CN205705361U - 一种碳纤维增强热塑性复合材料的生产装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种碳纤维增强热塑性复合材料的生产装置，其包括依次相连的碳纤维丝架、分丝系统、分散预热系统、熔融树脂纤维浸润系统、牵引系统，和设于所述熔融树脂纤维浸润系统一侧的树脂供料系统。分丝系统包括碳纤维分丝缠绕机和分丝圆辊；分散预热系统包括预热辊；熔融树脂纤维浸润系统包括喷口辊、浸渍辊和压辊，喷口辊在平行于其辊轴方向上开有口模，浸渍辊由多个辊组成，多个浸渍辊交错分布于碳纤维束的两侧，压辊与后端的一个浸渍辊相互啮合设置；树脂供料系统一端设有塑料出口，塑料出口与喷口辊的口模连通设置。本装置浸润速度和浸润度高，浸润效率快，所生产的热塑性复合材料具有优秀的力学性能和比模量、强度高、成型效率高。

Description

一种碳纤维增强热塑性复合材料的生产装置

技术领域

本实用新型涉及新型复合材料技术领域，尤其涉及一种具有优秀的力学性能和比模量、强度高、成型效率高、可以回收再利用的碳纤维增强热塑性复合材料的生产装置。

背景技术

碳纤维是由有机母体纤维（例如粘胶丝、聚丙烯腈或沥青）采用高温分解法在1000～3000度高温的惰性气体下制成的。其结果是除碳以外的所有元素都予以去除。碳纤维呈黑色，坚硬，是目前已大量生产的高性能纤维中具有最高的比强度和最高的比模量的纤维，是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，但抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为23000~43000Mpa，亦高于钢。采用碳纤维和其他材料复合而成的碳纤维增强复合材料的比强度（即材料的强度与其密度之比）可达到2000Mpa/(g/cm³)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/ cm³)左右，其比模量也比钢高。材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大，因此采用碳纤维增强的复合材料具有非常优异的性能，在风力发电、航空航天、汽车、建筑、计算机、空间光学结构等领域有诸多的应用，逐渐成为现代高新技术领域最有应用前景的一种复合材料。

碳纤维增强复合材料按基体分类，主要分两大类：一类是热固性基体，如常见的环氧树脂、非饱和聚酯树脂；另一类是热塑性基体，如常见的尼龙、聚醚乙醚酮树脂。这两类基体材料有许多不同的性质。热固性基体的成型是利用树脂的化学反应（架桥反应）、固化等化学结合状态的变化实现的，其过程是不可逆的。与此相比，热塑性基体是利用树脂的融化、流动、冷却、固化的物理状态的变化实现的。其物理状态的变化是可逆的，即再成型、加工是可能的。

热固性树脂基复合材料是目前研究得最多、应用得最广的一种复合材料，在热固性树脂基复合材料中使用最多的树脂仍然是酚醛树脂、不饱和聚酪树脂和环氧树脂这三大热固性树脂，由于环氧树脂与碳纤维复合过程中浸润性好，形变小，是热固性碳纤维复合材料中首选的树脂，用量最大。由于热固性环氧树脂集体的固化是利用化学反应，加入固化剂，树脂与固化剂化学反应交联成型，因此这个反应需要一个过程，另外是不可逆的，决定了这种复合材料的成型效率比较低，另外，由于固化过程不可逆，因此，不可回收，一旦固化过程中存在缺陷，只能报废。因此，对高性能纤维来说，损失很大。

近年来，随着高性能耐高温热塑性树脂的发展以及复合材料成型加工技术的不断成熟，热塑性复合材料已成为复合材料领域中最为引人注目的开发热点。相比较热固性复合材料，热塑性复合材料具有较高的断裂韧性、耐化学药品及耐水性，且热成型性能好、生产率高、成型方法多、工艺简单、生产周期短，并具有多次可加工性。因此热塑性树脂复合材料的研究和开发是目前发达国家复合材料领域研究的热门课题。

然而，现有技术中生产设备所生产的热塑性复合材料大多力学性能差、强度低，且比模量低，成型效率低，使其生产应用受到限制。

发明内容

本实用新型针对上述现有技术的不足，提供了一种碳纤维增强热塑性复合材料的生产装置，其所生产的碳纤维增强热塑性复合材料具有优秀的力学性能和比模量，强度高、成型效率高、可以回收再利用，可以大规模应用于航空航天、汽车、医疗器械、3C数码等领域。

