两步法碳纤维预浸料生产设备关键工艺参数及设备发展趋势
吕宝帅
（威海光威复合材料股份有限公司 威海 264200）
摘 要 碳纤维预浸料是指连续碳纤维、碳纤维织物或短切碳纤维在一定工艺条件下经过树脂基体浸渍形成的碳纤维/树脂基体的混合体，它是制造先进复合材料结构件的一种主要材料方式。复合材料与传统材料相比，具有强度高、质量轻、寿命长、耐高温等诸多优点，不仅在航空航天等关键领域得到了广泛应用，而且在风力发电、高铁、船舶、建筑、体育器材、汽车、低空飞行器等民用领域也大放异彩。随着预浸料应用的领域越来越广，市场需求越来越大，生产工艺也越来越成熟，在市场的不断推动下，对预浸料生产设备的性能提出了更高的要求。文章从设备组成、发展趋势以及发展前景等几方面进行了相关介绍。
2.1. 关键词 碳纤维，预浸料，工艺参数，
中图法分类号 TB332
Key process parameters and development
trend of two-step carbon fiber prepreg production equipment
LV Bao Shuai
(Weihai Guangwei Composite Materials
Co., Ltd., Weihai 264200)
Carbon
fiber prepreg refers to the mixture of carbon fiber/resin matrix formed by
continuous carbon fiber, carbon fiber fabric or short carbon fiber impregnated
by resin matrix under certain technological conditions. It is a main material
method for manufacturing advanced composite structural parts. Compared with
traditional materials, composite materials have many advantages such as high
strength, light weight, long life, and high temperature resistance, which are
not only widely used in key fields such as aerospace, but also in civil fields
such as wind power generation, high-speed rail, ships, construction, sports
equipment, automobiles, and low-altitude aircraft. With the application of
prepreg more and more wide areas, the market demand is growing, the production
process is becoming more and more mature, in the continuous promotion of the
market, the performance of prepreg production equipment put forward higher
requirements. This paper introduces the equipment composition, development
trend and development prospect
Keywords: carbon fiber, prepreg, Process parameter
[1]收稿日期： 修回日期：
作者简介：吕宝帅(1988.11-)，学士，工程师，主要从事碳纤维预浸料设备研发及其复合材料相关工作，
Email: GW20200420@163.cn
0 引言
碳纤维预浸料是指连续碳纤维、碳纤维织物或短切碳纤维在一定工艺条件下经过树脂基体浸渍形成的碳纤维/树脂基体的混合体，它是制造先进复合材料结构件的一种主要材料方式。复合材料与传统材料相比，具有强度高、质量轻、寿命长、耐高温等诸多优点，不仅在航空航天等关键领域得到了广泛应用，而且在风力发电、高铁、船舶、建筑、体育器材、汽车、低空飞行器等民用领域也大放异彩。。
随着预浸料应用的领域越来越广，市场需求越来越大，生产工艺也越来越成熟，在市场需求的不断推动下，对预浸料生产设备的性能提出了更高的要求。
1.
两步法预浸料生产设备基本组成
两步法预浸料生产设备一般由胶膜机、预浸机两部分组成。
2.
胶膜机的功能及组成
胶膜机主要用于生产树脂胶膜，当生产不同克重的预浸料时，需要的胶膜克重也不一样，同时不同的预浸料也会用到不同的树脂体系，比如环氧树脂、双马树脂、聚酰亚胺树脂、氰酸脂等，所以胶膜机主要用于生产各种树脂体系的胶膜，且胶膜克重也会有所不同。
采用胶膜机生产的胶膜一般涂胶克重精度比较高，涂胶克重范围广，涂胶克重从10g到300g均可进行生产，且生产速度比较快，可以达到30m/min以上。
胶膜机一般由离型纸放卷装置、拼接台装置、涂胶装置、胶膜克重检测装置、冷却装置、牵引覆膜装置、收卷装置、电气控制系统等部分组成。
3.
预浸机的功能及组成
预浸机属于预浸料生产的第二道工艺设备，主要将胶膜机生产的胶膜和单向纤维或者织物进行预浸，生产出预浸料产品。
因为涂膜机生产的胶膜精度比较高，所以采用该胶膜生产的预浸料面密度及树脂含量同样精度也会很高，所以一些产品质量要求高，比如航空航天关键领域基本使用两部法来生产预浸料。
预浸机一般由纱架装置、展纱装置、上、下胶膜放卷装置、PE膜收卷装置、织物放卷装置、加热辊装置、加热板装置、冷却板装置、上离型纸收卷装置、PE膜放卷装置、牵引辊装置、覆膜辊装置、切边装置、喷码装置、预浸料收卷装置、电气控制系统等部分组成。
4.
