CN101868333A - 用于制造长纤维增强热塑树脂模塑材料的方法 - Google Patents

用于制造长纤维增强热塑树脂模塑材料的方法 Download PDF

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Abstract

提供了一种制造长纤维增强热塑树脂模塑材料的方法。所述方法包括以下步骤：用熔融热塑树脂填充加工室(14)，将至少一个连续纤维束给送通过加工室，挤拉浸渍有熔融热塑树脂(56)的所述至少一个连续纤维束(50)，和将浸渍有熔融热塑树脂的挤拉后的至少一个连续纤维束切割为丸粒(60)。所述方法也包括根据特定公式加工丸粒以便保证合适的浸渍。

Description

用于制造长纤维增强热塑树脂模塑材料的方法
技术领域
本发明总体上涉及长纤维增强热塑树脂模塑材料的制造，尤其涉及该目的的方法。
背景技术
用于制造长纤维增强热塑树脂模塑材料的方法和装置在本领域中是公知的。JP-A-10-309756、JP-A-10-315341和JP-A-2003-305779是用于该目的的现有技术的方法和装置的典型文献。在这些文献中公开的现有技术的方法一般可以被描述为包括一系列连续步骤，所述步骤包括(a)将连续纤维材料给送到填充有熔融热塑树脂的浸渍模中，(b)从浸渍模的挤拉孔挤拉浸渍有热塑树脂的连续纤维材料，和(c)在冷却后将得到的杆状产品切割为预期长度的丸粒。
通常，喷嘴附连到浸渍模的挤拉孔。喷嘴的形状和喷嘴中的孔或开孔的尺寸被选择为执行若干功能，所述功能包括：过量熔融热塑树脂的去除，使得预期量的树脂被浸渍到挤拉杆状产品中；和挤拉后的杆状产品的成形，使得它的横截面变为预期形状。实际上，喷嘴的设计在很大程度上决定了在加工期间熔融热塑树脂浸渍到连续纤维材料中的效率和程度。
JP-A-11-042639公开了一种防止熔融热塑树脂从杆状挤拉产品流淌的方法。这通过设置使用与喷嘴中的孔的长度和横截面积有关的某个公式计算的加工值完成。
JP-A-2001-088223公开了一种具有圆锥形部分和线性部分的喷嘴，该喷嘴具有特定尺寸和形状，被设计为防止切割细丝作为毛球积累在喷嘴附近，所述毛球可能潜在地干扰丸粒状产品的高效制造。
JP-A-05-050432公开了将可去除喷嘴设在浸渍模上的概念。
JP-A-08-090659公开了一种包括细化尖端部分的喷嘴，所述细化尖端部分被设计为提高熔融热塑树脂在连续纤维材料中的浸渍水平。
尽管这些现有技术的参考文献在本领域中具有显著进步，但是更进一步的改进仍然是可能的。具体而言，当设法通过增加挤拉步骤的速度来提高生产率时，仍然会遇到诸如在喷嘴的纤维断裂或熔融热塑树脂的浸渍水平下降这样的问题。当长纤维含量比例高时更有可能出现这些问题。例如，当长纤维含量比例为60％(重量)或以上时问题是显著的。如果模塑产品由热塑树脂浸渍到连续纤维材料中的水平不足的长纤维增强热塑树脂模塑材料制造，则模塑产品的机械性能和表面外观降低。本发明为这些问题提供了一种独特和因此未知的解决方案。
发明内容
根据如本文所述的本发明的目的，提供了一种用于在包括加工室的浸渍模中制造长纤维增强热塑树脂丸粒的方法。所述方法包括以下步骤：(a)用熔融热塑树脂填充加工室，(b)将至少一个连续纤维束给送通过加工室，(c)挤拉浸渍有熔融热塑树脂的所述至少一个连续纤维束，和(d)将浸渍有熔融热塑树脂的挤拉后的至少一个连续纤维束切割为丸粒。所述方法的特征在于根据公式A＝Q·L·N/S2加工丸粒，其中：
A＝加工值≤5.0；