为解决现有技术中存在的问题，本实用新型采用的具体技术方案是：

一种碳纤维增强热塑性复合材料的生产装置，其包括依次相连的碳纤维丝架、分丝系统、分散预热系统、熔融树脂纤维浸润系统、牵引系统，和设于所述熔融树脂纤维浸润系统一侧的树脂供料系统；所述分丝系统包括碳纤维分丝缠绕机和与之依次相连的多个错位分布的分丝圆辊；所述分散预热系统包括预热辊，碳纤维束在一定的包覆角度下包裹于预热辊外；所述熔融树脂纤维浸润系统包括先后设置的喷口辊、浸渍辊和压辊，所述喷口辊在平行于其辊轴方向上开有口模，碳纤维束分散于口模下方，所述浸渍辊由多个辊组成，所述多个浸渍辊交错分布于碳纤维束的两侧，所述浸渍辊的中间设有加热装置，所述压辊与后端的一个浸渍辊相互啮合设置；所述树脂供料系统一端设有塑料出口，所述塑料出口与喷口辊的口模连通设置。

优选的方案，所述碳纤维丝架包括纱筒、纱架轴和设于纱架轴上的导丝架，所述纱筒设于纱架轴外，所述纱架轴的两端设有橡胶垫片和固定螺母，所述导丝架上设有导丝孔，所述导丝孔为MGA（MGA为油尼龙的一个系列）油尼龙片导丝孔。

进一步优选的方案，所述纱筒的直径为40mm，长度为100~400mm。

再进一步优选的方案，所述纱筒与纱架轴之间设有轴承。

更进一步优选的方案，所述分散预热系统内还设有用于调节预热辊表面温度的温控装置。

所述树脂供料系统包括上料筒和设于上料筒下部的加热筒，所述加热筒内设有旋转螺杆，所述旋转螺杆由设于加热筒一端的马达带动旋转，所述塑料出口设于加热筒的另一端。

所述压辊与浸渍辊之间的啮合间隙可调。

所述牵引系统包括一个主动压辊和两个从动压辊，碳纤维束缠绕于主动压辊上。

所述牵引系统的动力来源为步进电机。

本实用新型还提供了一种如前所述的碳纤维增强热塑性复合材料的生产方法，其包括以下步骤：

S1、碳纤维丝从碳纤维丝架上出丝，并通过调节碳纤维丝架，控制碳纤维卷筒出纱的阻力，使碳纤维丝从碳纤维丝架上出来后具有一定的预张力；

S2、将具有一定预张力的碳纤维丝通过分丝系统使之分散均匀，并整齐排列成厚度均匀的碳纤维带；

S3、将碳纤维带通过预热辊，蒸发掉碳纤维带的纤维中所吸收的水分，同时把碳纤维带加热到一定的温度；

S4、将TPU（热塑性聚氨酯弹性体橡胶）塑料颗粒加入挤出注塑机，在挤出注塑机和浸渍辊的双重作用下，熔融的TPU树脂经挤出注塑机挤入经预热辊预热后的碳纤维丝带，获得初步的预浸带；

S5、预浸带通过冷却和上光辊，使弯曲的预浸带拉直；

S6、被拉直的预浸带进入预浸料的回收系统，获得完整的热塑型碳纤维增强TPU塑料片。

通过采用上述方案，本实用新型的一种碳纤维增强热塑性复合材料的生产装置与现有技术相比，其技术效果在于：

1、本实用新型通过把碳纤维丝束进行分散和预热，降低了TPU树脂渗透到碳纤维束的距离，大大提高了碳纤维的浸润效率。

2、采用辊状的预浸装置，不损伤碳纤维束的性能，而且增加树脂渗透到碳纤维的渗透力，增加了浸润速度和浸润度。

3、本实用新型采用整体设计，参数可调，便于优化浸润的工艺，同时，方便开展对其他热塑型基体的复合研究。

附图说明

图1为本实用新型一种碳纤维增强热塑性复合材料的生产装置的整体结构示意图；

图2为本实用新型一种碳纤维增强热塑性复合材料的生产装置的树脂供料系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实例并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本实用新型的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本实用新型的概念。

本实用新型针对现有的热固型碳纤维增强复合材料的不足之处提供了一种新型的热塑型碳纤维增强复合材料，采用聚氨酯弹性体橡胶（简称TPU）与碳纤维（carbon fiber）进行复合。

TPU与碳纤维的复合采用熔融拉挤浸润的方式，采用不同排列的圆辊，先把缠在卷筒上的碳纤维丝分散成排列整齐厚度均匀的纤维带，减少热塑型TPU树脂渗透的距离，通过单螺杆的挤出注塑机的推动力和浸润圆柱辊之间熔融树脂膜的压力将熔融的热塑型TPU树脂渗透到纤维束中，本方案制成的热塑型碳纤维增强材料，对纤维丝的损伤很小，而且加热的温度可控，减少TPU树脂的分解，各项工艺参数都可以方便的进行调整和调节。树脂与纤维的浸润性非常好，而且生产效率高。

