一種製備短切纖維連續取向氈的方法及裝置與流程
2023-09-22 08:11:50 1
本發明屬於纖維織物材料領域，特別涉及一種規模化製備短切纖維連續取向氈的方法及裝置。
背景技術：
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短切纖維增強複合材料不僅具有一般纖維增強複合材料的優點，如抗腐蝕、耐疲勞、高比強度和比模量、較好的熱穩定性以及可設計性等特點，同時具有加工工藝簡單，生產成本較低等優點，已經越來越受到工業界及學術界的廣泛關注。
短切纖維長度一般在3-15cm,具有高度各項異性，其增強複合材料的性能與纖維種類、纖維與基體之間的界面結合狀態、纖維長度、纖維含量、纖維取向狀態有關。對於某一特定短纖維增強複合材料，其力學性能主要取決於纖維的取向狀態及纖維含量：沿著纖維取向方向，短切纖維複合材料具有較高的強度及模量；纖維含量越高，其複合材料力學性能越好。
製備短纖維取向增強複合材料傳統方法主要採用將短纖維直接加入樹脂等基體材料當中，利用擠出等工藝手段產生流體流動獲得短纖維取向增強複合材料。但這些方法獲得的複合材料其纖維含量相對較低，纖維分散及取向均勻性相對較差，一定程度上限制了其力學性能的增加。為了彌補傳統方法的不足，通過單獨使短切纖維取向製備短切纖維取向氈，再與樹脂等基體複合獲得短切纖維取向增強複合材料越來越受到人們的廣泛關注。
近年來，國內外研究人員對短纖維取向氈製備技術進行了大量研究。Timbrell等(Journal of Applied Physics，1972，43(11)：4839-4840)利用磁場方法，將纖維置於強磁場中，利用磁矩力的作用驅動短纖維沿磁場力的方向進行一定的取向排列，獲得一定取向度的短切纖維取向氈，但這種方法其取向裝置相對比較複雜，且要求纖維具有導磁性，限制了可取向纖維的種類，此外，利用磁場法獲得的短切纖維取向氈取向程度較低，通常沿纖維方向在±20°範圍內只有70％的取向程度，無法獲得高取向短切纖維取向產品。Vyakarnam等(U.S.Patent 5 846 356)利用電場法製備短纖維取向氈，其取向原理與磁場法類似，要求纖維具有一定的導電性能，限制了取向纖維的種類，同時，電場法獲得的取向程度與磁場法類似，取向程度相對較低，通常沿纖維取向方向在±30°範圍內只有80％的纖維實現取向。另外，Bagg等人(Composites,1969，1(2)：97-100)開發了一種溼法短切纖維取向技術：短切纖維在分散介質中的分散、短切纖維取向、取向介質分離，從而實現短切纖維取向氈的製備；KACIR等人(Polymer Engineering&Science，1975,15(7)：525-537)在此溼法纖維取向技術的基礎上製備短切玻璃纖維取向氈，所製得的短切玻璃纖維取向氈沿纖維取向方向在±15°範圍內的取向程度為90％，纖維取向程度相對較高，但其製備的取向氈是大小為254mm*152mm的塊狀纖維取向氈，無法實現規模化生產短切纖維連續取向氈。