專利名稱：用于伸展纖維束以供預浸料的連續(xù)生產的設備及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及均勻伸展連續(xù)復絲纖維束及單向平行布置以連續(xù)生產具有減小的間隙及改進的纖維-樹脂分布的預浸料。更明確地說，本發(fā)明涉及對整個設備采用張力控制及在從動輥的表面圓周速度與纖維束的線速度(或移動速度)之間采用較高差速的設備，以及使用其來獲得用于制造具有均勻厚度及極少外觀缺陷的纖維增強塑料制品的預浸料材料的方法。
背景技術：
所屬領域眾所周知增強纖維經基質樹脂浸潰的預浸料，且其被廣泛用于比如飛機及汽車材料、醫(yī)用材料、及供運動及休閑用的成形材料(例如釣桿、高爾夫球桿、羽毛球拍、網球拍等)等多種工業(yè)/高性能領域。生產具有較小厚度不規(guī)則性的較均勻的預浸料為優(yōu)選的且對于總體產品質量至關重要。為實現此目的，必需于形成預浸料時，在用基質樹脂浸潰增強纖維束之前展開(即伸展)增強纖維束，以減小增強纖維束的厚度及使基質樹脂充分填充增強纖維束的單根纖維之間的空隙。因此，有效并適當展開或伸展未加工的增強纖維束的技術對于生產具有均勻厚度、減小的纖維間的間隙及適當纖維-樹脂分布的預浸料至關重要。所屬領域已知用于伸展纖維束及/或制造預浸料的不同設備及方法，且包括例如美國專利第4，495，017號、第5，042，122號、第5，182，839號及第6，743，392號中所描述的設備及方法。另外，一般已知張力是用于伸展含復絲的纖維束的原動力。因此，較高的張力通常引起束中纖維的較寬伸展。然而，張力過高會因纖維相對于樹脂的滲透率減小、纖維擰成繩·狀及纖維的損壞(由此導致起毛)或纖維的斷裂而使浸潰變得困難。張力增加也增加整個設備中的力及轉矩，而導致工藝成本增加。因此，需要進一步改進用于伸展具有復絲的多股相鄰纖維束以連續(xù)生產預浸料的設備及方法。均勻伸展連續(xù)復絲纖維束及單向平行布置所述伸展纖維以連續(xù)生產具有經減小的間隙及經改進的纖維-樹脂分布的預浸料的設備及方法將是所屬領域中一個有用的進步且可在工業(yè)中快速地被接受。

發(fā)明內容
現已發(fā)現連續(xù)復絲纖維束可于較低張力下均勻地伸展，由此增加對樹脂的滲透性，減小間隙而防止擰成繩狀(roping)，并減少因損壞而導致的起毛，從而提供優(yōu)異的預浸料產品且最終提供由其制造的優(yōu)異的制造物品。這些改進是通過針對整個伸展設備策略性地采用張力控制來實現。此進展驅使纖維束的張力達到極高，然后使其降低，以致通過在整個設備中采用中等張力，增加纖維伸展，無需采用另外認為是實現所述目標所需的極高張力。另外，也已顯示在從動輥棒與移動纖維束之間采用較高差速可改進纖維伸展力學。因此，在一方面中，本發(fā)明提供一種用于生產伸展纖維束的設備，所述設備具有張力控制模塊，所述模塊包括配置成一系列靜態(tài)棒的張力增大單元及配置成一系列從動輥的張力減小單元，其中所述靜態(tài)棒及從動輥配置成垂直于直接纏繞接觸這些系列的靜態(tài)棒及從動輥的表面的移動纖維束的方向，且其中所述從動輥的圓周表面速度是以所述移動纖維束的線速度的至少3倍操作。在另一方面中，本發(fā)明提供用于生產伸展纖維束的方法，所述方法采用本文所述設備，通過使纖維束以直接纏繞接觸一系列靜態(tài)棒及/或從動輥的表面的方式移動，并通過以相對于所述移動纖維束的速度的較高差速操作所述從動輥來控制通過所述設備的所述纖維的張力，由此伸展所述纖維束。本文中詳細描述的本發(fā)明也涉及預浸料的生產。因此，在另一方面中，本發(fā)明提供用于連續(xù)生產經單向布置且具有纖維間均勻分布的軋制預浸料的方法，所述方法是通過集成本文中所述設備作為復合加工機器的一部分，使多股相鄰纖維束以直接纏繞接觸一系列靜態(tài)棒及/或從動輥的表面的方式移動，通過以相對于移動纖維束的速度的較高差速操作所述從動輥來伸展這些多股相鄰纖維束，并用預定量的樹脂浸潰所述伸展纖維束來進行。 在其它方面中，本發(fā)明提供通過使預定量的樹脂浸入根據本文中詳細描述的方法制得的伸展纖維束中來生產預浸料的方法。在另一方面中，本發(fā)明提供根據本文中詳細描述的方法制得的預浸料，以及由根據所述方法制得的預浸料制造的制造物品。在另一方面中，本發(fā)明提供一種具有兩個或兩個以上根據本文中詳細描述的本發(fā)明的纖維伸展裝置的復合加工系統，其中每一伸展裝置位于不同路徑中且接收不同組的多股相鄰纖維束。從結合附圖及實例的本發(fā)明不同方面的以下詳細描述將了解本發(fā)明的這些及其它目的、特征及優(yōu)點。


