高压气流制备高性能复合纤维毡材成型工艺装置及其应用

本发明属于复合材料制造领域，具体涉及高压气流制备高性能复合纤维毡材成型工艺装置及其应用。

背景技术：

1、纤维毡材是一种低成本、轻质、综合性能好的新型材料，具有耐腐蚀、力学性能优良的良好性能。随着工业市场对轻质、高强度材料越来越大的需求，但由于连续纤维预浸料制作的编制布材，可塑形性较差，在生产过程中容易因织物结构被破坏，从而导致制品的性能受损，然而纤维毡材拥有优异的可塑性，因此具有连续纤维织物无法替代的优势，因此纤维毡材得到了广泛应用。

2、目前，纤维毡材的加工工艺主要有湿法类抄纸法、直接固相机械针刺法。湿法类抄纸法，是一种通过将提前预先裁切好的一种或多种纤维放置于一大缸液态介质，利用浮力、液体流动时的惯性，对成团的纤维进行分散，然后使用模具将分散好的纤维浆料抄出，并通过模具上预设的纱网孔洞过滤掉液态介质，最后再经过烘干设备进行烘干处理，以得到最终的纤维毡材；而机械针刺则是通过将预先裁切好的纤维先通过撕松机，进行分散处理，然后直接进行针刺，通过钩针的上下往复运动，以实现更进一步的均匀分散。但目前主流加工工艺中都存在杂质残留、有机溶剂、纤维分布不均、存在气孔、较难克服密度差等缺陷，例如在抄纸法中在烘干后的毡材会残留一定液态介质成分，这会导致在后续加工过程中纤维上的残余介质挥发产生空腔或气泡，进而导致板料的力学性能下降，专利申请cn 113584929a提出了一种挤压式纤维素卷材抄纸装置。该设备配套的使用方法采用了挤压脱水的工艺方法，但存在水成分难以有效排除，极易产生残留，虽然在后续采用加热方式除水，但由于在除水过程，纤维上将产生空腔或气泡，这将降低纤维的力学性能并最终限制部分纤维的使用；同样在机械针刺法生产的纤维毡材中虽然不存在液态介质残留，但同样由于钩针高速往复运动，将纤维不断勾起与刺下，会导致一些纤维的断裂，进而大幅度降低毡材成型后的性能，综上，目前纤维共混制毡的共性问题是如何克服纤维之间的密度差而产生组分纤维无法混合均匀，局部出现某种纤维富集等。因此在纤维毡材生产过程中，如何降低杂质残留、避免溶剂残留、抑制纤维破裂并且克服多种不同密度纤维不均匀共混、提高毡材力学性能是目前亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、为了解决上述技术难题，本发明提供了高压气流制备高性能复合纤维毡材成型工艺装置，它包括外部框架(1)、横向机架机构(2)、纵向机架机构(3)、纤维传切机构(4)、气流发生机构(5)、混料箱(6)、气道机构(7)，所述横向机架机构(2)设置于外部框架(1)内侧的底部，用于固定气流发生机构(5)，纵向机架机构(3)纵向固定于外部框架(1)的内侧，用于连接混料箱(6)，使得混料箱(6)沿外部框架(1)进行纵向的机械运动，所述气流发生机构(5)固定在横向机架机构(2)的上方，所述混料箱(6)安装在气流发生机构(5)的上方，外部框架(1)的内部，且固定于纵向机架机构(3)上，使混料箱(6)能够沿外部框架(1)进行纵向的机械运动，所述气道机构(7)位于混料箱(6)内部靠下的区域，并固定于混料箱(6)的内壁上，用于限制因为气流推动而对混料箱(6)产生的位移，纤维传切机构(4)位于混料箱(6)的侧上方，并固定于混料箱(6)的侧面，使得切碎的待加工材料落入混料箱(6)中，所述纤维传切机构(4)包括纤维导滑槽(4-1)、纤维定位辊(4-2)、纤维传递辊(4-3)、纤维旋切装置(4-4)，纤维传切机构(4)与混料箱(6)连接，并通过纤维导滑槽(4-1)使得待加工材料定向移动，避免待加工材料在后续纤维传递辊(4-3)传递加压时向外侧挤压，进而避免因纤维宽度超出工作幅面导致的纤维旋切装置(4-4)无法有效工作，纤维旋切装置(4-4)的工作幅面由纤维导滑槽(4-1)的宽度确定，将一个纤维定位辊(4-2)与一个纤维传递辊(4-3)设定为一组，共设定3组，每组以交替间隔方式设置于纤维导滑槽(4-1)上，通过将待加工材料在纤维定位辊(4-2)与纤维传递辊(4-3)的共同作用下固定张紧，以实现待加工材料幅宽与速度的稳定传递；所述气流发生机构(5)包括风机(5-1)、固定底座(5-2)，为整体设备提供风力来源，并且可以进行气流强度的调整；所述混料箱(6)用于混合待加工材料，是四周密闭、顶部与底部具有可调孔洞大小的筛板所组成的空心长方体，筛板能够使得气流流通，混料箱(6)能够限制待加工材料的分布空间；所述气道机构(7)主要包括连接机构(7-1)、扰流板(7-2)、随动偏转机构(7-3)；所述连接机构(7-1)由短连接臂(7-4)、长连接臂(7-5)以及用于连接两种连接臂的固定轴(7-6)组成，所述的短连接臂(7-4)用于连接随动偏转机构(7-3)，所述的长连接臂(7-5)用于连接混料箱(6)；所述连接机构(7-1)通过长连接臂(7-5)和短连接臂(7-4)的运动实现随动偏转机构(7-3)与混料箱(6)的协同运动，所述随动偏转机构(7-3)由框架(7-7)、转轴(7-8)组成；所述的转轴(7-8)只能进行轴向旋转，所述扰流板(7-2)固定于框架(7-7)上，框架(7-7)固定于混料箱(6)内壁上，扰流板(7-2)将风机(5-1)中流出的气流产生速度差，进而形成气流的不对称流动，最终转变为不定向紊流，用于分散待加工材料，并且通过改变扰流板(7-2)轴线与风机(5-1)产生的高压气流流动方向之间的夹角改变紊流程度，所述的短连接臂(7-4)一端与转轴(7-8)连接；根据待加工的材料调整长连接臂(7-5)和短连接臂(7-4)的长度，当混料箱(6)纵向移动时，会带动长连接臂(7-5)上下运动，同时由于有固定轴(7-6)的作用，因此短连接臂(7-4)也将运动，实现扰流板(7-2)随着混料箱(6)的运动进行偏转，在长连接臂(7-5)和短连接臂(7-4)的运动下，短连接臂(7-4)带动转轴(7-8)旋转的作用下，随动偏转机构(7-3)带动扰流板(7-2)发生偏转，其中，扰流板(7-2)的偏转角度是由连接机构(7-1)进行调控，以实现混料箱(6)内风量、风速与风向可调可控。