Wong等人(In:SAE AeroTech Congress and Exhibition.SAE International,Seattle,Washington,US,Nov 10-12,2009)進一步對此溼法取向技術進行改進，採用甘油作為分散介質，圓柱形旋轉體內部進行取向，並通過離心分離技術使懸浮液與纖維的分離，提高了分散介質的分離效率，從而製備了12cm*150cm高取向短切纖維取向氈，但其採用甘油作為短切纖維分散介質，在分離過程中需要完全除去纖維表面甘油，同時在除去甘油之後還需要添加一定的粘膠劑用於纖維取向氈的固定，增加了工藝難度，生產效率較低，不利於工業化應用，另外，此方法製備的短切纖維取向氈的大小受其旋轉離心分離裝置大小的限制，無法連續化生產製備短切纖維連續取向氈。因此，急需開發一種連續、高效、規模化製備短切纖維連續取向氈的方法及其裝置。
技術實現要素：
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本發明的目的在於提供一種短切纖維連續取向氈的製備方法及生產裝置解決現有技術中無法連續、高效、規模化製備短切纖維取向氈的技術問題。本發明的具體技術內容如下：
本發明一種製備短切纖維連續取向氈的方法，其特徵在於包括以下工序：
分散工序：分散工序中包括分散裝置及儲料裝置，首先將分散劑加入水中於分散裝置中攪拌分散至粘度為0.5-20Pa.s，粘度測試方法為用美國博勒飛DV-旋轉粘度儀，21號轉子，扭矩75-80％，測試溫度30℃；分散時間為10-30min，然後加入短切纖維繼續攪拌分散5-20min形成短切纖維單絲狀懸浮液，短切纖維長度為1-15mm，並將分散裝置中分散好的短切纖維懸浮液導入儲料裝置中，分散工作在製備短切纖維連續取向氈的過程中持續進行，以補充儲料裝置中纖維懸浮液的消耗；
取向工序：將儲料裝置中分散好的短切纖維懸浮液導入漸縮取向噴頭，經漸縮取向噴頭後平鋪在不斷運行的傳送網帶上，其中在傳送網帶運行方向上根據所製備短切纖維連續取向氈厚度需求依次排列設置2-8組漸縮取向噴頭進行堆疊平鋪噴塗，單層短切纖維氈的厚度在0.05-0.10mm，根據所製備短切纖維取向氈寬度需求在30-2000mm範圍內選擇相等寬度的減縮取向噴頭進行噴塗，漸縮取向噴頭的漸縮角度為10-30°，漸縮取向噴頭的狹縫寬度為1-2mm，漸縮取向噴頭的液位高度為30-100cm；
分離工序：通過位於傳送網帶下方的負壓抽吸箱分離在傳送網帶上的短切纖維懸浮液中的水分及分散劑，同時通過位於傳送網帶上方的噴淋裝置噴灑水霧進一步洗滌短切纖維懸浮液中的分散劑，從而獲得溼態的短切纖維連續取向氈；最終分離出來的水分及分散劑經回收後再次用於短切纖維的分散；
乾燥工序：不斷運行的傳送網帶將溼態的短切纖維連續取向氈運送至熱鼓風乾燥隧道中，獲得幹態的短切纖維連續取向氈，熱鼓風乾燥隧道中熱風溫度為100-200℃；
收卷工序：將幹態的短切纖維連續取向氈進行裁邊處，理通過收卷裝置收卷，最終獲得短切纖維連續取向氈；
上述製備過程是連續運行的。
本發明一種製備短切纖維連續取向氈的方法，其特徵在於所述纖維為碳纖維、玻璃纖維、聚醯亞胺纖維、天然纖維以及各種化學纖維中的一種或多種，纖維在分散過程中的添加量為0.5-10g/L分散液體積；分散液中分散劑為增稠類分散劑，包括羥乙基纖維素、羥丙基纖維素、甲基纖維素、羧甲基纖維素鈉、海藻酸鈉、明膠、聚氧化乙烯(PEO)、甘油、聚丙烯醯胺中的一種或多種，其添加量以使溶液粘度達到0.5-20Pa.s為準。
