节,在成型中只需要排除预浸纱之间的空气即可实现极少空隙的复合材料,能够大幅度地提高复合材料的性能,而且生产中的质量控制点大大减少了,生产管理大大简化,产品质量稳定性将得以大大提高;并且,由于树脂已经半固化或固化并充分包覆原丝,生产复合材料的场所极少树脂挥发物和纤维飞扬,清洁环保。
这种纤维预浸纱束可以由少数几根原丝制作极细的3D打印增材或者多束集束制造大的预浸纱束,分别用于制作精密的3D打印复合材料制品或者大尺寸的3D打印复合材料制品,由于增材由纤维增强,树脂含量可以调节,纤维取向可以按照需要设置安排,树脂固化或定型后可以制得强度高、尺寸精度高的复合材料制品。
实施例一利用树脂膜8进行树脂原位包覆原丝,既可以减免在树脂包覆原丝过程中对原丝牵引力的横向扰动从而避免断丝风险,又可以保证树脂包覆原丝的浸润质量。
实施例二,如图5和6,实施例二为实施例一的变形,可以进一步防止树脂包覆原丝时对原丝牵引力的横向扰动。
其他同实施例一,区别在于,原丝3不在输送辊7上与树脂膜8复合,而是在原丝3进入集束辊之前的空中与树脂膜8复合,这样就彻底免除了树脂熔融粘附在输送辊7上对原丝牵引力横向扰动的风险。
具体实施方案是:采用一个或一对转动的输送辊7输送树脂膜8使其与原丝3进入集束辊5的路径的一侧或者相对两侧,夹着原丝3经过集束辊5熔化复合成为预浸纱束10。优选地,在进入集束辊5之前的路径上采用鼓风装置11将树脂膜8吹向原丝3,此时原丝3温度高于树脂熔点0~40℃,树脂膜8有更长的时间熔合包覆原丝。更优选地,设置有挤压辊12,对经过集束辊5的预浸纱束10进行挤压,可以帮助排除预浸纱束内的气泡,提高树脂包覆原丝的浸润质量,同时,通过调整挤压辊与集束辊之间的间隙可以调整预浸纱束10中的树脂含量,也可以使用刮板将挤压辊12和集束辊5表面上多余的树脂刮除。
具体操作时,启动时挤压辊12与集束辊5分开,启动设置与集束辊和收卷辊之间的冷却装置13,将原丝3与树脂膜8捻合后和树脂膜一起通过集束辊5后绕卷在收卷辊上开始同时牵引原丝3和树脂膜8直至牵引稳定,闭合挤压辊,待工作正常,启动树脂膜背面的鼓风装置11使树脂膜在进入集束辊之前与原丝贴合熔融复合,然后在集束辊5的凹槽51中熔化成为预浸纱束10,对预浸纱束在集束辊后和绕卷在收卷辊之前吹喷空气/冷气/水雾使其冷却/润滑后绕卷在收卷辊6上成为预浸纱卷。
实施例三,如图7和8,实施例三是实施例一所示工艺的一个变形,也可以进一步防止树脂包覆原丝时对原丝牵引力的横向扰动。
其他同实施例一,区别在于,采用相对设置的一对相对转动的输送辊7输送树脂膜8夹着原丝3进入集束辊5集束成为预浸纱束10然后绕卷在收卷辊上成为预浸纱卷。
具体操作时,输送辊7先分开,将原丝3与树脂膜8一起捻合后通过集束辊5卷绕在收卷辊6上,输送辊7合拢,使树脂膜8在原丝3温度高于树脂熔点0~40℃时与原丝熔合一起进入集束辊5,待原丝3牵引正常后转动收卷辊6转换轴使新的收卷辊进入工作位置正常生产预浸纱卷。
实施例四,如图9和10所示,展示了实施例一~三工艺的一个变形,可以应用于多种形态的树脂。将一定形态的树脂附着于隔离材料14上,通过隔离材料输送辊7使隔离材料14从单面或双面上与原丝3复合使树脂转移至原丝上并包覆原丝成为预浸原丝9,预浸原丝9和隔离材料14一起通过集束辊5绕卷在收卷辊上成为预浸纱卷直接进入下一工序使用或通过干燥和/或固化后应用于复合材料半成品和成品的生产工艺中,树脂形态包括但不限于熔体、膜状、纤维状、织物状、粉末状、粉末悬浮液、乳液、本体液体、溶液。
