本發(fā)明涉及一種連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂的制備方法及裝置。

背景技術(shù)：

連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂是一種增強(qiáng)纖維單向排布且其長(zhǎng)度與樹(shù)脂顆粒長(zhǎng)度相等的增強(qiáng)型熱塑性復(fù)合材料。與熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料相比，熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料具有更好的比剛度、比強(qiáng)度、抗沖擊、抗蠕變性能以及重量輕、可回收利用等特點(diǎn)，受到市場(chǎng)的廣泛關(guān)注。而與短切纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料相比，連續(xù)纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料因其增強(qiáng)纖維在樹(shù)脂基體中是連續(xù)的，因此力學(xué)性能更優(yōu)，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸、建筑材料、工業(yè)設(shè)計(jì)以及體育用品等行業(yè)，成為復(fù)合材料開(kāi)發(fā)和研究的熱點(diǎn)。

制備連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料的最大難題是如何使高粘度(一般超過(guò)100pa·s)的樹(shù)脂熔體均勻、充分地浸漬到纖維束中。目前制備連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料的方法有：熔融浸漬法、溶液浸漬法、混纖紗法、原位聚合法、薄膜層疊法等，熔融浸漬法因其工藝過(guò)程簡(jiǎn)單、易于工業(yè)化等特點(diǎn)，成為制備連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂復(fù)合材料最常用工藝方法。熔融浸漬法是利用熱塑性樹(shù)脂的熔融特性，先將連續(xù)纖維束預(yù)分散，預(yù)分散后的纖維束通過(guò)充滿熔融聚合物的浸漬模具中，纖維束在一定的張力和壓力作用下得到分散浸漬。因此，除了浸漬模具的設(shè)計(jì)，纖維束預(yù)分散程度也對(duì)預(yù)浸料浸漬質(zhì)量的有很大影響。纖維束預(yù)分散是指利用擴(kuò)纖技術(shù)將纖維束沿徑向均勻展開(kāi)，并盡量減少展開(kāi)過(guò)程中纖維斷裂。目前常用的展絲擴(kuò)纖方法有機(jī)械裝置分絲法、氣流分絲法、超聲水浴分絲法、聲波擴(kuò)纖法等。

在公開(kāi)號(hào)為cn102002787a的中國(guó)發(fā)明專利中，提到了一種采用碳纖維絲束展開(kāi)的機(jī)械分絲裝置，該裝置包含放絲、加熱、擴(kuò)纖以及收卷等裝置，通過(guò)壓輥展開(kāi)纖維，通過(guò)帶點(diǎn)金屬輥為碳纖維加熱；美國(guó)專利us007536761也公布了與此類似的一種碳纖維分絲和加熱裝置。公開(kāi)號(hào)為cn103343444a的中國(guó)發(fā)明專利中，提到了采用超聲波擴(kuò)纖方法展開(kāi)碳纖維絲束的裝置，該裝置中裝有化學(xué)溶液，碳纖維絲束進(jìn)入溶液中，在導(dǎo)紗輥牽引作用下，通過(guò)超聲波頻率的變化帶動(dòng)溶液共振進(jìn)而展開(kāi)碳纖維束。在公開(kāi)號(hào)為cn102505242a的中國(guó)發(fā)明專利中，公開(kāi)了一種由放料輥、氣動(dòng)展開(kāi)裝置、引導(dǎo)輥和收料輥組成的展絲裝置，通過(guò)將機(jī)械裝置和氣動(dòng)分絲結(jié)合進(jìn)行纖維分散。在公開(kāi)號(hào)為us5057338的美國(guó)專利中，提到了一種纖維束通過(guò)氣流型腔進(jìn)行分絲的氣動(dòng)分散裝置。

現(xiàn)有分絲裝置和公開(kāi)的專利有以下不足：1.很多分絲裝置僅針對(duì)碳纖維絲束設(shè)計(jì)，對(duì)玻璃纖維絲束作用不大；2.采用單純的機(jī)械分絲裝置容易導(dǎo)致纖維損傷，產(chǎn)生浮纖、毛刺等；3.機(jī)械裝置和氣流分絲相結(jié)合可以有效減少纖維損傷，但是氣流分絲波動(dòng)較大，對(duì)于纖維單絲之間均勻性難以保證。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)和方法中存在的問(wèn)題，提供一種連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂的制備方法及裝置。

