改善寬幅預浸料浸潤性的方法及所用的裝置的製作方法

2023-05-05 03:50:41 1

專利名稱：改善寬幅預浸料浸潤性的方法及所用的裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種改善預浸料浸潤性的方法及所用的裝置，具體涉及一種改善寬幅預浸料浸潤性的方法及所用的裝置。
背景技術：
無論是複合材料，還是其半成品——預浸料在生產過程中均存在著樹脂很難完全浸滲到纖維之間，大量樹脂以表面浮膠的形式存在，其結果會在複合材料中產生界面缺陷，從而降低複合材料的質量。因此，改善基體樹脂和纖維之間的浸潤性及界面結合性成為充分發揮複合材料綜合力學性能的關鍵因素之一。
目前，國內外對此已有廣泛的研究，主要集中在纖維表面改性技術、超聲振蕩膠液處理技術及超聲窄帶處理技術方面。其中，研究最為廣泛的是纖維表面改性技術，包括化學改性技術、等離子體處理技術、高能射線輻照等技術，這些技術可有效地提高纖維表面的活性，增強與基體樹脂之間的反應性，但是對浸潤性的改善並不明顯，而且存在著不易連續處理的缺點。隨著現代成型技術及新型基體樹脂及增強纖維的發展，纖維的單一模式改性方法已經難以適應現代高性能特種複合材料的需求，必須採用特殊的方法對纖維乃至其織物進行改性，以滿足高性能材料的要求；超聲振蕩膠液處理技術是將超聲振蕩器放置在膠槽底部，對膠液持續作用，促使膠液浸潤纖維，這種方法可以實現生產過程中的連續處理，而且改善浸潤性的效果較好。這種方法是超聲持續對膠液進行處理，因此適用於熱塑性樹脂體系，但是對於含有溶劑的熱固性樹脂體系，如酚醛樹脂、環氧樹脂等，在處理過程中會改變膠液質量，影響複合材料的性能，因此不能採用這樣的方法；俄羅斯開發了超聲強迫浸潤窄帶處理技術，它採用功率換能器型超聲處理系統，既可以對膠液進行處理、又可作用於浸膠之後的纖維，特別適用於溼法纏繞成型製備的複合材料，但對於寬度在1m左右的纖維布纏繞來說，由於功率超聲的作用面積小，只能對極小區域進行處理，若採用多套超聲沿纖維布寬度方向排放進行處理，雖然可以擴大處理區域，但是這種方式不但需要較大的空間，而且存在著多套超聲處理系統匹配的問題，因而不適用於對寬幅纖維布浸膠處理。

發明內容
本發明的目的是為解決預浸料在生產過程中，採用纖維表面改性技術不能改善預浸料的浸潤性；採用超聲振蕩膠液處理技術不適用於熱固性樹脂體系；採用超聲強迫浸潤窄帶處理技術無法實現寬幅纖維布浸膠處理問題而提供的一種改善寬幅預浸料浸潤性的方法及所用的裝置。本發明的改善寬幅預浸料浸潤性的方法是將烘乾後的纖維布19浸入熱固性樹脂後，再次烘乾、捲成捆；浸入熱固性樹脂後的纖維布19在烘乾之前在組合式換能器14上的振板14-1上通過，振板14-1的振動頻率由超聲功率源15控制，振板14-1的振動頻率為48±1.5kHz，超聲功率為20～700W，纖維布19的運行速度為40～120m/h，纖維布19的張力為10～300N，纖維布19的幅寬W為0.1～1.5m；本發明的改善寬幅預浸料浸潤性的裝置包括第一烘乾爐1、第一導輥3、第二導輥4、膠槽5、第三導輥6、第四導輥7、皮帶輪8、第二烘乾爐9、卷繞機11、框架、連接板17、卷輥10、卷輥架12、並聯導線16；它還包括組合式換能器14和超聲功率源15；膠槽5的左側放置有第一烘乾爐1，第一烘乾爐1的左側通過卷輥架12固定有卷輥10，膠槽5的右側放置有第二烘乾爐9，第二烘乾爐9的右側放置有卷繞機11，膠槽5放置在框架內，組合式換能器14上的振板14-1的兩端分別與框架的前上橫梁13-1和後