本發明一種製備短切纖維連續取向氈的裝置，包括攪拌分散裝置(13)、攪拌儲料裝置(14)，其特徵在於：還依次包括網狀傳送帶(2)、熱鼓風隧道乾燥裝置(7)、收卷裝置(4)；網狀傳送帶(2)部分位置的上方依次設置漸縮取向噴頭(10)和水霧噴洗裝置(6)、網狀傳送帶(2)部分位置的下方設置負壓抽吸箱(11)；熱鼓風隧道乾燥裝置(7)，同時還包括傳送網帶自動張緊裝置(12)、驅動裝置、回收儲料罐(15)以及總控制器(16)。
進一步，攪拌分散裝置採用螺旋式攪拌器，轉速可設定為200-1000r/min，容積為100-500L；攪拌儲料裝置採用框式攪拌器，轉速可設定為50-500r/min，容積為200-1000L；網狀傳送帶為連續運行的不鏽鋼帶，傳送網帶上設置自動調偏裝置，網帶運行速度為5-80m/min，網孔大小為50-200目。
進一步，採用多組抽吸箱依次排列，每組負壓抽吸箱負壓值大小以及抽吸箱的高度單獨調節，負壓抽吸箱的個數可根據所製備短切纖維連續取向氈的厚度需求在5-30個範圍內進行調節，抽吸箱分離出來的水分及分散劑經管道輸送至儲料罐中以備再次用於短切纖維的分散。
進一步，在熱鼓風乾燥隧道的前後兩端各加裝一組溼度傳感器，用於監測短切纖維取向氈的溼度變化，並對熱鼓風乾燥隧道的溫度進行自動調節。
發明效果
本發明效果：(1)本發明的裝置自動化程度高，製備的短切纖維連續取向氈的厚度、寬度和長度及纖維含量可控性高，短切纖維連續取向氈中短切纖維的取向度高且取向結構均勻；(2)本發明的方法和裝置節能環保、優質高效，解決了現有技術中短切纖維取向氈製備效率低、無法連續和規模化生產的問題，為短切纖維取向氈的工業化應用提供了技術保障。
附圖說明
圖1是本發明一種連續式製備短切纖維取向氈生產裝置的結構示意圖；
具體實施方式：
下面結合附圖詳細說明本發明的優選實施例。
本發明一種製備短切纖維連續取向氈的方法，其特徵在於包括以下工序：
分散工序：分散工序中包括分散裝置及儲料裝置，首先將分散劑加入水中於分散裝置中攪拌分散至粘度為0.5-20Pa.s，分散時間為10-30min，然後加入短切纖維繼續攪拌分散5-20min形成短切纖維單絲狀懸浮液，纖維長度為1-15mm，並將分散裝置中分散好的短切纖維懸浮液導入儲料裝置，分散工作在製備短切纖維連續取向氈的過程中持續進行，以補充儲料裝置中纖維懸浮液的消耗；
取向工序：將儲料裝置中分散好的短切纖維懸浮液導入漸縮取向噴頭，經漸縮取向噴頭後平鋪在不斷運行的傳送網帶上，其中在傳送網帶運行方向上根據所製備短切纖維連續取向氈厚度需求依次排列設置2-8組漸縮取向噴頭進行堆疊平鋪噴塗，單層短切纖維氈的厚度在0.05-0.10mm，漸縮取向噴頭寬度可根據所製備短切纖維取向氈寬度需求在30-2000mm範圍內選擇相等寬度的減縮取向噴頭進行噴塗，漸縮取向噴頭的漸縮角度為10-30°，漸縮取向噴頭的狹縫寬度為1-2mm，漸縮取向噴頭的液位高度為30-100cm；
分離工序：通過位於傳送網帶下方的負壓抽吸箱分離在傳送網帶上的短切纖維懸浮液中的水分及分散劑，同時通過位於傳送網帶上方的噴淋裝置噴灑水霧進一步洗滌短切纖維懸浮液中的分散劑，從而獲得溼態的短切纖維連續取向氈；最終分離出來的水分及分散劑經回收後再次用於短切纖維的分散；