优选地,隔离材料14从原丝3的相对两面夹住原丝通过集束辊5被绕卷在收卷辊6上。优选地,在集束辊5前具有对预浸原丝加热和/或固化的装置,加热和/或固化方式包括但不限于加热、红外、微波、激光、超声波、UV固化方式中的一种或多种的组合;优选地,对预浸纱束进入收卷辊之前进行冷却和/或润滑,冷却和/或润滑装置包括但不限于自然风干区、吹气/冷风、喷水雾装置、冷却或水润滑的冷却辊接触冷却/润滑装置。优选地,具有挤压辊12对集束辊上的预浸纱束挤压除泡和帮助浸润,通过调整挤压辊与集束辊之间的间隙,挤出多余的树脂,调节预浸纱束之内的树脂含量。优选地,在集束辊5上有凹槽,优选的形状为开口宽底部窄的V型或U型槽,使预浸原丝容易被拢集成预浸纱束,也可以通过凹槽的形状和截面积在挤压辊挤压时可以来固定调节预浸纱束中的树脂含量。优选地,对集束辊5进行加温到树脂熔点之上0~40℃,使通过集束辊5的预浸原丝上的树脂充分熔化并浸润原丝;可选地,集束辊为一个或多个。
隔离材料14包括但不限于聚丙烯、聚乙烯、涂有离型剂的玻璃纸或者其他纸或聚酯薄膜、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、尼龙、聚醚醚酮、聚酰亚胺、聚苯硫醚、涂膜织物、硅橡胶中的一种或多种的组合;优选地,隔离材料14具备离型功能或其表面涂有离型剂;优选地,隔离材料14为透明或透光的。
采用这种工艺的好处在于:1)隔离材料和原丝同速度,不存在树脂粘附力对原丝牵引力的扰动;2)隔离材料在卷绕过程中给予树脂足够的时间浸润树脂;3)解决了树脂干燥和/或固化速度与牵引速度不匹配的问题,预浸纱卷可以离线干燥和/或固化;4)有隔离材料隔离,预浸纱束之间不相粘粘缠结;5)有了隔离材料隔离,可以在收卷以后对预浸纱卷中的预浸纱束进行固化或者干燥,固化时间不受原丝牵引速度限制。
如图9和10所示,当树脂形态为膜状/高粘度的树脂本体或熔体或粉体状态的树脂时的具体实施方法:预浸原丝复合装置为一对可以开合的隔离材料输送辊7,隔离材料启动时其中一个隔离材料输送辊7和挤压辊12分开,牵引原丝3与隔离材料14捻合使隔离材料14从双面夹合着原丝3通过集束辊5绕卷在收卷辊6上,再闭合隔离材料输送辊7和挤压辊12,使隔离材料14上托覆或者涂敷前述形态的树脂,使树脂在进入集束辊前和/或在收卷后在隔离材料上包覆原丝成为预浸纱束,所制成的预浸纱束可以直接进入下一环节的工艺或重新绕卷卷除去料头和/或隔离材料或在加热和/或半固化/固化后重新绕卷。优选地,树脂在通过集束辊前和集束辊上在原丝温度高于树脂熔点0~40℃时包覆原丝复合成预浸原丝,隔离材料的熔点高于树脂熔点因而不会熔化断膜;优选地,使树脂粉体带上电荷通过静电吸附在隔离材料上避免粉体飞散或采用涂有离型剂的织物制造的隔离材料方便预浸纱束与隔离材料分离。