上橫梁13-2固定連接，組合式換能器14通過並聯導線16與固定在框架上的超聲功率源15相連接，組合式換能器14的左側膠槽5內裝有第二導輥4，組合式換能器14的右側膠槽5內裝有第三導輥6，第二導輥4的兩端和第三導輥6的兩端分別通過連接板17與框架的前上橫梁13-1和後上橫梁13-2固定連接，第一導輥3通過底座3-1與框架的左端前上橫梁13-1和後上橫梁13-2固定連接，第四導輥7與皮帶輪8同軸，第四導輥7通過支座7-1與框架的右端前上橫梁13-1和後上橫梁13-2固定連接；所述的第一烘乾爐1、第一導輥3、第二導輥4、膠槽5、第三導輥6、第四導輥7、第二烘乾爐9、卷繞機11、卷輥10及框架同軸。
本發明具有以下有益效果一、本發明是將超聲直接作用到浸有熱固性樹脂的纖維中，引起熱固性樹脂體系的變化，由於超聲的空化作用，處理時間在5min內，即可降低熱固性樹脂體系的粘度(比未經超聲處理的熱固性樹脂體系的粘度降低了5.7％)，而熱固性樹脂體系的密度和表面張力基本不變。由熱固性樹脂體系的結構分析表明，在整個超聲處理過程中，熱固性樹脂體系沒有發生化學反應，理論計算表明超聲波在熱固性樹脂體系內引發了空化效應，這種作用一方面加速了熱固性樹脂體系的分子運動，另一方面提高了熱固性樹脂體系的溫度，從而引起熱固性樹脂體系粘度的降低，但是這種空化效應不同於一般的溫度升高，空化效應可以在瞬間完成，作用能量大，空化泡周圍的熱固性樹脂分子獲得巨大能量，引起粘度降低，但瞬間的空化效應並未影響到熱固性樹脂體系中的溶劑揮發，因而可保證熱固性樹脂體系的密度不變。低粘度的熱固性樹脂體系有益於對纖維布的浸潤，進而提高了預浸料的浸潤性，從而保證了預浸料的質量。二、將浸有熱固性樹脂的纖維布在組合式換能器上的振板上通過，通過超聲功率源控制振板的振動頻率及超聲作用功率的大小，預浸料經超聲處理後，截取一定的樣品，經丙酮反覆抽提後，對纖維布表面進行分析。結果表明纖維布表面氧含量明顯升高，O/C比未處理時提高了25％，且纖維布表面張力的極性分量提高了。這一結果表明，超聲強迫浸潤處理提高了纖維布的活性，增加了其對熱固性樹脂的吸附作用。三、採用本發明的方法，對製成後的預浸料進行浸潤性和力學性能分析表明未經超聲處理的預浸料，表面浮膠多，且存在著未被熱固性樹脂浸潤的區域。產生這種現象的原因是在浸入熱固性樹脂時，由於纖維布的纖維束與纖維束之間的空隙很小，纖維束上往往還附著有微氣泡，僅通過擠膠輥的擠壓是很難將這些微氣泡從纖維布的表面趕走。而經過超聲處理後的預浸料利用超聲的高頻振動引發空化效應和聲流作用，一方面空化效應使這些氣泡破裂，另一方面，空化效應的結果強迫熱固性樹脂的分子運動，並加速了這種運動，促使熱固性樹脂進入到纖維束中間，替代了這些氣泡，形成熱固性樹脂在纖維束內的均勻分布，使預浸料的力學性能得到明顯改善，複合材料的層間剪切強度(ILSS)比未處理前提高了22.5％，且複合材料的離散係數大大降低，由未處理前的11.9％降至超聲處理後的2.0％，從而保證了複合材料使用的可靠性。三、本發明採用組合式換能器與超聲功率源組合對寬幅預浸料完全作用，其超聲作用面積大，同時還可大大改善寬幅預浸料的浸潤性。四、組合式換能器的振板的振動頻率選擇在48±1.5kHz範圍內可調，超聲功率選擇在20～700W範圍內可調，其適用範圍寬，並且不受環境的幹擾。五、本發明可對碳布、無鹼玻璃布、高矽氧布、芳綸布等纖維布進行預浸料處理。六、本發明能夠在不改變現有預浸料生產工藝的條件下對纖維布進行浸熱固性樹脂處理，其操作簡單、方便，所使用的裝置的各部件安裝容易。