Q＝在挤拉期间应用于所述至少一个连续纤维束和从所述加工室去除的熔融热塑树脂的以mm3/sec计的总量；
L＝沿连续纤维束给送方向的所述加工室的以mm计的长度；
N＝从所述浸渍模挤拉的浸渍有熔融热塑树脂的连续纤维束的总数；以及
S＝沿垂直于所述连续纤维束给送方向的方向的所述加工室的以mm2计的横截面积。
在一个特别有用的实施例中，加工值A在0.5到3.5之间。
所述方法还可以包括完全分隔浸渍模以便在单一浸渍模中提供完全分离的多个加工室。在又一个实施例中，所述方法包括部分分隔浸渍模以便在单一浸渍模中提供多个加工室，其中所述多个加工室彼此连通。
在浸渍模包括多个加工室的任何方法中，所述方法包括用熔融热塑树脂填充所述多个加工室的每一个，将连续纤维束给送通过每个室，挤拉浸渍有熔融热塑树脂的连续纤维束和将浸渍有熔融热塑树脂的连续纤维束切割为丸粒。
所述方法还可以包括使用玻璃纤维束作为连续纤维束。备选地，所述方法可以包括使用碳纤维束作为连续纤维束。另外，所述方法可以包括使用聚烯烃树脂作为熔融热塑树脂。在另一个备选实施例中，所述方法可以包括作为熔融热塑树脂的聚酰胺树脂。
所述方法还可以包括展开连续纤维束的多个细丝，以便有助于熔融热塑树脂浸渍纤维束。
在以下描述中，仅仅通过最适合于实现本发明的一些模式的举例说明显示和描述了本发明的若干不同实施例。应当理解，本发明能够有其他不同实施例并且它的若干细节能够在各种、明显的方面进行修改而都不脱离本发明。因此，附图和描述将被认为本质上是示例性的而不是限制性的。
附图说明
包含在本文中并且形成说明书的一部分的附图示出了本发明的若干方面并且与描述一起用于解释本发明的某些原理。在图中：
图1是本发明的浸渍模的透视图；
图2是类似于图1、但却是备选实施例的透视图，该实施例包含分隔件使得浸渍模包括多个加工室；
图3是示出图1的浸渍模的部分示意性和截面图；
图4是本发明的优选实施例的浸渍模的喷嘴的纵向截面详图；以及
图5是现有技术的喷嘴的类似视图。
现在将详细参考本发明的当前优选的实施例，在附图中示出了所述实施例的例子。
具体实施方式
现在参考图1和3，图中示出了根据本发明的教导构造的浸渍模10。浸渍模10包括由合适的高强度材料构造的主体或外壳12。外壳12包括内加工室14。如图1中所示，浸渍模10包括单一加工室14。
参考图3，外壳12包括供应开孔18以允许将熔融热塑树脂引入加工室14中。另外，外壳12包括用于将连续纤维束50给送到加工室14中的引入开孔20。进一步地，外壳12包括与引入开孔20相对的挤拉开孔22。
在图2中示出了浸渍模10的一个备选实施例。在该实施例中，浸渍模10包括形成多个加工室14的一系列分隔件16。分隔件16均可以在外壳12的内腔的整个长度和宽度上延伸，使得加工室14均完全分离。备选地，分隔件16可以部分地在外壳12的内腔的长度和/或宽度上延伸，使得加工室14彼此连通。在该实施例中，多个室14的每一个包括供应开孔18、引入开孔20和挤拉开孔22。
喷嘴24承载在外壳12上(参见图3)。喷嘴24可以由任何合适的材料(包括黄铜或特种钢)制造。在所示实施例中，喷嘴24覆盖挤拉开孔22并且通过挤拉开孔与加工室14连通。
如图3中所示，喷嘴24的底端26接收在围绕挤拉开孔22同心地形成于外壳12中的埋头孔28中。挡圈30接合底端26的肩部。挡圈30可以由螺钉或其他紧固装置(未显示)固定到外壳12，以便将喷嘴24固定就位。
如图4中最佳地所示，喷嘴24包括开口32，所述开口具有入口端34、出口端36和中心轴线A。入口端34借助于挤拉开孔22与加工室14直接连通。
