CN101695873A - 长纤维增强塑料生产用纤维丝束熔融浸渍模头及浸渍方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了长纤维增强塑料生产用纤维丝束熔融浸渍模头及浸渍方法。所述纤维丝束熔融浸渍模头包括模头壳体、置于模头壳体内的接触导丝辊和非接触导丝辊对。接触导丝辊含有同轴圆鼓体；非接触导丝辊对为固定辊或主动驱动辊，其横断面为圆形、多边形或多棱形。所述浸渍方法包括：在充满熔体的模腔内，纤维丝束在张力牵引下交替绕过接触导丝辊的圆鼓体，并从非接触导丝辊对间的缝隙穿过，浸渍了的纤维丝束从导出通道(7)牵出。本发明可减少纤维单丝的摩擦折损，使连续纤维丝束的熔融浸渍在高浸渍线速度下稳定运行，提高浸渍效率，降低长纤维增强热塑性塑料的生产成本。

Description

长纤维增强塑料生产用纤维丝束熔融浸渍模头及浸渍方法

技术领域

本发明属于高分子材料成型加工技术领域，具体涉一种纤维丝束熔融浸渍模头及浸渍方法，用于长纤维增强热塑性塑料的制作。

背景技术

受塑化加工影响，传统纤维增强热塑性塑料的纤维长度一般小于0.5mm，其制品受力破坏主要为纤维从基体拔出，纤维强度基本没得到利用。上世纪末，国际复合材料市场涌现了长纤维增强热塑性塑料(LFRT)。与传统的纤维增强塑料相比，LFRT的纤维长度大于纤维从塑料基体抽出的临界长度，更好地发挥了纤维的增强能力，从而赋予制品更高的刚度、强度和抗冲击、抗蠕变性能以及更好的外观质量，且可多次回收加工，是复合材料市场中正在突起的一类新产品。

这类复合材料作为金属材料的替代品，被大量用在汽车工业，以减轻汽车的重量，提高成本效益，如汽车的前端支架组件、门板模块、仪表盘、蓄电池槽壳、行李架、车身板、座椅靠背、进气歧管、发动机罩等。除汽车工业以外，这类新产品也正在迅速地向家电、机械、电器、建筑等领域扩展。

长纤维增强热塑性塑料的主要品种有：

1)纤维毡增强塑料(GMT)及连续纤维热塑性塑料预浸片(CFTP)；

2)长纤维增强塑料(LFRT)粒料和；

3)直接成型增强塑料制品(D-LFRT)。

GMT和CFTP多用于模压形状简单的制品，不宜加工成形状复杂的产品，且成型周期长，目前发展放慢。长纤维增强塑料(LFRT)粒料可用传统的塑料加工设备生产和加工，成型周期短，可加工成形状复杂的制品，产品应用面广，已成为长纤维增强热塑性塑料中的主流品种。D-LFRT需采用特殊的挤出、注塑设备，一般由大型塑料制件厂联合开发，尚处在起步改进阶段，但发展势头快。

目前，LFRT粒料的工业生产以熔体浸渍法为主。其工艺过程是将连续纤维丝束在张力牵引下导入一个具有特殊结构的浸渍模头，在浸渍模头的浸渍流道内浸饱从挤出机输入的塑料熔体，而后从模头口模拉出，经冷却后，切断成所需长度的粒料供应市场。因为热塑性塑料的熔体粘度都很高，浸润性差，不易浸透纤维丝束，包覆每一根单丝。如何促进塑料熔体浸润纤维，与纤维充分接触，不致纤维在浸渍过程中折损，是熔体浸渍法生产LFRT的首要条件。熔融浸渍模头、浸渍配料以及浸渍工艺是LFRT粒料生产的关键。

