一种制备聚乙烯纤维增强复合材料的复合机.pdf

本发明公开一种制备聚乙烯纤维增强复合材料的复合机，包括机架；压辊，装在所述机架上，所述压辊包括一中空辊筒及中空辊筒内的加热装置；驱动所述压辊旋转的驱动装置；支承辊，装在所述机架上并位于所述压辊的下方，所述支承辊表面由弹性材料制成；可升降支承辊使所述压辊与支承辊保持压力接触的支承辊升降装置。本发明通过提供一个带有内置加热装置的中空压辊和一个通过使用液压装置加压的弹性支承辊可以对聚乙烯纤维无纬布在指定的温度和压力下进行层压成型，特别适用于连续制备聚乙烯纤维增强复合材料。

1、  一种制备聚乙烯纤维增强复合材料的复合机，包括：
机架；
压辊，装在所述机架上，所述压辊包括一中空辊筒、安装在中空辊筒内的加热装置；
驱动所述压辊旋转的驱动装置；
支承辊，装在所述机架上并位于所述压辊的下方，所述支承辊表面由弹性材料制成；
可升降支承辊使所述压辊与支承辊保持压力接触的支承辊升降装置。

2、  根据权利要求1所述的复合机，其特征在于所述中空辊筒为不锈钢光辊。

3、  根据权利要求1所述的复合机，其特征在于所述压辊还包括测量中空辊筒表面温度的测温装置。

4、  根据权利要求3所述的复合机，其特征在于所述测温装置包括与所述中空辊筒保持滑动接触的测温头。

5、  根据权利要求1所述的复合机，其特征在于所述支承辊升降装置为液压装置。

6、  根据权利要求1所述的复合机，其特征在于所述液压装置包括两个支撑所述支承辊轴的两端的液压缸，所述两个液压缸由同一个液压泵或液压马达驱动。

7、  根据权利要求1所述的复合机，其特征在于还包括装在机架上并位于压辊前面的包角调整装置。

8、  根据权利要求7所述的复合机，其特征在于所述包角调整装置包括至少一个可以上下移动的辊。

一种制备聚乙烯纤维增强复合材料的复合机
技术领域
本发明涉及复合机，具体涉及制备聚乙烯纤维增强复合材料的复合机。
背景技术
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维也称高强高模聚乙烯(HSHMPE)纤维或伸长链(ECPE)聚乙烯纤维，是指相对分子质量在(1～6)×10⁶的聚乙烯，经纺丝-超拉伸后制成的超高分子质量聚乙烯纤维。它是继碳纤维、芳纶(Kevlar)纤维之后的第三代高性能纤维，本文简称聚乙烯纤维。聚乙烯纤维增强复合材料与其它纤维增强复合材料相比，具有质量轻、耐冲击、介电性能高等优点，在现代化战争和航空航天、海域防御、武器装备等领域发挥着举足轻重的作用。同时，该纤维在汽车、船舶、医疗器械、体育运动器材等领域亦有广阔的应用前景。因此，聚乙烯纤维自问世起就倍受重视，发展很快。
目前通常采用层压方法制备聚乙烯纤维增强复合材料，经过如下工艺步骤：无纬布的制备-无纬布层压成型-纤维增强复合材料的定型。无纬布(UD布)又称单向布或者经向布，是指将基体树脂涂布在单向纤维上，然后经过干燥制成薄布。同经纬纺织布相比，无纬布避免了经纬纱线的交织，纤维不会发生多次的折压弯曲，因此不会降低纤维的原始力学性能；另外，经纬交织处容易出现空隙，影响复合材料性能，而无纬布则是纤维平行排列，因此复合材料会在最大程度上继承纤维的力学性能。无纬布层压成型工艺是指按照需要将多层无纬薄布在一定的温度和压力下初步成型，各层间纤维薄布叠层角度随性能要求可呈(0/90°)_n、(0°)_n、(0/+45°/-45°/90°)_n等多种分布。无纬布进行层压成型后，再进行一步的加压固化制成纤维增强复合材料。无纬布层压成型工艺对于最终的复合材料性能有着重要的影响，层压时的温度和压力是无纬布层压成型工艺的两个重要参数，层压过程中，基体树脂被加热到玻璃化温度与熔点之间，然后冷却成型。另外铺设时，还要注意以下问题：层与层之间的错位，如果层与层之间发生错位，会影响下一层的铺设，并造成最终尺寸的偏差，严重的还会导致材料的报废；避免产生气包，即在铺设无纬布时，要防止空气被压到布层之间产生气包；保证压力均匀，如果压力不均，最终会出现复合材料板性能不均的现象。
目前，国内比较成熟的制备聚乙烯纤维增强复合材料的方法一般为手工操作，按照需要的尺寸，将多层无纬布放在模具内热压成型，这种生产方式主要缺点就是生产效率较低。
因此，需要一种能够连续进行聚乙烯纤维增强无纬布层压成型的设备。
发明内容
