一种碳纤包覆玻纤拉挤板材生产工艺及生产设备的制作方法

1.本发明属于纤维板材技术领域，具体涉及一种碳纤包覆玻纤拉挤板材生产工艺及生产设备。


背景技术：

2.现有的风电叶片大梁主要是由玻璃纤维或碳纤维通过拉挤成型工艺的板材，经过后处理、脱模布撕除、再按照一定顺序铺设而得到。目前玻璃纤维拉挤板材模量做到67gpa以上比较困难，而碳纤维拉挤板的拉压平均模量虽然可达到145gpa以上，但成本高昂。碳纤维和玻璃纤维的混合拉挤板材能做到兼顾成本和性能，在风电叶片大梁中有着广阔的应用前景。
3.中国专利公开号：cn111959058a，公开了一种玻纤包覆碳纤的复合拉挤板材，该板材中碳纤维被绝缘的玻纤层所隔绝，会导致叶片避雷系统建立难，容易被雷电击穿。而中国专利公开号：cn111959058a，为了使板材更容易与叶片防雷系统配合，解决被雷电击穿风险，公开了另一种结构的碳玻混平板，其中板材的碳纤区连通玻纤区的表面。但该种碳玻混结构比较复杂，在拉挤成型工艺中得到理想规整的结构比较困难，容易导致板材性能的不均匀性，碳纤维分布的不均匀性，对拉挤板材的直线度等性能产生影响。


