一种纤维增强热塑树脂复合材料的制备装置及制备方法与流程

本发明涉及一种纤维增强热塑树脂复合材料的制备装置及制备方法，它属于纤维增强热塑性复合材料生产加工技术领域。

背景技术：

近年来，随着纤维增强树脂基复合材料(fiberreinforcedpolymer,frp)的发展，frp筋在土木工程领域展现了极大的应用价值。frp筋具有强度高、密度小、耐腐蚀性能好等优点，广泛用于替代钢筋增强混凝土结构。热固frp筋应用较多，已有多个成功案例。但其硬脆、耐冲击性差、固化成型周期长、耐高温差，不能在现场进行二次加工，箍筋和弯筋等只能通过工厂预制生产。而热塑性树脂熔点较高、熔体黏度大，并且表面极性低，纤维难以浸渍，纤维与树脂界面结合差，生产制备极为困难。目前，纤维增强热塑树脂常用方法为熔融浸渍、溶液浸渍、粉末浸渍等。但熔融浸渍时，高温易造成纤维受损、树脂分解；粉末浸渍时要求纤维在气相中被分散成单丝，技术难度大；溶液浸渍时，部分有机溶剂在树脂中分布不均匀，被包裹在树脂内部，树脂粘度大，有机溶剂难以挥发完全，造成制备过程中复合材料的缺陷。

本发明采用溶液浸渍法拉挤成型制备纤维增强热塑筋。首先通过表面处理槽对纤维进行表面处理；在树脂中加入溶剂，采用远红外板辐射预热器对浸胶槽均匀加热，降低树脂粘度，同时在浸胶槽底部安装风扇叶片进行搅拌，确保树脂和溶剂混合均匀；浸胶槽中安装1～5个辊轮，延长纤维在浸胶槽中的浸渍时间，确保纤维在树脂中充分浸渍；通过预成型模具使纤维形成固定截面。之后纤维通过真空挥发段并保持合适的温度，使溶剂最大化挥发且不对树脂造成明显老化，减少树脂和纤维成型过程中因溶剂挥发造成的缺陷，提高拉挤制品的力学性能。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的缺陷，而提出一种纤维增强热塑树脂复合材料的制备装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

包括：纱架、表面处理槽、烘干段、浸胶槽、预成型模具、真空挥发段、固化模具、冷却模具以及牵引装置；所述表面处理槽、浸胶槽、预成型模具、真空挥发段、固化模具以及冷却模具依次设置在纱架与牵引装置之间；在所述纱架上缠绕连续纤维，连续纤维在表面处理槽中进行表面处理后经过烘干段烘干；在所述浸胶槽内设置有由树脂和有机溶剂混合的胶液，所述预成型模具将经浸胶槽进行浸胶处理后的连续纤维按照预设的成型孔排布并输出；所述真空挥发段对经所述浸胶槽浸胶后的胶液中的有机溶剂进行挥发处理；所述固化模具通过加热使树脂和连续纤维固化成型；所述冷却模具对成型的复合材料降温。

在所述的表面处理槽中有纤维适配的表面处理剂；连续纤维通过表面处理槽的时间不少于3min。

在所述浸胶槽内设置有浸胶辊、搅拌叶片及加热器件；所述加热器件将浸胶槽中液体加热至50-60℃。

所述加热器件为距离浸胶槽底部5-10cm处的远红外板辐射预热器。

所述胶液中树脂和溶剂的体积比为100ml：3ml～10ml；所述树脂为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚醚醚酮、热塑环氧等热塑性树脂；所述有机溶剂为甲乙酮、丙酮或二甲苯。

所述连续纤维为玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、或以上任意两个或三个的混杂纤维。

所述预成型模上成型孔的形状为圆形、长方形、l形或工字钢型；固化段模具与预成型段模具出口具有相同的截面形状。

连续纤维在浸胶槽中浸渍时间不少于5min；连续纤维在真空挥发段经过时间不少于5min，不大于10min，所述真空挥发段一直保持抽真空状态，并且保持70-90℃；烘干段温度为60-80℃之间，连续纤维经过烘干段的时间不少于5min。

一种纤维增强热塑树脂复合材料的制备方法，包括如下步骤：

纤维经过表面处理槽进行表面处理，随后烘干；

在含有由树脂与有机溶剂混合而成的混合液的浸胶槽中浸胶处理；

通过预成型模具预成型；

在真空挥发段将有机溶剂挥发；

经过固化模具固化、冷却模具降温，制备得复合材料。

拉挤的牵引速度为0.5-2.5m/min。

本发明工艺简单，对设备要求低。在浸渍前期，对纤维进行了表面处理，提高其与树脂的结合性能；在浸胶槽底部5-10cm处有远红外板辐射预热器，确保浸胶槽均匀受热；在浸胶槽中装有浸胶辊轮，可以有效提高纤维的浸渍长度，从而提高浸渍效率，节省设备空间；在浸胶槽中装有搅拌叶片且分层排布，可有效地搅拌树脂与有机溶剂，使二者混合更均匀；真空挥发段同时采用抽真空及加热手段可使溶剂挥发更彻底，同时控制真空挥发时间，保证纤维的浸胶量，防止树脂在长期高温作用下老化。由此设备及方法制备的复合材料筋、管材、板材等，具有良好的力学性能。

