一种紫外固化快速拉挤制备玻璃纤维复合材料Z-pin的设备及其制备方法

摘要

本发明公开了一种紫外固化快速拉挤制备玻璃纤维复合材料Z-pin的设备及其制备方法，该设备包括放料机构、导向机构、浸胶槽、固化装置、牵引装置以及卷收机构，固化装置包括调节模具以及热固化单元和紫外线固化单元；调节模具中设有至少一条调节模腔，热固化单元中设有与调节模具中调节模腔口径一一相对应的成型模腔。其制备方法主要包括有装料、加入胶液、设置走料速度和启动牵引装置并收卷获得玻璃纤维复合材料Z-pin。本发明利用紫外线固化单元取代了传统电阻丝加热烘箱，实现了胶液的快速固化，采用调节模具使用后，能进一步避免余胶因发生凝胶固化易堵塞模腔口的问题，因而能显著提高生产效率。

说明书

技术领域

本发明涉及材料加工技术领域，特别是涉及一种紫外固化快速拉挤制备玻璃纤维复合材料Z-pin的设备及其制备方法。

背景技术

复合材料Z-pin拉挤技术是指玻璃纤维、碳纤维等增强材料通过浸胶后在模具中凝胶定型，而后通过烘道固化的一种连续生产复合材料针状型材的技术。复合材料Z-pin技术是指将细杆针状Z-pin复合材料植入到铺迭好的预浸料中形成三维增强，经共固化形成的整体结构。Z-pin能显著增强复合材料层合板的层间韧性、损伤容限以及胶连强度等性能，并具有操作简单，可设计性强及易于整体成型的特点，应用前景广泛。在传统Z-pin制造过程中，一般采用电阻加热的方法实现树脂的凝胶定型及固化，且拉挤过程中存在拉挤速度慢，能源消耗高，生产效率较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的现状，而提供结构简洁、固化速度快、拉挤速度高，并且其制备工艺流程少，效率高，产品成型质量好的一种紫外固化快速拉挤制备玻璃纤维复合材料Z-pin的设备及其制备方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种紫外固化快速拉挤制备玻璃纤维复合材料Z-pin的设备，该设备包括依次设置的放料机构、导向机构、浸胶槽、固化装置、牵引装置以及卷收机构，固化装置包括对经过浸胶槽浸胶后的纤维材料进行含胶量调节的调节模具以及使调节后的浸胶纤维材料凝胶定型的热固化单元和使凝胶定型的纤维材料快速凝胶固化的紫外线固化单元；调节模具中设有至少一条使浸胶后纤维材料拉挤通过用以滤除纤维材料表面多余胶液的调节模腔，热固化单元中设有与调节模具中调节模腔口径一一相对应的成型模腔。

为优化上述技术方案，采取的措施还包括：

上述的调节模具由上下配合的上模具和下模具组成；上模具的底面制有多条上模凹腔，相应地下模具的顶面制有多条与上模凹腔一一对应相配合构成完整调节模腔的下模凹腔。

上述的调节模具中并排设有多条调节模腔，并且多条调节模腔按口径依次呈递增的方式排列设置或按口径依次呈递减的方式排列设置。

上述的上模具上和下模具上相对应开有螺纹孔，该上模具和下模具合模后通过锁紧螺栓与螺纹孔螺旋配合锁紧固定。

上述的下模具的顶面固定安装有定位凸块，相应地上模具制有与定位凸块定位配合的定位凹槽；或上模具的顶面固定安装有定位凸块，相应地下模具制有与定位凸块定位配合的定位凹槽。

上述的热固化单元中设置有陶瓷成型模具，成型模腔形成在陶瓷成型模具中。

上述的紫外线固化单元内设有对称的通风扇以及用于发生紫外线的紫外灯。

上述的调节模具的两侧用于承载该调节模具的面板上固定安装有用于确定调节模具对中位置的第一刻度尺；陶瓷成型模具的两侧用于承载该陶瓷模具的面板上固定安装有用于确定该陶瓷成型模具对中位置的第二刻度尺；所述的第一刻度尺上和第二对中刻度尺上均标有刻度线。