当详细描述时，开口32的特征在于包括邻近入口端34的第一锥形部分40，在第一锥形部分40的正下游的第一笔直部分42，在第一笔直部分42的正下游的第二锥形部分44和在第二锥形部分44的正下游并且邻近出口端36的第二笔直部分46。如图4中所示，第一锥形部分40包含弯曲锥度(注意开口的弧形侧壁)，而第二锥形部分44包含线性锥度(注意开口的直侧壁)。然而应当理解，如果需要的话，第一锥形部分40可以包含线性锥度并且第二锥形部分44可以包含弯曲锥度。因此，在一个可能的实施例中，第一和第二锥形部分40、44两者包含线性锥度。在另一个可能的实施例中，第一和第二锥形部分40、44两者包含弯曲锥度。在又一个可能的实施例中，第一锥形部分40可以包含线性锥度，而第二锥形部分44可以包含弯曲锥度。
在任何一个可能的实施例中，第一锥形部分40朝着第一笔直部分42会聚。类似地，第二锥形部分44朝着第二笔直部分46会聚。
如图4中进一步所示，应当理解，第一笔直部分42和第二笔直部分46两者对称地排列并且沿着开口32的中心轴线A纵向延伸。
喷嘴24的尖端典型地从安装挡圈30向外延伸5-20mm的长度。该距离有助于保证从喷嘴24挤拉的产品变得稳定，由此，当挤拉产品被切割为某个预期长度的丸粒时，减小产品的破裂和由纤维下落产生的任何毛刺。
开口32的第一锥形部分40具有长度L1。开口32的第一笔直部分42具有长度L2和直径D2。开口32的第二锥形部分具有长度L3。开口32的第二笔直部分具有长度L4和直径D4。典型地，第一锥形部分40的长度L1和第二锥形部分44的长度L3分别在0.5到5mm之间。另外，第一笔直部分42的长度L2长于第二笔直部分46的长度L4。第一笔直部分42的直径D2大于第二笔直部分46的直径D4。此外，第一锥形部分40具有在第一、上游或入口端的直径D1和在第二或下游端的直径D2，其中D2＝D1/2。更进一步地，比率L4/D4典型地在1.4到3.4之间。
现在将详细描述制造丸粒形状的长纤维增强热塑树脂模塑材料的方法。所述方法包括通过供应开孔18用熔融热塑树脂连续填充加工室14的步骤。为设在浸渍模10中的每个加工室14提供至少一个供应开孔18。可以利用已知有利于生产长纤维增强热塑树脂丸粒的任何热塑树脂，包括但不限于聚烯烃树脂、聚酰胺树脂和它们的组合。
所述方法也包括将至少一个连续纤维束50给送通过加工室14。更具体而言，将连续纤维束50从供应卷轴(未显示)给送到导向元件48上并且通过引入开孔20进入加工室14。连续纤维束50在通过穿过挤拉开孔22和喷嘴24被挤拉和完全浸渍树脂之前与加工室14中的熔融热塑树脂接触。连续纤维束50可以由任何合适的材料制造，包括诸如玻璃纤维束和/或碳纤维束这样的增强材料。在本领域中已知类型的可选展开器54可以设在加工室14中的间隔位置以展开连续纤维束50的单个细丝并且有助于浸渍过程。包括浸渍有熔融热塑树脂51的连续纤维束50的挤拉后的杆状产品56通过喷嘴24被挤出并且然后通过切割装置52被切割为预期长度的丸粒60。
本发明的方法的特征在于根据公式A＝Q·L·N/S2加工丸粒，其中：
A＝加工值≤5.0；
Q＝在挤拉期间应用于所述至少一个连续纤维束和从所述加工室去除的熔融热塑树脂的以mm3/sec计的总量；
L＝沿连续纤维束给送方向的所述加工室的以mm计的长度；
N＝从所述浸渍模挤拉的浸渍有熔融热塑树脂的连续纤维束的总数；以及
S＝沿垂直于所述连续纤维束给送方向的方向的所述加工室的以mm2计的横截面积。
优选地，加工值A设在0.5至3.5之间。
