CN107839259A - 一种微波加热纤维拉挤生产系统及生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微波加热纤维拉挤生产系统及生产方法，包括依次排列的纱架、浸胶槽、微波加热装置、固化装置和牵引装置，纤维在牵引装置的牵引作用下，从纱架上下来后，依次经过浸胶槽、微波加热装置和固化装置后固化成型；其中，所述微波加热装置内部设置成型模具，成型模具的材质为陶瓷模具或内衬石英管的塑料模具；所述固化装置采用电加热方式和金属模具。本发明中在固化装置的前面增加微波加热装置对浸渍有树脂的纤维进行预处理，不但可以对复合材料中多余的树脂进行刮除回收利用，提高了原材料的利用率，还可以促进树脂的凝胶过程，使复合材料初步成型。
Description
技术领域
本发明涉及纤维增强复合材料成型领域，具体涉及一种微波加热纤维拉挤生产系统及生产方法。
技术背景
纤维增强复合材料具有重量小、性能高、可设计性强等诸多优点，随着原材料成本的下降，近十几年纤维增强复合材料飞速发展。拉挤成型是纤维增强复合材料成型工艺中的一种，具有生产效率高、纤维含量高、自动化程度高、可连续生产等优点，因此在复合材料领域中，采用拉挤工艺制备的复合材料所占比例越来越高。
拉挤工艺是将浸胶后的纤维拉入模具中固化成型，然后在后固化箱中进行后固化，提高复合材料制品的固化度和性能。目前拉挤工艺中的固化装置和后固化装置绝大部分都是采取电加热方式，电加热方式的优点是操作简单、温度控制稳定，但是在对浸胶后的纤维进行加热固化时，有热传导的过程，而使浸胶后的纤维在固化模具后半段开始发生固化反应，这样为了使固化充分，就需要通过降低拉挤速度来保证足够的固化时间。在CN104552989A中公开了一种微波加热快速拉挤的设备及方法，该发明能够提高拉挤速度，但该方法中所有固化均采用微波加热方式，在拉挤的过程中，前半段是树脂吸热，当树脂吸收的热量超过其活化能之后开始固化，绝大部分树脂固化是一个放热反应的过程，制品的尺寸越大，发热量越大，过多的热量集中在产品内部，会形成热应力，影响制品性能，严重者会使制品内部存在由于热应力产生的开裂缝隙。所以，对于大尺寸制品，如果在固化后期仍然采用微波加热，对微波加热的稳定性和可调控性提出了较高的要求，目前的微波加热技术和成本还不能完全满足大尺寸制品的拉挤生产。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明的一个目的是提供一种微波加热纤维拉挤生产系统，该生产系统使用微波加热预处理与电加热固化相结合的方式，提高了拉挤生产速度，适用于大尺寸制品的生产，同时能满足生产稳定性和连续性的要求。
本发明的另一个目的是提供一种微波加热纤维拉挤生产方法，利用上述微波加热纤维拉挤生产系统进行生产。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
一种微波加热纤维拉挤生产系统，包括依次排列的纱架、浸胶槽、微波加热装置、固化装置和牵引装置，纤维在牵引装置的牵引作用下，从纱架上下来后，依次经过浸胶槽、微波加热装置和固化装置后固化成型；
其中，所述微波加热装置内部设置成型模具，成型模具的材质为陶瓷模具或内衬石英管的塑料模具；所述固化装置采用电加热方式和金属模具。
微波加热是通过分子振动而产生的热量，所以不存在热传递的过程，在固化装置前端设置微波加热装置，能够省去固化前期热传导的过程，纤维进入模具后，树脂就开始加热凝胶，然后进入后部的固化装置，这样可以提高拉挤速度1.5-3倍。如果没有前部的微波固化装置，在保证热量从模具边缘传到模具中心的同时，还要保证浸胶后的纤维在模具中有足够的时间固化成型，这样就要求降低拉挤速度，进而减小生产效率。
固化装置采用的电加热方式和金属模具，树脂凝胶后开始固化放热，而且拉力增大，采用电加热方式能够更加稳定的控制制品的受热状态，采用金属模具能够承受更大拉力。金属模具的硬度高，不但可以提高模具的寿命，还可以提高制品的表面质量，达到的加热温度也更高，不会出现骤冷破裂和破碎的情况。