本发明解决的技术问题在于，提供一种能够连续对聚乙烯纤维增强复合材料进行层压成型的复合机。
为解决上述技术问题，本发明提供一种制备聚乙烯纤维增强复合材料的复合机，包括：
机架；
压辊，装在所述机架上，所述压辊包括一中空辊筒、安装在中空辊筒内的加热装置；
驱动所述压辊旋转的驱动装置；
支承辊，装在所述机架上并位于所述压辊的下方，所述支承辊表面由弹性材料制成；
可升降支承辊使所述压辊与支承辊保持压力接触的支承辊升降装置。
优选的，所述压辊的中空辊筒为不锈钢光辊。
优选的，所述压辊还包括测量中空辊筒表面温度的测温装置。
优选的，所述测温装置包括与所述中空辊筒保持滑动接触的测温头。
优选的，所述加压装置为液压装置。
优选的，所述液压装置包括两个支撑所述支承辊轴的两端的液压缸，所述两个液压缸由同一个液压泵或液压马达驱动。
优选的，所述复合机还包括装在机架上并位于压辊前面的包角调整装置。
优选的，所述包角调整装置包括至少一个可以上下移动的辊。
本发明提供的复合机，特别适用于连续制备聚乙烯纤维增强复合材料。本发明提供一个带有内置加热装置的中空压辊和一个通过使用液压装置加压的支承辊可以对聚乙烯纤维无纬布在指定的温度和压力下进行层压成型。本发明通过提供不锈钢光辊的中空压辊可以保证聚乙烯纤维无纬层压布各处在均匀的压力下成型。本发明通过提供与压辊表面保持滑动接触的测温头，可以即时监测层压成型的温度，准确控制工艺。另外，本发明通过在纤维进给方向提供一个位置可以上下移动的辊，可以为无纬布经过压辊时提供一定的包角，主要优点是在进行层压之前，先对无纬布进行预热，然后再进行加压定型。
附图说明
图1是本发明第一实施例提供的制备聚乙烯纤维增强复合材料的复合机的示意图；
图2是图1中液压装置示意图；
图3是本发明第二实施例提供的制备聚乙烯纤维增强复合材料的复合机的示意图；
图4是本发明第二实施例提供的复合机的包角调整装置示意图；
图5是本发明中无纬布经过压辊时包角为0°示意图；
图6是本发明中无纬布经过压辊时包角为180°示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种制备聚乙烯纤维增强复合材料的复合机，以下以应用了本复合机制备聚乙烯纤维复合材料为例，具体说明本发明所述复合机的具体实施方式。
参见图1和图2，图1为本发明第一实施例制备聚乙烯纤维增强复合材料的复合机示意图，图2为图1中的液压装置示意图。复合机包括机架101，在机架101上安装有直径为500mm、壁厚为50mm、长度为1400mm的压辊102，在中空压辊102内设有为其升温的加热装置(图中未画出)。在复合机上还进一步设有与压辊102表面保持滑动接触的测温头105，用于实时监测压辊表面温度，以便控制层压工艺。在压辊102的下方，有安装在机架上的直径为500mm、长度为1400mm的支承辊106，其表面由厚度为100mm的硬质弹性橡胶制成。另外，为了使支承辊106与压辊102在制备层压布时保持压力接触，复合机上还进一步设有使支承辊上下移动的液压装置108(见图2)，液压装置108包括两个用于支撑所述支承辊106的轴的两端的液压缸108a，两个液压缸108a由同一个液压泵108b驱动。液压泵108b通过同步驱动两个液压缸108a从而同步推动支承辊106的轴的两端将支承辊106平行地与压辊102保持压力接触。当复合机工作时，先将一层无纬布的一端放到压辊102与支承辊106之间，然后支承辊升降装置108将支承辊106升起与压辊保持压力接触，为了旋转压辊102以带动无纬布运动，因此复合机还包括驱动压辊102作旋转运动的驱动装置(图中未画出)。为了保证制备出来的复合材料的有高的光洁度，因此压辊102由不锈钢光辊制成。
下面以制备纤维排列方向为0°/90°的聚乙烯纤维增强复合材料为例，说明本实施例所述复合机工作方式，按照以下步骤：
1)将第一层无纬布的第一端放置在压辊102与支承辊106之间，调整液压装置108使压辊102与支承辊106保持5MPa～12MPa的压力接触，定义第一层的纤维方向为0°方向、第一层为0°铺层；
2)开启加热装置使压辊102表面保持50℃～80℃的温度；
3)将第二层无纬布裁减成正方形，正方形边长与第一层无纬布宽度相等，将裁减后的第二层无纬布放置在第一层无纬布上，第二层无纬布的纤维方向与第一层无纬布的纤维方向呈90°夹角；