法国阿托化学公司1989在中国专利CN 1021643C公开了一种连续纤维熔融浸渍模头，其特征为一类似正弦曲线的弯曲浸渍流道。塑化好的塑料熔体从模头入口注入浸渍流道，纤维丝束在张力牵引下穿过浸渍流道，在弯曲流道的波峰和波谷，纤维丝束受张力作用向两边扩展，便于熔体对纤维丝束的浸渍。纤维丝束在波峰和波谷受到的张力峰值沿前进方向递增，在靠近模头出口的波峰或波谷张力最大。这种结构容易引起纤维单丝的折损。特别是在高的牵引速度下，过大的张力可能使大量的单丝断裂，造成浸渍操作的不稳定。中国专利CN 1827671A(2006-2-17)公开了一种改进的弯曲流道浸渍模头，其特征为弯曲流道从入口到出口波峰的高度递减，使纤维丝束在各波峰和波谷的受力峰值差异减小并逆转，即张力递减，以求在高浸渍线速度下能达到稳定操作。中国专利CN 101152767A(2008-4-2)公开了另一类熔融浸渍模头，其特征在于独立浸渍流道和一组可以自由转动的张力辊。连续纤维束交替绕过张力辊前进，在包绕张力辊的弧面受张力作用而散开；同时张力辊的自由转动可减少纤维的摩擦折损。但在高速运行时，纤维的摩擦折损几率大，造成浸渍操作的不稳定。

发明内容

本发明的目的在于克服现有浸渍模头结构的不足，提供长纤维增强塑料生产用的纤维丝束熔融浸渍模头及浸渍方法，本发明能提高连续纤维丝束熔融浸渍的生产效率和操作稳定性，降低长纤维增强热塑性塑料的生产成本。本发明通过如下技术方案实现：

长纤维增强塑料生产用纤维丝束熔融浸渍模头，包括模头壳体，所述模头壳体的上游端开有纤维丝束导入通道和热塑性树脂熔体导入流道，所述模头壳体的下游端开有浸渍纤维丝束导出通道，其特征在于模头壳体的内腔安装有接触导丝辊组和非接触导丝辊对组；所述接触导丝辊组包括三个以上的接触导丝辊，各接触导丝辊的轴相互平行，且各接触导丝辊的横截面呈锯齿形排列，使与各接触导丝辊接触的纤维丝束呈波浪形；所述非接触导丝辊对组包括3副以上非接触导丝辊对，所述每副非接触导丝辊对均包括上导丝辊和下导丝辊，纤维丝束从上导丝辊和下导丝辊之间经过，且不与上导丝辊和下导丝辊接触。

上述纤维丝束熔融浸渍模头中，所述接触导丝辊组中两相邻接触导丝辊的水平方向中心距为40～100mm，垂直方向中心距为8～30mm，所述非接触导丝辊对间的水平间距为10～40mm。

上述纤维丝束熔融浸渍模头中，所述每副非接触导丝辊对中，上导丝辊与下导丝辊的垂直间距为0.2～3mm，上导丝辊与下导丝辊连心线与垂直方向的夹角为0～±30°。

上述纤维丝束熔融浸渍模头中，所述接触导丝辊为绕自身的中心轴自由转动的辊；接触导丝辊的直径为8～40mm，接触导丝辊包括交替排列的同轴圆柱体和圆鼓体，所述圆柱体的长度为10～20mm；所述圆鼓体的长度为15～30mm，圆鼓体的直径较圆柱体的直径小0.5～1.5mm，圆鼓体的中高度h为0.05～0.3mm。

上述纤维丝束熔融浸渍模头中，所述上导丝辊与下导丝辊的直径为10～40mm，横切面为圆形、多边形或多棱形；所述上导丝辊与下导丝辊为非转动辊或主动驱动旋转辊。

上述纤维丝束熔融浸渍模头中，所述纤维丝束导入通道的横切面的宽度为10～25mm，高度为3～5mm。

上述纤维丝束熔融浸渍模头中，所述树脂熔体导入流道的出口为一狭缝，所述狭缝的高度为2～5mm。

上述纤维丝束熔融浸渍模头中，所述浸渍纤维丝束导出通道为收敛通道，所述收敛通道的半角为10～30°。

长纤维增强塑料生产用纤维丝束熔融浸渍方法，具体是：塑化好的树脂熔体从树脂熔体导入流道进入模头壳体内腔和充满模头壳体内腔，连续纤维丝束从丝束导入通道进入充满塑料熔体的模头壳体内腔，所述纤维丝束绕过各接触导丝辊的圆鼓体后从非接触导丝辊对间的狭缝穿过，浸渍了的纤维丝束从导出通道牵出，浸渍好的纤维丝束经冷却、压型、切成所需长度的长纤维增强热塑性塑料粒料。