圖1是本發明的整體結構主視圖，圖2是圖1的A向視圖，圖3是圖1的俯視圖，圖4是組合式換能器14的主視圖，圖5是圖4的B-B剖面圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一本實施方式的改善寬幅預浸料浸潤性的方法是這樣完成的將烘乾後的纖維布19浸入熱固性樹脂後，再次烘乾、捲成捆；浸入熱固性樹脂後的纖維布19在烘乾之前在組合式換能器14上的振板14-1上通過，振板14-1的振動頻率由超聲功率源15控制，振板14-1的振動頻率為48±1.5kHz，超聲功率為20～700W，纖維布19的運行速度為40～120m/h，纖維布19的張力為10～300N，纖維布19的幅寬W為0.1～1.5m。
具體實施方式
二本實施方式與具體實施方式
一的不同點是本實施方式的纖維布19在組合式換能器14上的振板14-1上通過後，在烘乾之前再次浸熱固性樹脂。經超聲處理後的纖維布19上的樹脂含量會相應的減少，影響纖維布19的質量，因而在烘乾之前，將浸有熱固性樹脂的纖維布19再一次浸熱固性樹脂，可彌補上述缺陷。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一的不同點是本實施方式的振板14-1的振動頻率為48kHz，超聲功率為30W，纖維布19的運行速度為60m/h，纖維布19的張力為145N，纖維布19的幅寬W為1.0m。採用上述技術參數，可對幅寬W為1.0m的纖維布19進行有效的超聲處理，從而提高了複合材料的質量。
具體實施方式
四結合圖1、圖2、圖3說明本實施方式，本實施方式由第一烘乾爐1、第一導輥3、第二導輥4、膠槽5、第三導輥6、第四導輥7、皮帶輪8、第二烘乾爐9、卷繞機11、框架、連接板17、卷輥10、卷輥架12、組合式換能器14、超聲功率源15、並聯導線16組成；膠槽5的左側放置有第一烘乾爐1，第一烘乾爐1的左側通過卷輥架12固定有卷輥10，膠槽5的右側放置有第二烘乾爐9，第二烘乾爐9的右側放置有卷繞機11，膠槽5放置在框架內，組合式換能器14上的振板14-1的兩端分別與框架的前上橫梁13-1和後上橫梁13-2固定連接，組合式換能器14通過並聯導線16與固定在框架上的超聲功率源15相連接，組合式換能器14的左側膠槽5內裝有第二導輥4，組合式換能器14的右側膠槽5內裝有第三導輥6，第二導輥4的兩端和第三導輥6的兩端分別通過連接板17與框架的前上橫梁13-1和後上橫梁13-2固定連接，第一導輥3通過底座3-1與框架的左端前上橫梁13-1和後上橫梁13-2固定連接，第四導輥7與皮帶輪8同軸，第四導輥7通過支座7-1與框架的右端前上橫梁13-1和後上橫梁13-2固定連接；所述的第一烘乾爐1、第一導輥3、第二導輥4、膠槽5、第三導輥6、第四導輥7、第二烘乾爐9、卷繞機11、卷輥10及框架同軸。組合式換能器14位於膠槽5的上方，並在組合式換能器14兩側的膠槽5內放置有第二導輥4和第三導輥6，可保證預浸料具有一定的張力，可以在組合式換能器14上平整地通過。
具體實施方式
五結合圖1說明本實施方式，本實施方式的組合式換能器14放置在框架的上端面的中間位置。採用上述結構，可保證預浸料的張力變化小，使預浸料在組合式換能器14上平穩的通過。其它組成及連接關係與具體實施方式
四相同。
具體實施方式