在诸如图2中所示的包含多个加工室14的浸渍模10中，根据加工值A加工由穿过那些单个室14的每一个的连续带50生产的丸粒。在这样的情况下，当计算前述公式中的值A时每个室14的相应横截面积S1、S2、S3、S4的总值用作浸渍模10的横截面积S。
以下例子将帮助举例说明本发明。
实验1
使用图2中所示形状的浸渍模获得丸粒形状的长纤维增强热塑树脂模塑材料，长度L和横截面积S(每个加工室的横截面积的总值)如表1中所述，并且将从浸渍模挤拉的杆状产品的总数N设置为4，并且设置杆状产品的挤拉速度，使得从浸渍模去除的熔融热塑树脂的总量Q为如表1中所述。
关于纤维，使用将直径为16μm的4,080个玻璃细丝聚束在一起的玻璃纤维。具有根据ISO-1133中所述的程序测量的151熔体流率(MFR)的聚丙烯树脂用作热塑树脂。获得的长纤维增强热塑树脂模塑材料的玻璃纤维的含量比例为50％(重量)。
在以下方法中评估例子1-5和比较例子1-3的长纤维增强热塑树脂模塑材料，以得到聚丙烯树脂对玻璃纤维的浸渍水平并且在表1中显示结果。
浸渍水平的评价方法
将10g丸粒形状的长纤维增强热塑树脂模塑材料浸泡在水基红墨水中一分钟并取出，在水中冲洗并且擦去流体。更轻的着色丸粒具有聚丙烯树脂对玻璃纤维的更好浸渍水平，原因是墨水透过未浸渍聚丙烯树脂的部分中(即，丸粒的微小气隙内)。由眼睛基于着色的深度相对地评估浸渍水平。
如表1中所示，作为本发明的长纤维增强热塑树脂模塑材料的例子1-5的丸粒具有良好的树脂浸渍水平。
表1
  实验1   实验2   实验3   实验4   实验5  比较实验1  比较实验2  比较实验3
 N(条)   4   4   4   4   4  4  4  4
 Q(mm3/sec)   3,066   3,528   802   1,604   1,925  2,245  2,566  3,208
 L(mm)   1,000   1,000   1,000   1,000   1,000  1,000  1,000  1,000
 S(mm2)   3,720   2,360   1,300   1,300   1,300  1,300  1,300  1,300
 A＝Q＊L＊N/S2   0.89   2.53   1.90   3.80   4.56  5.31  6.07  7.59
 浸渍水平   很好   很好   很好   良好   良好  差  差  差
实验2
使用图4中所示形状的若干喷嘴附连到其上的如图3中所示的浸渍模10制造长纤维增强热塑树脂模塑材料。喷嘴的每个尺寸为D1＝10mm，D2＝5mm，D3＝15mm，D4＝2.2mm，D5＝10mm，R(第一锥形部分的弯曲锥度的曲率半径)＝5mm，L1＝2mm，L2＝20mm，L3＝2mm，L4＝6mm，L4/D4＝2.7并且它的材料为黄铜。关于纤维，使用将17条玻璃纤维聚集在一起的玻璃纤维束，所述玻璃纤维通过聚束直径为13.5μm的600个玻璃细丝获得。而且，聚丙烯树脂用作热塑树脂。
将挤拉杆状产品的速度设置为15m/min，并且将其他条件设置为N＝4条，Q＝1,747mm3/sec，L＝1,000mm，S＝2,360mm2以及A＝1.3。然后，制造玻璃纤维的含量比例为70％(重量)的长纤维增强热塑树脂模塑材料。在该制造过程中，围绕喷嘴的挤拉、杆状产品的断裂次数被计数并且被转换为一天(24小时)中每个喷嘴的断裂频率。由包括玻璃纤维的玻璃细丝部分地断裂和起毛刺并且毛刺积累在喷嘴中导致的玻璃纤维的断裂被计数为杆状产品的断裂。本发明中的断裂频率为每天每个喷嘴0.099次。