与现有纤维丝束熔融浸渍模头相比，本发明的优点在于：

采用具有中高度的接触导丝辊和非接触导丝辊对，强化纤维丝束的径向扩展和塑料熔体往纤维丝束的径向流动，减少纤维单丝的摩擦折损，使连续纤维丝束的熔融浸渍在高浸渍线速度下稳定运行，提高浸渍效率，降低长纤维增强热塑性塑料的生产成本。在充满熔体的模腔内，纤维丝束在张力牵引下交替绕过接触导丝辊的圆鼓体，并从非接触导丝辊对间的缝隙穿过，圆鼓体促使受牵引滑过其曲面的纤维丝束向两边快速扩展，增加纤维丝束与塑料熔体的接触面；非接触导丝辊激起熔体旋流，压向穿过导丝辊对狭缝间的纤维丝束，促进塑料熔体往纤维丝束径向流动，提高浸渍效果，减少纤维折损。

附图说明

图1为本发明的纤维丝束熔融浸渍模头结构示意图。

图2为具体实施方式中接触导丝辊的结构示意图。

图3为图2中A的放大图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施作进一步说明。

如图1，一种用于生产长纤维增强热塑性塑料的纤维丝束熔融浸渍模头，所述浸渍模头含模头壳体2、接触导丝辊组5和非接触导丝辊对组6。所述模头壳体2为由底板、侧板、端板和盖板围成的箱体。箱体所围的内部空间为浸渍池，所述接触导丝辊组5和非接触导丝辊对组6的两轴端嵌于箱体的两侧板。在模头壳体2的一个端板开有纤维丝束导入通道3和热塑性树脂熔体导入通道4，而在相对的另一端板开有浸渍纤维丝束导出通道7。纤维丝束导入通道3也可开在盖板的一端(如图1)，以减少塑料熔体从丝束导入通道3泄露的几率。所述纤维丝束导入通道3横切面的宽度为10-25mm，高度为3-5mm。所述树脂熔体导入通道4的出口为一狭缝，狭缝的高度为2-5mm，以保证供料的均匀性。所述浸渍纤维丝束导出通道7为收敛通道，收敛通道的半角为10-30°，以进一步促进塑料熔体向纤维丝束的经向流动和通过孔板控制浸渍物的树脂含量。

所述接触导丝辊组5，其特征在于所述接触导丝辊组5含三个或三个以上自由转动的接触导丝辊51。所述接触导丝辊51在模头壳体2内呈锯齿排列，两相邻接触导丝辊的水平中心距为40-100mm，垂直中心距为8-30mm。所述接触导丝辊51的直径为10-35mm，接触导丝辊51为含交替排列的同轴圆柱体和圆鼓体(如图2)；所述圆柱体的长度为10-30mm，圆鼓体的长度为15-30mm，圆鼓体的直径较圆柱体的直径小0.5-1.5mm，圆鼓体的中高度h为0.05-0.3mm(如图3)。工作时纤维丝束与圆鼓体的曲面接触绕过圆鼓体，张力和曲面使纤维丝束在前行中往垂直于纤维轴的方向迅速扩展，促进纤维丝束与塑料熔体的接触。

所述非接触导丝辊对组6含3副以上非接触导丝辊对61，导丝辊对61间的水平间距为20-80mm。非接触导丝辊对61由上导丝辊61U和下导丝辊61L构成；两非接触导丝辊辊间的垂直间距为0.2-3mm，导丝辊对的连心线与垂线的夹角为0-±30°。导丝辊61U和61L的直径为10-40mm，横切面为圆形、多边形或多棱型；所述导丝辊为非转动辊或主动驱动旋转辊。纤维丝束在张力作用下从上导丝辊61U与下导丝辊61L间的缝隙穿过，但不与导丝辊接触，避免纤维丝束快速前行时与导丝辊的摩擦折损；快速前行的纤维丝束带动熔体一起往前流动，流动的熔体遇到固定导丝辊时折返产生旋流，压向纤维丝束，促进熔体向纤维丝束的径向流动，加快浸渍过程。主动驱动非接触导丝辊强化熔体的旋流，进一步提高熔融浸渍的效率，连续纤维熔融浸渍操作在高的线速度下稳定运行。