实施例五,如图11和12所示,作为实施例四的另一个具体实施方法,展示了当树脂形态为液态本体、溶液、乳液、粉体悬浮液、溶液等低粘度的液体时的实施方法。其他如现有拉丝技术,预浸丝复合装置包括涂油盒16,区别在于:1)将浸润剂更换为低粘度的液体状态的树脂,树脂经过涂油盒16,由涂油辊4涂敷在原丝表面,原丝的涂敷温度为20~80℃;2)输送辊7输送隔离材料14,如实施例四的方法采用隔离材料14单面或者双面衬着或者夹着原丝3与其复合在一起通过集束辊5绕卷在收卷辊6上成为预浸纱卷。
优选地,通过挤压辊12和集束辊5使隔离材料14夹合预浸原丝9形成相互隔离的预浸纱束。优选地,采用加热装置15对涂敷过的预浸原丝进行加热/固化使原丝上的树脂除水和/或半固化/固化成膜。更优选地,集束辊和/或隔离材料输送辊加热除水和/或加快树脂反应前体的反应。树脂含有固化剂,在适当的固化条件下可以完全固化或者半固化为线性结构的或者支化结构的聚合物基体,固化剂包括但不限于热引发剂、光引发剂、潜固化剂中一种或多种的组合,隔离材料14优选为涂有离型剂的纸、织物和膜。由此方法制得的预浸纱可以直接进入下一道工序或者经烘烤除水和/或固化后退绕隔离材料14成为纱卷进入下一道工序。
具体实施时,启动挤压辊12打开,将原丝牵引和绕卷于集束辊和挤压辊上的隔离材料一起捻合绕卷在收卷辊6上,待拉丝稳定后靠紧挤压辊。
实施例六,如图13和14所示,实施例六为实施例五的一个变形。其他如实施例五,区别在于预浸丝复合装置中将涂油盒16更换为粉末流化床17,用涂油辊4吸附树脂粉末转移到经过涂油辊4的原丝上形成预浸原丝,然后由隔离材料14夹着预浸原丝进入集束辊5和挤压棍12之间的间隙,在一定的温度和压力和一定的间隙下既将隔离材料14之间的原丝浸润充分,挤出纱束之中的气泡,又调节纱束中的树脂/树脂的反应前体混合物含量。
优选地,使树脂带电荷或加入离子助剂,使树脂粉末容易吸附与原丝上;优选地,树脂在原丝温度在高于树脂熔点0~40℃与涂油辊4接触,优选地,对涂油辊4冷却或涂敷水以防止树脂粘附在涂油辊上引起对原丝牵引力的横向扰动;更优选地,集束辊和/或隔膜输送辊加热至树脂熔点以上0~40℃使树脂粉末熔化包覆原丝;优选地,隔离材料14采用耐高温的薄膜包括但不限于玻璃纸或者其他纸或聚四氟乙烯、聚醚醚酮、聚酰亚胺、聚苯硫醚、涂膜织物、硅橡胶中的一种或多种的组合,使隔离材料能够抵抗树脂熔体的高温;更优选地,使用惰性压缩气体作为流化床的鼓动气体,以防止高温下树脂粉末劣化甚至燃烧。
实施例七,如图15和16所示,实施例七为垂直流化床结合隔离材料原位包覆原丝的工艺。预浸丝复合装置包括垂直流化床18,具体为:在坩埚漏板2下方设置一个上下露空周向密闭的垂直流化床18,流化床18面向操作者的一面操作门活动启闭,流化床18底部设置有斜上方向朝向原丝吹喷的吹喷嘴,集束辊5位于垂直流化床18的正下方。
优选地,原丝3垂直通过流化床18的温度不低于树脂熔点;优选地,吹喷嘴设置于原丝的正反两面,优选地,具有挤压辊12使隔离材料双面夹合原丝3经过集束辊5绕卷在收卷辊6上。具体操作时,垂直流化床18操作门打开,挤压辊12打开,操作者牵引原丝捻合与隔离材料一起经集束辊绕卷在高速转动的收卷辊上开始连续牵引原丝,牵引正常后,操作门关闭,挤压辊12压合,吹喷嘴以恒定的压力向原丝吹喷树脂粉末,使树脂粉末在原丝上熔化包覆原丝,多余的树脂粉末可能落在挤压辊和集束辊上的隔离材料上;优选地,将挤压辊和集束辊中的至少一个加热至树脂熔点之上0~40℃使预浸原丝集束后进一步排除气泡和浸润充分,集束后的预浸纱束被绕卷在收卷辊6上成为预浸纱卷进入下一工序或者直接用于制造复合材料。