六結合圖1、圖2、圖3說明本實施方式，本實施方式的框架由前上橫梁13-1、後上橫梁13-2、左上順梁13-3、右上順梁13-4、前下橫梁13-5、後下橫梁13-6、左下順梁13-7、右下順梁13-8、底梁13-9、左前立梁13-10、右前立梁13-11、左後立梁13-12和右後立梁13-13組成；前上橫梁13-1與後上橫梁13-2之間固定連接有左上順梁13-3和右上順梁13-4，前下橫梁13-5和後下橫梁13-6之間固定連接有左下順梁13-7和右下順梁13-8，前上橫梁13-1和前下橫梁13-5之間分別固定連接有左前立梁13-10和右前立梁13-11，後上橫梁13-2和後下橫梁13-6之間分別固定連接有左後立梁13-12和右後立梁13-13，前下橫梁13-5和後下橫梁13-6之間固定連接有一組底梁13-9。該框架具有結構簡單、加工容易、強度好的優點。其它組成及連接關係與具體具體實施方式
七結合圖4、圖5說明本實施方式，本實施方式的組合式換能器14由振板14-1、單元換能器14-2、底板14-4、固定板14-5組成；振板14-1的下端面固定連接有一組相互並聯的單元換能器14-2，相鄰兩個單元換能器14-2之間的距離為L，一組單元換能器14-2通過所述的並聯導線16相連接，每個單元換能器14-2的下端分別裝在固定板14-5的連接孔內，固定板14-5固定裝在由振板14-1和底板14-4組成的空腔內，振板14-1的兩端通過底板14-4與框架固定連接，由單元換能器14-2和底板14-4之間的空腔構成散熱腔14-3。採用上述結構的組合式換能器14與超聲功率源15組合使用，可有效地對預浸料進行超聲處理。單元換能器14-2和超聲功率源15由中國船舶工業總公司第七研究院第七二六研究所(上海船舶電子設備研究所)生產製造，其型號為CQBF-1025。其它組成及連接關係與具體實施方式
四相同。
具體實施方式
八結合圖4說明本實施方式，本實施方式的振板14-1的下端面固定連接有一～二十個單元換能器14-2。根據纖維布19的幅寬，選擇適宜數量的單元換能器14-2，這樣既節省能源，又可保證纖維布19在整個寬度方向上得到超聲處理。其它組成及連接關係與具體實施方式
七相同。
具體實施方式
九結合圖4說明本實施方式，本實施方式的相鄰兩個單元換能器14-2之間的距離L為5cm。選用上述參數，可避免振動板14-1產生彎曲振動和腐蝕振動板14-1。其它組成及連接關係與具體實施方式
七相同。
具體實施方式
十結合圖1、圖3說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
四的不同點是本實施方式還增加有控制櫃18；控制櫃18固定在框架上，控制櫃18內裝有超聲功率源15。將超聲功率源15放置在控制櫃18內，可避免纖維布19在預浸料生產過程中產生的纖維進入到超聲功率源15中，幹擾超聲功率源15正常運行，特別是避免碳布預浸料在生產過程中產生的碳纖維進入到功率源15中引起短路。
具體實施方式
十一本實施方式的改善寬幅預浸料浸潤性的方法是這樣完成的將烘乾後的碳纖維布19浸入酚醛樹脂後，再次烘乾、捲成捆；浸入酚醛樹脂後的碳纖維布19在烘乾之前在組合式換能器14上的振板14-1上通過，振板14-1的振動頻率由超聲功率源15控制，振板14-1的振動頻率為48±1.5kHz，超聲功率為20～700W，碳纖維布19的運行速度為40～120m/h，碳纖維布19的張力為10～300N，碳纖維布19的幅寬W為0.1～1.5m。由於超聲的空化作用，處理時間在5min內，酚醛樹脂的粘度呈現下降趨勢，比未經超聲處理的體系降低了5.7％，而酚醛樹脂的密度、表面張力基本不變。低粘度的酚醛樹脂有益於對碳布的浸潤，進而提高預浸料的浸潤性，從而穩定預浸料質量。