一种紫外固化快速拉挤制备玻璃纤维复合材料Z-pin的设备的制备方法，其特征是：该方法包括以下步骤：

a)：装料，将纤维材料卷安装在放料机构上，并拉出一段蘸取酒精后进行加捻，将加捻好的纤维材料先拉直铺放在调节模具的下模具下模凹腔中，然后合上调节模具的上模具，使上模具的上模凹腔与下模凹腔相对构成完整的调节模腔，然后通过锁紧螺栓将上模具和下模具锁紧，再将进入调节模具调节模腔之前的纤维材料段通过导向机构穿过浸胶槽，然后将从调节模具调节模腔出来后的纤维材料段依次穿过热固化单元中陶瓷模具的成型模腔、紫外线固化单元、牵引装置，最终连接到卷收机构上，并使放料机构、卷收机构之间的纤维材料保持一定张力；

b）：装料完成后，向浸胶槽中加入配置好的胶液并预热热固化单元中的陶瓷模具；

c）：根据纤维材料和胶液的性质设定牵引装置牵引的走料速度，调试好紫外线固化单元内的紫外灯，开启紫外线固化单元；

d）：启动牵引装置，干燥的纤维材料在牵引装置的牵引力作用下进入浸胶槽中完成浸胶，浸胶后的纤维材料通过调节模具调节模腔的拉挤作用滤掉表面多余胶液，通过热固化单元中陶瓷模具成型模腔的热拉挤作用凝胶定型成为半成品玻璃纤维复合材料Z-pin，半成品玻璃纤维复合材料Z-pin在紫外线固化单元中被完全固化，最终由卷收机构收卷获得玻璃纤维复合材料Z-pin。

上述的步骤a中调节模具调节模腔的口径与热固化单元中陶瓷模具成型模腔的口径一致。

与现有技术相比，本发明一种紫外固化快速拉挤制备玻璃纤维复合材料Z-pin的设备，该设备包括依次设置的放料机构、导向机构、浸胶槽、固化装置、牵引装置以及卷收机构，固化装置包括对经过浸胶槽浸胶后的纤维材料进行含胶量调节的调节模具以及使调节后的浸胶纤维材料凝胶定型的热固化单元和使凝胶定型的纤维材料快速凝胶固化的紫外线固化单元；调节模具中设有至少一条使浸胶后纤维材料拉挤通过用以滤除纤维材料表面多余胶液的调节模腔，热固化单元中设有与调节模具中调节模腔口径一一相对应的成型模腔。本发明利用紫外线固化单元取代了传统电阻丝加热烘箱，实现了胶液的快速固化，并且本发明配合含胶量调节模具使用后，能进一步避免余胶因发生凝胶固化易堵塞模腔口的问题，因而能显著提高生产效率。

本发明的有益效果是：

1、通过紫外线固化取代传统电阻丝加热，固化速度快，有效缩短固化时间，提高拉挤速度，方便快捷；

2、纤维材料浸胶后表面富含胶液，通过能调节含胶量的调节模具，能有效避免成型模具口囤积的多余胶液被加热凝胶甚至固化，随着时间积累发生成型模具口被固体胶堵塞的情况。省略了给模具除胶的工序，配合紫外线固化单元使用，显著提高生产效率。

3、调节模具结构设计合理，容易生产制造，且安装和拆卸方便。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中调节模具上模具的主视结构示意图；