为了比较，使用图5中所示形状的喷嘴(现有技术)在与上面相同的条件下并且在相同的方法中计数杆状产品的断裂次数。尽管喷嘴60具有肩部68，但是它具有大致圆柱形，带有穿透它的孔65，所述孔的横截面为圆形。孔65具有锥形部分66以及平行或笔直部分67。喷嘴60的每个尺寸为D6＝9mm，D7＝2.2mm，D8＝15mm，D9＝10mm，L6＝25mm，L7＝5mm。在该现有技术中的杆状产品的断裂频率为每天每个喷嘴0.77次。
如上所述，本发明的杆状产品的断裂频率远远小于现有技术中的断裂频率。所以，在本发明的浸渍模中长纤维增强热塑树脂模塑材料的生产率更高。
为了例示和描述的目的提供了本发明的优选实施例的以上描述。它并非旨在是穷举的或将本发明限制为公开的确切形式。按照以上教导明显的修改或变化是可能的。选择和描述实施例是为了提供本发明的原理及其实践应用的最佳例证，由此允许本领域的普通技术人员在各种实施例中并且以适合于预期特定用途的各种修改而利用本发明。当根据正当地、合法地和公正地给予权利要求的外延来理解时所有这样的修改和变化在由附带权利要求确定的本发明的范围内。附图和优选实施例并不而且并非旨在以任何方式在其正当和广义解释中限制权利要求的普通含义。

Claims (10)

1.一种用于在包括加工室的浸渍模中制造长纤维增强热塑树脂模塑材料的方法，所述方法包括：
用熔融热塑树脂填充所述加工室；
将至少一个连续纤维束给送通过所述加工室；
挤拉浸渍有所述熔融热塑树脂的所述至少一个连续纤维束；和
将浸渍有所述熔融热塑树脂的挤拉后的至少一个连续纤维束切割为丸粒；
所述方法的特征在于，根据公式A＝Q·L·N/S2加工所述丸粒，其中：
A＝加工值≤5.0；
Q＝在挤拉期间应用于所述至少一个连续纤维束和从所述加工室去除的熔融热塑树脂的以mm3/sec计的总量；
L＝沿连续纤维束给送方向的所述加工室的以mm计的长度；
N＝从所述浸渍模挤拉的浸渍有熔融热塑树脂的连续纤维束的总数；以及
S＝沿垂直于所述连续纤维束给送方向的方向的所述加工室的以mm2计的横截面积。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括用0.5到3.5之间的加工值A加工所述丸粒。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括完全分隔所述浸渍模，以便在单一浸渍模中提供完全分离的多个加工室。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括部分分隔所述浸渍模，以便在单一浸渍模中提供多个加工室，其中所述多个加工室彼此连通。
5.根据权利要求3或4所述的方法，包括：
用熔融热塑树脂填充所述多个加工室的每一个；
将连续纤维束给送通过所述多个加工室的每一个；
挤拉浸渍有所述熔融热塑树脂的所述连续纤维束；和
将浸渍有所述熔融热塑树脂的所述连续纤维束切割为丸粒。
6.根据权利要求1所述的方法，包括使用玻璃纤维作为所述连续纤维束。
7.根据权利要求1所述的方法，包括使用碳纤维作为所述连续纤维束。
8.根据权利要求1所述的方法，包括使用聚烯烃树脂作为所述熔融热塑树脂。
9.根据权利要求1所述的方法，包括使用聚酰胺树脂作为所述熔融热塑树脂。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括展开所述连续纤维束的多个细丝，以有助于用所述熔融热塑树脂浸渍所述连续纤维束。
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