本發(fā)明涉及新型復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種具有優(yōu)秀的力學(xué)性能和比模量、強(qiáng)度高、成型效率高、可以回收再利用的碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的生產(chǎn)方法及生產(chǎn)裝置。

背景技術(shù)：

碳纖維是由有機(jī)母體纖維（例如粘膠絲、聚丙烯腈或?yàn)r青）采用高溫分解法在1000～3000度高溫的惰性氣體下制成的。其結(jié)果是除碳以外的所有元素都予以去除。碳纖維呈黑色，堅(jiān)硬，是目前已大量生產(chǎn)的高性能纖維中具有最高的比強(qiáng)度和最高的比模量的纖維，是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，但抗拉強(qiáng)度一般都在3500mpa以上，是鋼的7~9倍，抗拉彈性模量為23000~43000mpa，亦高于鋼。采用碳纖維和其他材料復(fù)合而成的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的比強(qiáng)度（即材料的強(qiáng)度與其密度之比）可達(dá)到2000mpa/(g/cm3)以上，而a3鋼的比強(qiáng)度僅為59mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比鋼高。材料的比強(qiáng)度愈高，則構(gòu)件自重愈小，比模量愈高，則構(gòu)件的剛度愈大，因此采用碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料具有非常優(yōu)異的性能，在風(fēng)力發(fā)電、航空航天、汽車、建筑、計(jì)算機(jī)、空間光學(xué)結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域有諸多的應(yīng)用，逐漸成為現(xiàn)代高新技術(shù)領(lǐng)域最有應(yīng)用前景的一種復(fù)合材料。

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料按基體分類，主要分兩大類：一類是熱固性基體，如常見的環(huán)氧樹脂、非飽和聚酯樹脂；另一類是熱塑性基體，如常見的尼龍、聚醚乙醚酮樹脂。這兩類基體材料有許多不同的性質(zhì)。熱固性基體的成型是利用樹脂的化學(xué)反應(yīng)（架橋反應(yīng)）、固化等化學(xué)結(jié)合狀態(tài)的變化實(shí)現(xiàn)的，其過程是不可逆的。與此相比，熱塑性基體是利用樹脂的融化、流動、冷卻、固化的物理狀態(tài)的變化實(shí)現(xiàn)的。其物理狀態(tài)的變化是可逆的，即再成型、加工是可能的。

熱固性樹脂基復(fù)合材料是目前研究得最多、應(yīng)用得最廣的一種復(fù)合材料，在熱固性樹脂基復(fù)合材料中使用最多的樹脂仍然是酚醛樹脂、不飽和聚酪樹脂和環(huán)氧樹脂這三大熱固性樹脂，由于環(huán)氧樹脂與碳纖維復(fù)合過程中浸潤性好，形變小，是熱固性碳纖維復(fù)合材料中首選的樹脂，用量最大。由于熱固性環(huán)氧樹脂集體的固化是利用化學(xué)反應(yīng)，加入固化劑，樹脂與固化劑化學(xué)反應(yīng)交聯(lián)成型，因此這個(gè)反應(yīng)需要一個(gè)過程，另外是不可逆的，決定了這種復(fù)合材料的成型效率比較低，另外，由于固化過程不可逆，因此，不可回收，一旦固化過程中存在缺陷，只能報(bào)廢。因此，對高性能纖維來說，損失很大。

近年來，隨著高性能耐高溫?zé)崴苄詷渲陌l(fā)展以及復(fù)合材料成型加工技術(shù)的不斷成熟，熱塑性復(fù)合材料已成為復(fù)合材料領(lǐng)域中最為引人注目的開發(fā)熱點(diǎn)。相比較熱固性復(fù)合材料，熱塑性復(fù)合材料具有較高的斷裂韌性、耐化學(xué)藥品及耐水性，且熱成型性能好、生產(chǎn)率高、成型方法多、工藝簡單、生產(chǎn)周期短，并具有多次可加工性。因此熱塑性樹脂復(fù)合材料的研究和開發(fā)是目前發(fā)達(dá)國家復(fù)合材料領(lǐng)域研究的熱門課題。

