CN101077611A - 脉冲式冲击强化在线配混注射成型方法及其设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了脉冲式冲击强化在线配混注射成型方法及其设备。该方法是脉冲式冲击作用被引入纤维增强聚合物复合材料在线配混注射成型全过程，使聚合物及纤维塑化配混、缓冲储料、注射充模与保压在周期性脉冲式冲击作用下进行。该设备包括主螺杆可做轴向周期性脉冲式冲击运动的“一”字型排列三螺杆塑化挤出装置、缓冲储料装置和脉冲式冲击压力强化柱塞式注射装置。本发明在塑化配混、缓冲储料、注射充模与保压全过程中，脉冲式冲击压力强化作用使纤维增强聚合物复合材料在线配混注射过程中熔体粘度降低、混合与均化效果加强、纤维与聚合物相容性提高、纤维极限长度增加，从而使加工能耗降低、制品质量提高。

Description

脉冲式冲击强化在线配混注射成型方法及其设备

技术领域

本发明属于纤维增强聚合物基复合材料成型加工方法及设备领域，具体是指脉冲式冲击强化在线配混注射成型方法及设备。

背景技术

由于纤维增强聚合物复合材料的良好力学性能及可回收的特点，因而被广泛应用于汽车、机械、电器、建筑、船艇、航天航空等行业中。加工成型纤维增强聚合物基复合材料的方法主要有“两步法”成型、在线配混注射成型、挤出成型等。由于纤维填充后的聚合物基复合材料加工时熔体流动性差、加工困难、纤维易折断等原因，影响了制品中纤维的长度及长度分布，严重影响了制品的质量。因此需要新的成型设备及加工工艺来克服这些困难与不足。在线配混注射成型方法是目前国内外最新也是最有效的成型纤维增强聚合物基复合材料的方法，有关在线配混注射成型方面展开了不少工作，取得了不少成果。

美国专利US005773042A、德国专利DE19538255公开了一种注射成型长度3～4.25mm玻璃纤维填充塑料体系的设备。该设备利用异向双螺杆进行塑化，螺槽较深，可以减少对玻璃纤维的过度折断。同时在双螺杆挤出机熔体出口处添加加压装置，通过控制熔融状态下玻璃纤维在熔体中的解缠结，最终控制玻璃纤维在熔体中的分散。但由于该装置在充模与保压过程中螺杆停止转动，塑化停止，因而配混得到的复合材料熔体的均匀性受到影响。

德国专利DE1142229公开了一种玻璃纤维增强聚合物复合材料的在线配混注射成型设备，该设备由一双螺杆配混装置和一柱塞式注射装置构成，塑料及填充物经配混装置塑化后导入注射装置，然后通过柱塞前移被注入模腔内。但在柱塞前移注射和保压过程中，双螺杆挤出机停止工作。该技术及装备不能连续配混，配混得到的复合材料熔体均匀性差，因而制品的稳定性差。

美国专利US2003075821、德国专利DE1052244公开了在注射柱塞前移充模、保压过程，配混装置可以连续工作的在线配混注射成型设备，其配混装置可以是单螺杆、同向或异向双螺杆挤出机。通过采集配混装置与储料缸联接处熔体的压力信号来控制储料缸活塞的速度及螺杆的转速来提高储料缸处熔体压力的稳定性。但该方法及设备为了保证熔体的压力而引起螺杆转速的波动，从而影响了配混塑化质量。

美国专利US20060264557公开了一种用于玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的在线配混注射成型技术与设备。该技术采用双螺杆挤出机进行塑化、混炼，塑料原料由上游加料口加入，连续的玻璃纤维由下游加料口加入。玻璃纤维进入料筒后直接与聚合物熔体接触，对玻璃纤维起到润滑保护作用，从而减少对玻璃纤维的破坏。复合材料中PP的含量至少30％，复合材料中有机纤维的重量含量可为10％～60％，无机填料的含量可为0～40％。利用该设备加工得到的制品弯曲模量至少可达300000psi，同时保持相当好的柔韧性。该技术采用储料缸的形式实现连续配混过程。但通过储料缸外表面进行加热保温，由于熔体传热性差使得储料缸中熔体的温度均匀性差，从而影响制品质量的稳定性。