其具体生产方法为：

S1、碳纤维丝从碳纤维丝架上出丝，并通过调节碳纤维丝架，控制碳纤维卷筒出纱的阻力，使碳纤维丝从碳纤维丝架上出来后具有一定的预张力；

S2、将具有一定预张力的碳纤维丝通过分丝系统使之分散均匀，并整齐排列成厚度均匀的碳纤维带；

S3、将碳纤维带通过预热辊，蒸发掉碳纤维带的纤维中所吸收的水分，同时把碳纤维带加热到一定的温度；

S4、将TPU（热塑性聚氨酯弹性体橡胶）塑料颗粒加入挤出注塑机，在挤出注塑机和浸渍辊的双重作用下，熔融的TPU树脂经挤出注塑机挤入经预热辊预热后的碳纤维丝带，获得初步的预浸带；

S5、预浸带通过冷却和上光辊，使弯曲的预浸带拉直；

S6、被拉直的预浸带进入预浸料的回收系统，获得完整的热塑型碳纤维增强TPU塑料片。

本实用新型还提供了一种碳纤维增强热塑性复合材料的生产装置，如图1和图2所示，其包括依次相连的碳纤维丝架、分丝系统1、分散预热系统2、熔融树脂纤维浸润系统3、牵引系统4，和设于所述熔融树脂纤维浸润系统一侧的树脂供料系统5。

所述分丝系统1包括碳纤维分丝缠绕机和与之依次相连的多个错位分布的分丝圆辊6。

所述分散预热系统2包括预热辊7，碳纤维束在一定的包覆角度下包裹于预热辊7外，所述分散预热系统2内还设有用于调节预热辊表面温度的温控装置。

所述熔融树脂纤维浸润系统3包括先后设置的喷口辊8、浸渍辊9和压辊10，所述喷口辊8在平行于其辊轴方向上开有口模，碳纤维束分散于口模下方，所述浸渍辊9由多个辊组成，所述多个浸渍辊9交错分布于碳纤维束的两侧，所述浸渍辊9的中间设有加热装置，所述压辊10与后端的一个浸渍辊9相互啮合设置且啮合间隙可调。

所述牵引系统4包括一个主动压辊和两个从动压辊，碳纤维束缠绕于主动压辊上。所述牵引系统的动力来源为步进电机。

所述树脂供料系统5包括上料筒12和设于上料筒12下部的加热筒13，所述加热筒13内设有旋转螺杆14，所述旋转螺杆14由设于加热筒一端的马达15带动旋转，所述加热筒的另一端设有塑料出口11，所述塑料出口11与喷口辊8的口模连通设置。

下面对各个系统的具体组成做详细介绍：

（1）、碳纤维丝架

本实用新型采用的碳纤维丝架采用轴筒结构，纱架两端有一对同心轴承支撑，轴承固定轴上，轴承的外壁固定纱筒，纱筒的直径40mm，长度在100~400mm之间。纱架轴的两端有橡胶垫片和固定螺母，通过调整橡胶垫片和螺母之间的摩擦力，可以控制轴与筒之间的阻力，来调整纱筒的速度和纤维出丝的预张力，在纱架轴上还有导丝架，导丝孔固定在导丝架上，导丝孔采用MGA油尼龙片加工而成，这种油尼龙片具有自润滑的作用，保证出丝的顺利。

（2）、分丝系统

本实用新型的分丝系统采用市售的碳纤维分丝缠绕机，该分丝缠绕机通过不同的几个圆辊将一束的碳纤维分散成均匀的整齐的碳纤维单向带。

（3）、分散预热系统

分散预热系统通过一个预热辊来实现，碳纤维束在一定的包覆角度下通过预热辊，把纤维进行预热，一方面利于TPU树脂的渗透，另外一方面可以使纤维表面吸收的水分挥发，避免在复合的过程中，形成表面气泡降低树脂和纤维之间的浸润度，预热辊的表面温度通过温控装置可调，使温度恒定在一个可控的范围，温度太高会使纤维表面受损，温度太低对纤维束的加热作用不明显，要根据纤维和树脂的熔点，多次调整后设置最佳的预热温度。

（4）、树脂供料系统

树脂供料系统为一套完整的单螺杆塑料挤出机，挤出机通过一个带有一个螺杆和螺旋道的机筒完成加热、加压、挤出的过程。TPU塑料粒料通过加热筒一端的上料筒进入加热筒，然后通过螺杆传送到加热筒的另一端，外部的加热以及在塑料和螺杆由于摩擦而产生的内热，使塑料变软和熔化并挤出。