圖I提供根據本發(fā)明一個實施例的設備的側視圖，其中可見具有復絲的單一纖維束，其直接纏繞接觸一系列靜態(tài)棒及從動輥的表面，以提供具最佳張力且經均勻分布的伸展纖維。圖2為根據本發(fā)明另一實施例的設備的透視圖，所述設備提供張力調節(jié)單元作為設備的一部分。圖3為根據本發(fā)明的設備的另一實施例的透視圖，所述設備被提供作為復合加工機器的組件。此裝備可用于進行根據本發(fā)明的連續(xù)生產軋制預浸料的方法。在所描述的特定實施例中，兩個根據本發(fā)明的纖維伸展裝置位于不同路徑中且各自可用以接收纏繞在定位于一個或一個以上張力線架(圖中未示)上的多個線軸上的一組多股相鄰纖維束。所述纖維伸展裝置位于所述張力線架的下游及復合加工系統(比如具有浸潰構件的預浸料加工機器)的上游。
具體實施例方式本發(fā)明提供一種通過對整個伸展裝置策略性采用張力控制及在從動輥與纖維束的線速度之間采用較高差速來生產伸展纖維束的設備，以及用于生產伸展纖維及預浸料的方法及由其制造的制造物品。如上所概述，已發(fā)現可通過對整個伸展設備策略性采用張力控制及在輥棒表面與纖維線速度之間采用較高差速來極大地改進所屬領域已知的纖維伸展機械。張力為伸展復絲纖維束的主要因素，但其也為(例如張力過高)導致擰成繩狀、減小樹脂浸潰的滲透率以及比如起毛(也稱為起球)、堆積性間隙(Pilling gap)、纖維無序等缺陷的主要因素。增加、維持且然后減小整個伸展循環(huán)中的張力提供了防止擰成繩狀及其它非所要的纖維性質，而且最大化伸展，由此展開纖維束并控制(即增加或減小)樹脂浸潰的滲透率的必需方式。當輥棒的表面速度與纖維束的線速度/移動速度的比率增加超過2倍時，觀察到伸展的明顯增益。然而，所述增益以對數行為衰減。纖維伸展力學的改進最終引起預浸料產品及由其制得的物品的改進，因為厚度的均勻度及間隙的出現以及纖維-樹脂分布對于總體產品質量至關重要。設各因此，在一方面中，本發(fā)明提供一種用于生產伸展纖維束的設備，其具有張力控制模塊，所述模塊包括經配置為一系列靜態(tài)棒的張力增大單元及經配置為一系列從動輥的張力減小單元，其中所述靜態(tài)棒及從動輥是經配置為垂直于直接纏繞接觸這些系列的靜態(tài)棒 及從動輥的表面的移動纖維束的方向，且其中所述張力增大單元的從動輥是以使得它們的圓周表面速度為所述移動纖維束線速度的至少3倍的方式操作。用于根據本發(fā)明的設備中的纖維束為由大量單絲(例如，6K/束，12K/束，或更多)構成的纖維束，且優(yōu)選其為由連續(xù)長絲束構成的紗或絲束。例如，所述纖維束可包括(但不限于)有機纖維，比如聚酰胺纖維、聚酯纖維、聚丙烯腈纖維、聚乙烯醇纖維等；有機耐熱纖維，比如芳族聚酰胺(例如，Kevler (美國杜邦公司(Dupont，U· S.))纖維、聚氟烴纖維、酚樹脂(Kynol ;美國卡波丹姆公司(Carb0nrandam，U. S.))纖維、聚酰胺-酰亞胺纖維、聚酰亞胺纖維等；人造纖維及天然纖維；無機纖維，比如玻璃纖維、氮化硼纖維、碳纖維(包括碳質纖維、石墨化纖維及耐火纖維)、氮化硅纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維、氧化鋯纖維、石棉纖維等；金屬纖維，比如銅纖維、鎢合金纖維、鐵纖維、鋁纖維、不銹鋼纖維等；復合纖維，比如具有鎢芯的硼纖維、具有鎢芯的碳化硼纖維，具有鎢芯、硼芯的碳化硅纖維等，及所有其它具有纖維形式的纖維。也可使用由以上提及的纖維中的兩者或兩者以上的組合構成的纖維束。所述纖維束可具有施膠劑或油沉積于其上，以便于處理及防止對纖維造成損壞。所屬領域的技術人員已知典型且適宜的施膠劑，且其可包括例如美國專利第4，495，017號中所述者。在一個實施例中，移動纖維束是選自碳、玻璃、聚酰胺、聚酰胺-酰亞胺、聚酰亞胺、芳族聚酰胺及其組合。纖維束包括經布置成可纏繞于線軸上的平行的增強纖維形式的多股絲。可將纖維線軸置于張力線架上，以致在將其提供于所述設備時，可通過梳或耙以規(guī)則分隔的間隔布置這些多股增強纖維束。本文中所用術語“移動纖維束”具有所屬領域的技術人員所知的一般含義，且是指例如通過拉鼓(pull-drum)或卷繞棍(take-up roll)自張力線架上的線軸拉動通過所述設備的纖維。在某些實施例中，移動纖維束可包括多重相鄰束。在其它實施例中，兩組或兩組以上的多重相鄰纖維束可提供于不同路徑中，以通過對應數量的根據本發(fā)明的纖維伸展裝置伸展。在從動輥之前增加纖維束的張力使纖維伸展最大化，而不需過度增加張力。在本發(fā)明中，張力最初是通過使用張力增大單元增加。在某些實施例中，所述張力增大器包括選自張力線架；以比移動纖維束的線速度慢的速度操作的一個或一個以上從動輥(即慢速輥)；一個或一個以上靜態(tài)棒(即無法旋轉的固定型棒)；及其組合的部件。在一些實施例中，可由一系列的慢速從動輥及靜態(tài)棒提供張力增大單元。