CN102367003A - 连续长纤维增强热塑性塑料的浸渍设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浸渍设备和方法，尤其是一种连续长纤维增强热塑性塑料的浸渍设备和方法。本发明提供了一种纤维束之间不互相影响的连续长纤维增强热塑性塑料的浸渍设备和方法，包括设备外体、所述设备外体的上游端设置有熔体入口，所述设备外体的下游端设置有挤出口，所述设备外体的内部设置有浸渍流道，所述浸渍流道的两端分别与所述熔体入口和所述挤出口连通，所述浸渍流道至少并列设置有两条，所述设备外体的侧壁上设置有与浸渍流道数量相同的长纤维加入口，所述长纤维加入口分别与各个浸渍流道连通。由于每个浸渍流道是独立设置的，使得纤维可以独立浸渍前进而不相互干扰，保证了稳定生产。

Description

连续长纤维增强热塑性塑料的浸渍设备和方法

技术领域

本发明涉及一种浸渍设备，尤其是一种连续长纤维增强热塑性塑料的浸渍设备。此外，本发明还涉及一种浸渍方法，尤其是一种连续长纤维增强热塑性塑料的浸渍方法。

背景技术

连续长纤维增强热塑性树脂是一种增强纤维单向排布且其长度与树脂粒料长度相等的增强热塑性树脂。与常规的短纤相比具有更加优异的机械性能、耐动态疲劳性能、抗翘曲性等。研究连续长纤维增强热塑性塑料对促进复合材料的发展和拓展纤维增强复合材料在工业上的应用具有重要的研究意义和工业价值。长纤维增强技术是实现通用塑料工程化和工程塑料功能化的重要技术之一，已引起国内外科研单位与工业界的广泛关注。

目前，熔融浸渍挤拉技术由于挤出效率高而被工业上广泛采用。它采用一种特殊结构的拉挤模头，让分散均匀、预加张力的连续纤维束经过这一充满高压熔体的模头时，反复多次承受交替的变化，促使纤维和熔体强制性的浸渍，达到理想的浸渍效果。为了达到理想的浸渍效果，传统主要采用以下两种方法：1、采用波浪形的浸渍流道，连续长纤维束在经过波峰时必然受到波峰的顶紧力，由此使得连续长纤维束分散，进而使得每根纤维都与熔体接触。然而整根连续长纤维束在与波峰接触时，每根纤维的受力是不同的，也就是整束连续长纤维束受力不均，因此受力大的纤维单丝折断，而受力小的纤维单丝展开度不足。2、在浸渍流道内设置导丝辊，利用导丝辊将连续长纤维束分散均匀，从而使得每根纤维单丝都很好的与熔体接触。导丝辊的加入必然使得浸渍流道的空间变大，这就造成熔体的温度和流速难以控制，可能造成各部位熔体的温度和流速不相同，这就不适合热敏树脂的生产。并且导丝辊需要与各个规格的连续长纤维束相对应，这就使得本方法通用性不强，增加了设备成本。由于生产过程中导丝辊必须要转动才能有效的减少对纤维单丝的作用力，在生产高粘度树脂时，导丝辊在高粘度树脂中难以转动，而且容易损坏，因此不适合高粘度树脂的生产。

上述两种方法虽然均能将纤维束分散，然而单丝纤维均是在同一浸渍流道中进行浸渍，纤维束在运动过程中必然对附近的熔体产生干扰，从而使得旁边纤维束处熔体压强的变化，这就使得纤维束之间要相互影响，从而造成产品质量不稳定。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种纤维束之间不互相影响的连续长纤维增强热塑性塑料的浸渍设备。

本发明解决其技术问题所采用的连续长纤维增强热塑性塑料的浸渍设备，包括设备外体、所述设备外体的上游端设置有熔体入口，所述设备外体的下游端设置有挤出口，所述设备外体的内部设置有浸渍流道，所述浸渍流道的两端分别与所述熔体入口和所述挤出口连通，所述浸渍流道至少并列设置有两条，所述设备外体的侧壁上设置有与浸渍流道数量相同的长纤维加入口，所述长纤维加入口分别与各个浸渍流道连通。