在固化装置前端使用微波加热装置，也能够提高树脂的回收使用率。纤维进入微波加热装置的模具之前，会在模具口处将多余的树脂挤出来，由于传统的拉挤装置中，模具口和模具内部设定的加热温度是一致的，模具口处挤出的树脂已经被加热过，所以已经开始受热固化，不能够回收使用。而在固化装置的前端增加微波加热装置就不会存在这样的问题，陶瓷和塑料都是热的不良导体，模具口处的温度要小于加热设定的温度，这样在模具口处挤出的树脂未被加热，还未发生固化现象，可以回收利用。
优选的，所述塑料模具的材质为聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯或聚四氟乙烯。
优选的，所述固化装置包括前固化装置和后固化装置。
采用前固化装置和后固化装置，分阶段对复合材料进行固化，通过调整每个阶段的加热固化参数，可以提高复合材料的固化度和性能。
进一步优选的，所述金属模具的内表面镀有涂层。
通过镀涂层的方式可以提高金属模具内表面的硬度，提高模具的寿命的同时，也提高了复合材料制品的表面质量。
优选的，所述固化装置的固化模具长度为微波加热装置的成型模具的长度的10-20倍。
本发明中的微波加热装置的作用是促进树脂凝胶和回收复合材料中多余的树脂，对复合材料进行预处理，而不是对复合材料起主要的加热固化作用。经过去除多余树脂和凝胶后的复合材料可以在具有较高的拉挤速度的前提下，加热固化，提高了树脂的回收利用率和拉挤生产效率。
一种微波加热纤维拉挤生产方法，包括如下步骤：
纱架上的纤维在牵引装置的牵引作用下依次经过浸胶槽浸胶、微波加热装置预处理和固化装置加热固化后，得到成型的复合材料。
优选的，所述浸胶槽的设定温度为35-45℃。在该温度条件下，所需的热固性树脂处于流动性良好的液态，且具有良好的附着性能，有利于对纤维的浸胶。
优选的，所述微波加热装置的加热频率为1000MHZ。在该加热频率下，能够提高复合材料的固化度和性能。
优选的，所述固化装置包括前固化装置和后固化装置，前固化装置分为三个温区，三个温区的温度依次为140-155℃、165-175℃和185-195℃，后固化装置分为两个温区，两个温区的温度依次为195-205℃和175-185℃。
优选的，所述前固化装置的三个温区的长度依次为均为30cm；后固化装置的两个温区的长度均为120cm。
优选的，纤维在牵引装置的牵引作用下的拉挤速度为950-1050mm/min。
由于在拉挤系统中增加了微波加热装置，微波加热装置对浸渍有树脂的纤维预处理，电加热固化装置对预处理后的复合材料进行加热固化，不但可以提高加热固化的拉挤速度，提高复合材料的生产效率，还可以提高复合材料的固化度和性能。
本发明的有益技术效果为：
本发明中在固化装置的前面增加微波加热装置对浸渍有树脂的纤维进行预处理，不但可以对复合材料中多余的树脂进行刮除回收利用，提高了原材料的利用率，还可以促进树脂的凝胶过程，使复合材料初步成型。电加热固化装置对预处理后的复合材料进行加热固化，能够稳定控制制品的受热状态，同时在电加热固化装置的金属模具的内表面镀涂层，提高金属模具表面的硬度，进而提高制品表面的质量。
由于复合材料上的树脂在微波加热装置中已经凝胶，凝胶后并初步成型的复合材料进入固化装置后，可以提高拉挤速度，进而提高了生产效率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，1-纱架；2-浸胶槽；3-微波加热装置；4-前固化装置；5-后固化装置；6-牵引装置。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种微波加热纤维拉挤生产系统，包括依次排列的纱架1、浸胶槽2、微波加热装置3、固化装置和牵引装置6，纤维在牵引装置6的牵引作用下，从纱架1上下来后，依次经过浸胶槽2、微波加热装置3和固化装置后固化成型；
其中，所述微波加热装置3内部设置成型模具，成型模具的材质为陶瓷模具或内衬石英管的塑料模具；所述固化装置内部设置电加热块和金属模具。所述塑料模具的材质为聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯或聚四氟乙烯。