這是超聲強迫浸潤的第一個作用；超聲強迫浸潤處理過程中碳纖維布的變化，處理一定時間後，截取一定的樣品，經丙酮反覆抽提後，對碳纖維布表面進行分析。結果表明碳纖維布表面氧含量明顯升高，O/C比未處理時提高了25％，且碳纖維布表面張力的極性分量提高了。這一結果表明，超聲強迫浸潤提高了碳纖維布的活性，增加了其對酚醛樹脂的吸附作用，這是超聲強迫浸潤技術改善預浸料浸潤性的第二個作用；超聲強迫浸潤處理後，複合材料的層間剪切強度(ILSS)比未處理樣品提高了22.5％，且樣品的離散係數大大降低，由未處理時的11.9％降至超聲處理後的2.0％。因此，通過組合式換能器14和超聲功率源的組合作用在酚醛樹脂體系內引發的空化效應和聲流作用，強迫酚醛樹脂浸潤到碳纖維束間是改善預浸料浸潤性的最為重要、最為關鍵的因素。它可有效地改善酚醛樹脂在碳纖維布中的分布均勻性，提高複合材料的層間剪切強度(ILSS)，而且其離散性也大幅度降低，從而保證了複合材料在使用過程中的可靠性。本實施方式還可選用無鹼玻璃布、高矽氧布或芳綸布代替碳纖維布；選用環氧樹脂或聚酯樹脂替代酚醛樹脂。
權利要求
1.一種改善寬幅預浸料浸潤性的方法，將烘乾後的纖維布(19)浸入熱固性樹脂後，再次烘乾、捲成捆；其特徵在於浸入熱固性樹脂後的纖維布(19)在烘乾之前在組合式換能器(14)上的振板(14-1)上通過，振板(14-1)的振動頻率由超聲功率源(15)控制，振板(14-1)的振動頻率為48±1.5kHz，超聲功率為20～700W，纖維布(19)的運行速度為40～120m/h，纖維布(19)的張力為10～300N，纖維布(19)的幅寬(W)為0.1～1.5m。
2.根據權利要求1所述的改善寬幅預浸料浸潤性的方法，其特徵在於纖維布(19)在組合式換能器(14)上的振板(14-1)上通過後，在烘乾之前再次浸熱固性樹脂。
3.根據權利要求1所述的改善寬幅預浸料浸潤性的方法，其特徵在于振板(14-1)的振動頻率為48kHz，超聲功率為30W，纖維布(19)的運行速度為60m/h，纖維布(19)的張力為145N，纖維布(19)的幅寬(W)為1.0m。
4.一種改善寬幅預浸料浸潤性的裝置，它包括第一烘乾爐(1)、第一導輥(3)、第二導輥(4)、膠槽(5)、第三導輥(6)、第四導輥(7)、皮帶輪(8)、第二烘乾爐(9)、卷繞機(11)、框架、連接板(17)、卷輥(10)、卷輥架(12)、並聯導線(16)；其特徵在於它還包括組合式換能器(14)、超聲功率源(15)；膠槽(5)的左側放置有第一烘乾爐(1)，第一烘乾爐(1)的左側通過卷輥架(12)固定有卷輥(10)，膠槽(5)的右側放置有第二烘乾爐(9)，第二烘乾爐(9)的右側放置有卷繞機(11)，膠槽(5)放置在框架內，組合式換能器(14)上的振板(14-1)的兩端分別與框架的前上橫梁(13-1)和後上橫梁(13-2)固定連接，組合式換能器(14)通過並聯導線(16)與固定在框架上的超聲功率源(15)相連接，組合式換能器(14)的左側膠槽(5)內裝有第二導輥(4)，組合式換能器(14)的右側膠槽(5)內裝有第三導輥(6)，第二導輥(4)的兩端和第三導輥(6)的兩端分別通過連接板(17)與框架的前上橫梁(13-1)和後上橫梁(13-2)固定連接，第一導輥(3)通過底座(3-1)與框架的左端前上橫梁(13-1)和後上橫梁(13-2)固定連接，第四導輥(7)與皮帶輪(8)同軸，第四導輥(7)通過支座(7-1)與框架的右端前上橫梁(13-1)和後上橫梁(13-2)固定連接；所述的第一烘乾爐(1)、第一導輥(3)、第二導輥(4)、膠槽(5)、第三導輥(6)、第四導輥(7)、第二烘乾爐(9)、卷繞機(11)、卷輥(10)及框架同軸。