（5）、熔融树脂纤维浸润系统

熔融树脂纤维浸润系统主要由喷口辊、浸渍辊、压辊组成，这套系统是整个复合材料制备的核心装置，喷口辊在平行于滚轴的方向开有口模，树脂通过挤出机塑化熔融，从喷口辊口模挤出，从口模挤出的树脂熔体有一定的挤出压力，在该压力下，熔体渗入通过口模的纤维束。通过喷口辊的浸润后，树脂与纤维的浸润度不能保证均匀，可能存在缺胶或者富胶区，而且树脂的含量也不均匀，为了克服这些缺陷，需要通过浸渍辊进一步的浸润。浸渍辊由多个辊组成，中间有加热装置，初步预浸过的纤维束依次通过多个浸渍辊，从两个方向对碳纤维束浸渍。浸润完全的纤维束最后通过压辊，压辊与浸渍辊相互啮合，是通过的纤维束上下表面受到2个压力，在该压力的作用下，使树脂与纤维进一步的浸润，同时起到挤口模的作用，通过调节压辊和浸渍辊之间的间隙，还可以调整纤维中树脂的含量。

（6）、牵引系统

牵引系统由一主动两从动的压紧辊系组成，把纤维缠绕到主动辊系上，牵引的动力主要来源于步进电机。

其工作原理如下：通过调节碳纤维丝架控制碳纤维卷筒出纱的阻力，使碳纤维丝从丝架出来后具有一定的预张力，然后通过分散辊系获得均匀的分散，排列成整齐厚度均匀的碳碳纤维带，碳纤维带通过预热辊，蒸发掉纤维中所吸收的水分，同时把碳纤维加热到一定的温度，然后通过熔融树脂纤维浸润系统，在挤出注塑机和浸渍辊的双重作用下，熔融的TPU树脂被挤入碳纤维丝带，获得初步的预浸，然后通过冷却和上光辊，把弯曲的初步预浸带拉直，然后进入预浸料的回收系统，获得完整的热塑型碳纤维增强TPU塑料片。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、均包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种碳纤维增强热塑性复合材料的生产装置，其特征在于，其包括依次相连的碳纤维丝架、分丝系统、分散预热系统、熔融树脂纤维浸润系统、牵引系统，和设于所述熔融树脂纤维浸润系统一侧的树脂供料系统；所述分丝系统包括碳纤维分丝缠绕机和与之依次相连的多个错位分布的分丝圆辊；所述分散预热系统包括预热辊，碳纤维束在一定的包覆角度下包裹于预热辊外；所述熔融树脂纤维浸润系统包括先后设置的喷口辊、浸渍辊和压辊，所述喷口辊在平行于其辊轴方向上开有口模，碳纤维束分散于口模下方，所述浸渍辊由多个辊组成，所述多个浸渍辊交错分布于碳纤维束的两侧，所述浸渍辊的中间设有加热装置，所述压辊与后端的一个浸渍辊相互啮合设置；所述树脂供料系统一端设有塑料出口，所述塑料出口与喷口辊的口模连通设置。

2.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强热塑性复合材料的生产装置，其特征在于：所述碳纤维丝架包括纱筒、纱架轴和设于纱架轴上的导丝架，所述纱筒设于纱架轴外，所述纱架轴的两端设有橡胶垫片和固定螺母，所述导丝架上设有导丝孔，所述导丝孔为油尼龙片导丝孔。

3.根据权利要求2所述的一种碳纤维增强热塑性复合材料的生产装置，其特征在于：所述纱筒的直径为40mm，长度为100~400mm。

4.根据权利要求2所述的一种碳纤维增强热塑性复合材料的生产装置，其特征在于：所述纱筒与纱架轴之间设有轴承。

5.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强热塑性复合材料的生产装置，其特征在于：所述分散预热系统内还设有用于调节预热辊表面温度的温控装置。

6.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强热塑性复合材料的生产装置，其特征在于：所述树脂供料系统包括上料筒和设于上料筒下部的加热筒，所述加热筒内设有旋转螺杆，所述旋转螺杆由设于加热筒一端的马达带动旋转，所述塑料出口设于加热筒的另一端。

7.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强热塑性复合材料的生产装置，其特征在于：所述压辊与浸渍辊之间的啮合间隙可调。

8.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强热塑性复合材料的生产装置，其特征在于：所述牵引系统包括一个主动压辊和两个从动压辊，碳纤维束缠绕于主动压辊上。

9.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强热塑性复合材料的生产装置，其特征在于：所述牵引系统的动力来源为步进电机。