然而，現(xiàn)有技術(shù)中生產(chǎn)的熱塑性復(fù)合材料大多力學(xué)性能差、強(qiáng)度低，且比模量低，成型效率低，使其生產(chǎn)應(yīng)用受到限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的生產(chǎn)方法及生產(chǎn)裝置，其所生產(chǎn)的碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料具有優(yōu)秀的力學(xué)性能和比模量，強(qiáng)度高、成型效率高、可以回收再利用，可以大規(guī)模應(yīng)用于航空航天、汽車、醫(yī)療器械、3c數(shù)碼等領(lǐng)域。

為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明采用的具體技術(shù)方案是：

一種碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的生產(chǎn)方法，其包括以下步驟：

s1、碳纖維絲從碳纖維絲架上出絲，并通過調(diào)節(jié)碳纖維絲架，控制碳纖維卷筒出紗的阻力，使碳纖維絲從碳纖維絲架上出來后具有一定的預(yù)張力；

s2、將具有一定預(yù)張力的碳纖維絲通過分絲系統(tǒng)使之分散均勻，并整齊排列成厚度均勻的碳纖維帶；

s3、將碳纖維帶通過預(yù)熱輥，蒸發(fā)掉碳纖維帶的纖維中所吸收的水分，同時(shí)把碳纖維帶加熱到一定的溫度；

s4、將tpu（熱塑性聚氨酯彈性體橡膠）塑料顆粒加入擠出注塑機(jī)，在擠出注塑機(jī)和浸漬輥的雙重作用下，熔融的tpu樹脂經(jīng)擠出注塑機(jī)擠入經(jīng)預(yù)熱輥預(yù)熱后的碳纖維絲帶，獲得初步的預(yù)浸帶；

s5、預(yù)浸帶通過冷卻和上光輥，使彎曲的預(yù)浸帶拉直；

s6、被拉直的預(yù)浸帶進(jìn)入預(yù)浸料的回收系統(tǒng)，獲得完整的熱塑型碳纖維增強(qiáng)tpu塑料片。

本發(fā)明還提供了一種碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的生產(chǎn)裝置，其包括依次相連的碳纖維絲架、分絲系統(tǒng)、分散預(yù)熱系統(tǒng)、熔融樹脂纖維浸潤系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)，和設(shè)于所述熔融樹脂纖維浸潤系統(tǒng)一側(cè)的樹脂供料系統(tǒng)；所述分絲系統(tǒng)包括碳纖維分絲纏繞機(jī)和與之依次相連的多個(gè)錯(cuò)位分布的分絲圓輥；所述分散預(yù)熱系統(tǒng)包括預(yù)熱輥，碳纖維束在一定的包覆角度下包裹于預(yù)熱輥外；所述熔融樹脂纖維浸潤系統(tǒng)包括先后設(shè)置的噴口輥、浸漬輥和壓輥，所述噴口輥在平行于其輥軸方向上開有口模，碳纖維束分散于口模下方，所述浸漬輥由多個(gè)輥組成，所述多個(gè)浸漬輥交錯(cuò)分布于碳纖維束的兩側(cè)，所述浸漬輥的中間設(shè)有加熱裝置，所述壓輥與后端的一個(gè)浸漬輥相互嚙合設(shè)置；所述樹脂供料系統(tǒng)一端設(shè)有塑料出口，所述塑料出口與噴口輥的口模連通設(shè)置。

優(yōu)選的方案，所述碳纖維紗架包括紗筒、紗架軸和設(shè)于紗架軸上的導(dǎo)絲架，所述紗筒設(shè)于紗架軸外，所述紗架軸的兩端設(shè)有橡膠墊片和固定螺母，所述導(dǎo)絲架上設(shè)有導(dǎo)絲孔，所述導(dǎo)絲孔為mga（mga為油尼龍的一個(gè)系列）油尼龍片導(dǎo)絲孔。

進(jìn)一步優(yōu)選的方案，所述紗筒的直徑為40mm，長度為100~400mm。

再進(jìn)一步優(yōu)選的方案，所述紗筒與紗架軸之間設(shè)有軸承。

更進(jìn)一步優(yōu)選的方案，所述分散預(yù)熱系統(tǒng)內(nèi)還設(shè)有用于調(diào)節(jié)預(yù)熱輥表面溫度的溫控裝置。