图3为图2的仰视结构示意图；

图4为图2的左视结构示意图；

图5为调节模具下模具的主视结构示意图；

图6为图5的俯视结构示意图；

图7为图5的左视结构示意图；

图8为图1中紫外线固化单元的主视结构示意图；

图9为图8的左视结构示意图；

图10为本发明调节模具两侧添加有对中刻度尺后对中示意图；

图11为本发明陶瓷成型模具两侧添加有对中刻度尺后对中示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

图1和图11为本发明的工艺原理示意图。

其中的附图标记为：放料机构1、导向机构2、浸胶槽3、调节模具4、调节模腔4a、螺纹孔4b、定位凸块4c、定位凹槽4d、上模具41、上模凹腔41a、下模具42、下模凹腔42a、热固化单元5、陶瓷成型模具51、成型模腔51a、紫外线固化单元6、通风扇61、紫外灯62、牵引装置7、卷收机构8、第一对中刻度尺91、第二对中刻度尺92。

如图1至图11所示，本发明的一种紫外固化快速拉挤制备玻璃纤维复合材料Z-pin的设备，该设备包括依次设置的放料机构1、导向机构2、浸胶槽3、固化装置、牵引装置7以及卷收机构8，固化装置包括对经过浸胶槽3浸胶后的纤维材料进行含胶量调节的调节模具4以及使调节后的浸胶纤维材料凝胶定型的热固化单元5和使凝胶定型的纤维材料快速凝胶固化的紫外线固化单元6；调节模具4中设有至少一条使浸胶后纤维材料拉挤通过用以滤除纤维材料表面多余胶液的调节模腔4a，热固化单元5中设有与调节模具4中调节模腔4a口径一一相对应的成型模腔51a。本发明利用紫外线固化单元6取代了传统电阻丝加热烘箱，实现了胶液的快速固化，并且本发明配合调节模具4使用后，能进一步避免余胶因发生凝胶固化易堵塞模腔口的问题，因而能显著提高生产效率。

实施例中请结合图2至图7和图10，本发明的调节模具4由上下配合的上模具41和下模具42组成；上模具41的底面制有多条上模凹腔41a，相应地下模具42的顶面制有多条与上模凹腔41a一一对应相配合构成完整调节模腔4a的下模凹腔42a。如图10所示，本发明的调节模腔4a由上模具41的上模凹腔41a和下模具42的下模凹腔42a相配组合构成。

实施例中如图2和图5所示，调节模具4中并排设有多条调节模腔4a，并且多条调节模腔4a按口径依次呈递增的方式排列设置或按口径依次呈递减的方式排列设置。图2和图5分别只显示了调节模腔4a的一半，从图中可以看出每一条调节模腔4a的孔径均不同，这样就可以根据需要制备多种规格的玻璃纤维复合材料Z-pin，从而提高了调节模具4的利用效率。

实施例中，上模具41上和下模具42上相对应开有螺纹孔4b，该上模具41和下模具42合模后通过锁紧螺栓与螺纹孔4b螺旋配合锁紧固定。调节模具4由上模具41和下模具42合模组成，合模后为了保证整个调节模具4的稳定性，上模具41和下模具42通过锁紧螺栓固定锁紧。

实施例中，下模具42的顶面固定安装有定位凸块4c，相应地上模具41制有与定位凸块4c定位配合的定位凹槽4d；或上模具41的顶面固定安装有定位凸块4c，相应地下模具42制有与定位凸块4c定位配合的定位凹槽4d。本发明优选为下模具42的顶面固定安装有定位凸块4c的技术方案，下模具42的顶面还制有用于固定定位凸块4c的定位凸块安装槽。本发明制有定位凹槽4d和定位凸块4c是为了提高合模的精度和速度。