4)开启驱动装置旋转压辊102，在摩擦力的作用下，压辊带动支承辊和两层无纬布运动，基体树脂被压辊加热软化，在压辊和支承辊压力作用下，两层无纬布复合在一起，无纬布离开压辊和支承辊后，基体树脂被冷却，然后定型，得到第一张层压布；可根据需要，连续放置第二层无纬布，得到指定长度的层压布。
将第一张层压布放置在热压模具内，升温至80℃～100℃范围内，加压至10MPa～15MPa，保持模具恒温恒压15分钟～20分钟，得到排列方式为(0°/90°)₂聚乙烯纤维增强复合布，测量聚乙烯纤维增强复合布的面密度为75g/m²～90g/m²。
将10张聚乙烯纤维增强复合布叠放在热压模具内，升温至至120℃～130℃内，加压至18MPa～22MPa，保持模具恒温恒压20分钟～25分钟，得到聚乙烯纤维增强复合板。
按照本发明，为增加无纬布与压辊和支承辊的加压面积以便充分加压，所述支承辊可以为硬质橡胶等弹性材料，但不限于此。所述内置在中空辊筒内的加热装置可以使用本领域技术人员熟知的加热方式，可以为电热棒加热或电磁感应加热。由于电磁感应加热具有加热快，易于操作等优点，可以作为优选加热方式。
参见图3至图6，为本发明第二实施例聚乙烯纤维增强复合材料的复合机示意图。复合机包括机架301，在机架301上安装有直径为500mm、壁厚为50mm的压辊302，在中空压辊302内设有为其升温的加热装置(图中未画出)。在复合机上还进一步设有与压辊302表面保持滑动接触的测温头305，用于实时监测压辊302表面温度，以便控制层压工艺。在压辊302的下方，有安装在机架上的直径为500mm的支承辊306，其表面由厚度为100mm硬质弹性橡胶制成。另外，为了使支承辊306与压辊302在制备层压布时保持压力接触，复合机上还进一步设有使支承辊上下移动的液压装置(图中未画出)，液压装置包括两个用于支撑所述支承辊306的轴的两端的液压缸，两个液压缸由同一个液压马达驱动。液压马达通过同步驱动两个液压缸从而同步推动支承辊306的轴的两端将支承辊306平行地与压辊302保持压力接触。为了调整无纬布经过压辊时的包角，复合机还进一步设有装在机架上并位于压辊前面的包角调整装置，所述包角调整装置包括一个位置可以上下移动的包角调整辊320。当复合机工作时，先将一层无纬布的一端放到压辊302与支承辊306之间，然后支承辊升降装置308将支承辊306升起与压辊保持压力接触，为了旋转压辊302以带动无纬布运动，因此复合机还包括驱动压辊302作旋转运动的驱动装置(图中未画出)。为了保证制备出来的复合材料的有高的光洁度，因此压辊302由不锈钢光辊制成。
按照本发明，所述包角调整装置的包角调整辊320参见图4，包教调整辊320在机架上的位置可以上下调整，将无纬布310按照箭头所示方向与压辊302相切送入。沿着无纬布310的送给方向，定义无纬布310与压辊302先接触的切点为第一切点302a，定义无纬布310与压辊302最后接触的切点为第二切点302b，定义支撑辊306与压辊302的切点为第三切点302c；定义在第一切点302a之前的无纬布的部分为第一部分310a，定义在第一切点302a和第二切点302b之间的无纬布的部分为第二部分310b，定义在第二切点302b之后的无纬布的部分为第三部分310c，定义第一部分310a的延长线到第三部分的310c的夹角为无纬布310经过压辊302的包角312。第三切点302c可以和第一切点302a或第二切点302b重合，也可以位于第一切点302a和第二切点302b之间。
如图5所示，当无纬布310相切送入压辊302时，如果方向不发生变化，这时第一切点302a、第二切点302b、第三切点302c重合为一个切点，此时无纬布310经过压辊302的包角312为0°，在这种情况下，由于无纬布310的升温和加压都在这个切点完成，因此无纬布没有经过充分的预热，加压效果受到影响，从而影响层压布的性能，最终影响聚乙烯纤维增强复合材料的性能。