发明内容

本发明的目的是针对以上技术与设备中存在的问题与不足，提供一种纤维增强聚合物复合材料脉冲式冲击强化在线配混注射成型技术及相应设备。该设备通过将脉冲式冲击作用引入到纤维增强聚合物复合材料在线配混注射成型全过程，使聚合物及纤维塑化配混、缓冲储料、注射充模与保压在周期性脉冲式冲击作用下进行，实现脉冲式冲击强化在线配混注射成型。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

脉冲式冲击强化在线配混注射成型方法：脉冲式冲击作用被引入纤维增强聚合物复合材料在线配混注射成型全过程，使聚合物及纤维塑化配混、缓冲储料、注射充模与保压在周期性脉冲式冲击作用下进行。

上述方法具体为：塑料原料从料斗加入，在螺杆的剪切热及外加热作用下熔融塑化；长玻璃纤维；经加热器加热干燥后从挤出机的下游加料口加入三螺杆挤出机中，塑料已完全熔化，玻璃纤维被熔体包覆，加入的玻璃纤维与熔体混合后在螺杆的输送下继续向前输送，熔体通过挤出阀阀座进入缓冲储料料筒，缓冲活塞在熔体压力下向上运动，同时在缓冲活塞在缓冲储料活塞杆的带动下作脉冲式冲击运动，使得熔体受到脉冲式冲击压力作用，计量时，充料阀阀芯打开，喷嘴阀关闭，缓冲储料料筒中熔体在缓冲活塞的作用下通过充料阀阀座压入注射料筒中；计量完成后，注射柱塞后退到达设定位置，触发相应的行程开关，通过控制系统使充料阀阀座的阀芯后退，充料阀阀座关闭，喷嘴阀打开，注射压力作用在注射活塞上，通过注射柱塞作用在注射料筒中的熔体上；在注射压力作用下，熔体通过喷嘴进入到模腔中，实现充模过程。

一种脉冲式冲击强化在线配混注射成型设备：包括中间主螺杆可做轴向周期性脉冲式冲击运动的“一”字型排列三螺杆塑化挤出装置，带有可做周期性脉冲式冲击位移的缓冲活塞的缓冲储料装置，在注射充模与保压时带有可做周期性脉冲式冲击运动注射柱塞的脉冲式冲击压力强化柱塞式注射装置。

上述设备具体包括三螺杆塑化挤出装置、脉冲式冲击强化柱塞式注射装置，脉冲式冲击强化柱塞式注射装置由注射料筒、注射柱塞、注射活塞和注射油缸组成；所述缓冲储料装置包括液压机构、缓冲储料料筒及缓冲活塞，液压机构由缓冲储料油缸和缓冲储料活塞杆组成，缓冲储料活塞杆一端位于缓冲储料油缸内，另一端与缓冲活塞连接；缓冲储料料筒通过挤出阀阀座和挤出阀阀芯与挤出装置连接；挤出阀阀芯位于挤出阀阀座内，阀座一端与挤出机连接，另一端缓冲储料料筒连接；缓冲储料料筒还通过充料阀阀座、充料阀阀芯与脉冲式冲击强化柱塞式注射装置连接；缓冲储料料筒与充料阀阀座连通，充料阀阀座与注射装置的注射料筒连通；充料阀阀芯一端位于充料阀阀座内，另一端与油缸连接；油缸、注射油缸、缓冲储料油缸、变速激振装置分别通过信号线与控制系统电连接。

为进一步实现本发明的目的，所述三螺杆塑化挤出装置包括变速激振装置和三螺杆挤出机；所述三螺杆挤出机由主螺杆和副螺杆一与副螺杆二组成，驱动电机通过传动轴、变速激振装置与主螺杆连接，激振装置产生的激振力使主螺杆做冲击运动，副螺杆一与副螺杆二分别位于主螺杆的两侧，并与主螺杆配合，在主螺杆的带动下同向旋转。