本發(fā)明所提供的一種連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂的制備方法，包括如下步驟：

1)連續(xù)纖維束經(jīng)過(guò)導(dǎo)向輪后通過(guò)纖維分散與預(yù)熱裝置進(jìn)行預(yù)分散和預(yù)熱；

2)預(yù)分散和預(yù)熱后的連續(xù)纖維束經(jīng)導(dǎo)向輪進(jìn)入相對(duì)設(shè)置的靜電場(chǎng)上極板和靜電場(chǎng)下極板之間，所述連續(xù)纖維束受高壓靜電場(chǎng)力的作用二次分散；

3)經(jīng)過(guò)高壓靜電場(chǎng)后的連續(xù)纖維束進(jìn)入熔融浸漬模具，二次分散后的連續(xù)纖維束在熔融浸漬模具中得到熱塑性樹(shù)脂熔體充分浸漬；

4)充分浸漬的連續(xù)纖維束通過(guò)冷卻定型裝置冷卻定型，并在牽引裝置的牽引下連續(xù)生產(chǎn)。

優(yōu)選地，連續(xù)纖維束選自玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維或者玄武巖纖維中的至少一種。

優(yōu)選地，熱塑性樹(shù)脂熔體選自聚乙烯、聚丙烯、尼龍、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚氨酯、聚甲醛中的至少一種。

根據(jù)本發(fā)明所提出的連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂的制備方法，連續(xù)纖維束經(jīng)過(guò)預(yù)分散和預(yù)熱后進(jìn)入高壓靜電場(chǎng)中，在高壓靜電場(chǎng)中受到靜電場(chǎng)力作用二次分散，纖維束中單絲之間的分散均勻性更好，分散后的連續(xù)纖維束在熔融浸漬模具中受到熔體浸漬。通過(guò)改變上、下極板之間的距離和高壓靜電發(fā)生器的輸出電壓，可以控制靜電場(chǎng)強(qiáng)弱，改變玻璃纖維所受靜電場(chǎng)力大小和分散情況，制備出連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料預(yù)浸料或預(yù)浸帶。

本發(fā)明提供了一種連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂的制備裝置，包括預(yù)分散及預(yù)熱裝置、導(dǎo)向輪、靜電場(chǎng)上極板、靜電場(chǎng)下極板、高壓靜電發(fā)生器、熔融浸漬模具、擠出機(jī)、冷卻定型裝置和牽引裝置，在導(dǎo)向輪和熔融浸漬模具之間設(shè)置有靜電場(chǎng)上極板和與該靜電場(chǎng)上極板正對(duì)的靜電場(chǎng)下極板，所述靜電場(chǎng)上極板通過(guò)上導(dǎo)線與高壓靜電發(fā)生器連接，所述靜電場(chǎng)下極板通過(guò)下導(dǎo)線接地。其中，靜電場(chǎng)上極板、靜電場(chǎng)下極板、高壓靜電發(fā)生器與上導(dǎo)線和下導(dǎo)線共同組成高壓靜電場(chǎng)分絲裝置。所述靜電場(chǎng)上極板、靜電場(chǎng)下極板之間高壓靜電場(chǎng)的電場(chǎng)壓力由高壓靜電發(fā)生器控制。靜電場(chǎng)上下極板之間垂直距離在5cm-30cm之間可調(diào)。高壓靜電發(fā)生器輸出電壓在10kv-100kv之間可調(diào)。靜電場(chǎng)上極板和靜電場(chǎng)下極板所用材料為鋁箔、鋁、鐵、銅等金屬導(dǎo)電材料中的一種。

優(yōu)選地，靜電場(chǎng)上極板和靜電場(chǎng)下極板之間垂直距離在10cm-20cm之間調(diào)節(jié)。上下極板之間距離過(guò)小容易發(fā)生擊穿，距離過(guò)大靜電場(chǎng)作用力太弱。

優(yōu)選地，高壓靜電場(chǎng)的電場(chǎng)壓力在10kv-60kv之間調(diào)節(jié)。當(dāng)靜電場(chǎng)壓力小于10kv，靜電場(chǎng)作用力太弱，對(duì)分散貢獻(xiàn)不大；靜電場(chǎng)壓力高于100kv，容易發(fā)生擊穿。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所提的連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂的制備方法及裝置有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.本發(fā)明提供的連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂的制備方法及裝置中對(duì)連續(xù)纖維束采用機(jī)械分絲和靜電場(chǎng)分絲相結(jié)合，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)。