乾燥工序：不斷運行的傳送網帶將溼態的短切纖維連續取向氈運送至熱鼓風乾燥隧道中，獲得幹態的短切纖維連續取向氈，熱鼓風乾燥隧道中熱風溫度為100-200℃；
收卷工序：將幹態的短切纖維連續取向氈進行裁邊處理，通過收卷裝置收卷，最終獲得短切纖維連續取向氈；
上述製備過程是連續運行的。
如圖1所示，本實施例提供一種連續式製備短切纖維取向氈的生產裝置，包括攪拌分散裝置(13)、攪拌儲料裝置(14)，其特徵在於：還依次包括網狀傳送帶(2)、熱鼓風隧道乾燥裝置(7)、收卷裝置(4)；網狀傳送帶(2)部分位置的上方依次設置漸縮取向噴頭(10)和水霧噴洗裝置(6)、網狀傳送帶(2)部分位置的下方設置負壓抽吸箱(11)；熱鼓風隧道乾燥裝置(7)，同時還包括傳送網帶自動張緊裝置(12)、驅動裝置、回收儲料罐(15)以及總控制器(16)。
本實施例中的分散裝置(13)為50L，攪拌儲料裝置(14)為200L。本實施例中所有粘度均採用美國博勒飛DV-III旋轉粘度儀進行測量，轉子為21號轉子，扭矩在75-80％，測試溫度為30℃；
實施例1
分散：首先在分散裝置中加入水40L,稱取羥乙基纖維素250g加入分散裝置中(13)，開啟攪拌分散裝置，分散時間為20min，攪拌轉速為200r/min；然後稱取短切碳纖維(東麗公司T700短切碳纖維，纖維長度為4mm)160g加入至分散裝置中，調高攪拌速度至500r/min，分散時間為5min，獲得分散性良好的短切碳纖維懸浮液並加入至攪拌儲料裝置中(14)，此時纖維懸浮液的粘度為0.8Pa.s；，分散工作在製備T700短切碳纖維連續取向氈的過程中持續進行，以補充儲料裝置中纖維懸浮液的消耗；
取向：將儲料裝置中分散好的短切纖維懸浮液導入漸縮取向噴頭，經漸縮取向噴頭後平鋪在不斷運行的傳送網帶上，網帶運行速度為30m/min，漸縮取向噴頭數量為2組，間隔距離1m，漸縮取向噴頭的寬度為30mm，漸縮取向噴頭的漸縮角度為20°，漸縮取向噴頭的狹縫寬度為1.2mm，漸縮取向噴頭的液位高度為30cm；
分離：通過位於傳送網帶下方的10個負壓抽吸箱分離在傳送網帶上的短切碳纖維懸浮液中的水分及分散劑，真空泵功率為20kw，同時通過位於傳送網帶上方的2組噴淋裝置噴灑水霧進一步洗滌短切碳纖維懸浮液中的分散劑從而獲得溼態的短切碳纖維連續取向氈；分離得到的水分及羥乙基纖維素輸送至回收儲料罐中以備用；
乾燥：不斷運行的傳送網帶將溼態的短切碳纖維連續取向氈運送至熱鼓風乾燥隧道中，獲得幹態的短切碳纖維連續取向氈，熱鼓風乾燥隧道長度為5m，熱風溫度為150℃；
收卷：將幹態的短切碳纖維連續取向氈進行裁邊處理，通過收卷裝置收卷，最終獲得短切碳纖維連續取向氈；
對獲得的短切碳纖維取向氈進行表徵得到：寬度25cm，長度20m，厚度為0.08mm，沿著纖維取向方向±5°內有92％的短切碳纖維取向，纖維氈中短切碳纖維含量為85％。
實施例2
分散：首先在分散裝置中加入水40L,稱取羥丙基纖維素200g加入分散裝置中(13)，開啟攪拌分散裝置，分散時間為30min，攪拌轉速為300r/min；然後稱取短切玻璃纖維(纖維長度為10mm)150g加入至分散裝置中，調高攪拌速度至800r/min，分散時間為10min，獲得分散性良好的短切玻璃纖維懸浮液並加入至攪拌儲料裝置中(14)，此時纖維懸浮液的粘度為1.2Pa.s；，分散工作在製備短切玻璃纖維連續取向氈的過程中持續進行，以補充儲料裝置中纖維懸浮液的消耗；
