CN106273989A - 一种纤维增强热塑性复合材料板的成型装置及其成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纤维增强热塑性复合材料板的成型装置及其成型方法，包括放料部分、加热定型部分和冷却压平部分，所述放料部分包括上层料筒、芯层料筒和下层料筒，所述上层料筒、芯层料筒和下层料筒上中下相错设置，所述放料部分的工作后端连接加热定型部分，所述加热定型部分的工作后端连接冷却压平部分。本发明方法中的原料及设备，包括对预浸料及成型方法的选择，可以做到设备简单，价格低廉，工艺要求不高，连续生产，提高能效。本发明方法中所使用的设备独特之处在于芯材的输入方式，可以以板材的形式进行复合，也可以卷板的方式复合，适用性广。
Description
技术领域
本发明涉复合材料成型设备领域，具体涉及一种纤维增强热塑性复合材料板的成型装置及其成型方法。
背景技术
热塑性复合材料是以玻璃纤维，碳纤维，芳烃香味及其其他材料增强各种热塑性树脂的总称。国外称其为FRTP及先进的纤维增强热塑性复合材料，由于其具有韧性耐蚀性和抗疲劳性高，成型工艺简单，周期短，材料利用率高(无废料)，材料存放环境与时间无限制等优势而得到快速发展。近年来，在节能减排，新能源汽车方面，复合材料的应用越来越广。
近年来，经过多年研发，很多公司，克服了聚丙烯类聚合物黏度高，不易渗入细直径纤维空隙的壁垒，采用独特工艺，完全渗透和浸渍纤维束的每一根单丝，制成预浸带，使得连续纤维增强热塑性复合材料得到很大的发展。生产出质量良好的预浸料，仅仅是完成热塑性复合材料的第一步，要完成最终材料制品，必须采用合适的成型工艺。热塑性复合材料与热固性复合材料不同，前者是靠冷却降温后达到定型产品，而后者是靠固化剂固化成型。目前较为成熟的热塑性复合材料的成型方法为热压法、缠绕法、以及拉挤法。
中国专利CN201010528874.6连续纤维增强热塑性结构板材生产设备中公布了在板材成型过程中连续纤维增强热塑性预浸带及其夹芯材料由自动传输装置传送到板材复合处，通过履带式热压复合、辊轴冷压定型对其进行模压成型，适合生产连续板材以及大面积复合板材。此专利中，使用模压成型工艺，在传送过程中，履带需携带模具，影响传输速度，而且模压成型中须用脱模产品，对生产的产品增加了成本，提升产品价格，不利于产品销售。
中国专利CN201510038471.6 连续纤维增强热塑性三明治结构板材的生产设备中公布了先将连续纤维预浸料加热辊压压实后，预热与挤出机模头中挤出的板材进行贴合后辊压成板。此法虽然减少了板材成型中的能耗，但是连续作业使得板材的质量无法保证，尤其是板材的表面会因二次加热不匀造成表面瑕疵，以及加热后不匀导致的板材粘接强度不够导致分层，此方法中对芯材的选择进行限定，塑料模头无法挤出的芯材无法通过此方法进行复合，实用性不强。
FRTP现已成为代替部分塑料以及部分钢铁的极具发展前景的新型材料。FRTP由于成型时间短所以大大降低了生产成本。目前FRTP发展中，短纤增强热塑性复合材料（SFT），长纤增强热塑复合材料（LFT）发展较为迅速，连续纤维增强热塑性复合材料（CFRT）的在LFT,SFT补强上较为突出，以及补强其他材料例如GMT材料，泡沫材料，蜂窝材料等，能够将其充分利用，在经济上发挥最大的作用，创造最大的价值，是每一个企业所梦寐的。
发明内容
本发明的目的是提出一种纤维增强热塑性复合材料板的成型装置，本发明的第二目的是提出一种利用该成型装置制作纤维增强热塑性复合材料板的方法。