2.本發(fā)明可通過(guò)改變高壓靜電發(fā)生器的輸出電壓和上下極板之間的距離調(diào)節(jié)纖維束所受的靜電場(chǎng)力，連續(xù)調(diào)節(jié)方便。

3.纖維束中單絲受到靜電場(chǎng)作用力，單絲之間相互作用力使分散更均勻，制備出的復(fù)合材料預(yù)浸料纖維分散良好；此外，纖維絲束由于靜電場(chǎng)作用，使得纖維與聚合物熔體表面結(jié)合更容易。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂熔融浸漬裝置示意圖。

圖2是纖維束1穿過(guò)靜電場(chǎng)上極板5和靜電場(chǎng)下極板6之間的示意圖。

圖中，1、連續(xù)纖維束；2、導(dǎo)向輪；3、預(yù)分散及預(yù)熱裝置；4、導(dǎo)向輪；5、靜電場(chǎng)上極板；6、靜電場(chǎng)下極板；7、導(dǎo)線；8、高壓靜電發(fā)生器；9、導(dǎo)線；10、熔融浸漬模具；11、擠出機(jī)；12、冷卻定型裝置；13、牽引裝置。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步闡述，但本發(fā)明并不限于以下實(shí)施例。

本發(fā)明的連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂的制備裝置包括：預(yù)分散及預(yù)熱裝置3、導(dǎo)向輪4、靜電場(chǎng)上極板5、靜電場(chǎng)下極板6、上導(dǎo)線7、高壓靜電發(fā)生器8、下導(dǎo)線9、熔融浸漬模具10、擠出機(jī)11、冷卻定型裝置12和牽引裝置13；靜電場(chǎng)上極板5、靜電場(chǎng)下極板6正對(duì)放置，靜電場(chǎng)上極板5通過(guò)上導(dǎo)線7與高壓靜電發(fā)生器8連接，靜電場(chǎng)下極板6通過(guò)下導(dǎo)線9接地。其中，靜電場(chǎng)上極板5、靜電場(chǎng)下極板6、高壓靜電發(fā)生器8與上導(dǎo)線7和下導(dǎo)線9共同組成高壓靜電場(chǎng)分絲裝置。所述靜電場(chǎng)上極板5、靜電場(chǎng)下極板6之間高壓靜電場(chǎng)的電場(chǎng)壓力由高壓靜電發(fā)生器8控制。

根據(jù)本發(fā)明的裝置的一個(gè)實(shí)施方式，靜電場(chǎng)上極板5和靜電場(chǎng)下極板6的形狀為長(zhǎng)方形薄板，靜電場(chǎng)上極板5和靜電場(chǎng)下極板6之間垂直距離在5cm-30cm之間可調(diào)；高壓靜電場(chǎng)的電場(chǎng)壓力由高壓靜電發(fā)生器8控制，靜電場(chǎng)電壓在0-100kv之間可調(diào)；靜電場(chǎng)上極板5和靜電場(chǎng)下極板6所用材料為鋁箔、鋁、鐵等金屬導(dǎo)電材料中的一種。

本發(fā)明所提供的一種連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂的制備方法，包括如下步驟：

1)連續(xù)纖維束1經(jīng)過(guò)導(dǎo)向輪2后通過(guò)纖維分散與預(yù)熱裝置3進(jìn)行預(yù)分散和預(yù)熱；

2)預(yù)分散和預(yù)熱后的連續(xù)纖維束1經(jīng)導(dǎo)向輪4進(jìn)入相對(duì)設(shè)置的靜電場(chǎng)上極板5和靜電場(chǎng)下極板6之間，所述連續(xù)纖維束1受高壓靜電場(chǎng)力的作用二次分散；

3)經(jīng)過(guò)高壓靜電場(chǎng)后的連續(xù)纖維束1進(jìn)入熔融浸漬模具10，二次分散后的連續(xù)纖維束1在熔融浸漬模具10中得到熱塑性樹(shù)脂熔體充分浸漬；

