[发明专利]一种连续纤维增强热塑性树脂的制备方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种连续纤维增强热塑性树脂的制备方法及装置。

背景技术

连续纤维增强热塑性树脂是一种增强纤维单向排布且其长度与树脂颗粒长度相等的增强型热塑性复合材料。与热固性树脂基复合材料相比，热塑性树脂基复合材料具有更好的比刚度、比强度、抗冲击、抗蠕变性能以及重量轻、可回收利用等特点，受到市场的广泛关注。而与短切纤维增强热塑性树脂基复合材料相比，连续纤维增强树脂基复合材料因其增强纤维在树脂基体中是连续的，因此力学性能更优，已被广泛应用于航空航天、交通运输、建筑材料、工业设计以及体育用品等行业，成为复合材料开发和研究的热点。

制备连续纤维增强热塑性树脂基复合材料的最大难题是如何使高粘度(一般超过100Pa·s)的树脂熔体均匀、充分地浸渍到纤维束中。目前制备连续纤维增强热塑性树脂基复合材料的方法有：熔融浸渍法、溶液浸渍法、混纤纱法、原位聚合法、薄膜层叠法等，熔融浸渍法因其工艺过程简单、易于工业化等特点，成为制备连续纤维增强热塑性树脂复合材料最常用工艺方法。熔融浸渍法是利用热塑性树脂的熔融特性，先将连续纤维束预分散，预分散后的纤维束通过充满熔融聚合物的浸渍模具中，纤维束在一定的张力和压力作用下得到分散浸渍。因此，除了浸渍模具的设计，纤维束预分散程度也对预浸料浸渍质量的有很大影响。纤维束预分散是指利用扩纤技术将纤维束沿径向均匀展开，并尽量减少展开过程中纤维断裂。目前常用的展丝扩纤方法有机械装置分丝法、气流分丝法、超声水浴分丝法、声波扩纤法等。

在公开号为CN102002787A的中国发明专利中，提到了一种采用碳纤维丝束展开的机械分丝装置，该装置包含放丝、加热、扩纤以及收卷等装置，通过压辊展开纤维，通过带点金属辊为碳纤维加热；美国专利US007536761也公布了与此类似的一种碳纤维分丝和加热装置。公开号为CN103343444A的中国发明专利中，提到了采用超声波扩纤方法展开碳纤维丝束的装置，该装置中装有化学溶液，碳纤维丝束进入溶液中，在导纱辊牵引作用下，通过超声波频率的变化带动溶液共振进而展开碳纤维束。在公开号为CN102505242A的中国发明专利中，公开了一种由放料辊、气动展开装置、引导辊和收料辊组成的展丝装置，通过将机械装置和气动分丝结合进行纤维分散。在公开号为US5057338的美国专利中，提到了一种纤维束通过气流型腔进行分丝的气动分散装置。

现有分丝装置和公开的专利有以下不足：1.很多分丝装置仅针对碳纤维丝束设计，对玻璃纤维丝束作用不大；2.采用单纯的机械分丝装置容易导致纤维损伤，产生浮纤、毛刺等；3.机械装置和气流分丝相结合可以有效减少纤维损伤，但是气流分丝波动较大，对于纤维单丝之间均匀性难以保证。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术和方法中存在的问题，提供一种连续纤维增强热塑性树脂的制备方法及装置。

本发明所提供的一种连续纤维增强热塑性树脂的制备方法，包括如下步骤：

1)连续纤维束经过导向轮后通过纤维分散与预热装置进行预分散和预热；

2)预分散和预热后的连续纤维束经导向轮进入相对设置的静电场上极板和静电场下极板之间，所述连续纤维束受高压静电场力的作用二次分散；

3)经过高压静电场后的连续纤维束进入熔融浸渍模具，二次分散后的连续纤维束在熔融浸渍模具中得到热塑性树脂熔体充分浸渍；

4)充分浸渍的连续纤维束通过冷却定型装置冷却定型，并在牵引装置的牵引下连续生产。

优选地，连续纤维束选自玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维或者玄武岩纤维中的至少一种。

优选地，热塑性树脂熔体选自聚乙烯、聚丙烯、尼龙、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氨酯、聚甲醛中的至少一种。

根据本发明所提出的连续纤维增强热塑性树脂的制备方法，连续纤维束经过预分散和预热后进入高压静电场中，在高压静电场中受到静电场力作用二次分散，纤维束中单丝之间的分散均匀性更好，分散后的连续纤维束在熔融浸渍模具中受到熔体浸渍。通过改变上、下极板之间的距离和高压静电发生器的输出电压，可以控制静电场强弱，改变玻璃纤维所受静电场力大小和分散情况，制备出连续纤维增强热塑性复合材料预浸料或预浸带。