所述固化装置包括前固化装置4和后固化装置5，前固化装置4和后固化装置5内部均设置有电加热块和金属模具，并在金属模具的内表面镀有涂层。通过镀涂层的方式可以提高金属模具内表面的硬度，提高复合材料制品的表面质量。
前固化装置4的金属模具的长度可以在600-1200mm的范围内选择，后固化装置5的金属模具的长度可以在1000-1400mm的范围内选择，但是应保证前固化装置4和后固化装置5的总长度应该为微波加热装置3的模具长度的10-20倍。
实施例1
以生产19mm直径的碳纤维增强环氧树脂基复合芯棒为例，碳纤维为台塑12k T700碳纤维，环氧树脂体系为E51和酸酐固化剂组成。
生产装备如图1排列组成，浸胶槽2设定温度40℃，微波加热装置3长度为60mm，固化装置4长度为900mm，后固化装置5长度为1200mm。
将碳纤维排列好后在牵引装置6的牵引下浸入浸胶槽2中，然后进入微波加热装置3中加热凝胶，然后进入固化装置4中固化成型，再进入后固化装置5中进行后固化，提高复合材料的固化度和性能，微波加热频率为1000MHz固化装置分为三个温区，三个温区的温度分别为150℃、170℃和190℃，后固化装置分为两个温区，两个温区的温度分别为200℃和180℃。拉挤速度为1000mm/min。
对比例1
与实施例1的区别在于，对比例1中没有设置有微波加热装置3，其他的与实施例1相同，拉挤速度为600mm/min。
对比例2
与实施例1的区别在于，对比例1中将电加热的固化装置替换为微波加热固化装置，微波加热的频率为2000MHz，其他的与实施例1相同，拉挤速度为500mm/min。若全部采用微波加热，树脂凝胶后，虽然微波加热的频率、功率可以控制，但是树脂结构随微波加热的震动不好控制，容易产生过热等不良影响。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种微波加热纤维拉挤生产系统，其特征在于：包括依次排列的纱架、浸胶槽、微波加热装置、固化装置和牵引装置，纤维在牵引装置的牵引作用下，从纱架上下来后，依次经过浸胶槽、微波加热装置和固化装置后固化成型；
其中，所述微波加热装置内部设置成型模具，成型模具的材质为陶瓷模具或内衬石英管的塑料模具；所述固化装置采用电加热方式和金属模具。
2.根据权利要求1所述的微波加热纤维拉挤生产系统，其特征在于：所述塑料模具的材质为聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯或聚四氟乙烯。
3.根据权利要求1所述的微波加热纤维拉挤生产系统，其特征在于：所述固化装置包括前固化装置和后固化装置。
4.根据权利要求1所述的微波加热纤维拉挤生产系统，其特征在于：所述金属模具的内表面镀有涂层。
5.根据权利要求1所述的微波加热纤维拉挤生产系统，其特征在于：所述固化装置的固化模具长度为微波加热装置的成型模具的长度的10-20倍。
6.一种微波加热纤维拉挤生产方法，其特征在于：包括如下步骤：
纱架上的纤维在牵引装置的牵引作用下依次经过浸胶槽浸胶、微波加热装置预处理和固化装置加热固化后，得到成型的复合材料。
7.根据权利要求6所述的生产方法，其特征在于：所述微波加热装置的加热频率为1000MHZ。
8.根据权利要求6所述的生产方法，其特征在于：所述固化装置包括前固化装置和后固化装置，前固化装置分为三个温区，三个温区的温度依次为140-155℃、165-175℃和185-195℃，后固化装置分为两个温区，两个温区的温度依次为195-205℃和175-185℃。
9.根据权利要求6所述的生产方法，其特征在于：所述前固化装置的三个温区的长度依次为30cm、30cm、30cm；后固化装置的两个温区的长度依次为120cm、120cm。
10.根据权利要求6所述的生产方法，其特征在于：纤维在牵引装置的牵引作用下的拉挤速度为950-1050mm/min。
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