本发明第一目的的技术方案为：包括放料部分、加热定型部分和冷却压平部分，所述放料部分包括上层料筒、芯层料筒和下层料筒，所述上层料筒、芯层料筒和下层料筒上中下相错设置，所述放料部分的工作后端连接加热定型部分，所述加热定型部分的工作后端连接冷却压平部分。
本发明第二目的的技术方案为：将连续纤维增强预浸带或连续纤维织物放置于上层料筒和下层料筒上，将芯材放置于芯层料筒上。启动设备牵引，通过牵引使其上下面基材与芯材通过牵引辊后，使其平整的至于传送带上，通过传输带后，进入加热单元，材料在加热单元内采用分段加热同步分段加压的工艺方式进行热复合，然后进入定型辊，之后进入冷却单元，冷却单元采用分段冷却同步分段加压的工艺方式进行冷却方式，冷却后，板材成型，成型后可根据其芯材的类型，进行连续切边或分块裁切，后进行收卷或打包。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
1、本发明方法中的原料及设备，包括对预浸料及成型方法的选择，可以做到设备简单，价格低廉，工艺要求不高，连续生产，提高能效。
2、本发明方法中所使用的设备独特之处在于芯材的输入方式，可以以板材的形式进行复合，也可以卷板的方式复合，适用性广；
3、发明方法中所使用的设备的令一独特之处在于复合机加热装置，加热区温度平衡、均匀，通过独特的工艺方式，可以进行温度补偿；通过分段冷却，通过调整不同温度下的压力，来保证材料性能的最优化。
4、本发明方法中所使用的材料的成型方法中，整个材料通过很长的加热区后完美复合，剥离力 很强。经过加热后，材料立即经压辊压缩或被压制到一定厚度。为了达到稳定的复合效果，材料在离开上下带的压制之前被冷却。凭借上下带均匀的间隙和精确的间距调节，即使厚至150mm的厚板也可复合。
5、本发明方法中的所制备产品及所产生的边角料，可回收，再次利用，属绿色产品技术。
附图说明：
图1 本发明装置的结构示意图；
图中：1-上层料筒、2-芯层料筒、3-下层料筒、4-传送带、5-牵引辊、6-传送辊、7-加热单元、8-定型辊、9-冷却单元、10-压平辊。
具体实施方式
以下的实施例可以使本专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明，本发明的内容完全不局限于此。
如图1所示，本发明装置包括放料部分、加热定型部分和冷却压平部分，所述放料部分包括上层料筒1、芯层料筒2和下层料筒3，所述上层料筒1、芯层料筒2和下层料筒3上中下相错设置，所述放料部分的工作后端连接加热定型部分，所述加热定型部分的工作后端连接冷却压平部分。
所述加热定型部分包括传送带4、牵引辊5、加热单元7和定型辊8，所述牵引辊5和定型辊8平行水平设置，所述牵引辊5与定型辊8之间设置加热单元，所述传送带4环绕牵引辊5、加热单元7和定型辊8设置，所述牵引辊5、加热单元7和定型辊8均上下成对相对设置形成水平热压通道，所述牵引辊5联接放料部分，所述定型辊8联接冷却压平部分。
所述冷却压平部分包括传送带4、冷却单元9和压平辊10，所述冷却单元9水平设置、其后水平设置压平辊10，所述冷却单元9和压平辊10外围设置传送带4，所述冷却单元和压平辊10上下成对相对设置形成水平冷压通道，所述冷却单元9联接加热定型部分。
所述加热定型部分和冷却压平部分公用传送带4，所述牵引辊5、定型辊8和压平辊10平行水平设置，所述加热单元7和冷却单元9的工作面水平设置，所述传送带4上还设置传送辊6。
