[发明专利]纤维增强热塑性聚合物两步法缠绕成型的加热装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种连续纤维增强热塑性聚合物复合材料两步法缠绕成型的加热方法及其装置，属于复合材料制备与成型领域。

技术背景

缠绕成型是制备纤维增强聚合物复合材料管道及储罐的重要途径，迄今为止，纤维增强热固性复合材料缠绕成型工艺及相应装置已相当成熟，已广泛应用于工业化生产。近年来，由于资源与环保的压力日益突出，容易再生、可重复使用的热塑性复合材料受到世界各国的普遍重视，各种类型的热塑性复合材料得到迅速发展，连续纤维增强热塑性聚合物复合材料的缠绕成型已开始受到关注。连续纤维增强热塑性聚合物复合材料的缠绕成型工艺与热固性聚合物复合材料的缠绕工艺有很大不同，热固性树脂在固化之前均为单体或预聚体，多呈液态，粘度较低低，容易浸渍纤维，与增强纤维形成良好的分散与接触，缠绕成型所需要的预浸料可在室温下完成浸渍，缠绕的层间亦容易形成良好的粘结。而热塑性聚合物多数分子量较高，室温下均处于固态，熔融状态下熔体的粘度很高，很难与增强纤维形成良好的浸渍，在缠绕前使纤维与聚合物形成良好的浸渍是获得性能优良的复合材料制品的前提。

目前，热塑性复合材料缠绕成型已出现两种工艺，即：两步法工艺(采用预先浸渍好的预浸料进行缠绕的工艺，预浸料的制备与缠绕过程分成两个部分)和一步法工艺(浸渍和缠绕同时进行)。两步法工艺尽管能耗要大一些，但对设备的要求相对较低、过程可控性好、产品质量的稳定性容易保证，容易实现产业化。

热塑性复合材料的两步法缠绕工艺过程中，预先制备的预浸料(通常为带状)必须经预热达到适当的温度，以保证缠绕到芯模上时预浸料间及各缠绕层间能融合粘结。将预浸料从室温加热至树脂熔融温度以上需要一定的时间，采用烘道可以保证预浸料在加热区的停留时间，如美国专利U S 5160568，将远红外加热烘道、加热导向器、触点式加热源(包括明火加热源，红外加热器，热空气枪式加热器)集成在相对芯模作往复运动的小车上，这种装置紧凑，充分利用了小车空间，但其远红外加热烘道的长度受到了限制，预浸料在加热烘道内的停留时间与烘道的长度及缠绕的速度密切相关，过短的烘道长度只能采用较慢的缠绕速度。为了提高缠绕速度，必须要有较长的加热烘道，因此需要将烘道从小车上独立出来，以获得加长烘道的空间。

但加热烘道从小车上独立出来会带来一个严重的问题，从烘道出来位于烘道与导向器之间的预浸带直接裸露在室温环境中，会造成很大的热量损失，使熔融的热塑性树脂冷却甚至凝固，无法完成预浸料间及缠绕层间的融合粘结。

树脂处于熔融状态预浸料在压力辊的辅助作用下缠绕于芯模上，为缩小芯模与预浸带之间的温差，以利于熔融的预浸带与缠绕基层的粘结，必须将芯模加热，芯模温度一般选择在聚合物基体熔点附近。如果压力辊保持室温，会使刚缠绕上去的预浸料快速冷却，一不利于层间的融合与粘结，因此，压力辊亦需加热。在美国专利US 5039368中描绘了用钨灯加热压力辊，用芯模表面加热器加热芯模的连续纤维增强热塑性聚合物的缠绕装置，但其结构复杂，且加热不均匀，温度可控性差，能源浪费严重，难以使芯模表面与压辊表面的温度保持相近，而芯模表面与压辊表面的温度差异将会在缠绕制品中形成热应力，导致制品性能劣化。

发明内容：

本发明的目的在于，克服现有技术的不足，提供一种新的可用于连续纤维增强热塑性聚合物复合材料两步法缠绕成型的加热方法及其装置。

本发明首先增加一种摆动伸缩加热装置，不仅可以加长加热烘道，而且可使加热烘道与导向器之间的预浸带不外露于室温环境中而造成热量损失；其次在此基础上提供一种新型芯模与压力辊加热系统，实现芯模和压力辊的同步加热以保证两者温度相近。

其中，摆动伸缩加热装置由带有温控装置的两段长短不一的热流道加热圈以及套在两热流道加热圈外层的不锈钢管组成，管内较短的热流道加热圈两端被固定在不锈钢管里，通过底座与远红外烘道相连；较长的热流道加热圈前端在紧挨着导向辊处装有滑动轴承，滑动轴承在不锈钢管里可以自由滑动，另一端通过另一底座与滑动小车相连，两底座都安装有水平轴向的滚动轴承，竖直轴向的滚动轴承，通过小车的左右移动来带动滚动轴承转动，继而使长的加热圈跟着滑动轴承滑动伸缩，从而实现整个装置的摆动伸缩；

其中，芯模与压力辊加热系统，是将芯模、压力辊一端打孔，分别连接双向流通旋转接头，再用金属软管将芯模、压力辊、模温机相互连接构成一个完整的回路，管内充导热油，利用模温机加热导热油来控制芯模和压力辊的温度。

具体技术方案如下：