2、本发明还提供了高压气流制备高性能复合纤维毡材成型工艺装置的应用，它的应用包括如下步骤：按照加工需求，将待加工的材料放入到纤维传切机构(4)中进行切割处理后，在传递速度为200-300cm/min和转速为10～400r/min的情况下，将加工的材料输送到混料箱(6)内；然后将空气经过风机(5-1)转变为定向高压气流，风机(5-1)的转速为10～2950r/min，高压气流流量为20～5690m3/h，气流压力为100-8957pa，所述定向高压气流流经扰流板(7-2)后转变为不定向紊流，紊流程度会随着扰流板(7-2)的偏转角度的改变而变化，通过连接机构(7-1)对扰流板(7-2)进行偏转，其中扰流板(7-2)的偏转角度是指扰流板(7-2)轴线与风机(5-1)产生的高压气流流动方向之间的夹角，扰流板(7-2)的偏转角度范围为-90°～90°，短连接臂(7-4)的长度调整范围为15cm～45cm，长连接臂(7-5)的长度调整范围为50cm～100cm；所述的不定向紊流程度与偏转角度呈现正相关系，所述的不定向紊流对待加工材料进行连续分散5～30min后获得均匀分散的纤维毡状材料。

3、进一步地，所述的待加工材料为碳纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维、麻纤维、芳纶纤维或pa-6、pa-66、pp、pe、pla、pc、peek、pi中一种或任意组合。

4、进一步地，所述纤维定位辊(4-2)、纤维传递辊(4-3)为圆柱状材料并且能够旋转；所述风机(5-1)能够将空气转化为高压气流；固定底座(5-2)具有快速拆卸的卡榫结构，便于在更换或检修气流时能够拆卸。

5、进一步地，所述的扰流板(7-2)材质为pc、pvc、pmma、pp中的一种，具有轻量化，能够提高随动偏转机构(7-3)的灵敏度和延长随动偏转机构(7-3)的使用寿命。

6、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

7、与现有技术报道的毡材生产过程中将产生杂质、溶剂残留、纤维力学性能下降、纤维破裂并且多种具有密度差的纤维之间不容易进行均匀共混制毡等问题，例如：多组分纤维共混难、多组分纤维密度差所导致的纤维分层和分散不均匀及机械针刺损伤、湿法分散产生的助剂、溶剂残留、断丝等加工缺陷。

8、本发明获得的高压气流制备高性能复合纤维毡材成型工艺装置，利用该装置以及工艺及工艺参数的协同调控作用，具有如下优势：

9、根据待加工材料组分、配比，通过传递速度、高压气流流量、不定向紊流程度、风速以及风向等参数的协同调控作用，较好实现待加工材料的混合均匀，并且避免待加工材料的不均匀分散；既能实现对同种材料混合也能对不同密度材料的混合，有效消除纤维间密度差产生的不利影响以及纤维之间分层的同时，实现毡材的混合均匀、力学性能无损、无杂质和溶剂残留、耐高温、热稳定性强、高效率、不断丝的连续化低成本化生产。