4)充分浸漬的連續(xù)纖維束1通過(guò)冷卻定型裝置12冷卻定型，并在牽引裝置13的牽引下連續(xù)生產(chǎn)。

根據(jù)本發(fā)明的方法的一個(gè)實(shí)施方式，靜電場(chǎng)上極板5和靜電場(chǎng)下極板6之間的垂直距離可在5cm-30cm之間調(diào)節(jié)；靜電場(chǎng)強(qiáng)度由高壓靜電發(fā)生器8調(diào)節(jié)；連續(xù)纖維束1通過(guò)導(dǎo)向輪4后在牽引力作用下從靜電場(chǎng)上極板5和靜電場(chǎng)下極板6中間穿過(guò)靜電場(chǎng)。

根據(jù)本發(fā)明的方法的一個(gè)實(shí)施方式，連續(xù)纖維束1選自玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維或者玄武巖纖維中的至少一種；

根據(jù)本發(fā)明的方法的一個(gè)實(shí)施方式，所述熱塑性樹(shù)脂熔體選自聚乙烯、聚丙烯、尼龍、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚氨酯、聚甲醛中的至少一種。

根據(jù)本發(fā)明所提出的連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂的制備方法，連續(xù)纖維束1經(jīng)過(guò)預(yù)分散和預(yù)熱后進(jìn)入高壓靜電場(chǎng)中，在高壓靜電場(chǎng)中受到靜電場(chǎng)力作用二次分散，纖維束中單絲之間的分散均勻性更好，分散后的連續(xù)纖維束1在熔融浸漬模具10中受到熔體浸漬。通過(guò)改變上極板5、下極板6之間的距離和高壓靜電發(fā)生器8的輸出電壓，可以控制靜電場(chǎng)強(qiáng)弱，改變連續(xù)纖維束1所受靜電場(chǎng)力大小和分散情況，制備出連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料預(yù)浸料或預(yù)浸帶。

實(shí)施例1

本實(shí)施例中的高壓靜電發(fā)生裝置中靜電場(chǎng)上極板5和下極板6的尺寸為100×150mm，所用材料為鋁箔。高壓靜電發(fā)生器8為立奧(天津)科技有限公司生產(chǎn)的高壓電源，可調(diào)電壓為0-50kv。本發(fā)明所用靜電場(chǎng)上極板5和下極板6之間的垂直距離采用10cm。

該連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂的制備方法包括以下步驟：

(a)連續(xù)纖維束1經(jīng)過(guò)導(dǎo)向輪2后通過(guò)纖維分散與預(yù)熱裝置3進(jìn)行預(yù)分散和預(yù)熱，預(yù)熱溫度為190℃。

(b)將所述步驟(a)處理后的連續(xù)纖維束1經(jīng)導(dǎo)向輪4進(jìn)入高壓靜電場(chǎng)上極板5和靜電場(chǎng)下極板6之間，經(jīng)過(guò)高壓靜電場(chǎng)后的連續(xù)纖維束1進(jìn)入熔融浸漬模具10，通過(guò)擠出機(jī)11將塑化好的熱塑性樹(shù)脂熔體擠入熔融浸漬模具10；預(yù)分散后的連續(xù)纖維束1在熔融浸漬模具10中得到熱塑性樹(shù)脂熔體充分浸漬。擠出機(jī)11加料段加熱溫度190℃，塑化段加熱溫度210℃，均化段和擠出機(jī)頭溫度為230℃，熔融浸漬模具10的加熱溫度230℃；

(c)將所述步驟(b)處理后的連續(xù)纖維束1和熱塑性樹(shù)脂熔體通過(guò)冷卻裝置12進(jìn)行冷卻定型，在牽引裝置13的牽引下連續(xù)生產(chǎn)，制備得到所述連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂。

步驟(a)中，連續(xù)纖維束1為玻璃纖維。

步驟(b)中，熱塑性樹(shù)脂熔體為聚丙烯。

所述步驟(b)中高壓靜電場(chǎng)電壓在10kv-30kv之間調(diào)節(jié)。

所述步驟(c)中牽引裝置(13)的牽引速度2m/min。

吸水率是反映浸漬程度的重要指標(biāo)，根據(jù)gb/t1462-2005《纖維增強(qiáng)塑料吸水性試驗(yàn)方法》，針對(duì)本實(shí)施例所制備的每組料條垂直于軸向截取長(zhǎng)50mm±1mm的樣本5個(gè)；試樣放進(jìn)50℃±2℃的烘箱中干燥20h±1h，取出試樣稱量每個(gè)試樣質(zhì)量(m1)，精確至0.001g；隨后將試樣浸入溫度為23℃±0.5℃的蒸餾水中24h±0.5h，將試樣取出用濾紙去除表面水分后再次稱得試樣質(zhì)量(m2)，精確至0.001g；每組樣條重復(fù)以上測(cè)試步驟，相對(duì)于試樣質(zhì)量的吸水百分率根據(jù)式計(jì)算可得。