本发明方法包括将连续纤维增强预浸带或连续纤维织物放置于上层料筒和下层料筒上，将芯材放置于芯层料筒上。启动设备牵引，通过牵引使其上下面基材与芯材通过牵引辊后，使其平整的至于传送带上，通过传输带后，进入加热单元，材料在加热单元内采用分段加热同步分段加压的工艺方式进行热复合，然后进入定型辊，之后进入冷却单元，冷却单元采用分段冷却同步分段加压的工艺方式进行冷却方式，冷却后，板材成型，成型后可根据其芯材的类型，进行连续切边或分块裁切，后进行收卷或打包。
所述连续纤维增强预浸带为连续纤维经过展纤后与热塑性树脂通过复合浸润方式复合而成的单向带经过卷曲成卷，所述连续纤维与热塑性树脂的重量比为50~60：50~40。
所述的连续纤维选自无机连续纤维，所述的无机连续纤维选自玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维或玄武岩纤维，所述的热塑性树脂选自聚聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚对苯二甲酸丁二醇脂、聚对苯二甲酸乙二醇脂。
所述连续纤维织物为连续纤维织物作为增强材料与热塑性树脂进行浸润复合而成后进行卷曲成卷，所述连续纤维织物与热塑性树脂的重量比为60-70：40-30，所述连续纤维织物的编织方式为正交三向、细编穿刺、三维编织、三围机织中的一种或几种。
所述上层料筒和下层料筒放入的材料为同种材料，上层料筒和下层料筒放入的材料与芯材材料的基体为同种材料。
所述芯材为连续纤维增强热塑性板材（CFRT）、长纤维增强热塑性板材(LFT)、连续纤维毡增强热塑性塑料板材（GMT）、短切纤维增强热塑性板材（SFT）、热塑性蜂窝材料、热塑性发泡材料中的一种或几种。
所述放卷架为板材厚度小于1.5mm的板材。
所述铺料台为厚度大于1.5mm小于150mm的板材。
所述传送速度为1-15m/min。
所述传送带为表面光滑的聚四氟乙烯加纤带。
所述加热单位的加热方式为电加热、红外加热中的一种或几种。
所述加热单位的加热范围为200-320℃。
所述分段加热的加热区域分为加热区，复合区，加热出口区。
所述分段加热的加热区温度范围为加热区230-320℃，复合区200-280℃，加热出口区 230-320℃。
所述加热分段加压的压力范围为加热区 0.5-1MPa，复合区0.5-1MPa，加热出口区，0.5-1MPa。
所述定型辊为表面经行处理具有镜面效果的辊；定型辊的辊隙是通过减速机、万向轴、齿轮箱和调节螺杆可以随机调节上下输送带之间的间隙的调节方式。
所述定型辊的温度范围为120-200℃。
所述定型辊的加热方式为油温加热；
所述冷却单元的的冷却方式为水冷，风冷。
所述冷却单元的冷却温度范围为80-20℃。
所述冷却单元的区域分为过渡区、冷却区、常温区。
所述冷却单元的温度区域温度范围为过渡区 90-60℃、冷却区 60-40℃、常温区10-30℃。
所述冷却单元的压力范围为 过渡区1-3MPa、冷却区 2-4MPa、常温区3-5MPa。
所述成型后连续切边的板材为芯材为CFRT、LFT,SFT，GMT板材整体厚度小于8mm的板材。
所述成型后分块切割的板材为芯材为CFRT、LFT,SFT，GMT板材整体厚度大于于8mm的板材和热塑性蜂窝板材和热塑性发泡板材。
所述板材收卷的板材为成型后板材的厚度小于3mm的板材。
所述板材的收卷速度与板材的牵引速度相同；所述打包的板材为成型后板材按照一定的规格切割好后进行包装打包，所述打包板材的厚度大于3mm。
实施例1:连续纤维增强PP薄板制作