在其它實施例中，可由一個或一個以上靜態(tài)棒提供張力增大單元。在某些實施例中，設備可包括張力調節(jié)段，其位于張力增大段的下游且具有一系列靜態(tài)棒及以比移動纖維束的線速度快的速度操作的一個或一個以上從動輥(即快速或高速輥)。所述段可用以在從動輥上調整纖維束的張力下降，而在纖維直接纏繞接觸靜 態(tài)棒的表面時使纖維束的張力重新增大，由此利用每一個重復循環(huán)進一步展開/伸展所述纖維束。在一些實施例中，所述張力調節(jié)段可具有交替定位的高速從動輥及靜態(tài)棒。在其它實施例中，所述高速從動輥可夾入一個或一個以上所述靜態(tài)棒。纖維伸展設備的靜態(tài)棒及從動輥可以水平或垂直排列布置，只要移動纖維束是直接纏繞接觸從動輥及靜態(tài)棒的表面即可。根據本發(fā)明的設備還包括具有一系列高速從動輥的張力減小段/單元，其幫助減小移動纖維束的張力。如本文中所使用，術語“系列”具有所屬領域的技術人員所知的一般含義，且是指其所修飾的兩個或兩個以上對象。纖維束的移動速度(即傳送速度)可在2m/min到20m/min范圍內，且優(yōu)選為2到10m/min。在一些實施例中，高速從動輥的圓周表面速度介于移動纖維束的速度的3到100倍范圍內。例如，在某些實施例中，高速輥的圓周表面速度可介于移動纖維束的速度的3到50倍范圍內；介于移動纖維束的速度的3到25倍范圍內；或介于移動纖維束的速度的3到10倍范圍內。具有柱體或圓柱體的至少一部分曲面的靜態(tài)棒及從動輥(或其有時被稱為的伸展器主體為實心或空心柱體或圓柱體，且還可使用從大直徑柱體或圓柱體切下的一部分曲面。材料并無特別規(guī)定，但優(yōu)選地選擇具有小摩擦系數、不會因與纖維束摩擦而產生極度變形或磨損且不會氧化而具有尖銳結晶結構的材料。通常，使用不銹鋼，但也可使用由經比如特氟隆(teflon)等合成樹脂覆蓋的金屬(鐵、銅等)及無機物質(比如玻璃、氧化鋁等)制得的靜態(tài)棒或從動輥。在考慮纖維束的伸展寬度與損壞度間的平衡下選擇直徑、數量、組合類型及空間布置，且因此它們是無法明確確定的，但對于具有高彈性模量的纖維束，使用具有大直徑的伸展器主體，且期望應考慮纖維束與曲面間的接觸長度及由張力所引起的對所述伸展器主體的壓制力來選擇所述伸展器主體的數量、組合類型及空間布置。伸展器主體的類型(無論它們是固定型(即靜態(tài))，還是于纖維束的行進方向上產生差別圓周速度的驅動型)都會對伸展效果(纖維束的伸展寬度及損壞度)產生極大影響。因此，在實施本發(fā)明的方法時，期望考慮以上提及的效應，單獨地使用不同類型輥或者將兩種或兩種以上類型組合地使用。此外，纖維束的張力及速度當然應為均勻的以便所述纖維束不會呈現任何無序，且它們是與伸展效果相關地進行選擇。根據本發(fā)明的設備也可包括對靜態(tài)棒及從動輥兩者使用表面拋光，由此進一步減小展開纖維束并達到特定纖維寬度所需的張力。所述靜態(tài)棒及從動輥可(例如)由不銹鋼制成且利用不同粒度的砂紙進行軸向砂磨。例如，在一些實施例中，所述靜態(tài)棒及從動輥棒可具有通過用180粒度到400粒度砂紙且優(yōu)選用180粒度到220粒度砂紙砂磨而賦予的表面拋光。在其它實施例中，一些伸展器主體可利用I粒度尺寸進行表面拋光，而其它伸展器主體是利用不同粒度尺寸進行表面拋光。類似地，所述伸展器主體也可具有不同的表面拋光度。例如，在一些實施例中，所述伸展器主體可同時經壓窩及砂磨，或經某種程度的壓窩及某種程度的砂磨。在其它實施例中，伸展器主體可通過所屬領域的普通技術人員所知的可減小纖維于所述伸展器主體上的摩擦系數且同時于較低張力下伸展纖維束的任何方式進行表面拋光。另外，可能希望通過使纖維束經過稱為耙的梳狀結構來布置彼此平行且相鄰的單向纖維束的位置。在一些實施例中，可將此種耙定位于線架的下游及張力增大單元的上游，以便纖維束定位于對應于預浸料片的最終寬度的寬度范圍內。在其它實施例中，可將另一個耙定位于張力增大單元與張力減小單元之間。如果不同路徑中存在一組以上的多重相鄰纖維束，那么每一路徑中可存有一個耙供每一組多重相鄰纖維束經過。在此種情況下，用于每一組多重相鄰纖維束的所述耙可略微偏移，以便每一組的伸展束以可減少間隙發(fā)生率及促進均勻纖維-樹脂分布的方式布置。根據本發(fā)明的設備也可包括經定位以加熱增強纖維束的加熱源?？赏ㄟ^任何方·式，包括(但不限于)傳導、對流或輻射方式，來提供所述加熱源。加熱增強纖維束可有利于軟化可能沉積于其上的施膠劑或油，且一般通過減小纖維與伸展器主體(即靜態(tài)棒及從動輥)間的摩擦系數來提高伸展作用的效率。在一些實施例中，提供的加熱源可為比如通過吹氣或通過輻射加熱等間接加熱源。在其它實施例中，可加熱靜態(tài)棒及/或從動輥本身，以致所述輥棒的接觸表面變熱。