优选地,使树脂带上电荷或者参入离子助剂,使树脂更容易吸附与原丝上;优选地,吹喷嘴的对面具有集尘装置,用于收集吹喷嘴吹出的树脂粉末重复利用,收集方法包括但不限于自然沉降、负压和静电吸附;优选地,在垂直流化床18内壁就有上下开口的内胆,内胆的高度低于流化床的高度,内胆与流化床18壁形成集尘夹层,树脂粉末和惰性气体被吹喷至集尘内胆的上缘后自然沉降到集尘夹层内,收集后重复利用;更优选地,垂直流化床18为上宽下窄的锥台型,内胆为圆柱型,由透明材质制作,这样集成内胆为上宽下窄的漏斗状,流化床内壁为柱形,形成的流化床均匀稳定,可以使原丝均匀地与树脂粉末接触熔合,集尘上口宽使粉尘上吹压力下降快方便粉尘沉降,透明材质可以方便操作人员观察流化床状态、原丝包覆情况和断丝情况。优选地,用于输送树脂粉末和吹喷的压缩气体为惰性气体,包括但不限于二氧化碳、氮气、氩气等,防止树脂在高温下劣化或者燃烧。
实施例八,如图17和18所示,实施例为实施例七的变形。其他如实施例七,区别在于:去掉了隔离材料,相应地,将集束辊置于垂直流化床的正下方使落下的树脂粉末能落到集束辊上,将集束辊加热至树脂熔点之上0~40℃,优选地,设施挤压辊排除预浸纱束中的气泡和帮助浸润,优选地,采用移胶辊19和刮板20除去集束辊5和挤压辊12上多余的树脂,优选地,采用包括但不限于空气/冷气/水雾/冷辊接触等冷却措施对预浸纱束进行冷却和/或润滑,冷却和/润滑措施使预浸纱束在预浸纱卷中不会粘连缠结。
实施例九,实施例九为实施例七的一个变形,与实施例七区别在于:去掉隔离材料,在集束辊5和收卷辊6之间设置冷却装置,简化了工艺。
实施例十,如图19和20所示,实施例十为利用树脂粉末悬浮液和加热集束辊解决断丝和纱束粘连问题的方案。将现有工艺中的涂油盒中的浸润剂更换为树脂粉末悬浮液,将涂油辊4上移至原丝温度高于树脂熔点0~40℃的位置,同时对集束辊5进行加温到树脂熔点之上0~40℃的温度,将原丝牵引后捻合通过涂油辊4成为预浸原丝再经集束辊5集束成为预浸纱束后绕卷到高速转动的收卷辊上成为预浸纱卷。优选地,采用干燥加温器22对预浸原丝在经过集束辊5之前进行加温,对其进行干燥并促进树脂熔融包覆原丝,加温措施包括但不限于热风、红外、微波、激光、超声波等。优选地,对预浸纱束在进入收卷辊前采用包括但不限于空气/冷气/水雾/冷辊接触等冷却措施对预浸纱束进行冷却和/或润滑。由于粉末悬浮也粘度不高于水溶液,所以对原丝牵引力的横向扰动小,冷却和/润滑措施使预浸纱束在预浸纱卷中不会粘连缠结。
实施例十一,实施例十一示出了一个利用树脂乳液和加热和/或固化装置解决断丝和纱束粘连问题的方案。实施例十一与实施例十相似,区别点在于,将现有工艺中的涂油盒中的浸润剂更换为树脂乳液,优选地,树脂中含有固化剂,固化剂包括但不限于潜固化剂、热敏固化剂、紫外线引发剂的一种或多种的组合;将原丝牵引后捻合通过涂油辊4成为预浸原丝再经集束辊5集束成为预浸纱束后绕卷到高速转动的收卷辊6上成为预浸纱卷,对预浸原丝在经过集束辊5之前进行加温和/或固化,对预浸原丝上的树脂乳液进行干燥并促进树脂成膜或者反应成膜包覆原丝,加温措施包括但不限于热风、红外、微波、激光、超声波等,固化措施包括但不限于红外、微波、激光、超声波、UV紫外光固化等。由于树脂乳液粘度不高于水溶液,所以对原丝牵引力的横向扰动小,成膜的树脂也使预浸纱束在预浸纱卷中不会粘连缠结。当然,这种工艺只针对能够快速干燥和/固化成膜的树脂乳液可行。