实施例中，热固化单元5中设置有陶瓷成型模具51，成型模腔51a形成在陶瓷成型模具51中。 本发明的多条调节模腔4a按口径依次呈递增的方式排列设置或按口径依次呈递减的方式排列设置。相应地陶瓷成型模具51也制有多条与调节模腔4a口径相匹配的成型模腔51a，多条成型模腔51a与多条调节模腔4a一一相对应。本发明的调节模腔4a为前后贯通的直型孔槽型内腔,浸胶后的纤维材料穿过调节模腔4a后再进入热固化单元5，受调节模具4调节模腔4a口径的限制，纤维材料上多余的胶液在调节模腔4a上即被滤除并沿模具端面下流，从而达到控制纤维材料含胶量的目的,避免其在热固化单元5陶瓷成型模具51成型模腔51a的腔口囤积。本发明在制备玻璃纤维复合材料Z-pin时，应根据设计需要选择相同口径的调节模腔4a和成型模腔51a，即浸胶后的纤维材料进入的调节模具4调节模腔4a口径与陶瓷成型模具51成型模腔51a的口径一致。这里的一致是指二者口径相同。

实施例中，紫外线固化单元6内设有对称的通风扇61以及用于发生紫外线的紫外灯62。

实施例中，调节模具4的两侧用于承载该调节模具4的面板上固定安装有用于确定调节模具4对中位置的第一刻度尺91；陶瓷成型模具51的两侧用于承载该陶瓷模具51的面板上固定安装有用于确定该陶瓷成型模具51对中位置的第二刻度尺92；第一刻度尺91上和第二刻度尺92上均标有刻度线。本发明设置第一刻度尺91和第二刻度尺92是为了方便调节模具4和陶瓷成型模具51精确对位。

本发明还提供了一种紫外固化快速拉挤制备玻璃纤维复合材料Z-pin的设备的制备方法，该方法包括以下步骤：

a)：装料，将纤维材料卷安装在放料机构1上，并拉出一段蘸取酒精后进行加捻，将加捻好的纤维材料先拉直铺放在调节模具4的下模具42下模凹腔42a中，然后合上调节模具4的上模具41，使上模具41的上模凹腔41a与下模凹腔42a相对构成完整的调节模腔4a，然后通过锁紧螺栓将上模具41和下模具42锁紧，再将进入调节模具4调节模腔4a之前的纤维材料段通过导向机构2穿过浸胶槽3，然后将从调节模具4调节模腔4a出来后的纤维材料段依次穿过热固化单元5中陶瓷模具51的成型模腔51a、紫外线固化单元6、牵引装置7，最终连接到卷收机构8上，并使放料机构1、卷收机构8之间的纤维材料保持一定张力；

b）：装料完成后，向浸胶槽3中加入配置好的胶液并预热热固化单元5中的陶瓷模具51；

c）：根据纤维材料和胶液的性质设定牵引装置7牵引的走料速度，调试好紫外线固化单元6内的紫外灯62，开启紫外线固化单元6；

d）：启动牵引装置7，干燥的纤维材料在牵引装置7的牵引力作用下进入浸胶槽3中完成浸胶，浸胶后的纤维材料通过调节模具4调节模腔4a的拉挤作用滤掉表面多余胶液，通过热固化单元5中陶瓷模具51成型模腔51a的热拉挤作用凝胶定型成为半成品玻璃纤维复合材料Z-pin，半成品玻璃纤维复合材料Z-pin在紫外线固化单元6中被完全固化，最终由卷收机构6收卷获得玻璃纤维复合材料Z-pin。

上述的步骤a中调节模具4调节模腔4a的口径与热固化单元5中陶瓷模具51成型模腔51a的口径一致。

本发明的调节模具设有多条不同口径的调节模腔4a，拉挤前，应将口径一致的调节模腔4a和成型模腔51a对准。

本发明的有益效果是：

1、通过紫外线固化取代传统电阻丝加热，固化速度快，有效缩短固化时间，提高拉挤速度，方便快捷；

2、纤维材料浸胶后表面富含胶液，通过能调节含胶量的调节模具，能有效避免成型模具口囤积的多余胶液被加热凝胶甚至固化，随着时间积累发生成型模具口被固体胶堵塞的情况。省略了给模具除胶的工序，配合紫外线固化单元使用，显著提高生产效率。

3、调节模具结构设计合理，容易生产制造，且安装和拆卸方便。