層間剪切強(qiáng)度示反映聚合物和增強(qiáng)體表面結(jié)合的重要指標(biāo)，根據(jù)astmd2344，在平板硫化機(jī)中將本實(shí)施例中制備的預(yù)浸料制備成厚h＝2mm，寬b＝4mm的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試樣條，在拉力測(cè)試機(jī)上測(cè)試曾間剪切強(qiáng)度，加載點(diǎn)直徑6mm，支撐點(diǎn)直徑3mm，加載速度1mm/min，曾間剪切強(qiáng)度根據(jù)式計(jì)算可得。

拉伸強(qiáng)度是反映預(yù)浸料力學(xué)性能的重要指標(biāo)，根據(jù)gb/t1477-2005《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》，將本實(shí)施例所制備的預(yù)浸料制備成厚度d＝4mm、中間平行段寬度b＝10mm的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試樣條，并在拉力測(cè)試機(jī)上進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，拉力測(cè)試機(jī)夾具間距離115mm，加載速度2mm/min，拉伸應(yīng)力根據(jù)式計(jì)算可得。試驗(yàn)數(shù)據(jù)請(qǐng)見(jiàn)下表1。

表1

未加靜電場(chǎng)分絲所制備的預(yù)浸料性能參數(shù)如下表2：

表2

由上可見(jiàn)，采用本工藝預(yù)浸料吸水率明顯下降，層間剪切強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度等力學(xué)性能也顯著提高。

實(shí)施例2

本實(shí)施例連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂的制備方法以及結(jié)果評(píng)價(jià)方法均與實(shí)施例一相同，其不同之處在于：本實(shí)施例中高壓靜電發(fā)生裝置中靜電場(chǎng)上極板5和下極板之間距離為30cm；高壓靜電發(fā)生器8輸出電壓40kv。本實(shí)施例中所用連續(xù)纖維束1為碳纖維，熱塑性樹(shù)脂熔體為聚丙烯。

所制備的預(yù)浸料性能參數(shù)如下表3所示：

表3

實(shí)施例3

本實(shí)施例連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂的制備方法以及結(jié)果評(píng)價(jià)方法均與實(shí)施例一相同，其不同之處在于：靜電場(chǎng)上極板5和下極板6之間的垂直距離采用20cm。本實(shí)施例中所用連續(xù)纖維束1為芳綸纖維，熱塑性樹(shù)脂熔體為尼龍。擠出機(jī)11加料段加熱溫度210℃，塑化段加熱溫度230℃，均化段和擠出機(jī)頭溫度為250℃，熔融浸漬模具10的加熱溫度250℃。

所制備的預(yù)浸料性能參數(shù)如下表4所示：

表4

實(shí)施例4

本實(shí)施例連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂的制備方法以及結(jié)果評(píng)價(jià)方法均與實(shí)施例一相同，其不同之處在于：靜電場(chǎng)上極板5和下極板6之間的垂直距離采用30mm。本實(shí)施例中所用連續(xù)纖維束1為玄武巖纖維，熱塑性樹(shù)脂熔體為聚乙烯。擠出機(jī)11加料段加熱溫度190℃，塑化段加熱溫度210℃，均化段和擠出機(jī)頭溫度為230℃，熔融浸漬模具10的加熱溫度230℃。

所制備的預(yù)浸料性能參數(shù)如下表5所示：

表5

實(shí)施例5

本實(shí)施例連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂的制備方法以及結(jié)果評(píng)價(jià)方法均與實(shí)施例一相同，其不同之處在于：靜電場(chǎng)上極板5和下極板6之間的垂直距離采用20cm，高壓靜電場(chǎng)工作電壓30kv。本實(shí)施例中所用連續(xù)纖維束1為玻璃纖維，熱塑性樹(shù)脂熔體為聚乙烯。擠出機(jī)11加料段加熱溫度190℃，塑化段加熱溫度210℃，均化段和擠出機(jī)頭溫度為230℃，熔融浸漬模具10的加熱溫度230℃。

所制備的預(yù)浸料性能參數(shù)如下表6所示：

表6

以上所述的具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式而已，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。