5.根據權利要求4所述的改善寬幅預浸料浸潤性的裝置，其特徵在於所述的組合式換能器(14)放置在框架的上端面的中間位置。
6.根據權利要求4所述的改善寬幅預浸料浸潤性的裝置，其特徵在於所述的框架由前上橫梁(13-1)、後上橫梁(13-2)、左上順梁(13-3)、右上順梁(13-4)、前下橫梁(13-5)、後下橫梁(13-6)、左下順梁(13-7)、右下順梁(13-8)、底梁(13-9)、左前立梁(13-10)、右前立梁(13-11)、左後立梁(13-12)和右後立梁(13-13)組成；前上橫梁(13-1)與後上橫梁(13-2)之間固定連接有左上順梁(13-3)和右上順梁(13-4)，前下橫梁(13-5)和後下橫梁(13-6)之間固定連接有左下順梁(13-7)和右下順梁(13-8)，前上橫梁(13-1)和前下橫梁(13-5)之間分別固定連接有左前立梁(13-10)和右前立梁(13-11)，後上橫梁(13-2)和後下橫梁(13-6)之間分別固定連接有左後立梁(13-12)和右後立梁(13-13)，前下橫梁(13-5)和後下橫梁(13-6)之間固定連接有一組底梁(13-9)。
7.根據權利要求4所述的改善寬幅預浸料浸潤性的裝置，其特徵在於所述的組合式換能器(14)由振板(14-1)、單元換能器(14-2)、底板(14-4)、固定板(14-5)組成；振板(14-1)的下端面固定連接有一組相互並聯的單元換能器(14-2)，相鄰兩個單元換能器(14-2)之間的距離為(L)，一組單元換能器(14-2)通過所述的並聯導線(16)相連接，每個單元換能器(14-2)的下端分別裝在固定板(14-5)的連接孔內，固定板(14-5)固定裝在由振板(14-1)和底板(14-4)組成的空腔內，振板(14-1)的兩端通過底板(14-4)與框架固定連接，由單元換能器(14-2)和底板(14-4)之間的空腔構成散熱腔(14-3)。
8.根據權利要求7所述的改善寬幅預浸料浸潤性的裝置，其特徵在於所述的振板(14-1)的下端面固定連接有一～二十個單元換能器(14-2)。
9.根據權利要求7所述的改善寬幅預浸料浸潤性的裝置，其特徵在於所述的相鄰兩個單元換能器(14-2)之間的距離(L)為5cm。
10.根據權利要求4所述的改善寬幅預浸料浸潤性的裝置，其特徵在於它還包括控制櫃(18)；控制櫃(18)固定在框架上，控制櫃(18)內裝有超聲功率源(15)。
全文摘要
改善寬幅預浸料浸潤性的方法及所用的裝置，它涉及一種改善預浸料浸潤性的方法及所用的裝置。本發明解決了預浸料生產中，採用纖維改性技術不能改善預浸料浸潤性；採用超聲振蕩技術不適於熱固性樹脂；採用超聲浸潤窄帶技術無法實現寬幅纖維布浸膠處理問題。本發明的方法是將烘乾後的纖維布19浸熱固性樹脂後，在超聲功率源15控制的組合式換能器14上通過，再經烘乾、卷捆，纖維布19的幅寬W為0.1～1.5m；本發明的裝置是框架的左側放置有第一烘乾爐1和卷輥10，框架的右側放置有第二烘乾爐9和卷繞機11，框架的上端面與組合式換能器14固接，框架上固定有超聲功率源15。利用本發明的裝置和方法可大大改善寬幅預浸料浸潤性。
文檔編號D06M10/00GK1734003SQ200510010289
公開日2006年2月15日 申請日期2005年8月26日 優先權日2005年8月26日
發明者黃玉東, 劉麗, 張志謙, 宋元軍, 孟令輝, 劉立洵 申請人:哈爾濱工業大學