優(yōu)選將移動纖維束暴露于50°C到250°C范圍的加熱溫度(取決于所用的纖維施膠劑)，其中70°C到180°C是最普遍。在一些實施例中，本發(fā)明的纖維伸展設備可為單一組件。在某些實施例中，所述設備可為比如預浸料加工機器等復合加工機器的組件。在此種組合件中，根據本發(fā)明的設備可位于包括纖維束線軸的張力線架的下游及浸潰系統的上游。在某些實施例中，可將兩個或兩個以上纖維伸展裝置集成到預浸料加工機器中，比如其中存在于不同路徑中移動的兩組或兩組以上的多重相鄰纖維束。在其它實施例中，根據本發(fā)明的纖維伸展設備可為織機的組件且可位于張力線架的下游及復合加工機器的上游。以下將參照附圖描述本發(fā)明的某些實施例。圖I顯示如上所述的根據本發(fā)明的設備的透視圖。在圖I中，描繪了纖維伸展裝置10且其包括張力增大段2及張力減小段3，其中由如在張力線架(圖中未示)上的纖維線軸供應的單一移動纖維束I在箭頭方向上行進并在到達張力減小段3的途中進入直接纏繞接觸一系列靜態(tài)棒2a的表面的張力增大段2，張力減小段3包括一系列高速從動輥3a，所述纖維束與高速從動輥3a維持直接纏繞接觸。所述高速從動輥是通過驅動發(fā)動機3b或所屬領域的技術人員所知的其它構件獨立旋轉。如所描繪，纖維伸展裝置10經由張力增大單元2中的一系列靜態(tài)棒2a驅使移動纖維束I的張力變得極高，然后經由張力減小單元3中的一系列高速從動輥3a使所述纖維束的張力降低，由此通過高速從動輥的每次交替且在不使用極高張力下更大程度地伸展/展開所述纖維束。緊接著纖維伸展裝置10的下游且準備接收目前展開的纖維束的是所屬領域的技術人員所知的復合加工機器或浸潰系統(圖中未示)。雖然纖維伸展裝置10僅僅用單一移動纖維束I來描繪，但所屬領域的技術人員可輕易理解及了解可存有單向布置(即彼此平行)的多重纖維束，及對于在不同路徑中存有對應數量的多重相鄰纖維束組的實施例可存在額外的纖維伸展裝置。
圖2顯示如上所述根據本發(fā)明另一實施例的設備的側視圖。在圖2中，描繪了纖維伸展裝置20且其包括張力增大段22、張力調節(jié)段23及張力減小段3，其中通過如在張力線架(圖中未示)上的纖維線軸/線管供應的單一移動纖維束21于箭頭方向上行進，且在到達張力調節(jié)段23的途中進入直接纏繞接觸一系列靜態(tài)棒S的表面的張力增大段22，其中所述移動纖維束是經放置成直接纏繞接觸一系列交替的低速及/或高速從動輥D及靜態(tài)棒S的表面，然后繼續(xù)移動通過張力減小單元24，其中所述移動纖維束是經放置成直接纏繞接觸一系列高速從動輥D的表面。如所描繪，纖維伸展裝置20經由將移動纖維束21放置成直接纏繞接觸張力增大單元22中的一系列靜態(tài)棒S來驅使移動纖維束21的張力變得極高，然后通過將所述移動纖維束放置成直接纏繞接觸張力調節(jié)單元23中的一系列低速及/或高速輥D及靜態(tài)棒S來使張力交替地變低及變高，且最后通過將所述纖維束放置成直接纏繞接觸張力減小單元24中的一系列高速輥來使所述纖維的張力降低，由此通過與驅動棒的每次纏繞接觸且在不使用極高張力下更大程度地伸展/展開所述纖維束。如同圖I中，緊接著纖維伸展裝置20的下游可放置所屬領域的技術人員所知的復合加工機器或浸潰系統(圖中未示)以準備接收目前展開的纖維束。或者，可將纖維卷繞于鼓/拉輥上。 方法在另一方面中，本發(fā)明提供用于通過以下方式生產伸展纖維束的方法使纖維束移動通過本文中詳細描述的設備，并以相對于所述移動纖維束的速度的差速操作所述設備的從動輥，由此控制整個設備中纖維的張力并伸展/展開所述纖維束。在生產伸展纖維束的方法中，可于如上所述生產伸展纖維束中使用不同的纖維。所述纖維也可取決于所用纖維而具有不同張力強度及彈性。纖維的最終伸展寬度最高可達纖維束原始寬度的4倍且更通常最高可達原始寬度的3. 5倍。通常，周圍纏繞有纖維束并安裝于張力線架上的線管或線軸將充當移動纖維的供應器?？梢曅枰淖兯鼍€架上的張力以使纖維束的伸展狀態(tài)穩(wěn)定。在一個實施例中，將加熱至少一個靜態(tài)棒及/或從動輥。在另一實施例中，將(比如)通過輻射加熱器加熱移動纖維束本身。在有關生產伸展纖維束的方法的某些實施例中，可將耙定位于張力線架與纖維伸展設備之間，以便將任何多重相鄰纖維均勻地分隔開。在另一方面中，本發(fā)明提供用于連續(xù)生產經單向布置且具有纖維間均勻分布的軋制預浸料的方法。在某些實施例中，所述方法可如下實現集成本文中詳細描述的纖維伸展設備作為所屬領域的技術人員眾所周知的復合加工機器的一部分，使一組多股相鄰纖維束移動以直接纏繞接觸一系列靜態(tài)棒及/或從動輥，由此伸展所述纖維束，并用預定量的樹脂浸潰所述伸展纖維束以形成預浸料片。