如图6所示，当无纬布310相切送给压辊302时，如果无纬布的第一部分310a与第三部分310c的方向完全相反，则无纬布310经过压辊310的包角312为180°，第三切点302c的位置位于第一切点302a和第二切点302b之间，在这种情况下，当无纬布310接触到压辊302后，压辊302在第一切点302a处开始为无纬布310a预热，预热后的无纬布310在第三切点302c处被压辊302和支承辊306层压成型得到层压布，层压布再经过第二切点302b离开压辊302，由于层压布在层压之后没有马上离开压辊302，在第三切点302c与第二切点302b之间还要经过一段时间的加热，虽然这个时间会很短，但也是不利于层压布的性能的，因此第三切点302b应该尽量靠近第二切点302c，最好第三切点302b与第二切点302c能够重合。并且，由于包角达到180°，层压布每层无纬布的曲率也存在差异，即越靠近压辊的无纬布曲率越大，层与层之间可能会存在被撕开的危险。虽然这种曲率差异很小，但也会影响复合材料的性能，因此，无纬布310经过压辊302的包角越小越好。考虑到要给无纬布足够的预热时间，应保证无纬布与压辊足够的接触面积，因此要尽量加大压辊的直径，但这又会增加材料成本，而且辊的非利用面积过大，造成热能的浪费。综合考虑到以上因素，本发明提供直径为100mm～600mm的压辊，适用于对2～20层无纬布进行层压定型；优选的，本发明提供直径为400mm～500mm的压辊，适用于对2～10层无纬布进行层压成型。
本发明中，支撑辊306与压辊302保持压力接触。为了安装方便以及易于操作，在本实施例中，支撑辊306竖直安装在压辊302的下面，即支撑辊306与压辊302的轴连线保持竖直，并且第二切点302b与第三切点302c重合，本实施例提供直径为500mm的压辊。
下面以制备纤维排列为(0°/90°)₂的四层聚乙烯纤维增强复合材料为例，说明本实施例所述复合机工作方式，按照以下步骤：
1)将第一层无纬布的第一端经过包角调整棍320后放置在压辊302与支承辊306之间，调整液压装置使压辊302与支承辊306保持5MPa～12MPa的压力接触，定义第一层的纤维方向为0°方向、第一层为0°铺层；
2)调整包角调整辊320，使第一层无纬布经过压辊302的包角312为40°；
3)开启加热装置使压辊302表面保持50℃～80℃的温度；
4)将第二层无纬布裁减成正方形，正方形边长与第一层无纬布宽度相等，将裁减后的第二层无纬布放置在第一层无纬布上，第二层无纬布的纤维方向与第一层无纬布的纤维方向呈90°夹角；
5)开启驱动装置旋转压辊302，在摩擦力的作用下，压辊302带动支承辊和两层无纬布运动，基体树脂被压辊加热软化，在压辊的支承辊的压力作用下将两层无纬布复合在一起，无纬布离开压辊和支承辊后，基体树脂被冷却，然后定型，得到第一张层压布；可根据需要，连续放置第二层无纬布，得到指定长度的层压布；
6)以制备第一张层压布同样的工艺制备第二张层压布；
7)将第一张层压布的一端经过包角调整装置辊320后放置在压辊302与支承辊306之间，调整液压装置使压辊与支承辊保持8MPa～16MPa的压力接触；
8)调整包角调整辊320，使第一张层压布经过压辊302的包角为45°；
9)开启加热装置使压棍302保持60℃～100℃的温度；
10)将第二张层压布放置在第一张层压布上，使四层布按照纤维方向为0°/90°/0°/90°的铺层方式叠在一起，开启驱动装置旋转压辊302，在摩擦力的作用下，压辊带动两张层压布和支承辊运动，基体树脂被压辊加热软化或熔化，在压辊和支承辊的压力作用下，两张层压布复合在一起，层压布离开压辊和支承辊后，基体树脂被冷却，然后定型，得到四层纤维排列方式为(0/90°)₂的层压布。
将层压布放置在热压模具内，升温至80℃～100℃范围内，加压至10MPa～15MPa，保持模具恒温恒压15分钟～20分钟，得到四层排列方式为(0/90°)₂聚乙烯纤维增强复合布，测量聚乙烯纤维增强复合布的面密度为135g/m²～190g/m²。
将10张聚乙烯纤维增强复合布叠放在热压模具内，升温至至120℃～130℃内，加压至18MPa～22MPa，保持模具恒温恒压20分钟～25分钟，得到聚乙烯纤维增强复合板。
按照本发明，所述压辊的前面指沿着无纬布的送给方向，在送入压辊之前的方向为压辊的前面，无纬布离开压辊的方向为压辊的后面。为了达到将无纬布预热的目的，所述包角调整装置位于压辊前面调整无纬布经过压辊时的包角，所述包角调整装置至少包括一个位置可以移动的辊，但本发明不限于此，也可以包括两个或两个以上的辊的组合。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。