所述脉冲式冲击强化柱塞式注射装置的注射柱塞一端位于注射料筒内，另一端与注射活塞连接，注射活塞位于注射油缸内，注射料筒还与喷嘴阀连通，喷嘴与喷嘴阀连接。

所述挤出阀阀座设有旁通路。

本发明与现有技术、设备相比，具有如下优点：

1、可提高纤维的填充比例

脉冲式冲击强化作用提高了纤维与聚合物的界面相容性，提高了配混塑化效果；在脉冲式冲击强化作用下，复合材料熔体的粘度降低，流动性提高，因而较高的纤维含量同样可以具有良好的流动性及加工性能。

2、增加制品中纤维的极限长度

脉冲式冲击强化三螺杆配混塑化装置提高了配混塑化效果。复合材料熔体粘度低，纤维经历的剪切历程可缩短，对纤维的磨损减少。另外采用分段加料的方式，聚合物从上游加料口加入，待其完全熔融后，再将纤维从下游加料口加入，这样可以减少固体输送段纤维的过度折断；同时纤维加入到已经熔融的聚合物中，熔体和纤维混合后把纤维包覆起来，起到润滑保护作用，有利于提高熔体中纤维的极限长度。

3、提高产品综合性能

脉冲式冲击强化在线配混注射成型过程提高了纤维与聚合物的界面相容性，提高了制品中纤维的极限长度、制品中内应力减少并得到均化。脉冲式冲击压力强化缓冲储料有利于排除熔体中的残留空气，提高复合材料熔体的温度均匀性及分散效果，因而减少了缩孔、表面沉陷等缺陷的产生，提高了制品的综合性能。

4、提高成型效率

在线配混注射成型技术简化了纤维增强聚合物材料成型工艺；脉冲式冲击强化降低了充模与保压过程中粘度及流动阻力充模速度加快，充模与保压时间缩短；熔体的粘度及流动阻力的降低，使得成型可以在较低的温度下进行，冷却时间缩短，从而缩短了成型周期，提高了成型效率，降低了生产成本。

5、降低能耗

在线配混注射成型技术减少了物料的加热、冷却次数，节省能量。同时脉冲式冲击强化作用强化了传热效果，提高了热量的利用率，降低了成型过程中熔体的粘度，使得配混塑化、充模、保压过程中消耗的功率降低，整机能耗减少。

6、减小设备尺寸

脉冲式冲击强化三螺杆配混塑化设备螺杆长度比双螺杆长度缩短；注射压力、保压压力降低使得液压系统的尺寸减小，设备的体积重量减小，占地面积小。

附图说明

图1为本发明设备的结构示意图；

图2为脉冲式冲击强化“一”字型排列三螺杆配混塑化装置结构示意图；

图3为脉冲式冲击强化柱塞式注射装置结构示意图；

图4为实测注射活塞的位移随时间的变化关系图；

图5为脉冲式冲击强化缓冲储料料筒结构示意图；

图6为系统控制程序框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。

如图1和图2所示，一种脉冲式冲击强化在线配混注射成型设备主要由脉冲式冲击强化三螺杆挤出装置、脉冲式冲击强化缓冲储料料筒、脉冲式冲击强化柱塞式注射装置构成。“一”字型排列三螺杆塑化挤出装置的螺杆由主螺杆28和副螺杆一27和副螺杆二29组成，其驱动电机1通过传动轴2、变速与动力分配器3、激振装置38与主螺杆28连接，副螺杆一27和副螺杆二29分别位于主螺杆的两侧，并与主螺杆配合，在主螺杆28的带动下同向旋转。激振装置38还与控制系统34信号连接，激振装置38通过液压激振的方式产生脉冲式周期性变化的激振力，通过液压油压力的波动变化产生周期性变化的脉冲式冲击压力。当控制系统34输出PWM、PAM调制信号时，调制信号对液压激振装置38中的液压油的压力与流量进行脉动处理，使得主螺杆28做频率和振幅可调的冲击运动。料斗4装在料筒5上，料筒5上开有下游进料口6及排气口8，连续玻璃纤维26经加热器16加热干燥后从下游进料口6进入料筒中。外加热器10及螺杆的机械剪切作用使料筒5中的物料熔融塑化，设置在料筒5上的热电偶9和热电偶7控制复合材料熔体的温度。