将连续纤维增强PP预浸带放置于上层和下层放卷架上，将连续纤维PP预浸带放置于芯材放卷架。采用多个放卷架，使芯材厚度达到1.5mm.启动设备牵引，牵引速度为9m/min，通过牵引使其上下面基材与芯材通过牵引辊后，使其平整的至于传送带上，通过传输带后，进入加热单元，材料在加热单元内采用分段加热同步分段加压的工艺方式进行热复合，加热区温度范围为加热区230-250℃，复合区230-260℃，加热出口区 230-260℃；加热分段加压的压力范围为加热区 0.5-1MPa，复合区0.5-1MPa，加热出口区，0.5-1MPa;然后进入定型辊，定型辊的温度范围为120-150℃。之后进入冷却单元，冷却单元采用分段冷却同步分段加压的工艺方式进行冷却方式，冷却后，板材成型，冷却单元的温度区域温度范围为过渡区90-60℃、冷却区 60-40℃、常温区10-30℃；冷却单元的压力范围为 过渡区1-3MPa、冷却区2-4MPa、常温区3-5MPa；成型后，进行裁切，后进行收卷。
实施例2:连续纤维增强PP蜂窝板夹心板
将连续纤维增强PP预浸带放置于上层和下层放卷架上，将PP蜂窝芯材放置于放料台上。芯材厚度达到15mm.启动设备牵引，牵引速度为5m/min，通过牵引使其上下面基材与芯材通过牵引辊后，使其平整的至于传送带上，通过传输带后，进入加热单元，材料在加热单元内采用分段加热同步分段加压的工艺方式进行热复合，加热区温度范围为加热区230-250℃，复合区230-260℃，加热出口区 230-260℃；加热分段加压的压力范围为加热区0.5-1MPa，复合区0.5-1MPa，加热出口区，0.5-1MPa;然后进入定型辊，定型辊的温度范围为120-150℃。之后进入冷却单元，冷却单元采用分段冷却同步分段加压的工艺方式进行冷却方式，冷却后，板材成型，冷却单元的温度区域温度范围为过渡区 90-60℃、冷却区 60-40℃、常温区10-30℃；冷却单元的压力范围为 过渡区1-3MPa、冷却区 2-4MPa、常温区3-5MPa；成型后，进行切割，后进行打包。
实施例3:纤维增强织物蜂窝夹心板
将连续纤维增强PP织物放置于上层和下层放卷架上，将PP蜂窝芯材放置于放料台上。芯材厚度达到12mm.启动设备牵引，牵引速度为7m/min，通过牵引使其上下面基材与芯材通过牵引辊后，使其平整的至于传送带上，通过传输带后，进入加热单元，材料在加热单元内采用分段加热同步分段加压的工艺方式进行热复合，加热区温度范围为加热区230-250℃，复合区230-260℃，加热出口区 230-260℃；加热分段加压的压力范围为加热区 0.5-1MPa，复合区0.5-1MPa，加热出口区，0.5-1MPa;然后进入定型辊，定型辊的温度范围为120-150℃。之后进入冷却单元，冷却单元采用分段冷却同步分段加压的工艺方式进行冷却方式，冷却后，板材成型，冷却单元的温度区域温度范围为过渡区 90-60℃、冷却区 60-40℃、常温区10-30℃；冷却单元的压力范围为 过渡区1-3MPa、冷却区 2-4MPa、常温区3-5MPa；成型后，进行切割，后进行打包。
实施例4:续纤维增强PE补强长纤夹心板
将连续纤维增强PP预浸带放置于上层和下层放卷架上，将PE长纤板材放置于放料台上。芯材厚度达到8mm.启动设备牵引，牵引速度为8m/min，通过牵引使其上下面基材与芯材通过牵引辊后，使其平整的至于传送带上，通过传输带后，进入加热单元，材料在加热单元内采用分段加热同步分段加压的工艺方式进行热复合，加热区温度范围为加热区230-250℃，复合区230-260℃，加热出口区 230-260℃；加热分段加压的压力范围为加热区 0.5-1MPa，复合区0.5-1MPa，加热出口区，0.5-1MPa;然后进入定型辊，定型辊的温度范围为100-120℃。之后进入冷却单元，冷却单元采用分段冷却同步分段加压的工艺方式进行冷却方式，冷却后，板材成型，冷却单元的温度区域温度范围为过渡区 90-60℃、冷却区 60-40℃、常温区10-30℃；冷却单元的压力范围为 过渡区1-3MPa、冷却区 2-4MPa、常温区3-5MPa；成型后，进行切割，后进行打包