浸渍运行时塑化好的树脂熔体从树脂熔体导入流道4进入模头壳体内腔和充满内腔，连续纤维丝束从丝束导入通道3进入充满塑料熔体的模头内腔后，围绕接触导丝辊51的圆鼓体，交替绕过接触导导丝辊51，从非接触导丝辊对61之间的缝隙穿过，浸渍的纤维丝束从导出通道7拉出，并由导出通道的孔板直径控制浸渍物的树脂含量。浸渍好的纤维丝束经冷却、压型、切成所需长度的长纤维增强热塑性塑料粒料。

Claims (9)

1.长纤维增强塑料生产用纤维丝束熔融浸渍模头，包括模头壳体(2)，所述模头壳体(2)的上游端开有纤维丝束导入通道(3)和热塑性树脂熔体导入流道(4)，所述模头壳体(2)的下游端开有浸渍纤维丝束导出通道(7)，其特征在于模头壳体(2)的内腔安装有接触导丝辊组(5)和非接触导丝辊对组(6)；所述接触导丝辊组(5)包括三个以上的接触导丝辊(51)，各接触导丝辊(51)的轴相互平行，且各接触导丝辊(51)的横截面呈锯齿形排列，使与各接触导丝辊(51)接触的纤维丝束呈波浪形；所述非接触导丝辊对组(6)包括3副以上非接触导丝辊对(61)，所述每副非接触导丝辊对(61)均包括上导丝辊(61U)和下导丝辊(61L)，纤维丝束从上导丝辊(61U)和下导丝辊(61L)之间经过，且不与上导丝辊(61U)和下导丝辊(61L)接触。

2.根据权利要求1所述的纤维丝束熔融浸渍模头，其特征在于所述接触导丝辊组(5)中两相邻接触导丝辊(51)的水平方向中心距为40～100mm，垂直方向中心距为8～30mm，所述非接触导丝辊对(61)间的水平间距为10～40mm。

3.根据权利要求1所述的纤维丝束熔融浸渍模头，其特征在于所述每副非接触导丝辊对(61)中，上导丝辊(61U)与下导丝辊(61L)的垂直间距为0.2～3mm，上导丝辊(61U)与下导丝辊(61L)连心线与垂直方向的夹角为0～±30°。

4.根据权利要求1所述纤维丝束熔融浸渍模头，其特征在于所述接触导丝辊(51)为绕自身的中心轴自由转动的辊；接触导丝辊(51)的直径为8～40mm，接触导丝辊(51)包括交替排列的同轴圆柱体和圆鼓体，所述圆柱体的长度为10～20mm；所述圆鼓体的长度为15～30mm，圆鼓体的直径较圆柱体的直径小0.5～1.5mm，圆鼓体的中高度h为0.05～0.3mm。

5.根据权利要求1所述的纤维丝束熔融浸渍模头，其特征在于所述上导丝辊(61U)与下导丝辊(61L)的直径为10～40mm，横切面为圆形、多边形或多棱形；所述上导丝辊(61U)与下导丝辊(61L)为非转动辊或主动驱动旋转辊。

6.根据权利要求1所述的纤维丝束熔融浸渍模头，其特征在于所述纤维丝束导入通道(3)的横切面的宽度为10～25mm，高度为3～5mm。

7.根据权利要求1所述的纤维丝束熔融浸渍模头，其特征在于所述树脂熔体导入流道(4)的出口为一狭缝，所述狭缝的高度为2～5mm。

8.根据权利要求1～7任一项所述的纤维丝束熔融浸渍模头，其特征在于所述浸渍纤维丝束导出通道(7)为收敛通道，所述收敛通道的半角为10～30°。

9.长纤维增强塑料生产用纤维丝束熔融浸渍方法，其特征在于塑化好的树脂熔体从树脂熔体导入流道(4)进入模头壳体内腔(2)和充满模头壳体内腔，连续纤维丝束从丝束导入通道(3)进入充满塑料熔体的模头壳体内腔，所述纤维丝束绕过各接触导丝辊(51)的圆鼓体后从非接触导丝辊对(61)间的狭缝穿过，浸渍了的纤维丝束从导出通道(7)牵出，浸渍好的纤维丝束经冷却、压型、切成所需长度的长纤维增强热塑性塑料粒料。

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