实施例十二,如图21所示,实施例十二示出了一个利用升降流化床23和涂油辊4的树脂原位包覆原丝工艺。预浸丝复合装置包括:可升降的流化床和/或涂油辊,集束辊的集束区高于涂油辊底部,在漏板正下方设置有可升降的流化床,承装树脂粉末,优选地,鼓动树脂粉末的气体为惰性气体,惰性气体包括但不限于二氧化碳、氮气、氩气等,同时对涂油辊进行冷却以防止树脂熔化在涂油辊上形成熔体对原丝牵引力产生扰动,涂油辊4所处的区域原丝的温度高于树脂熔点0~40℃,对集束辊进行加温至树脂熔点之上0~40℃,集束辊与涂油辊水平设置且集束辊的高点高于涂油辊的低点,集束辊5和涂油辊4采用液体轴承或者磁悬浮轴承或者同步以与原丝牵引速度相同的线速度旋转以降低对原丝牵引力的扰动;优选地,涂油辊和/或集束辊设置有刮板20,可以刮除其表面多余的树脂,在集束辊5和收卷辊6之间具有冷却装置13,冷却装置13采用包括但不限于空气/冷气/水雾/冷辊接触等冷却措施对预浸纱束进行冷却和/或润滑。启动时,流化床下降暴露涂油辊,牵引原丝捻合后经过涂油辊4然后水平地绕过集束辊5成为纱束再绕卷到高速旋转的收卷辊上,带牵引原丝稳定后提升流化床使原丝浸没在树脂粉末中通过流化床23与树脂粉末熔合成预浸原丝在经集束辊5上的凹槽进一步熔合集束成为预浸纱束,再经冷却装置13冷却和/或润滑后绕卷在收卷辊上成为预浸纱卷,更好地保证了树脂粉末对原丝的浸润。
实施例十三,实施例十三为实施案例十的一个变形,其他同实施例十,区别在于,预浸丝复合装置包括两个相对设置的涂油辊4,可以平衡涂油辊4上的树脂对原丝牵引力的横向扰动,使此装置和方法可以适用与稍高粘度的树脂。
实施例十四,如图22所示,实施例十四为实施例十一的一个变形,其他同实施例十一,区别在于:预浸丝复合装置包括施胶辊24,采用施胶辊24将树脂熔体包覆原丝取代流化床将树脂粉末包覆原丝的方式,施胶辊24与集束辊5相对上下设置,都加温至树脂熔点之上0~40℃,施胶辊24设置于原丝温度处于树脂熔点之上0~40℃的位置。上胶辊25设置在施胶辊24外侧,上胶辊25将树脂熔体施加与施胶辊24表面并控制树脂熔体在施胶辊表面的厚度。优选地,设置挤压辊帮助去除集束辊上的预浸纱束中的气泡和帮助浸润,这种设置可以平衡树脂熔体对原丝牵引力的横向扰动。优选地,集束辊5外侧安装胶量控制辊26,胶量控制辊26控制集束辊5表面的胶层厚度。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内,本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (27)

1.树脂原位包覆纤维原丝的制造方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:将树脂附着于多根纤维单丝原丝上,复合成预浸原丝;
其中S1中,树脂采用T1至T5中任一个方式或多个方式的组合将树脂附着于多根纤维单丝原丝上,形成预浸原丝;
T1:将由树脂制成的树脂膜、树脂纤维、树脂织物中的一种或多种与原丝熔合,复合成预浸原丝;