实施例5:连续聚丙烯织物增强聚丙烯发泡板
将连续纤维增强聚丙烯织物放置于上层和下层放卷架上，将聚丙烯发泡板放置于铺料台上。启动设备牵引，牵引速度为12m/min，通过牵引使其上下面基材与芯材通过牵引辊后，使其平整的至于传送带上，通过传输带后，进入加热单元，材料在加热单元内采用分段加热同步分段加压的工艺方式进行热复合，加热区温度范围为加热区230-250℃，复合区230-260℃，加热出口区 230-260℃；加热分段加压的压力范围为加热区 0.5-1MPa，复合区0.5-1MPa，加热出口区，0.5-1MPa;然后进入定型辊，定型辊的温度范围为100-120℃。之后进入冷却单元，冷却单元采用分段冷却同步分段加压的工艺方式进行冷却方式，冷却后，板材成型，成型后冷却单元的温度区域温度范围为过渡区 90-60℃、冷却区 60-40℃、常温区10-30℃；冷却单元的压力范围为 过渡区1-3MPa、冷却区 2-4MPa、常温区3-5MPa；成型后，进行切割，后进行打包。
实施例6:CFRT补强GMT夹心板
将连续纤维增强聚丙烯放置于上层和下层放卷架上，将纤维增强聚丙烯轻质板放置于铺料台上。启动设备牵引，牵引速度为12m/min，通过牵引使其上下面基材与芯材通过牵引辊后，使其平整的至于传送带上，通过传输带后，进入加热单元，材料在加热单元内采用分段加热同步分段加压的工艺方式进行热复合，加热区温度范围为加热区230-250℃，复合区230-260℃，加热出口区 230-260℃；加热分段加压的压力范围为加热区 0.5-1MPa，复合区0.5-1MPa，加热出口区，0.5-1MPa;然后进入定型辊，定型辊的温度范围为100-120℃。之后进入冷却单元，冷却单元采用分段冷却同步分段加压的工艺方式进行冷却方式，冷却后，板材成型，成型后冷却单元的温度区域温度范围为过渡区 90-60℃、冷却区 60-40℃、常温区10-30℃；冷却单元的压力范围为 过渡区1-3MPa、冷却区 2-4MPa、常温区3-5MPa；成型后，进行切割，后进行打包。
实施例7:CFRT补强SFT夹心板
将连续纤维增强聚酰胺织物放置于上层和下层放卷架上，将短纤增强聚酰胺板放置于铺料台上。启动设备牵引，牵引速度为4m/min，通过牵引使其上下面基材与芯材通过牵引辊后，使其平整的至于传送带上，通过传输带后，进入加热单元，材料在加热单元内采用分段加热同步分段加压的工艺方式进行热复合，加热区温度范围为加热区230-250℃，复合区230-260℃，加热出口区 230-260℃；加热分段加压的压力范围为加热区 0.5-1MPa，复合区0.5-1MPa，加热出口区，0.5-1MPa;然后进入定型辊，定型辊的温度范围为120-150℃。之后进入冷却单元，冷却单元采用分段冷却同步分段加压的工艺方式进行冷却方式，冷却后，板材成型，成型后冷却单元的温度区域温度范围为过渡区 90-60℃、冷却区 60-40℃、常温区10-30℃；冷却单元的压力范围为 过渡区1-3MPa、冷却区 2-4MPa、常温区3-5MPa；成型后，进行切割，后进行打包。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种纤维增强热塑性复合材料板的成型装置，其特征在于：包括放料部分、加热定型部分和冷却压平部分，所述放料部分包括上层料筒（1）、芯层料筒（2）和下层料筒（3），所述上层料筒（1）、芯层料筒（2）和下层料筒（3）上中下相错设置，所述放料部分的工作后端连接加热定型部分，所述加热定型部分的工作后端连接冷却压平部分。