技术实现要素：

4.鉴于现有技术中碳玻混平板中碳纤维连通复杂结构在拉挤成型工艺上较难形成规整结构的问题，本发明提出一种碳纤包覆玻纤拉挤板材生产工艺及生产设备，该碳纤包覆玻纤结构更容易拉挤成型，更容易配合防雷体系，将雷电传导到地下，降低了叶片的雷击损伤风险。
5.实现本发明目的的技术解决方案为：
6.一种碳纤包覆玻纤拉挤板材，所述板材包括碳纤维区域和玻璃纤维区域，所述碳纤维区域完全包覆玻璃纤维区域。
7.进一步地，碳纤维体积与玻璃纤维体积比为24:45～29:40。
8.根据上述的碳纤包覆玻纤拉挤板材的应用，将所述碳纤包覆玻纤拉挤板材应用于风电叶片大梁。
9.一种碳纤包覆玻纤拉挤板材生产设备，包括碳纤与玻纤混合纱架、碳纤维张力调节装置、玻璃纤维张力调节装置、集纱板、分纱板、胶槽中双压胶杆、第一纱梳、挤胶杆、抬纱杆、第二纱梳、多级刮胶板、成型模具、后固化箱、计米装置、牵引设备、切割装置、收卷装置，
10.在牵引设备作用下，碳纤维和玻璃纤维分别经过碳纤维张力调节装置和玻璃纤维张力调节装置后被送至集纱板，所述集纱板、分纱板、胶槽中双压胶杆、第一纱梳、挤胶杆、抬纱杆、第二纱梳、多级刮胶板、成型模具、后固化箱、计米装置、牵引设备、切割装置、收卷装置依次设置。
11.进一步地，所述多级刮胶板包括依次设置的第一块刮胶板、第二块刮胶板和第三
块刮胶板，所述第一块刮胶板开设有上下排布的四个条形孔和位于四个条形孔左右两侧的各三个圆孔，四个条形孔中最上面和最下面的条形孔比中间两个条形孔宽；第二块刮胶板开设有上下排布的三个条形孔和分布在三个条形孔左右两侧的各三个圆孔，三个条形孔中最上面和最下面的条形孔比中间条形孔宽；第三块刮胶板开设有上下排布的三个条形孔和分布在三个条形孔左右两侧的各一个矩形孔。
12.进一步地，所述成型模具入口处设有金属加热圆棒，被金属加热圆棒除湿后的脱模布进入成型模具。
13.进一步地，所述成型模具分为三个温度区，该三个温度区的温度分别控制在130～200℃，所述固化箱包括三段温设逐渐降低的后固化箱，温度控制在130～190℃。
14.采用上述的碳纤包覆玻纤拉挤板材生产设备生产所述的碳纤包覆玻纤拉挤板材的生产工艺，包括以下步骤：
15.步骤1：根据想要达到的目标性能，计算出设定截面大小的拉挤板材所需要碳纤维纱与玻纤纱的数量；
16.步骤2：根据理想的拉挤板材截面上碳纤维与玻纤分布形式，设计出碳纤维纱和玻纤纱在集纱板和分纱板排布形式；
17.步骤3：按照预设的排布形式，在牵引设备的牵引下，经过张力调节后碳纤维纱和玻纤纱从碳纤与玻纤混合纱架上出来，穿过集纱板、分纱板、在胶槽中双压胶杆作用下浸渍树脂胶液后，将纤维分为四层，从上到下依次为碳纤维层、玻璃纤维层、玻璃纤维层、碳纤维层，其中玻璃纤维两侧分布一定数量的碳纤维，经过第一纱梳梳理纤维、挤胶杆初步挤出多余的树脂、抬纱杆、第二纱梳均匀收缩纤维分布宽度、多级刮胶板进行多级刮胶，其中第一块刮胶板最上面和最下面的条形孔只允许穿过最上面和最下面的碳纤维层，两侧圆孔只允许穿过来自玻璃纤维两侧的碳纤维，中间两个条形孔只允许玻璃纤维层穿过，使玻纤体积含量控制在玻纤和树脂胶液总体体积的50-55％；第二块刮胶板最上面和最下面的条形孔只允许穿过来自第一块刮胶板最上面和最下面条形孔的碳纤维层，两侧圆孔只允许穿过来自第一块刮胶板两侧对应圆孔的碳纤维，中间条形孔只允许玻纤穿过，使玻纤体积含量控制在玻纤和树脂胶液总体体积的60-65％；第三块刮胶板最上面和最下面的条形孔只允许穿过来自第二块刮胶板最上面和最下面条形孔的碳纤维层，两侧矩形孔各自汇合来自刮胶板对应侧三个圆孔的碳纤维，中间条形孔只允许玻纤穿过，使玻纤体积含量控制在玻纤和树脂胶液总体体积的65-69％；
18.步骤4：经过多级刮胶的碳纤维纱和玻纤纱再与脱模布一起进入成型模具，经过拉挤工艺，得到板材；
19.步骤5：板材再经过后固化箱经冷却、经计米装置记米、经过牵引设备、经过切割装置1切割、经过收卷装置收卷，得到碳纤包覆玻纤拉挤板材。
20.进一步地，碳纤维和玻纤所浸渍的树脂胶液按照重量份数包括以下组分：树脂100份、固化剂80～106份、促进剂0～2份、脱模剂1～2份、填料0～8份。
21.进一步地，所述树脂为热固性树脂或热塑性树脂。
22.本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
23.(1)本发明的碳纤包覆玻纤拉挤板材是将按一定形式排布(碳纤维纱围绕玻纤纱对称排布)的纤维浸渍树脂胶液后，经拉挤成型；碳纤包覆玻纤拉挤板材可应用于风电叶片
大梁，相比于纯玻纤拉挤板材密度低、力学性能更优异，兼顾成本和性能，由于板材的碳纤维全包覆结构，更容易配合防雷体系，将雷电传导到地下，降低了叶片的雷击损伤风险，在风电叶片大梁中有着广阔的应用前景；
24.(2)本发明采用专门设计的多级刮胶板，在每一级刮胶板上中间和两侧开设孔，能够使得碳纤和玻纤经过多级刮胶板后除去多的胶液并形成碳纤包覆玻纤的形式。
附图说明
25.图1为本发明的碳纤包覆玻纤拉挤板材的结构示意图。
26.图2为本发明用于生产碳纤包覆玻纤拉挤板材生产设备的组成示意图。
27.图3为多级刮胶板的结构示意图。
具体实施方式
28.如图1所示，一种应用于风电叶片大梁的碳纤包覆玻纤拉挤板材，该拉挤板材在截面上，由一定规则排布碳纤和玻纤浸渍树脂胶液后，分别经过多级刮胶后，再拉挤固化成型，该板材由两个区域组成，包括碳纤维区域1和玻璃纤维区域2，其中，碳纤维区域1完全包覆玻璃纤维区域2。
