CN1017693B - 生产热塑性树脂型材的方法及设备 - Google Patents

生产热塑性树脂型材的方法及设备

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Abstract

本发明涉及生产用连续纤维增强的热塑性树脂型材的方法及其生产设备。此法包括将预先排成片形的玻璃粗纱的纤维在具有直角接套的模头中将进料玻璃粗纱进行浸渍，然后再将用熔融树脂浸渍的粗纱纤维在进入成品成形模头之前先通过一个条材进料区，以便保证玻璃粗纱的每一根纤维都尽可能地充分浸渍。

Description

本发明涉及生产用连续纤维增强的热塑性树脂型材的方法和涉及生产这些型材的设备。此方法包括先在具有直角接套的涂布模头中将进料玻璃粗纱进行浸渍，此种玻璃粗纱的组分纤维是在进入涂布模头之前将其排列成片形，然后为了保证使玻璃粗纱的每一根纤维都能够充分浸渍，可在通连使其成形为最后产品的模头之前，将其整个通过一个条材进料区（bar    feed    zone）。涂布模头的进料是按常规方法，用至少一台挤塑机来进料的。
众所周知，可用热塑性树脂来护套玻璃粗纱，例如美国专利第3，834，980号。根据常规的护套技术，将玻璃粗纱通过加热的模座中心，应用从上述直角护套系统出来的熔融热塑性树脂进料来进行涂布。一股玻璃粗纱是由许多根连续的初级纤维的组合构成的。
在所述的生产用连续纤维增强的型材的护套技术中，通常是将许多股玻璃粗纱用卷轴缠绕成一种纱束的形式。在这些条件下，遇到了两个无法解决的主要困难。第一点，是难以浸透到纱束的芯，也难以将热塑性树脂均匀地分布在每根初级纤维上。第二点，也是由于第一种困难引起的，即在成品的纤维之间有夹气，此种夹气是机械性能产生缺陷的根源。
根据美国专利第3，933，726号由于在浸渍模头中设置了两块实际上是互相成直角的档板，所以可以将一股单独的玻璃粗纱进行浸渍。因此，按此方式浸渍时，该玻璃粗纱就在一块档板中的一个方向散开和浸渍， 然后又在第二块档板中的相反方向将其压挤。此种装置有两个缺点：第一个缺点是只能浸渍单独的玻璃粗纱;由于设置了该种档板，所以不可能浸渍片形的玻璃粗纱的每一根纤维，因为片形的玻璃粗纱不能在装满塑性材料的模头里进行大约90度的旋转而不会使纤维打成捆，第二个缺点是发生在设备中的档板的位置;全部档板都是放置在模头里，这就使玻璃粗纱在熔融的塑性材料中经受两次直接压挤，因此使从模头出来的纤维产生强大的拉力，从而导致纤维折断。因此，在这些条件下，纤维的浸渍质量是不能令人满意的，成品的挠曲性能也很差。同样，用系数ε表示的增强效率也很差，此系数ε不超过0.25。
与上述专利相同，美国专利第4，312，917号叙述了在装满熔融塑性材料的模头里，对个别玻璃粗纱所进行的涂布。除了上述缺点外，此种技术还有另一种缺点，因为从外面引入的玻璃粗纱是相互地接着进入模头，并实际上与模头轴线成直角，这样就会产生新的折断应力和使玻璃粗纱从第二块档障板起开始缠绕在一起，特别是由于冷却玻璃粗纱可使熔融树脂在其表面上突然胶凝。
本发明的方法，首先是将玻璃粗纱穿过涂布纤维的模头，它不是将玻璃粗纱以纱束的形式引入，而是把每一股粗纱打开，而使每一股粗纱的每一根纤维并排地散开。在此种情况下，粗纱就成为由一根根并排的单根连续纤维组成的片形纱或带形纱的形式。为了生产此种纤维是排成一排的并同时又是散开的玻璃粗纱，将玻璃粗纱穿过第一条材进料区的至少一档板，使玻璃粗纱中的纤维散开后，再将其引入装有熔融的热塑性聚合物的涂布模头中。然后将所形成的片形纱或带形纱，用热塑性树脂浸渍，并在进入成形模头之前，将它们引入一个由档板构成的新的条材进料区，这些档板基本上与第一区的档板是互相平行的。在此系统中，经熔融的热塑性树脂浸渍的片形纱或带形纱通过至少两块互相平行的和对着放置的档板。在这些条件下，将全部用热塑性树脂浸渍的纤维压挤 在第一个档板的一个表面上，使熔融状态的树脂渗入纤维之间，以便使其到达纤维的另外一面。当上述已经浸渍了树脂的纤维与对面一块档板接触时，就会产生一种相反的作用。在护套片形纱或带形纱前后采用的条材进料系统，能够使每一根纤维进行浸渍，从而使树脂在纤维上较好地均化和分布，并基本上全部除去了玻璃纤维中包藏的空气。
本技术，可以使全部玻璃粗纱中的纤维在第一条材进料区散开，并使其平行排列以形成片形纱。这些已经排列好但尚未浸渍的纤维于是就进入浸涂模头，这时的纤维基本上是每根都是互相分开的，因此就使每根纤维都能得到良好的浸渍，而不会在进入第二条材进料区之区前有任何折断的危险。
附图能够较好地说明本发明。图1说明生产型材的全套设备。此套设备包括用1表示的可将玻璃粗纱纤维散开的条材进料系统。用2表示的是涂布模头，与一台位于浸渍纤维的条材进料系统3之前的挤塑机连接，但是此挤塑机在图上没有示出。最后，用4表示的是成形模头。用1表示的条材进料系统是由一条槽组成，而玻璃粗纱“a”则通过此槽来进行拉伸。此槽可以具有任何几何形状，但是较好的是具有矩形的横截面，以便使玻璃粗纱容易排成片形纱或带形纱的形式。槽的入口可以是喇叭形，以便使玻璃粗纱顺利进入设备。在此槽中，至少有一块档板“b”，使玻璃粗纱拉伸的方向偏转。此档板基本上与玻璃粗纱拉伸的轴线垂直，因此与槽也是成直角的，所以当玻璃粗纱经过时，它们就紧贴在所述档板上，从而使组成每一股玻璃粗纱的纤维平放。通常有一块档板就够了，但是如果希望形成由许多股玻璃粗纱的纤维组成的片形纱时，最好是采用有几块档板的条材进料系统。为了改进随后的纤维浸渍作用，可设置一根真空放气管“c”，来尽可能地除去玻璃粗纱中包藏的空气。同时，还推荐使用一种加热系统。涂布模头2是一种通常大家都知道的用一种熔融聚合物涂布连续纤维的模头。这是一种具有直角接 套的模头。它可以用熔融的热塑性材料来涂布纤维。