所述樹脂供料系統(tǒng)包括上料筒和設(shè)于上料筒下部的加熱筒，所述加熱筒內(nèi)設(shè)有旋轉(zhuǎn)螺桿，所述旋轉(zhuǎn)螺桿由設(shè)于加熱筒一端的馬達(dá)帶動旋轉(zhuǎn)，所述塑料出口設(shè)于加熱筒的另一端。

所述壓輥與浸漬輥之間的嚙合間隙可調(diào)。

所述牽引系統(tǒng)包括一個(gè)主動壓輥和兩個(gè)從動壓輥，碳纖維束纏繞于主動壓輥上。

所述牽引系統(tǒng)的動力來源為步進(jìn)電機(jī)。

通過采用上述方案，本發(fā)明的一種碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的生產(chǎn)方法及生產(chǎn)裝置與現(xiàn)有技術(shù)相比，其技術(shù)效果在于：

1、本發(fā)明采用熱塑性聚氨酯彈性體橡膠（tpu）與碳纖維進(jìn)行復(fù)合，這種復(fù)合材料，具有優(yōu)秀的力學(xué)性能和比模量，同時(shí)具有成型效率高、可以回收再利用等優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)熱固性碳纖維材料成型效率低和不能回收的缺點(diǎn)，同時(shí)比目前采用塑料制成的塑料制品強(qiáng)度高出很多，可以大規(guī)模應(yīng)用在航空航天，汽車、醫(yī)療器械、3c數(shù)碼等領(lǐng)域。

2、本發(fā)明通過把碳纖維絲束進(jìn)行分散和預(yù)熱，降低了tpu樹脂滲透到碳纖維束的距離，大大提高了碳纖維的浸潤效率。

3、采用輥狀的預(yù)浸裝置，不損傷碳纖維束的性能，而且增加樹脂滲透到碳纖維的滲透力，增加了浸潤速度和浸潤度。

4、本發(fā)明采用整體設(shè)計(jì)，參數(shù)可調(diào)，便于優(yōu)化浸潤的工藝，同時(shí)，方便開展對其他熱塑型基體的復(fù)合研究。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的生產(chǎn)裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明一種碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的生產(chǎn)裝置的樹脂供料系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明了，下面結(jié)合具體實(shí)例并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)該理解，這些描述只是示例性的，而并非要限制本發(fā)明的范圍。此外，在以下說明中，省略了對公知結(jié)構(gòu)和技術(shù)的描述，以避免不必要地混淆本發(fā)明的概念。

本發(fā)明針對現(xiàn)有的熱固型碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的不足之處提供了一種新型的熱塑型碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，采用聚氨酯彈性體橡膠（簡稱tpu）與碳纖維（carbonfiber）進(jìn)行復(fù)合。

tpu與碳纖維的復(fù)合采用熔融拉擠浸潤的方式，采用不同排列的圓輥，先把纏在卷筒上的碳纖維絲分散成排列整齊厚度均勻的纖維帶，減少熱塑型tpu樹脂滲透的距離，通過單螺桿的擠出注塑機(jī)的推動力和浸潤圓柱輥之間熔融樹脂膜的壓力將熔融的熱塑型tpu樹脂滲透到纖維束中，本方案制成的熱塑型碳纖維增強(qiáng)材料，對纖維絲的損傷很小，而且加熱的溫度可控，減少tpu樹脂的分解，各項(xiàng)工藝參數(shù)都可以方便的進(jìn)行調(diào)整和調(diào)節(jié)。樹脂與纖維的浸潤性非常好，而且生產(chǎn)效率高。

