[发明专利]制造丝束预浸料的设备和方法

说明书

本发明提供了一种制造丝束预浸料的设备，其包括：扩幅辊，调节所供应的纤维的入射角；以及两个或更多个涂覆辊，包括第一辊和第二辊，第一辊和第二辊当该第一辊与第二辊之间具有一间隙时旋转，其中，从扩幅辊供应的纤维穿过第一辊与第二辊之间的间隙被用树脂涂覆。调节用于浸入树脂所供应的纤维的入射角，来调节施加于供应到涂覆辊的纤维的张力，从而调节树脂含量。本发明还提供了一种制造丝束预浸料的方法。

技术领域

本公开涉及制造丝束预浸料的设备和方法，并且更具体地，涉及制造可用作用于燃料电池车辆的压力容器材料的丝束预浸料的设备和方法。

背景技术

用于储存高压气体的压力容器需要基本上坚固且具有抗高压特性的材料，并且具体地，为了提高燃料电池车辆的燃料效率和性能，结构的轻便性是必不可少的。轻质和坚固的碳纤维复合材料的应用是替代由金属形成的压力容器的最有效的方法之一。

通过长丝缠绕(filament winding)方法制造由复合材料形成的压力容器。长丝缠绕方法可容易地通过整体成型来制造具有圆形形状或弯曲的结构，并且在负荷转移方向上集中地强化纤维，由此具有使复合材料的性能最大化的优点。长丝缠绕方法是通过围绕形状像圆柱的旋转模具(心轴)周围缠绕连续纤维(其中浸渍树脂)并硬化该连续纤维来制造旋转对称结构的复合材料成型方法。长丝缠绕方法可以采用湿式缠绕方法以及使用丝束预浸料的干式缠绕方法，在该湿式缠绕方法中，长丝在将加强纤维缠绕到模具周围之前立即穿过树脂浴时被浸渍。

在当前应用于压力容器的大多数制造工序的湿式缠绕方法中，根据工序的特性，树脂的粘度需要非常低，其中，树脂浸渍到加强纤维中并且同时缠绕在模具上。因此，难以组合各种树脂和提供添加剂，使得难以实现树脂的各种性质。而且，由于相同的原因，在缠绕期间会产生滑动现象，使得难以缠绕复杂的图案。此外，纤维布置不均匀，使得纤维的再现性和可靠性相对较低，并且由于使用液态树脂而使工作场所受到污染，从而导致较差的制造环境。此外，因为强化纤维和树脂被浸渍在压力容器生产位置中，所以难以均匀地调节强化纤维和树脂的体积比，并且产品质量体积比的缺陷可能导致压力容器本身的缺陷。

同时，干式缠绕方法使用丝束预浸料作为中间体(intermediary)，使得树脂预先以预定的体积比浸渍在强化纤维中。当使用丝束预浸料时，可以省略单独的树脂浸入工序，使得能够用简单和清洁的工序来制造压力容器。此外，由于预先以正确的体积比生产中间体，所以能够防止产生压力容器的体积比的缺陷。此外，由于使用了比应用于湿式缠绕工序的树脂粘度更高的树脂，所以丝束预浸料的表面具有粘接性并且下心轴与缠绕预浸料的表面可以接合，从而防止树脂在缠绕期间滑动，以及精确地制造可以以各种图案设计的压力容器。由于上述原因，作为用于下一代复合压力容器的芯部材料的丝束预浸料已受到关注。

制造丝束预浸料的方法分为溶剂工序和热熔工序。

溶剂工序是通过在能够熔融树脂的溶剂中稀释具有高粘度的树脂而为树脂赋予流动性的工序，以便将树脂浸渍在强化纤维中，将稀释的树脂浸入在强化纤维中，然后干燥并去除溶剂以制造丝束预浸料，并且其制造工序简单。然而，溶剂工序难以精确控制丝束预浸料的树脂和强化纤维的体积比，使得实际上难以在干燥期间完全去除丝束预浸料内的挥发性物质。在成型/硬化工序期间，丝束预浸料内的残留挥发性物质被气化以形成空隙，从而引起成型产品的性能显着降低的问题，并且由于这个原因，通过溶剂工序制造的丝束预浸料几乎不应用于包括高压容器的高性能复合材料。

相反，热熔工序是通过加热具有高粘度的树脂并将树脂浸入在强化纤维中以产生流动性的方法，所以能够制造具有少挥发性物质的丝束预浸料。因此，热熔融工序可以精确地控制树脂和强化纤维的体积比，并因此可以是适于制造丝束预浸料的制造工序，该丝束预浸料适用于要求高再现性、可靠性和性能的复合材料产品。然而，目前还没有建立应用热熔工序的丝束预浸料的制造技术的标准，并且研究和开发活动很少。此外，已知将热熔丝束预浸料商品化的制造企业的生产效率低，并且由于这个原因，材料的价格非常高，所以难以切实地应用丝束预浸料来大量生产复合材料产品。因此，迫切需要开发准确且有效地制造丝束预浸料的设备和工序。