缓冲储料装置主要由液压机构13、缓冲储料料筒14及缓冲储料活塞15组成。液压机构13由缓冲储料油缸31和缓冲储料活塞杆32组成，缓冲储料活塞杆32一端位于缓冲储料油缸31内，另一端通过支架33与缓冲储料活塞15连接。缓冲储料料筒14通过挤出阀阀座11和挤出阀阀芯12与挤出机连接；并通过充料阀阀座22、充料阀阀芯21与脉冲式冲击强化柱塞式注射装置的注射料筒19相连。其中，挤出阀由阀座11和阀芯12组成，阀芯12位于阀座11内，阀座11一端与挤出机的出口连接，另一端与缓冲储料料筒14连接。缓冲储料料筒14还与充料阀阀座22连通，充料阀阀座22与注射料筒19连通；注射柱塞20一端位于注射料筒19内，另一端与注射活塞18连接，注射活塞18位于注射油缸17内，注射料筒19还与喷嘴阀23连通，喷嘴24与喷嘴阀23连接。充料阀阀芯21一端位于充料阀阀座22内，另一端与油缸30连接。油缸30通过油管与电液比例阀连接，电液比例阀通过信号线与控制系统34的控制面板电连接；注射油缸17、缓冲储料油缸31、变速激振装置3分别通过油管、比例阀与油箱连接，通过信号线与控制系统34电连接。

控制系统34硬件采用贝加莱(B&R)公司的可编程控制器PCC，软件结构采用自上而下模块化形式，可分为四层的软件结构。如图6所示，系统控制软件由人机界面模块101、组织模块102、数据采集模块103、通讯模块104、温度控制模块105、多轴顺序执行控制模块106、互锁与保护模块107、PWM输出模块108等组成。其中人机界面模块101主要用于设定加工过程压力、温度、螺杆转速、冲击压力的频率与振幅等参数；组织模块102协调各功能模块的协同工作；数据采集模块103主要采集控制系统需要用到的各种数字信号、模拟信号及其转换等；温度控制模块105实现对三螺杆挤出机料筒5、缓冲储料料筒14、注射料筒19中熔体的温度进行控制；多轴顺序执行控制模块106用于控制挤出阀芯12、充料阀芯21、喷嘴阀23及储料活塞15、注射柱塞20及其它执行机构的先后动作；PWM输出模块108输出PWM调制信号，该调制信号分别对注射油缸17、缓冲储料油缸31、变速激振装置3中的液压油的压力、流量进行脉动处理，使得主螺杆28、缓冲储料活塞杆32、注射柱塞20作频率和振幅可调的冲击运动并作用在熔体上，实现脉冲式冲击压力强化在线配混注射成型过程。

以连续长玻璃纤维增强PP材料为例说明本发明纤维增强聚合物基复合材料在线配混注射成型设备的工作过程。

如图1所示，制品的重量为1500g，主螺杆28的转速为120rpm，主螺杆28的脉冲频率为5Hz，脉冲振幅为流量的20％；缓冲储料活塞的脉冲频率为5Hz，脉冲振幅为流量的10％，注射柱塞的脉冲频率为5Hz，脉冲振幅为流量的20％。塑料PP从料斗4加入，在螺杆的剪切热及外加热作用下熔融塑化。长玻璃纤维26经加热器16加热干燥后从挤出机的下游加料口6加入三螺杆挤出机中。此时塑料PP已完全熔化，加入的玻璃纤维与熔体混合后在主螺杆28、副螺杆一27及副螺杆二29的输送下继续向前输送。玻璃纤维被熔体包覆后对玻璃纤维起润滑保护作用，减少了玻璃纤维的过度折断，提高了玻璃纤维的极限长度。残留空气及挥发物质从排气孔8排出。挤出阀阀座11设有旁通路。生产过程中，当从三螺杆挤出机出来的复合材料熔体不满足成型要求或注射装置出现短时故障时，挤出阀阀芯12堵住复合材料熔体进入缓冲储料料筒14，复合材料熔体在挤出机的压力作用下从旁通路流入回收容器中；当复合材料熔体满足加工工艺要求时，挤出阀阀芯12下降使得熔体可以通过阀芯12进入缓冲储料料筒14。