T2:树脂通过隔离材料转移至原丝上,与原丝复合成预浸原丝;
T3:树脂通过涂油辊或施胶辊涂敷在原丝表面,与原丝复合成预浸原丝;
T4:原丝经过含有树脂粉末的流化床,使树脂粉末吸附于原丝表面,与原丝复合或熔合成预浸原丝;
T5:树脂被喷射向原丝,与原丝复合或熔合成预浸原丝;
S2:在一定的温度和/或一定的压力下使预浸原丝拢集成预浸纱束;
S3:使预浸纱束卷绕成预浸纱卷;S1中,所述树脂的形态为液态本体、溶液、乳液、粉末悬浮液、熔体、粉末、膜、纤维、织物中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的制造方法,其特征在于,在S1之前还包括以下步骤:
S0:使原丝带上电荷;或,使原丝带上电荷的同时,使树脂带上与原丝表面电荷相反的电荷。
3.根据权利要求1所述的制造方法,其特征在于,S2中树脂和隔离材料一起被集束成预浸纱束,防止预浸纱束在纱卷中粘连缠结。
4.根据权利要求1所述的制造方法,其特征在于,当所述树脂形态为熔体、粉体、膜、纤维、织物中的一种或多种时,S1中,原丝温度处于树脂熔点以上0~40℃,使树脂在原丝表面熔化粘附于原丝表面。
5.根据权利要求4所述的制造方法,其特征在于,当所述树脂形态为膜、纤维、织物中的一种或多种时,对树脂与原丝的接触面的背面冷却,防止树脂膜、树脂纤维、树脂织物中的一种或多种过早熔化断裂。
6.根据权利要求1所述的制造方法,其特征在于,S1在具有惰性气体保护的环境下执行。
7.根据权利要求1所述的制造方法,其特征在于,S2中,一定的温度为树脂熔点以上0~40℃的温度。
8.根据权利要求1所述的制造方法,其特征在于,S2还包括以下步骤:对集束的预浸纱束进行挤压,加速预浸纱束中树脂对原丝的浸润,排除预浸纱束中的气泡和/或挤出多余的树脂来调节预浸纱束中的树脂含量。
9.根据权利要求1所述的制造方法,其特征在于,S1与S2之间还包括以下步骤:
对预浸原丝进行加热和/或固化,使预浸原丝上的树脂实现熔化、干燥、固化中的一种或多种。
10.根据权利要求1所述的制造方法,其特征在于,S2与S3之间还包括以下步骤:
对集束后的预浸纱束进行以下一种或多种操作:对预浸纱束加热、固化、半固化,减除预浸纱束中的水分或使预浸纱束中的树脂部分或者完全固化,防止预浸纱卷中的预浸纱束相互粘连缠结。
11.根据权利要求1所述的制造方法,其特征在于,S2与S3之间还包括以下步骤:对集束后的预浸纱束进行冷却,防止预浸纱束在纱卷中粘连缠结。
12.根据权利要求1所述的制造方法,其特征在于,所述树脂内含有固化剂、润滑剂、着色剂、填料、阻燃剂、抗静电剂、离子助剂中的一种或多种的组合。
13.树脂原位包覆纤维原丝的制造设备,其特征在于,利用如权利要求1-12任一项所述的制造方法进行制备,具体包括:
预浸原丝复合装置,用于将树脂附着于多根纤维单丝原丝上,复合成预浸原丝,所述预浸原丝复合装置包括:输送辊和/或涂油辊和/或施胶辊和/或流化床和/或加温装置和/或冷却装置,所述输送辊用于传输树脂膜、树脂纤维、树脂织物、隔离材料中的一种或多种;
预浸原丝集束装置,用于在一定的温度和/或一定的压力下使预浸原丝拢集成预浸纱束;
纤维绕卷装置,用于使预浸纱束卷绕成预浸纱卷。
14.根据权利要求13所述的制造设备,其特征在于,所述预浸原丝复合装置还包括:静电发生装置,所述静电发生装置用于使所述树脂带上静电。