取向：將儲料裝置中分散好的短切玻璃纖維懸浮液導入漸縮取向噴頭，經漸縮取向噴頭後平鋪在不斷運行的傳送網帶上，網帶運行速度為50m/min，漸縮取向噴頭數量為2組，間隔距離1m，漸縮取向噴頭的寬度為50mm，漸縮取向噴頭的漸縮角度為20°，漸縮取向噴頭的狹縫寬度為1.2mm，漸縮取向噴頭的液位高度為50cm；
分離：通過位於傳送網帶下方的12個負壓抽吸箱分離在傳送網帶上的短切玻璃纖維懸浮液中的水分及分散劑，真空泵功率為20kw，同時通過位於傳送網帶上方的2組噴淋裝置噴灑水霧進一步洗滌短切玻璃纖維懸浮液中的分散劑從而獲得溼態的短切玻璃纖維連續取向氈；分離得到的水分及羥丙基纖維素輸送至回收儲料罐中以備用；
乾燥：不斷運行的傳送網帶將溼態的短切玻璃纖維連續取向氈運送至熱鼓風乾燥隧道中，獲得幹態的短切玻璃纖維連續取向氈，熱鼓風乾燥隧道長度為5m，熱風溫度為180℃；
收卷：將幹態的短切玻璃纖維連續取向氈進行裁邊處理，通過收卷裝置收卷，最終獲得短切玻璃纖維連續取向氈；
對獲得的短切玻璃纖維取向氈進行表徵得到：寬度45cm，長度20m，厚度為0.075mm，沿著纖維取向方向±5°內有85％的短切玻璃纖維取向，纖維氈中短切玻璃纖維含量為80％。
實施例3
分散：首先在分散裝置中加入水40L,稱取羥乙基纖維素400g加入分散裝置中(13)，開啟攪拌分散裝置，分散時間為30min，攪拌轉速為400r/min；然後稱取短切碳纖維(纖維長度為15mm)100g加入至分散裝置中，調高攪拌速度至1000r/min，分散時間為20min，獲得分散性良好的短切碳纖維懸浮液並加入至攪拌儲料裝置中(14)，此時纖維懸浮液的粘度為2.4Pa.s；，分散工作在製備短切碳纖維連續取向氈的過程中持續進行，以補充儲料裝置中纖維懸浮液的消耗；
取向：將儲料裝置中分散好的短切碳纖維懸浮液導入漸縮取向噴頭，經漸縮取向噴頭後平鋪在不斷運行的傳送網帶上，網帶運行速度為60m/min，漸縮取向噴頭數量為2組，間隔距離1m，漸縮取向噴頭的寬度為30mm，漸縮取向噴頭的漸縮角度為20°，漸縮取向噴頭的狹縫寬度為1.0mm，漸縮取向噴頭的液位高度為60cm；
分離：通過位於傳送網帶下方的15個負壓抽吸箱分離在傳送網帶上的短切碳纖維懸浮液中的水分及分散劑，真空泵功率為20kw，同時通過位於傳送網帶上方的2組噴淋裝置噴灑水霧進一步洗滌短切碳纖維懸浮液中的分散劑從而獲得溼態的短切碳纖維連續取向氈；分離得到的水分及羥乙基纖維素輸送至回收儲料罐中以備用；
乾燥：不斷運行的傳送網帶將溼態的短切碳纖維連續取向氈運送至熱鼓風乾燥隧道中，獲得幹態的短切碳纖維連續取向氈，熱鼓風乾燥隧道長度為5m，熱風溫度為200℃；
收卷：將幹態的短切碳纖維連續取向氈進行裁邊處理，通過收卷裝置收卷，最終獲得短切碳纖維連續取向氈；
對獲得的短切碳纖維取向氈進行表徵得到：寬度25cm，長度20m，厚度為0.07mm，沿著纖維取向方向±5°內有83％的短切碳纖維取向，纖維氈中短切碳纖維含量為82％。