如图5所示，当熔体进入缓冲储料料筒14时，装置中的缓冲活塞15在熔体压力下向上运动，同时在缓冲活塞15在缓冲储料活塞杆32的带动下作脉冲式冲击运动，使得熔体受到脉冲式冲击压力作用，脉冲式冲击压力作用有利于排除残留在熔体中的空气及其它挥发性物质，同时有利于强化熔体的传热性能，提高熔体的温度均匀性。

计量时，如图3所示，充料阀阀芯21打开，喷嘴阀23关闭，缓冲储料料筒14中熔体在缓冲活塞15的作用下通过充料阀阀座22压入注射料筒19中。计量完成后，注射柱塞20后退到达设定位置，触发装在机架上的行程开关37，通过控制系统产生电信号使充料阀阀座22的阀芯21后退，充料阀阀座22关闭，喷嘴阀23打开，注射压力作用在注射活塞18上，通过注射柱塞20作用在注射料筒19中的熔体上。在注射压力作用下，熔体通过喷嘴24进入到模腔25中，实现充模过程。充模完成后，进入保压、冷却阶段，待制品冷却定型后由顶出系统顶出得到制品，完成一个注射成型周期。图4为脉冲频率为2Hz、脉冲幅值为流量的20％时注射柱塞20的位移随时间的变化情况。图4可以看出，在充模/计量过程中注射柱塞20的位移与时间的关系不是线性关系，而是在线性关系的基础上叠加类似正弦变化的周期性变化的位移；在保压过程中，注射柱塞20在平衡位置来回做脉冲式冲击运动。通过注射柱塞20的脉冲式冲击运动产生周期性变化的脉冲式冲击压力并作用在熔体上，从而强化对熔体的剪切作用。在注射成型的充模与保压阶段，从挤出机中出来的复合材料熔体通过挤出阀进入缓冲储料料筒14中，在熔体压力推动下缓冲活塞15上升进行储料。在制品冷却阶段，注射柱塞20向前运动到设定位置，出发行程开关36，控制系统产生电信号使充料阀21打开，喷嘴阀23关闭，缓冲储料料筒14及挤出机中的熔体在缓冲活塞15的作用下进入注射料筒19中进行计量，为下一个成型周期做准备。

在配混塑化、缓冲储料、注射成型过程中设备的主螺杆28、缓冲活塞15、注射柱塞20通过控制系统输出的PWM调制信号对液压系统的压力和力量进行脉动处理，从而产生频率和振幅可调的机械冲击运动。因而在整个成型过程中复合材料熔体始终受到脉冲式冲击压力强化作用，实现了脉冲式冲击强化在线配混注射成型过程。

Claims (7)

1、脉冲式冲击强化在线配混注射成型方法，其特征在于脉冲式冲击作用被引入纤维增强聚合物复合材料在线配混注射成型全过程，使聚合物及纤维塑化配混、缓冲储料、注射充模与保压在周期性脉冲式冲击作用下进行。