例如，一組多股相鄰纖維束可包括2股或2股以上纖維束，且通常包括5到20股纖維束。第二組可包括與第一組相等數量的纖維束。在某些實施例中，預浸料可由在不同路徑(即2-模式或2-路徑伸展)中移動的兩組或兩組以上的多股相鄰纖維束生產。在此些實施例中，可將對應數量的根據本發(fā)明的纖維伸展裝置集成到復合加工系統中。圖3及實例I描述并例示此一實施例，但是本發(fā)明也涵蓋其它多路徑實施例。在用于生產軋制預浸料的方法中，所用樹脂及樹脂浸潰法并無特殊限制，因為多種樹脂及浸潰方法/設備是所屬領域的技術人員已知的。可使用的樹脂的實例包括(但不限于)熱固性樹脂，比如環(huán)氧樹脂(例如雙酚A環(huán)氧樹脂、苯酚酚醛環(huán)氧樹脂、甲酚酚醛環(huán)氧樹脂、縮水甘油胺環(huán)氧樹脂、脂環(huán)族環(huán)氧樹脂、胺基甲酸酯改性的環(huán)氧樹脂及溴化雙酚A環(huán)氧樹脂)、乙烯基酯樹脂、不飽和聚酯樹脂及苯酚樹脂；熱塑性樹脂，比如聚酯樹脂、聚乙烯樹脂、聚碳酸酯樹脂、聚醚樹脂及聚酰胺樹脂等。雖然可使用一種樹脂，但可一起使用兩種或兩種以上樹脂。另外，可使用液體樹脂或固體樹脂，且通過例如以溶液或通過漿液槽浸潰而沉積于纖維上?？商砑庸袒瘎┑剿脴渲到y。關于浸潰，可將通過加熱或溶于溶劑中而使粘度減小的樹脂浸入纖維束中。在另一實施例中，可將纖維束固持于分別通過薄薄地且均勻地涂覆樹脂到比如經處理可釋離的紙或樹脂薄膜等片狀物而獲得的兩個樹脂片之間，且利用熱鉗等對層壓板進行施壓。整個復合加工機器中可存有其它熱鉗、鉗、加熱/冷卻板、耙、輥等。在用于生產連續(xù)軋制預浸料的方法的某些實施例中，將比如耙或梳等纖維束分隔構件定位于張力線架與纖維伸展設備之間及纖維伸展設備與復合加工機器之間，以維持纖維束間的均勻度。在某些實施例中，比如在存有多組多股相鄰纖維束的情況下，所述方法將包括多個分隔構件。在所述實例中，接近于復合加工系統的分隔構件可彼此略微地偏移，以 確保當纖維束離開伸展器裝置并進入所述復合加工系統時，在通過軋輥將其壓實以進一步減小纖維間的間隙并促進纖維-樹脂分布之前，所述纖維束彼此略有重疊。所述分隔構件的寬度可實質上對應于預浸料片的寬度。在另一方面中，本發(fā)明也提供由根據詳細描述于本文中的本發(fā)明制得的預浸料構成的制造物品。所述物品可包括由比如航空或高性能工業(yè)、汽車或休閑材料等經預浸潰的纖維或纖維片制得的任何復合物品。在最后一個方面中，本發(fā)明也提供具有兩個或兩個以上根據本文中所述本發(fā)明的纖維伸展裝置的復合加工系統，其中每一裝置位于不同路徑中且能夠接收一組多股相鄰纖維束。本發(fā)明的其它實施例包括(但不限于)下列I. 一種用于生產伸展纖維束的設備，其包括張力控制模塊，所述模塊包括i)配置成一系列靜態(tài)棒的張力增大單元；及ii)配置成一系列從動輥的張力減小單元，其中所述靜態(tài)棒及從動輥是垂直于直接纏繞接觸所述靜態(tài)棒及從動輥的表面的移動纖維束的方向定位，且其中所述從動輥的圓周表面速度為所述移動纖維束的速度的至少3倍。2.根據實施例I的設備，其中所述移動纖維束是選自碳、玻璃、聚酰胺、聚酰胺-酰亞胺、聚酰亞胺、芳族聚酰胺及其組合。3.根據實施例I或2的設備，其中所述移動纖維束包括多重相鄰束。4.根據前述實施例中任一項的設備，其進一步包括位于與所述第一設備不同的路徑中的第二張力控制模塊，其中包括多股多重相鄰纖維束的第二移動纖維束直接纏繞接觸所述第二設備的靜態(tài)棒及從動輥的表面。5.根據前述實施例中任一項的設備，其中所述移動纖維束的最終伸展寬度最高可達所述纖維束的原始寬度的3. 5倍。6.根據前述實施例中任一項的設備，其中所述張力增大單元是選擇性地由選自以下的部件提供張力線架；以比所述移動纖維束的速度慢的速度操作的一個或一個以上低速從動棍；及低速從動棍與靜態(tài)棒的組合。7.根據前述實施例中任一項的設備,其進一步包括含有一系列從動棍及靜態(tài)棒的張力調節(jié)單元。8.根據前述實施例中任一項的設備，其中所述張力減小單元是由一系列從動輥提供。9.根據前述實施例中任一項的設備,其中所述從動棍的圓周表面速度介于所述移動纖維束速度的3到100倍范圍內。