15.根据权利要求13所述的制造设备,其特征在于,所述预浸原丝复合装置包括相对水平设置或者相对交错设置的一对或者多对涂油辊,所述涂油辊相对位置固定或者可以开合。
16.根据权利要求13所述的制造设备,其特征在于,所述预浸原丝复合装置还包括:粉末涂敷装置;
所述粉末涂敷装置包括:压缩气输送管道、气压调节装置、树脂粉末输送装置以及一个或者多个喷嘴,所述喷嘴朝向原丝的牵引方向由下往上斜向吹喷树脂粉末。
17.根据权利要求16所述的制造设备,其特征在于,所述喷嘴为相对布置的一对或者多对,所述原丝从相对设置的喷嘴之间通过。
18.根据权利要求16所述的制造设备,其特征在于,在所述喷嘴的相对面设有粉末收集装置,所述粉末收集装置用于对多余的树脂粉末进行收集。
19.根据权利要求18所述的制造设备,其特征在于,所述预浸原丝复合装置包括:上下漏空的流化床,所述流化床包括:外层壳体和设置于所述外层壳体内部的内胆,所述内胆的上缘低于所述外层壳体,所述外层壳体和内胆之间形成集尘夹层。
20.根据权利要求13-19任一项所述的制造设备,其特征在于,所述制造设备还包括:第一加热固化装置,所述第一加热固化装置用于对预浸原丝进行加热和/或固化,使预浸原丝上的树脂实现熔化、干燥、固化中的一种或多种。
21.根据权利要求13-19任一项所述的制造设备,其特征在于,所述冷却装置用于对树脂膜、树脂纤维、树脂织物或隔离材料与原丝接触面的背面和/或集束后的预浸纱束进行冷却,防止树脂膜、树脂纤维、树脂织物或隔离材料在与原丝复合形成预浸原丝过程中过早断裂和/或在集束成预浸纱束再绕成预浸纱卷后防止预浸纱束在纱卷中粘连缠结。
22.根据权利要求13-19任一项所述的制造设备,其特征在于,所述制造设备还包括:第二加热固化装置,所述第二加热固化装置用于对集束后的预浸纱束进行以下一种或多种操作:加热、固化、半固化成膜,减除预浸纱束中的水分或使预浸纱束中的树脂部分或者完全固化,防止预浸纱卷中的预浸纱束相互粘连缠结。
23.根据权利要求13-19任一项所述的制造设备,其特征在于,所述制造设备还包括:隔离材料输送设备,所述隔离材料输送设备用于将隔离材料和预浸原丝一起输送至集束设备中一起集束,防止预浸纱束在纱卷中粘连缠结。
24.根据权利要求13-19任一项所述的制造设备,其特征在于,所述制造设备还包括:挤压设备,所述挤压设备用于对集束中的预浸纱束进行挤压,加速预浸纱束中树脂对原丝的浸润,排除预浸纱束中的气泡和/或挤出多余的树脂来调节预浸纱束中的树脂含量。
25.纤维预浸纱,其特征在于,使树脂原位浸渍多根纤维原丝然后集束成预浸纱束,所述预浸纱束采用权利1-13任一项所述的制造方法和/或采用权利要求13-24任一项所述的制造设备制造。
26.复合材料预浸料或者制品,其特征在于,直接采用权利要求25所述的纤维预浸纱制造或者通过权利要求25所述的纤维预浸纱制成的预浸料制品。
27.3D打印增材,其特征在于,由树脂原位包覆多根纤维原丝制造成预浸纱束制成,所述预浸纱束采用权利1-13任一项所述的制造方法和/或采用权利要求13-24任一项所述的制造设备制造。
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