本设备的部分3是第二个条材供料系统，通常将其加热到至少等于将热塑性树脂熔融的温度，此系统主要由一条槽“d”组成，此槽用以在涂布模头的延长线上接收经熔融的热塑性树脂涂布的纤维。此槽包括至少两个档板“e”和“f”，这两块档板基本上是与槽的轴线垂直，要不然就是与拉伸涂布纤维的轴线垂直并互相对着，从而，在拉伸时，使每一个浸涂的表面都会交替受力。如上所述，这些档板基本上是与档板“b”平行的。最后，经过浸渍的纤维在通过成形模头4后，在从设备出来时即被冷却。此种成形模头就是任何挤塑系统常用的那种成形模头，使产品的具有模头所提供最终形状。根据已知技术，应该认识到根据模头的几何形状，可以制成高级的型材，或者是十分简单的条材，人们可将此种条材切成颗粒，以便随后通过使用其他加工技术来将其制成其他产品。
图2是说明涂布模头的图1的部分2的剖面图。此图说明一种众所周知的模头，它可对排成片形纱的玻璃粗纱纤维进行涂布。一台挤塑机5，本图未示出，通过进料槽6和7向槽8供应熔融的热塑性树脂，槽8在图中用矩形截面表示，片形纤维纱就在该管内拉制。进料槽6和7安排成可使熔融的热塑性材料起码分布到片形纤维纱的最宽的两个互相对着的表面。
图3说明用来构成第二条材进料系统的部分3的剖面图。此图特别适用于本发明，根据此图，档板就是用槽的实际形状弯成的，这二块档板正弦地在涂布模头出口和成形模头之间形成波浪形。根据此系统，这是一个金属块，最好是加热的，在此金属块中穿过一个正弦的盘管形式的槽，此盘管形式的槽有至少两块互相对着的平行的档板，分别用正弦曲线的高峰“f”和低峰“e”表示。
参看图4就可以明白在图3的条材进料系统中，紧贴在正弦曲线峰 上的排成一排的玻璃粗纱纤维“g”，是怎样迫使熔融的热塑性树脂“h”穿过它们中间，从而改进它们的涂布效果的。
根据本发明的方法，可制造用任何可挤塑的热塑性聚合物或共聚物生产的连续纤维增强的型材。最常用聚合物和共聚物包括：聚烯烃，例如聚乙烯或聚丙烯，乙烯基芳族聚合物及其共聚物，例如聚苯乙烯和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，囟化乙烯聚合物，例如聚氯乙烯和聚偏氟乙烯，聚酰胺，例如锦纶6，11，12，66，610，聚酯，例如聚对苯酸二甲酸乙脂和聚对酸二甲酸丁脂，聚-（醚-酰胺）嵌段共聚物，聚砜，聚醚砜，聚炭酸脂，聚醚酮，聚苯硫，聚醚酰亚胺，聚苯氧，聚苯醚或其混合物。
可挤塑的热塑性聚合物是用无机或有机连续纤维增强的。例如，玻璃纤维粗纱，硅粗纱，碳粗纱或芳酰胺粗纱。
根据模头的形状，就可以应用所制得的经过增强的型材。它们在配料或加工成细粒后，还可以在注塑、压塑、注塑-压塑、挤塑等方法中作为中间产物使用。
下列实例说明本发明，但不能限制本发明。
实例1：
使用根据图1的设备，其规格如下：
-条材进料区1：
-长度：60毫米
-宽度：100毫米
-模缝：3毫米
入口加宽，凸形档板高10毫米
-进料模头区2：
-长度：90毫米
-宽度：100毫米
两条进料槽直径分别为10毫米
模头区出口模缝：3毫米
-进料：30毫米直径挤塑机
-螺杆长度：22倍直径
条形进料区3：
-长度：200毫米
-宽度：100毫米
-3个峰的正弦曲线条材进料区
-峰间幅度：40毫米
-模缝：3毫米
成形区4：
-5孔模头，孔径：3毫米
-长度100毫米
-宽度：100毫米
此设备用来生产用50%（重量）的E玻璃2400tex纤维玻璃粗纱填充的锦纶11带材。
拉伸速度：3米/分
每个区的温度为：
区1：200℃
区2：230℃
区3：230℃
区4：210℃
实例2：
用实例1的设备，制造用39.3%（重量）的E玻璃2400tex纤维玻璃粗纱填充的锦纶6制成的宽度为10毫米和厚度为3.5毫米的条材，但成形区4具有下列规格和紧接着该区有一冷成形机：
进口矩形截面，宽：100毫米，厚3毫度
出口矩形截面，宽：10毫米，厚3.5毫米
长度：100毫米
拉伸速度：3米/分
每个区的温度为：
区1：220℃
区2：280℃
区3：280℃
区4：260℃
测出的条材揉曲模量为24500兆帕
系数ε：0.85
系数ε是根据混合物定律测出：
E＝εEf+Em（1-vf）
式中：Ef＝纤维扬氏模量
Em＝基料杨系模量
Vf＝纤维体积份数
E＝揉曲模量的实验值。
实例3：
用实例1设备，制造用40%（重量）的E玻璃2400tex纤维玻璃粗纱填充的锦纶12制成的带材。
拉伸速度：3米/分
每个区的温度为：
区1：220℃
区2：260℃
区3：260℃
区4：240℃
实例4：
用实例2的设备，制造用28%（体积）的E玻璃2400tex纤维玻璃粗纱填充和含有3%的聚丙烯的用马来酐接枝的聚丙烯条材。
拉伸速度：3米/分
每个区的温度为：
区1：240℃
区2：260℃
区3：260℃
区4：240℃
测出的揉曲模量为15400兆帕
系数ε＝0.78
实例五：
用实例1的设备，但在区4用长200毫米，模头出口宽100毫米和模缝0.7毫米的单出口模头替代区4中的五孔模头，制造用40%（重量）的E玻璃2400tex纤维玻璃粗纱填充的锦纶6制成片材。
拉伸速度：1米/分
每个的温度为：
区1：220℃
区2：280℃
区3：280℃
区4：275℃