10.根據前述實施例中任一項的設備,其中所述從動棍的圓周表面速度介于所述移動纖維束速度的3到50倍范圍內。11.根據前述實施例中任一項的設備,其中所述從動棍的圓周表面速度介于所述移動纖維束速度的3到25倍范圍內。12.根據前述實施例中任一項的設備,其中所述從動棍的圓周表面速度介于所述移動纖維束速度的3到10倍范圍內。13.根據前述實施例中任一項的設備，其中所述靜態(tài)棒及/或從動輥包括表面形態(tài)。14.根據實施例13的設備，其中所述表面形態(tài)是與所述從動輥及靜態(tài)棒的方向呈軸線關系。15.根據前述實施例中任一項的設備,其進一步包括至少一個奉巴。16.根據實施例15的設備，其中所述耙位于所述張力增大單元的上游。17.根據實施例15或16的設備，其中所述耙位于所述張力增大單元與所述張力減小單元之間。18.根據前述實施例中任一項的設備，其進一步包括經定位以加熱所述移動纖維的至少一個加熱源。19.根據前述實施例中任一項的設備，其中所述設備為復合加工機器的組件且位于線架的下游及浸潰系統的上游。20.根據前述實施例中任一項的設備，其中所述設備為織機的組件且位于線架的下游及復合加工機器的上游。21. 一種用于采用根據實施例I到20中任一項的設備來生產伸展纖維束的方法，其包括a)使纖維束以直接纏繞接觸一系列靜態(tài)棒及從動輥的表面的方式移動 '及b)通過以相對于所述移動纖維束的速度的較高差速操作所述從動輥來控制通過所述設備的纖維的張力，由此伸展所述纖維束。22.根據實施例21的方法，其進一步包括在任何步驟加熱至少一個靜態(tài)棒及/或從動輥或加熱所述纖維束本身。23.根據實施例21到22中任一項的方法，其進一步包括在任何步驟利用耙將多重相鄰纖維束均勻地分隔開。24.根據實施例21到23中任一項的方法，其進一步包括施用表面形態(tài)于所述系列中的一個或一個以上輥。
25.根據實施例21到23中任一項的方法，其進一步包括利用卷繞鼓卷繞所述伸展纖維。26. 一種用于連續(xù)生產經單向平行布置且具有纖維間均勻分布的軋制預浸料的方法，所述方法包括a)集成根據實施例I到20中任一項的設備作為復合加工機器的一部分；b)使一組多股相鄰纖維束以直接纏繞接觸所述設備的一系列靜態(tài)棒及從動輥的表面的方式移動；c)通過以相對于所述移動纖維束的速度的較高差速操作所述從動輥來伸展所述多股相鄰纖維束 '及
d)用預定量的樹脂來浸潰所述伸展纖維束。27.根據實施例29的方法，其中步驟(a)進一步包括在與所述第一設備不同的路徑中將根據實施例I到20中任一項的第二設備集成到所述復合加工機器，且其中步驟(b)進一步包括使第二組多股相鄰纖維束以直接纏繞接觸所述第二設備的一系列靜態(tài)棒及從動棍的表面的方式移動。28.根據實施例26到27中任一項的方法，其進一步包括在與所述纖維伸展設備接觸之前利用分隔構件將所述多股相鄰纖維束均勻地分隔開。29.根據實施例26到28中任一項的方法，其進一步包括在所述浸潰步驟之前利用分隔構件將所述多股相鄰纖維束均勻地分隔開。30.根據實施例29的方法，其中在存有多組纖維束的情況下，使所述分隔構件彼此偏移。31.根據實施例26到30中任一項的方法，其中所述樹脂為熱塑性或熱固性樹脂。32.根據實施例26到31中任一項的方法，其中將所述樹脂施用到所述伸展纖維的頂部及底部，或浸于溶液或漿料槽中。33.根據實施例26到32中任一項的方法，其中通過一系列的一個或一個以上熱鉗、熱板及冷卻板，或通過溶液或漿料槽執(zhí)行所述浸潰步驟。34. 一種用于生產經單向平行布置的預浸料的方法，所述方法包括使預定量的樹脂浸入根據實施例21到25中任一項生產的伸展纖維束中。35. 一種根據實施例26到34中任一項的方法制得的經單向平行布置的預浸料。36. 一種制造物品，其包括根據實施例35的預浸料。37. 一種復合加工系統,其包括兩個或兩個以上根據實施例I到20中任一項的纖維伸展設備，其中每一設備位于不同路徑中且能夠接收一組多股相鄰纖維束。實魁提供以下實例以幫助所屬領域的技術人員進一步了解本發(fā)明的某些實施例。所述實例用意在于說明目的而不應視為限制本發(fā)明不同實施例的范圍。實例I :具有70克/平方米(gsm)的低纖維面積重量(FAW)的預浸料片的制造。參照圖3，其中對應的元件被指定共同的標識符，且其描繪兩個根據本發(fā)明的纖維伸展裝置作為復合加工系統中的集成組件以實施根據本發(fā)明的連續(xù)預浸料生產方法，經顯示當兩組多股相鄰纖維束31 (比如T650-35，其為由蘇泰克碳纖維公司(CytecCarbonFibers)(南卡羅來納州(South Carolina))供應且具有145gsm的標準伸展模量的12K絲/束纖維)自固定于張力線架(圖中未示)上的線管展開，通過小包角靜態(tài)棒32均勻設置，且利用梳33計量時，它們是以2-模式伸展形式于約2到5m/min(即如由復合加工系統的拉棍(圖中未示)的速度所測定,為2m/min、3m/min、4m/min、或5m/min)的線速度下移動。當多股相鄰纖維束直接纏繞接觸由根據本發(fā)明的纖維伸展設備34的張力增大單元34a所提供的一系列靜態(tài)棒時，纖維束31的絲束張力增加，且所述靜態(tài)棒包括在軸向上通過180粒度砂紙施加的表面形態(tài)。利用定位于張力增大單元34a附近的輻射加熱器35a預加熱所述纖維束上的膠料。