胶膜机关键工艺参数及发展方向
随着预浸料产品在航空航天以及在一些电子产品行业的应用，对预浸料产品性能及克重精度要求越来越严格，要想使产品满足要求，除了熟知树脂特性指定合理的工艺温度外，对生产设备一样提出了更加苛刻的要求，比如在胶膜机生产工艺上主要体现在涂胶克重精度和收放卷张力控制以及涂胶机构的温度控制精度，要求设备运行性能更加稳定，涂胶工艺温度精度要求更高，通过严格控制以上参数从而达到控制胶膜克重精度。
涂胶机的涂胶方式采用的是转移法将涂胶辊表面的树脂转移到离型纸上，而树脂转移量的多少，主要靠控制涂胶辊和计量辊之间的间隙，所以涂胶克重精度想要稳定，整套间隙控制系统就必须运行稳定可靠，所以现在的涂膜机通过设置消间隙机构来消除机械结构自身的间隙，减少涂胶机构的串动，从而保证涂胶辊和计量辊之间的间隙相对稳定。
树脂的粘度及流动性是随着温度变化而变化的，可以说树脂在不同温度下其密度也会发生变化，所以首先要保证树脂在一个相对稳定的温度下进行涂胶，温度稳定了才能保证树脂物理特性稳定，所以控制涂胶克重精度的另一个关键因素就是控制好涂胶辊和计量辊的温度均匀性及温度精度。
同样在涂胶过程中如果收放卷的张力波动变化太大，一样会影响整条产线的生产精度，收放卷张力变化会影响离型纸的物理特性，同时收放卷的张力变化会产生微量的设备振动，该震动就是一个不可控因素，会影响到设备的涂胶精度，所以收放卷张力控制在生产中也十分重要。
除了在设备精度及涂胶精度要求更加严格稳定外，胶膜机另一个发展趋势就是智能化及自动化。比如之前设备往往采用一套胶膜克重检测装置，而现在越来越多的客户要求设备采用两套胶膜克重检测装置，两套重检测装置分别用于监测离型纸的克重、涂胶后离型纸的克重，通过两组数据的比对可以更准确的计算出胶膜的克重，虽然设备成本有所增加，但是通过采用两套胶膜克重检测装置可以更好的监测涂胶克重，同时监测数据可以保存调取，使涂胶数据具有可追溯性。在自动化方面则是由原来的人工上下料慢慢的改为机械手上下料，以及通过AGV系统进行物料的运输就位，所以胶膜机的自动化才刚刚开始，目前还做不到完全的无人化生产，但是我相信胶膜机会逐步向无人化方向发展。
5.
预浸机关键工艺参数及发展方向
预浸机生产线设备包含的设备独立单元比较多，所以需要控制的工艺参数就相对比较多一些，比如纤维放纱张力的大小、胶膜放卷张力的大小、展纱装置的展纱效果、加热辊装置温度精度、加热板装置温度精度、冷却板温度精度、预浸料收卷张力大小等参数，这些参数在预浸料生产过程中都至关重要。张力部分的改善一般由两个方向，一是采用浮动辊装置，第二种就是采用主动放的方式，展纱装置通过增加振动展纱杆的方式来改善展纱效果。工艺温度的控制就是采用温度闭环控制等方式来保证温度均匀性。
纱架装置目前被动放纱的方式仍占据主导地位，采用该方式放纱的优点是设备简单，维护方便，成本低廉，确定是不同纱锭之间的放纱张力有差异，即使是同一锭纱，其放纱过程中纱线张力也在一点点的变大，所以采用该方式经济性好，但张力控制比较粗犷一些。为了改善放纱张力的波动，慢慢的出现了主动放纱的方式，采用该方式放纱可以有效的改善放纱过程中的张力变化，使纤维纱线在整个生产中都保持张力稳定。
同样通过采用主动放卷来替代被动放卷的装置还有胶膜放卷装置、织物放卷装置、PE膜放卷装置等，都是基于相同的原理来改善放卷张力变化，来保证产品物理特性一致。
在预浸料生产过程中加热辊装置的热压辊温度均匀性同样是个至关重要的因素，加热辊装置主要对预浸料进行加热以及对预浸料表面进行施加压力，使树脂可以更好的浸透到纤维里，所以加热辊的表面温度将直接影响树脂的浸透效果，更好的温度均匀性可以更好的保证预浸料的物理特性的一致性。而且当生产不同的产品时，设备配备的加热辊装置数量也将会不同，当生产的产品纤维面密度较大时，相应的胶膜面密度也会比较大，此时就需要增加热压辊的数量对产品进行多次的加热、加压，以达到树脂和纤维更好的渗透结合。
预浸机除了工艺参数要求越来越高，设备也在朝着智能化、自动化方向发展。
为了更好的监测产品质量，设备往往会配备面密度检测装置、缺陷检测装置、缺陷贴标系统等相关检测标记系统用以代替之前的人员观察，首先依靠监测系统检测产品缺陷会更加准确高效，出现误判的几率也会比较低；其次依靠检测系统监测的产品缺陷类型更加详细；还有就是检测系统检测的所有数据可以长期保存、以及调用、对比。可以更好的进行总结和判断产品缺陷对后期制件的性能影响。
工厂的智能化、无人化是未来发展的趋势，所以预浸机设备作为一种生产设备同样遵循这种发展趋势，目前不少厂家在设备订购时都提出了预留通讯网口，为后期智能化升级做准备，也会有部分厂家已经在做设备的升级改造，比如引入AGV技术，进行物料的搬送就位，比如引入机械臂，对设备进行上下料，比如设备的自启动功能，可以在上班前使加热辊装置提前加热并稳定到工艺温度。
6.
两步法碳纤维预浸料生产设备发展前景
两步法碳纤维预浸料设备相较一步法设备有着明显的技术优势，一部法设备主要用于生产织物预浸料，目前还做不到宽幅单向纤维预浸料的生产，所以其生产产品相对单一，第二点就是一部法设备生产的产品精度远不如两步法碳纤维预浸料设备的生产精度高，产品物理特性的一致性偏差，所以目前市场上高端碳纤维预浸料产品或者说重要的碳纤维预浸料产品使用的预浸料普遍是采用两步法碳纤维预浸料设备生产的。所以两步法碳纤维预浸料设备在未来市场上还将占据主导地位。
随着近几年国内碳纤维产能的增加及逐步释放以及碳纤维制品在各个领域的大量应用，市场对两步法碳纤维预浸料生产设备的需求也会更加旺盛，而且近几年国外客户对中国产预浸料设备也颇为青睐，出口量也将与日俱增。
随着大飞机项目、低空经济、高铁领域、船舶领域、新能源领域、体育用品、休闲娱乐等领域的不断发展，两步法碳纤维预浸料生产设备的市场前景将会十分乐观。
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