Claims (6)

1、通过用热塑性树脂涂布连续的玻璃粗纱而生产用连续纤维增强的热塑性树脂型材的方法，该方法包括：
将玻璃粗纱通过第一条材进料区的至少一块挡板，使玻璃粗纱散开成为平行排成一行的片形纤维；
在涂布模头中用熔融树脂涂布该纤维以形成涂布的片形纤维；
使该涂布的片形纤维通过一个第二条材进料区，该条材进料区包含一个具有至少两块互相对着的平行放置的挡板的槽，迫使树脂渗入纤维之间，其中该条材进料区中的挡板与第一条材进料区中的至少一块挡板平行。
2、根据权利要求1的方法，其中第二条材进料区中的挡板基本上与所述连续纤维的轴线垂直。
3、根据权利要求1的方法，其中将第一条材进料区加热。
4、生产用连续纤维增强的热塑性树脂型材的设备，它主要由一个涂布连续纤维的涂布模头和一个在涂布模头后面并用于成形型材的成形模头所组成，其中，在所述涂布模头前，有一个与涂布模头连接的第一条材进料区，所述条材进料区由一条槽构成，该槽具有至少一块基本上与该槽的轴线垂直的挡板;在涂布模头和成形模头之间，有一个与涂布模头的出口和成形模头的入口成一直线的第二条材进料区，该条材进料区由一条槽构成，该槽具有至少两块互相对着平行放置且基本上与该槽的轴线垂直的挡板;其中，第一条材进料区的至少一块挡板基本上与第二条材进料区的至少两块挡板平行。
5、根据权利要求4的设备，其中第一条材进料区装有一个用于加热所述连续纤维的加热装置。
6、根据权利要求4或5的设备，其中第二条材进料区由一块金属块组成，在其中穿过一条正弦的盘管形式的槽，该槽具有至少两块互相对着的平行挡板，分别用正弦曲线的高峰和低峰表示。
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