其具體生產(chǎn)方法為：

s1、碳纖維絲從碳纖維絲架上出絲，并通過調(diào)節(jié)碳纖維絲架，控制碳纖維卷筒出紗的阻力，使碳纖維絲從碳纖維絲架上出來后具有一定的預(yù)張力；

s2、將具有一定預(yù)張力的碳纖維絲通過分絲系統(tǒng)使之分散均勻，并整齊排列成厚度均勻的碳纖維帶；

s3、將碳纖維帶通過預(yù)熱輥，蒸發(fā)掉碳纖維帶的纖維中所吸收的水分，同時(shí)把碳纖維帶加熱到一定的溫度；

s4、將tpu（熱塑性聚氨酯彈性體橡膠）塑料顆粒加入擠出注塑機(jī)，在擠出注塑機(jī)和浸漬輥的雙重作用下，熔融的tpu樹脂經(jīng)擠出注塑機(jī)擠入經(jīng)預(yù)熱輥預(yù)熱后的碳纖維絲帶，獲得初步的預(yù)浸帶；

s5、預(yù)浸帶通過冷卻和上光輥，使彎曲的預(yù)浸帶拉直；

s6、被拉直的預(yù)浸帶進(jìn)入預(yù)浸料的回收系統(tǒng)，獲得完整的熱塑型碳纖維增強(qiáng)tpu塑料片。

本發(fā)明還提供了一種碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的生產(chǎn)裝置，如圖1和圖2所示，其包括依次相連的碳纖維絲架、分絲系統(tǒng)1、分散預(yù)熱系統(tǒng)2、熔融樹脂纖維浸潤系統(tǒng)3、牽引系統(tǒng)4，和設(shè)于所述熔融樹脂纖維浸潤系統(tǒng)一側(cè)的樹脂供料系統(tǒng)5。

所述分絲系統(tǒng)1包括碳纖維分絲纏繞機(jī)和與之依次相連的多個(gè)錯(cuò)位分布的分絲圓輥6。

所述分散預(yù)熱系統(tǒng)2包括預(yù)熱輥7，碳纖維束在一定的包覆角度下包裹于預(yù)熱輥7外，所述分散預(yù)熱系統(tǒng)2內(nèi)還設(shè)有用于調(diào)節(jié)預(yù)熱輥表面溫度的溫控裝置。

所述熔融樹脂纖維浸潤系統(tǒng)3包括先后設(shè)置的噴口輥8、浸漬輥9和壓輥10，所述噴口輥8在平行于其輥軸方向上開有口模，碳纖維束分散于口模下方，所述浸漬輥9由多個(gè)輥組成，所述多個(gè)浸漬輥9交錯(cuò)分布于碳纖維束的兩側(cè)，所述浸漬輥9的中間設(shè)有加熱裝置，所述壓輥10與后端的一個(gè)浸漬輥9相互嚙合設(shè)置且嚙合間隙可調(diào)。

所述牽引系統(tǒng)4包括一個(gè)主動壓輥和兩個(gè)從動壓輥，碳纖維束纏繞于主動壓輥上。所述牽引系統(tǒng)的動力來源為步進(jìn)電機(jī)。

所述樹脂供料系統(tǒng)5包括上料筒12和設(shè)于上料筒12下部的加熱筒13，所述加熱筒13內(nèi)設(shè)有旋轉(zhuǎn)螺桿14，所述旋轉(zhuǎn)螺桿14由設(shè)于加熱筒一端的馬達(dá)15帶動旋轉(zhuǎn)，所述加熱筒的另一端設(shè)有塑料出口11，所述塑料出口11與噴口輥8的口模連通設(shè)置。

下面對各個(gè)系統(tǒng)的具體組成做詳細(xì)介紹：

（1）、碳纖維絲架

本發(fā)明采用的碳纖維紗架采用軸筒結(jié)構(gòu)，紗架兩端有一對同心軸承支撐，軸承固定軸上，軸承的外壁固定紗筒，紗筒的直徑40mm，長度在100~400mm之間。紗架軸的兩端有橡膠墊片和固定螺母，通過調(diào)整橡膠墊片和螺母之間的摩擦力，可以控制軸與筒之間的阻力，來調(diào)整紗筒的速度和纖維出絲的預(yù)張力，在紗架軸上還有導(dǎo)絲架，導(dǎo)絲孔固定在導(dǎo)絲架上，導(dǎo)絲孔采用mga油尼龍片加工而成，這種油尼龍片具有自潤滑的作用，保證出絲的順利。

（2）、分絲系統(tǒng)