进一步的是，所述浸渍流道中设置有凸起，所述凸起是以浸渍流道与所述长纤维加入口的结合面作为底面。

进一步的是，所述浸渍流道为弯曲状，其弯曲形成的凸起为圆弧状，沿熔体流动方向，所述长纤维加入口沿所述圆弧状凸起起点的切线与所述浸渍流道连通。

进一步的是，所述熔体入口与所述浸渍流道之间的连通是以圆弧面平滑过渡。

进一步的是，所述浸渍流道中设置有辊轮，所述辊轮上设置有凹槽，以熔体流动方向为正向，所述辊轮与逆向旋转动力源相连。

进一步的是，所述设备外体包括前段与设置在下游端的可拆卸段，所述挤出口设置在可拆卸段内，所述可拆卸段可拆卸连接在前段上。

进一步的是，所述长纤维加入口的横截面为直径5～20mm的圆或长度5～20mm宽度5～10mm的矩形，所述浸渍流道横截面为直径10～20mm的圆形或边长10～20mm的正方形，所述挤出口的横截面为圆形，圆形半径为1～5mm。

本发明另一个要解决的技术问题是提供一种纤维束之间不互相影响的连续长纤维增强热塑性塑料的浸渍方法。

本发明还提供一种连续长纤维增强热塑性塑料的浸渍方法，包括以下步骤：

A、将连续长纤维束按照纤维加入口的数量均分，将分好的连续长纤维束一一对应的加入到长纤维加入口并引入各自的浸渍流道，对连续长纤维束预加牵引力，利用浸渍流道与长纤维加入口的连接拐角处顶紧连续长纤维束从而使连续长纤维束分散，从而在各个浸渍流道中与热塑性树脂充分接触；

B、热塑性树脂通过熔体入口加入，然后分别进入各个浸渍流道；

C、浸渍后的连续长纤维束在浸渍流道的末端重新汇聚为一束，通过挤出口挤出成为预定形状和尺寸的长纤维增强热塑性树脂；

D、将长纤维增强热塑性树脂经冷却、牵引、切粒成预订长度的连续长纤维增强热塑性树脂粒料。

进一步的是，在A步骤中，所述连续长纤维束沿弯曲状的浸渍流道的凸起起点的切线进入浸渍流道，在牵引力的作用下被凸起顶紧而分散。

进一步的是，在B步骤中，在热塑性树脂流入到浸渍流道后，以熔体流动方向为正向，逆向旋转表面带凹槽的辊轮，利用旋转产生的逆向紊流压向连续长纤维束。

本发明的有益效果是：由于每个浸渍流道是独立设置的，使得纤维可以独立浸渍前进而不相互干扰，保证了稳定生产。由于采用多个长纤维加入口分别入纤维，并且每束纤维分别加入到各自的浸渍流道中，而且长纤维加入口设置在侧壁，从而长纤维加入口与浸渍流道的转角处可以顶散纤维，使得每束纤维分别浸渍然后重新聚集，提高了浸渍效果。浸渍流道采用弯曲状，弯曲流道中的凸起与纤维的接触处为中间高两边低的结构使得纤维在辅助牵引力的作用下更易分散，且过渡平滑纤维不易折断。在设置逆向旋转的辊轮后，辊轮向与纤维走向相反的方向转动产生的紊流使熔体压向纤维，增加了二者之间的相互作用。设备外体上挤出口前端的可拆卸段能够保证设备易清洗，适用于高温交联树脂。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的侧剖图；