2、根据权利要求1所述的脉冲式冲击强化在线配混注射成型方法，其特征在于所述脉冲式冲击作用被引入纤维增强聚合物复合材料在线配混注射成型全过程是指塑料原料从料斗(4)加入，在螺杆的剪切热及外加热作用下熔融塑化；长玻璃纤维经加热器(16)加热干燥后从挤出机的下游加料口(6)加入三螺杆挤出机中，塑料已完全熔化，玻璃纤维被熔体包覆，加入的玻璃纤维与熔体混合后在螺杆(7)的输送下继续向前输送，熔体通过挤出阀阀座(1)进入缓冲储料料筒(14)，缓冲活塞(15)在熔体压力下向上运动，同时在缓冲活塞(15)在缓冲储料活塞杆的带动下作脉冲式冲击运动，使得熔体受到脉冲式冲击压力作用，计量时，充料阀阀芯(21)打开，喷嘴阀(23)关闭，缓冲储料料筒(14)中熔体在缓冲活塞(15)的作用下通过充料阀阀座(22)压入注射料筒(19)中；计量完成后，注射柱塞(20)后退到达设定位置，触发相应的行程开关，通过控制系统使充料阀阀座(22)的阀芯(21)后退，充料阀阀座(22)关闭，喷嘴阀(23)打开，注射压力作用在注射活塞(18)上，通过注射柱塞(20)作用在注射料筒(19)中的熔体上；在注射压力作用下，熔体通过喷嘴(24)进入到模腔(25)中，实现充模过程。

3、一种实现权利要求1所述方法的脉冲式冲击强化在线配混注射成型设备，其特征在于包括中间主螺杆(28)可做轴向周期性脉冲式冲击运动的“一”字型排列三螺杆塑化挤出装置，带有可做周期性脉冲式冲击位移的缓冲活塞(15)的缓冲储料装置，在注射充模与保压时带有可做周期性脉冲式冲击运动注射柱塞(20)的脉冲式冲击压力强化柱塞式注射装置。

4、根据权利要求3所述的脉冲式冲击强化在线配混注射成型设备，其特征在于所述脉冲式冲击压力强化柱塞式注射装置由注射料筒(19)、注射柱塞(20)、注射活塞(18)和注射油缸(17)组成；所述缓冲储料装置包括液压机构(13)、缓冲储料料筒(14)及缓冲活塞(15)，液压机构(13)由缓冲储料油缸(31)和缓冲储料活塞杆(32)组成，缓冲储料活塞杆(32)一端位于缓冲储料油缸(31)内，另一端与缓冲活塞(15)连接；缓冲储料料筒(14)通过挤出阀阀座(11)和挤出阀阀芯(12)与挤出装置连接；挤出阀阀芯(12)位于挤出阀阀座(11)内，阀座(11)一端与挤出机连接，另一端缓冲储料料筒(14)连接；缓冲储料料筒(14)还通过充料阀阀座(22)、充料阀阀芯(21)与脉冲式冲击强化柱塞式注射装置连接；缓冲储料料筒(14)与充料阀阀座(22)连通，充料阀阀座(22)与注射装置的注射料筒(19)连通；充料阀阀芯(21)一端位于充料阀阀座(22)内，另一端与油缸(30)连接；油缸(30)、注射油缸(17)、缓冲储料油缸(31)、变速激振装置(3)分别通过信号线与控制系统(34)电连接。

5、根据权利要求3或者4所述的纤维增强聚合物复合材料在线配混注射成型设备，其特征在于所述三螺杆塑化挤出装置(3)包括变速激振装置和三螺杆挤出机；三螺杆挤出机由主螺杆(28)和副螺杆一(27)与副螺杆(29)组成，驱动电机(1)通过传动轴(2)、变速激振装置(3)与主螺杆(28)连接，激振装置(3)产生的激振力使主螺杆(28)做冲击运动，副螺杆一(27)与副螺杆(29)分别位于主螺杆的两侧，并与主螺杆配合，在主螺杆(28)的带动下同向旋转。

6、根据权利要求4所述的脉冲式冲击强化在线配混注射成型设备，其特征在于所述脉冲式冲击强化柱塞式注射装置的注射柱塞(20)一端位于注射料筒(19)内，另一端与注射活塞(18)连接，注射活塞(18)位于注射油缸(17)内，注射料筒(19)还与喷嘴阀(23)连通，喷嘴(24)与喷嘴阀(23)连接。

7、根据权利要求4所述的脉冲式冲击强化在线配混注射成型设备，其特征在于所述挤出阀阀座(11)设有旁通路。

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