移動纖維束的絲束張力是在其直接纏繞接觸由根據本發(fā)明的纖維伸展設備34的張力調節(jié)單元34b提供的一系列從動輥時進行管理，且所述從動輥包括在軸向上通過180粒度砂紙施加的表面形態(tài)。所述從動輥是于所述移動纖維束的方向上以相較于線速度(即所述移動纖維束的速度)介于O. 5到11倍范圍內的不同速度旋轉，以增加且然后減小張力值到恰低于纖維限度。然后，在最終通過將它們放置成直接纏繞接觸由根據本發(fā)明的纖維伸展設備34的張力減小單元34c提供的一系列高速從動輥來減小纖維束的張力之前，再次利用輻射加熱器35b加熱絲束的網狀物，且所述高速從動輥包括在軸向上通過180粒度砂紙施加的表面形態(tài)。張力減小單元34c是定位成與載有樹脂薄膜39的 軋輥38緊密接近，所述薄膜是放置于伸展纖維上，其然后(伸展纖維載樹脂薄膜一起)于軋輥38之間拉伸且以每組纖維束35克/平方米壓實。因此，此工藝是利用各自以35gsm壓實的上組及下組的多股相鄰纖維束(來自同一或不同線架)同時進行。結果從通常僅能達到145gsm(即每組多重相鄰束為72.5gsm)的FAW的纖維得到不具有間隙或起毛的高度浸潰、均勻伸展的70gsm條帶40。溫度及纖維張力是極其重要的，因為溫度過高(例如，130° F以上)或張力過高(例如，每絲束為4000克力以上)會導致所述產品的絲束開始磨損且于高速從動輥上開始纏繞。因此，對于此種類型的纖維，應確保較低的張力及較低的加熱器溫度。實例2 :具有145克/平方米(gsm)的低纖維面積重量(FAW)的預浸料片的制造。如同實例1，使用中間模量纖維(比如頂-7G'，由赫氏公司(Hexcel Corp.)(康乃迪克州斯坦福(Stamford，CT))供應的12K絲/束纖維)制得具有145克/平方米(gsm)的標準纖維面積重量(FAW)的預浸料片。然而，于張力增大段34a中僅使用兩個靜態(tài)棒且于根據本發(fā)明的纖維伸展裝置34的張力管理段34b (低速從動輥及/或高速從動輥)及張力減小段34c (高速從動輥)中各自僅使用兩個從動輥。未使用加熱器35a及35b。對于上組及下組的多重相鄰纖維束的每一者，將絲束網狀物(或纖維束)伸展到72. 5gsm的FAW，然后于鉗38處組合得到具有145gsm的FAW而無間隙或起毛的高度浸潰、均勻伸展的預浸料片。本申請案全文已參考不同的專利及/或科學文獻參考書目。所述公開案的揭示內容全文是以引用的方式并入本文中，如同本文中書面陳述般。鑒于以上描述及實例，所屬領域的技術人員將能在不進行過多試驗下實踐如所主張地揭示內容。雖然先前描述已顯示、描述并指出本發(fā)明教示的基本新穎特征，但應了解，所屬領域的技術人員可在不脫離本發(fā)明教示的范圍下對所說明設備的細節(jié)形式實施不同的省略、取代及變化，以及其應用。因此，本發(fā)明教示的范圍不應受限于前面的論述，而是應由隨附權利要求書界定。
權利要求
1.一種用于生產伸展纖維束的設備，其包括 張力控制模塊，所述模塊包括 i)配置成一系列靜態(tài)棒的張力增大單元 '及 )配置成一系列從動輥的張力減小單元， 其中所述靜態(tài)棒及從動輥是垂直于直接纏繞接觸所述靜態(tài)棒及從動輥的表面的移動纖維束的方向定位，且其中所述從動輥的圓周表面速度為所述移動纖維束的速度的至少3倍。
2.根據權利要求I所述的設備，其中所述移動纖維束是選自碳、玻璃、聚酰胺、聚酰胺-酰亞胺、聚酰亞胺、芳族聚酰胺及其組合。
3.根據權利要求I或2所述的設備，其中所述移動纖維束包括多重相鄰束。
4.根據前述權利要求中任一權利要求所述的設備，其進一步包括位于與所述第一設備不同的路徑中的第二張力控制模塊，其中包括多股多重相鄰纖維束的第二移動纖維束直接纏繞接觸所述第二設備的靜態(tài)棒及從動輥的表面。
5.根據前述權利要求中任一權利要求所述的設備，其中所述移動纖維束的最終伸展寬度最高可達所述纖維束的原始寬度的3. 5倍。
6.根據前述權利要求中任一權利要求所述的設備，其中所述張力增大單元由選自以下各項的部件交替提供張力線架；以比所述移動纖維束的速度慢的速度操作的一個或一個以上低速從動棍；及低速從動棍與靜態(tài)棒的組合。
7.根據前述權利要求中任一權利要求所述的設備，其進一步包括含有一系列從動輥及靜態(tài)棒的張力調節(jié)單兀。
8.根據前述權利要求中任一權利要求所述的設備，其中所述張力減小單元是由一系列從動棍提供。
9.根據前述權利要求中任一權利要求所述的設備，其中所述從動輥的圓周表面速度介于所述移動纖維束速度的3到100倍范圍內。
10.根據前述權利要求中任一權利要求所述的設備，其中所述從動輥的圓周表面速度介于所述移動纖維束速度的3到50倍范圍內。
11.根據前述權利要求中任一權利要求所述的設備，其中所述從動輥的圓周表面速度介于所述移動纖維束速度的3到25倍范圍內。