图3是辊轮的示意图；

图中零部件、部位及编号：设备外体1、熔体入口2、长纤维加入口3、浸渍流道4、辊轮5、可拆卸段6、挤出口7、前段8、凸起41、凹槽51。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括设备外体1、所述设备外体1的上游端设置有熔体入口2，所述设备外体1的下游端设置有挤出口7，所述设备外体1的内部设置有浸渍流道4，所述浸渍流道4的两端分别与所述熔体入口2和所述挤出口7连通，所述浸渍流道4至少并列设置有两条，所述设备外体1的侧壁上设置有与浸渍流道4数量相同的长纤维加入口3，所述长纤维加入口3分别与各个浸渍流道4连通。设备外体1的上游端即为：以熔体流动方向为准，进料的一端；同理，下游端即为出料的一端。设备外体1的侧壁是以浸渍流道4为基准，位于浸渍流道4侧面的设备外体1壁。因此，设置在侧壁上的长纤维加入口3必然与浸渍流道4有一定的夹角，长纤维加入口3最好偏向上游端，长纤维加入口3最好在与熔体流动方向垂直的同一直线上。各个浸渍流道4的距离和角度可以按需设置，例如有三条浸渍流道4，三条独立浸渍流道4的分流夹角为15-45°之间，分流夹角即相邻两个浸渍流道4的夹角，浸渍流道4间的水平距离为20-40mm。在生产时，将热塑性树脂通过熔体入口2流入浸渍流道4中，以待与连续长纤维束接触，此时可以根据材料的不同选择不同的温度、压力等工艺参数，以使连续长纤维得到充分的浸渍。熔体入口2与多个浸渍流道4连通，当然，也可以多个熔体入口2与多个浸渍流道4分别连通。优选的方式是一个熔体入口2与多个浸渍流道4连通，这样容易保证进入各个浸渍流道4中的熔体工艺参数基本相同。然后将连续长纤维束按照纤维加入口的数量均分，例如有三个长纤维加入口3，则连续长纤维束均分成三束，当然也可不均分，将分好的连续长纤维束一一对应的加入到长纤维加入口3并引入浸渍流道4，对连续长纤维束预加牵引力，利用浸渍流道4与长纤维加入口3的连接拐角处顶紧连续长纤维束从而使连续长纤维束分散。拐角处最好为弧状，以避免擦伤纤维，拐角处可以设置一排导向槽来帮助连续长纤维分散。浸渍后的连续长纤维束在浸渍流道4的末端重新汇聚为一束，对于与挤出口7互成角度的浸渍流道4，可以在浸渍流道4的末端设置导向装置，使得各个浸渍流道4内的纤维束更容易汇聚为一束。导向装置可以是导向辊，其用于约束与挤出口7成角度的纤维束，使得纤维束在最后汇聚时更加容易。通过挤出口7挤出成为预定形状和尺寸的长纤维增强热塑性树脂；最后将长纤维增强热塑性树脂经冷却、牵引、切粒成预订长度的连续长纤维增强热塑性树脂粒料。从上述结构和生产方法中可知，连续长纤维束被平均分成若干分束，并进入各自的浸渍流道4，使得纤维可以独立浸渍前进而不相互干扰，保证了稳定生产，纤维束运动导致的熔体扰动不会影响到其它纤维束，从而能够保证浸渍工艺的稳定性。本发明的结构非常简单，在浸渍流道4中基本不含有其它设备，因此熔体的流动状态良好，不会受到其它设备的干扰；在加热的过程中，熔体间的传热也不易受到干扰，能够保持整个熔体具有较为均匀的温度。连续长纤维束被均分成了若干份，在分散的时候受到的作用力也分成了若干份，这不仅使得连续长纤维束分散程度更好，从而在浸渍的过程中与熔体的接触面增大，达到理想的浸渍效果；而且还分散了整个纤维束的受力，避免了力集中在少数的纤维上，防止了纤维的折断。

为了便于顶散纤维束，如图2所示，浸渍流道4中设置有凸起41，所述凸起41是以浸渍流道4与所述长纤维加入口3的结合面作为底面。也就是凸起41是以浸渍流道4与所述长纤维加入口3的结合面作为底面生长出的，也就是凸起41是背向长纤维加入口3生长的。因此，纤维束在进入到浸渍流道4中后，在预应力的作用下，必然受到凸起41的顶紧力，从而向两边分散开来，这就进一步的分散了纤维束，使得每根单丝纤维都能很好的与熔体接触，达到良好的浸渍效果。

为了减少应力集中，如图2所示，所述浸渍流道4为弯曲状，其弯曲形成的凸起41为圆弧状，沿熔体流动方向，所述长纤维加入口3沿所述圆弧状凸起41起点的切线与所述浸渍流道4连通。在生产的过程中，连续长纤维束实际上是沿弯曲形浸渍流道4的凸起41起点的切线进入浸渍流道4，在牵引力的作用下被凸起41顶紧而分散。这样，纤维束在受到牵引力的时候，其必然与长纤维加入口3壁、凸起41的起点到最高点处的壁相接触，这就增加了纤维束的受力面积，减少了应力集中，从而防止纤维的折断。

为了避免熔体流动死角的产生，如图1所示，熔体入口2与所述浸渍流道4之间的连通是以圆弧面平滑过渡。过渡圆弧直径为10～20mm。对于弯曲的浸渍流道4来说，熔体入口2与浸渍流道4的接合处容易形成死角，造成此处的熔体无法流动，影响生产质量。在采用圆弧面平滑过渡后，就可以避免死角的出现，有利于熔体的流动。