本發(fā)明的分絲系統(tǒng)采用市售的碳纖維分絲纏繞機(jī)，該分絲纏繞機(jī)通過不同的幾個(gè)圓輥將一束的碳纖維分散成均勻的整齊的碳纖維單向帶。

（3）、分散預(yù)熱系統(tǒng)

分散預(yù)熱系統(tǒng)通過一個(gè)預(yù)熱輥來實(shí)現(xiàn)，碳纖維束在一定的包覆角度下通過預(yù)熱輥，把纖維進(jìn)行預(yù)熱，一方面利于tpu樹脂的滲透，另外一方面可以使纖維表面吸收的水分揮發(fā)，避免在復(fù)合的過程中，形成表面氣泡降低樹脂和纖維之間的浸潤度，預(yù)熱輥的表面溫度通過溫控裝置可調(diào)，使溫度恒定在一個(gè)可控的范圍，溫度太高會使纖維表面受損，溫度太低對纖維束的加熱作用不明顯，要根據(jù)纖維和樹脂的熔點(diǎn)，多次調(diào)整后設(shè)置最佳的預(yù)熱溫度。

（4）、樹脂供料系統(tǒng)

樹脂供料系統(tǒng)為一套完整的單螺桿塑料擠出機(jī)，擠出機(jī)通過一個(gè)帶有一個(gè)螺桿和螺旋道的機(jī)筒完成加熱、加壓、擠出的過程。tpu塑料粒料通過加熱筒一端的上料筒進(jìn)入加熱筒，然后通過螺桿傳送到加熱筒的另一端，外部的加熱以及在塑料和螺桿由于摩擦而產(chǎn)生的內(nèi)熱，使塑料變軟和熔化并擠出。

（5）、熔融樹脂纖維浸潤系統(tǒng)

熔融樹脂纖維浸潤系統(tǒng)主要由噴口輥、浸漬輥、壓輥組成，這套系統(tǒng)是整個(gè)復(fù)合材料制備的核心裝置，噴口輥在平行于滾軸的方向開有口模，樹脂通過擠出機(jī)塑化熔融，從噴口輥口模擠出，從口模擠出的樹脂熔體有一定的擠出壓力，在該壓力下，熔體滲入通過口模的纖維束。通過噴口輥的浸潤后，樹脂與纖維的浸潤度不能保證均勻，可能存在缺膠或者富膠區(qū)，而且樹脂的含量也不均勻，為了克服這些缺陷，需要通過浸漬輥進(jìn)一步的浸潤。浸漬輥由多個(gè)輥組成，中間有加熱裝置，初步預(yù)浸過的纖維束依次通過多個(gè)浸漬輥，從兩個(gè)方向?qū)μ祭w維束浸漬。浸潤完全的纖維束最后通過壓輥，壓輥與浸漬輥相互嚙合，是通過的纖維束上下表面受到2個(gè)壓力，在該壓力的作用下，使樹脂與纖維進(jìn)一步的浸潤，，同時(shí)起到擠口模的作用，通過調(diào)節(jié)壓輥和浸漬輥之間的間隙，還可以調(diào)整纖維中樹脂的含量。

（6）、牽引系統(tǒng)

牽引系統(tǒng)由一主動兩從動的壓緊輥系組成，把纖維纏繞到主動輥系上，牽引的動力主要來源于步進(jìn)電機(jī)。

其工作原理如下：通過調(diào)節(jié)碳纖維絲架控制碳纖維卷筒出紗的阻力，使碳纖維絲從絲架出來后具有一定的預(yù)張力，然后通過分散輥系獲得均勻的分散，排列成整齊厚度均勻的碳碳纖維帶，碳纖維帶通過預(yù)熱輥，蒸發(fā)掉纖維中所吸收的水分，同時(shí)把碳纖維加熱到一定的溫度，然后通過熔融樹脂纖維浸潤系統(tǒng)，在擠出注塑機(jī)和浸漬輥的雙重作用下，熔融的tpu樹脂被擠入碳纖維絲帶，獲得初步的預(yù)浸，然后通過冷卻和上光輥，把彎曲的初步預(yù)浸帶拉直，然后進(jìn)入預(yù)浸料的回收系統(tǒng)，獲得完整的熱塑型碳纖維增強(qiáng)tpu塑料片。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。