附图说明

图1本发明装置的结构示意图；

图2浸胶槽的结构示意图；

图3浸胶槽中搅拌叶片在水平面上布置示意图；

图4预成型模具截面图；a为圆形的筋材截面；b为l型的l型材截面；c为工字型的工字型材截面；d为长方形的板材截面。

图5牵引装置结构示意图。

其中：1、纱架；2、表面处理槽；3、烘干段；4、浸胶槽；41、浸胶辊；42、搅拌叶片；421、上层搅拌叶片；422、下层搅拌叶片；43、加热器件；5、预成型模具；51、成型孔；6、真空挥发段；7、固化模具；8、冷却模具；9、牵引装置；91、上牵引传动带；92、下牵引传动带；10、连续纤维。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明纤维增强热塑树脂复合材料的拉挤成型制备装置，包括：纱架1、表面处理槽2、烘干段3、浸胶槽4、预成型模具5、真空挥发段6、固化模具7、冷却模具8以及牵引装置9。表面处理槽2、浸胶槽4、预成型模具5、真空挥发段6、固化模7具以及冷却模具8依次设置在纱架1与牵引装置9之间。在纱架1上缠绕连续纤维10，连续纤维10在表面处理槽2中进行表面处理后经过烘干段3烘干。在浸胶槽内设置有浸胶辊41以及胶液，胶液的高度覆盖浸胶辊41的部分或全部。胶液由树脂和有机溶剂混合。经烘干段输出的连续纤维从浸胶辊41的下部穿过，通过浸胶辊41进行浸胶。预成型模具5将连续纤维按照预设的形状排布并输出；真空挥发段6对经浸胶槽浸胶后的胶液中的有机溶剂进行挥发处理。固化模具7通过加热使树脂和连续纤维固化成型；冷却模具8对成型的复合材料降温。

在表面处理槽中有纤维适配的表面处理剂；连续纤维通过表面处理槽的时间不少于3min。

浸胶槽的结构如图2-3所示，包括浸胶辊41、搅拌叶片42及加热器件43；加热器件43将浸胶槽中液体加热至50-60℃。在本实施例中，加热器件43为距离浸胶槽底部5-10cm处的远红外板辐射预热器。

搅拌叶片42包括上层搅拌叶片421和下层搅拌叶片422，其中上层搅拌叶片421为在浸胶槽中居中的一排。下层搅拌叶片422为两排，分列在浸胶槽的两侧。上层搅拌叶片421和下层搅拌叶片422在俯视方向上均匀布置，也即两排相邻的四个下层搅拌叶片422成正方形布置，而上层搅拌叶片421正好位于正方形的中心位置。本发明通过上述布置的两层搅拌叶片可以对胶液进行充分的均匀搅拌。

在本实施例中，浸胶辊41为三个，也是成上下两层布置，上层的两个，下层的一个。下层的位于上层的中间位置。连续纤维10经上层的第一个浸胶辊上表面后从下层浸胶辊的下表面，最后经过最后一个浸胶辊的上表面从浸胶槽出去。

胶液中树脂和溶剂的体积比为100ml：3ml～10ml；树脂为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚醚醚酮、热塑环氧等热塑性树脂；有机溶剂为甲乙酮、丙酮或二甲苯。

连续纤维10为玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、或以上任意两个或三个的混杂纤维。

预成型模具5的成型孔的截面形状参见图4所示，包括圆形、长方形或l形或工字钢型等。

牵引装置9为本领域的常规设计，可采用如图5所示的结构，即由上传输带91和下传输带92构成，上传输带91和下传输带92的运动方向相反，从而带动位于上传输带91和下传输带92中间的成型材料与上传输带91和下传输带92同步运动。

实施例1

连续玄武岩纤维增强聚乙烯树脂复合材料筋的制备

1、聚乙烯树脂与丙酮以体积比100:8均匀混合后置于浸胶槽中。浸胶槽底部搅拌叶片与最低端辊轮为2cm，叶片转速200r/min。距浸胶槽底部5cm处放置远红外板辐射预热器，加热至55℃并保持恒温。连续玄武岩纤维通过牵引装置穿过浸胶槽、挥发段。挥发段保持85℃恒温。随后依次经过固化模具固化成型、冷却模具降温，拉挤成筋。牵引速度为1m/min。

2、该方法制备的玄武岩纤维增强聚乙烯树脂复合材料筋拉伸强度1300mpa，拉伸模量56gpa，满足工程使用需要。

实施例2

连续玄武岩纤维增强热塑环氧树脂复合材料筋的制备

1、热塑环氧树脂与二甲苯以体积比100:5均匀混合后置于浸胶槽中。浸胶槽底部搅拌叶片与最低端辊轮为2cm，叶片转速100r/min。距浸胶槽底部5cm处放置远红外板辐射预热器，加热至60℃并保持恒温。连续玄武岩纤维通过牵引装置穿过浸胶槽、挥发段。挥发段保持90℃恒温。随后依次经过固化模具固化成型、冷却模具降温，拉挤成筋。牵引速度为0.8m/min。

2、该方法制备的玄武岩纤维增强热塑环氧树脂复合材料筋拉伸强度1450mpa，拉伸模量60gpa，满足工程使用需要。