12.根據前述權利要求中任一權利要求所述的設備，其中所述從動輥的圓周表面速度介于所述移動纖維束速度的3到10倍范圍內。
13.根據前述權利要求中任一權利要求所述的設備，其中所述靜態(tài)棒及/或從動輥包括表面形態(tài)。
14.根據權利要求13所述的設備，其中所述表面形態(tài)與所述從動輥及靜態(tài)棒的方向呈軸線關系。
15.根據前述權利要求中任一權利要求所述的設備，其進一步包括至少一個耙。
16.根據權利要求15所述的設備，其中所述耙位于所述張力增大單元的上游。
17.根據權利要求15或16所述的設備，其中所述耙位于所述張力增大單元與所述張力減小單元之間。
18.根據前述權利要求中任一權利要求所述的設備，其進一步包括經定位以加熱所述移動纖維的至少一個加熱源。
19.根據前述權利要求中任一權利要求所述的設備，其中所述設備為復合加工機器的組件且位于線架的下游及浸潰系統的上游。
20.根據前述權利要求中任一權利要求所述的設備，其中所述設備為織機的組件且位于線架的下游及復合加工機器的上游。
21.一種用于采用根據權利要求I到20中任一權利要求所述的設備來生產伸展纖維束的方法，其包括 a)使纖維束以直接纏繞接觸一系列靜態(tài)棒及從動輥的表面的方式移動'及 b)通過以相對于所述移動纖維束的速度的較高差速操作所述從動輥來控制通過所述設備的纖維的張力，由此伸展所述纖維束。
22.根據權利要求21所述的方法，其進一步包括在任何步驟加熱至少一個靜態(tài)棒及/或從動輥或加熱所述纖維束本身。
23.根據權利要求21到22中任一權利要求所述的方法，其進一步包括在任何步驟利用耙將多重相鄰纖維束均勻地分隔開。
24.根據權利要求21到23中任一權利要求所述的方法，其進一步包括施用表面形態(tài)于所述系列中的一個或一個以上輥。
25.根據權利要求21到23中任一權利要求所述的方法，其進一步包括利用卷繞鼓卷繞所述伸展纖維。
26.一種用于連續(xù)生產經單向平行布置且具有纖維間均勻分布的軋制預浸料的方法，所述方法包括 a)集成根據權利要求I到20中任一權利要求所述的設備作為復合加工機器的一部分； b)使一組多股相鄰纖維束以直接纏繞接觸所述設備的一系列靜態(tài)棒及從動輥的表面的方式移動； c)通過以相對于所述移動纖維束的速度的較高差速操作所述從動輥來伸展所述多股相鄰纖維束 '及 d)用預定量的樹脂來浸潰所述伸展纖維束。
27.根據權利要求29所述的方法，其中步驟(a)進一步包括在與所述第一設備不同的路徑中將根據權利要求I到20中任一權利要求所述的第二設備集成到所述復合加工機器，且其中步驟(b)進一步包括使第二組多股相鄰纖維束以直接纏繞接觸所述第二設備的一系列靜態(tài)棒及從動輥的表面的方式移動。
28.根據權利要求26到27中任一權利要求所述的方法，其進一步包括在與所述纖維伸展設備接觸之前利用分隔構件將所述多股相鄰纖維束均勻地分隔開。
29.根據權利要求26到28中任一權利要求所述的方法，其進一步包括在所述浸潰步驟之前利用分隔構件將所述多股相鄰纖維束均勻地分隔開。
30.根據權利要求29所述的方法，其中在存有多組纖維束的情況下，使所述分隔構件彼此偏移。
31.根據權利要求26到30中任一權利要求所述的方法，其中所述樹脂為熱塑性或熱固性樹脂。
32.根據權利要求26到31中任一權利要求所述的方法，其中將所述樹脂施用到所述伸展纖維的頂部及底部，或浸于溶液或漿料槽中。
33.根據權利要求26到32中任一權利要求所述的方法,其中通過一系列的一個或一個以上熱鉗、熱板及冷卻板，或通過溶液或漿料槽執(zhí)行所述浸潰步驟。
34.一種用于生產經單向平行布置的預浸料的方法，所述方法包括使預定量的樹脂浸入根據權利要求21到25中任一權利要求生產的伸展纖維束中。
35.一種根據權利要求26到34中任一權利要求所述的方法制得的經單向平行布置的預浸料。
36.一種制造物品，其包括根據權利要求35所述的預浸料。
37.一種復合加工系統，其包括兩個或兩個以上根據權利要求I到20中任一權利要求所 述的纖維伸展設備，其中每一設備位于不同路徑中且能夠接收一組多股相鄰纖維束。
全文摘要
本文提供通過對整個裝置策略性地采用張力控制及在從動輥與移動纖維束的線速度之間采用較高差速來生產伸展纖維束的設備，以及用于生產伸展纖維、預浸料的方法及從所述方法得到的制造物品。
文檔編號D02J1/18GK102947496SQ201180023264
公開日2013年2月27日 申請日期2011年4月29日 優(yōu)先權日2010年5月11日
發(fā)明者肖恩·沃爾登·容克爾, 肖恩·邁克爾·波赫, 平·伊, 斯科特·阿爾弗雷德·羅杰斯, 托馬斯·A·凡霍恩 申請人:氰特科技股份有限公司