[发明专利]树脂原位包覆纤维原丝的制造方法、设备及其应用

说明书

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。

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。