2.根据权利1所述的纤维增强热塑性复合材料板的成型装置，其特征在于：所述加热定型部分包括传送带（4）、牵引辊（5）、加热单元（7）和定型辊（8），所述牵引辊（5）和定型辊（8）平行水平设置，所述牵引辊（5）与定型辊（8）之间设置加热单元，所述传送带（4）环绕牵引辊（5）、加热单元（7）和定型辊（8）设置，所述牵引辊（5）、加热单元（7）和定型辊（8）均上下成对相对设置形成水平热压通道，所述牵引辊（5）联接放料部分，所述定型辊（8）联接冷却压平部分。
3.根据权利1或2所述的纤维增强热塑性复合材料板的成型装置，其特征在于：所述冷却压平部分包括传送带（4）、冷却单元（9）和压平辊（10），所述冷却单元（9）水平设置、其后水平设置压平辊（10），所述冷却单元（9）和压平辊（10）外围设置传送带（4），所述冷却单元和压平辊（10）上下成对相对设置形成水平冷压通道，所述冷却单元（9）联接加热定型部分。
4.根据权利3所述的纤维增强热塑性复合材料板的成型装置，其特征在于：所述加热定型部分和冷却压平部分公用传送带（4），所述牵引辊（5）、定型辊（8）和压平辊（10）平行水平设置，所述加热单元（7）和冷却单元（9）的工作面水平设置，所述传送带（4）上还设置传送辊（6）。
5.一种利用权利1~4任一所述的装置制作纤维增强热塑性复合材料板方法，其特征在于：将连续纤维增强预浸带或连续纤维织物放置于上层料筒和下层料筒上，将芯材放置于芯层料筒上启动设备牵引，通过牵引使其上下面基材与芯材通过牵引辊后，使其平整的至于传送带上，通过传输带后，进入加热单元，材料在加热单元内采用分段加热同步分段加压的工艺方式进行热复合，然后进入定型辊，之后进入冷却单元，冷却单元采用分段冷却同步分段加压的工艺方式进行冷却方式，冷却后，板材成型，成型后可根据其芯材的类型，进行连续切边或分块裁切，后进行收卷或打包。
6.根据权利5所述的方法，其特征在于：所述连续纤维增强预浸带为连续纤维经过展纤后与热塑性树脂通过复合浸润方式复合而成的单向带经过卷曲成卷，所述连续纤维与热塑性树脂的重量比为50~60：50~40。
7.根据权利6所述的方法，其特征在于：所述的连续纤维选自无机连续纤维，所述的无机连续纤维选自玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维或玄武岩纤维，所述的热塑性树脂选自聚聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚对苯二甲酸丁二醇脂、聚对苯二甲酸乙二醇脂。
8.根据权利5所述的方法，其特征在于：所述连续纤维织物为连续纤维织物作为增强材料与热塑性树脂进行浸润复合而成后进行卷曲成卷，所述连续纤维织物与热塑性树脂的重量比为60-70：40-30，所述连续纤维织物的编织方式为正交三向、细编穿刺、三维编织、三围机织中的一种或几种。
9.根据权利5所述的方法，其特征在于：所述上层料筒和下层料筒放入的材料为同种材料，上层料筒和下层料筒放入的材料与芯材材料的基体为同种材料。
10.根据权利5所述的方法，其特征在于：所述芯材为连续纤维增强热塑性板材（CFRT）、长纤维增强热塑性板材(LFT)、连续纤维毡增强热塑性塑料板材（GMT）、短切纤维增强热塑性板材（SFT）、热塑性蜂窝材料、热塑性发泡材料中的一种或几种。
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