29.优选地，碳纤维体积与玻璃纤维体积比为24:45～29:40。
30.结合图2，一种根据上述的碳纤包覆玻纤拉挤板材的生产设备，包括碳纤与玻纤混合纱架3、碳纤维张力调节装置4、玻璃纤维张力调节装置5、集纱板6、分纱板7、胶槽中双压胶杆8、第一纱梳91、挤胶杆10、抬纱杆11、第二纱梳92、多级刮胶板12、成型模具15、后固化箱16、计米装置17、牵引设备18、切割装置19、收卷装置20，胶槽中双压胶杆8形式是纤维进入胶槽后，要经过两次圆杆的展开，浸渍胶液，并且两次经过的圆杆之间有一定的距离，同一高度的压胶杆圆杆圆心间距离为110mm。
31.在牵引设备18作用下，碳纤维22和玻璃纤维21分别经过碳纤维张力调节装置4和玻璃纤维张力调节装置5后被送至集纱板6，所述集纱板6、分纱板7、胶槽中双压胶杆8、第一纱梳91、挤胶杆10、抬纱杆11、第二纱梳92、多级刮胶板12、成型模具15、后固化箱16、计米装置17、牵引设备18、切割装置19、收卷装置20依次设置。
32.具体地，结合图3，所述多级刮胶板12包括依次设置的第一块刮胶板121、第二块刮胶板122和第三块刮胶板123，所述第一块刮胶板121开设有上下排布的四个条形孔和位于四个条形孔左右两侧的各三个圆孔，四个条形孔中最上面和最下面的条形孔比中间两个条形孔宽2mm，中间两个条形孔面积设定在一定值；第二块刮胶板122开设有上下排布的三个条形孔和分布在三个条形孔左右两侧的各三个圆孔，三个条形孔中最上面和最下面的条形孔比中间条形孔宽2mm，第二块刮胶板122中间条形孔将第一块刮胶板121的中间两个条形孔的两层玻纤汇合成一层，并将条形孔的面积缩小到一定值(第二块刮胶板122中间条形孔的面积小于第一块刮胶板121的中间两个条形孔的面积之和要小)；第三块刮胶板123开设有上下排布的三个条形孔和分布在三个条形孔左右两侧的各一个矩形孔，三个条形孔的中间的条形孔面积进一步缩小。
33.进一步地，所述成型模具15入口处设有金属加热圆棒14，被金属加热圆棒14除湿后的脱模布13进入成型模具15，圆棒14直径为60mm，温度控制在80-100℃。
34.进一步地，所述成型模具15长度为1000mm，分为三个温区，温度分别为：140℃、180℃、190℃，对应的温区长度分别为100mm、300mm、300mm，所述固化箱16长度为1000mm，分为三个温区，温度分别为：190℃、170℃、150℃。
35.采用上述的碳纤包覆玻纤拉挤板材生产设备生产前述的碳纤包覆玻纤拉挤板材的生产工艺，其特征在于，包括以下步骤：
36.步骤1：根据想要达到的目标性能，计算出设定截面大小的拉挤板材所需要碳纤维纱与玻纤纱的数量；
37.步骤2：根据理想的拉挤板材截面上碳纤维与玻纤分布形式，设计出碳纤维纱和玻纤纱在集纱板6和分纱板7排布形式；
38.步骤3：按照预设的排布形式，在牵引设备18的牵引下，经过张力调节后碳纤维纱22和玻纤纱21从碳纤与玻纤混合纱架3上出来，穿过集纱板6、分纱板7、在胶槽中双压胶杆8作用下浸渍树脂胶液后，将纤维分为四层，从上到下依次为碳纤维层、玻璃纤维层、玻璃纤维层、碳纤维层，其中碳纤和玻纤在集纱板6和分纱板7上均呈现碳纤包围玻纤的排布，玻璃纤维两侧分布一定数量的碳纤维，经过第一纱梳91梳理纤维、挤胶杆10初步挤出多余的树脂、抬纱杆11、第二纱梳92均匀收缩纤维分布宽度、多级刮胶板12进行多级刮胶，第一纱梳91梳理纤维，防止同层间纤维混乱分布，其中第一块刮胶板121最上面和最下面的条形孔只允许穿过最上面和最下面的碳纤维层，两侧圆孔只允许穿过来自玻璃纤维两侧的碳纤维，中间两个条形孔只允许玻璃纤维层穿过，使玻纤体积含量控制在玻纤和树脂胶液总体体积的55％，抬纱杆11上沿高度与对应的第一块刮胶板121中的四个条形孔下沿平齐，纤维进入第一块刮胶板121之前，先由纱梳将分布较宽的纤维均匀缩窄到与第一块刮胶板121的条形孔宽度的110％；第二块刮胶板122最上面和最下面的条形孔只允许穿过来自第一块刮胶板121最上面和最下面条形孔的碳纤维层，两侧圆孔只允许穿过来自第一块刮胶板121两侧对应圆孔的碳纤维，中间条形孔只允许玻纤穿过，使玻纤体积含量控制在玻纤和树脂胶液总体体积的63％；第三块刮胶板123最上面和最下面的条形孔只允许穿过来自第二块刮胶板122最上面和最下面条形孔的碳纤维层，两侧矩形孔各自汇合来自刮胶板122对应侧三个圆孔的碳纤维，中间条形孔只允许玻纤穿过，使玻纤体积含量控制在玻纤和树脂胶液总体体积的66％；
39.步骤4：经过多级刮胶的碳纤维纱和玻纤纱再与脱模布13一起进入成型模具15，经过拉挤工艺，得到板材；
40.步骤5：板材再经过后固化箱16经冷却、经计米装置17记米、经过牵引设备18、经过切割装置119切割、经过收卷装置20收卷，得到碳纤包覆玻纤拉挤板材，在本实施例中，拉挤速度为300mm/min。
41.具体地，碳纤维和玻纤所浸渍的树脂胶液按照重量份数包括以下组分：树脂100份、固化剂106份、脱模剂2份。
42.优选地，所述树脂为热固性树脂或热塑性树脂，更优选地为环氧树脂体系、不饱和聚酯树脂体系、苯并噁嗪树脂体系、酚醛树脂体系、聚氨酯树脂体系、对苯二甲酸树脂体系中、环烯烃树脂体系的一种或两种及以上的组合。
43.本发明所生产的碳纤包覆玻纤拉挤板材的0
°
拉伸模量平均值为101.5gpa和90
°
拉伸强度平均值为47mpa。
44.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界。