为了更好的浸渍纤维束，如图1和图2所示，所述浸渍流道4中设置有辊轮5，所述辊轮5上设置有凹槽51，以熔体流动方向为正向，所述辊轮5与逆向旋转动力源相连。辊轮5最好位于连续长纤维束分散处，即在波峰的附近，辊轮5的数量最好与长纤维加入口3的数量相等，以对应每一个纤维分散处。在浸渍的过程中，开动逆向旋转动力源，驱动辊轮5逆向运动，凹槽51就会产生逆向的紊流朝向分散处的连续长纤维束，这种局部的作用力使得分散处的纤维受到的压力局部增大，进一步增加纤维与熔体之间的相互作用，使得浸渍效果提高。由于离心力的影响，熔体会从凹槽51中甩出而不会在凹槽51中积料。

为了便于设备的清理和纤维的引出，如图1所示，所述设备外体1包括前段8与设置在下游端的可拆卸段6，所述挤出口7设置在可拆卸段6内，所述可拆卸段6可拆卸连接在前段8上。

具体的，所述长纤维加入口3的横截面为直径5～20mm的圆或长度5～20mm宽度5～10mm的矩形，所述浸渍流道4横截面为直径10～20mm的圆形或边长10～20mm的平滑正方形，所述挤出口7的横截面为圆形，圆形半径为1～5mm。

本发明提供的方法包括以下步骤：

A、将连续长纤维束按照纤维加入口的数量均分，将分好的连续长纤维束一一对应的加入到长纤维加入口3并引入各自的浸渍流道4，连续长纤维束在穿过浸渍流道4后从同一挤出口7穿出，对连续长纤维束预加牵引力，利用浸渍流道4与长纤维加入口3的连接拐角处顶紧连续长纤维束从而使连续长纤维束分散，从而在各个浸渍流道4中与热塑性树脂充分接触；

B、热塑性树脂通过熔体入口加入，然后分别进入各个浸渍流道4，利用加热器和增压设备使得各个浸渍流道4中温度和压力相等，并且温度和压力需保持恒定以保证产品的质量；

C、浸渍后的连续长纤维束在浸渍流道4的末端重新汇聚为一束，通过挤出口7挤出成为预定形状和尺寸的长纤维增强热塑性树脂；

D、将长纤维增强热塑性树脂经冷却、牵引、切粒成预订长度的连续长纤维增强热塑性树脂粒料。

在浸渍流道4中可以加入阀门，这样就可以关闭部分浸渍流道4不使用，使得较多浸渍流道4的设备可以运用于单丝纤维较少的连续长纤维束。

为了分散应力，在A步骤中，在A步骤中，所述连续长纤维束沿弯曲状的浸渍流道4的凸起41起点的切线进入浸渍流道4，在牵引力的作用下被凸起41顶紧而分散。这样，纤维束在受到牵引力的时候，其必然与长纤维加入口3壁、凸起41的起点到最高点处的壁相接触，这就增加了纤维束的受力面积，减少了应力集中，从而防止纤维的折断。

为了更好的浸渍纤维束，在B步骤中，在热塑性树脂流入到浸渍流道4后，以熔体流动方向为正向，逆向旋转表面带凹槽51的辊轮5，利用旋转产生的逆向紊流压向连续长纤维束。在浸渍的过程中，开动逆向旋转动力源，驱动辊轮5逆向运动，凹槽51就会产生逆向的紊流朝向分散处的连续长纤维束，这种局部的作用力使得分散处的纤维受到的压力局部增大，进一步增加纤维与熔体之间的相互作用，使得浸渍效果提高。由于离心力的影响，熔体会从凹槽51中甩出而不会在凹槽51中积料。

Claims (10)

1.连续长纤维增强热塑性塑料的浸渍设备，包括设备外体(1)、所述设备外体(1)的上游端设置有熔体入口(2)，所述设备外体(1)的下游端设置有挤出口(7)，所述设备外体(1)的内部设置有浸渍流道(4)，所述浸渍流道(4)的两端分别与所述熔体入口(2)和所述挤出口(7)连通，其特征在于：所述浸渍流道(4)至少并列设置有两条，所述设备外体(1)的侧壁上设置有与浸渍流道(4)数量相同的长纤维加入口(3)，所述长纤维加入口(3)分别与各个浸渍流道(4)连通。

2.如权利要求1所述的连续长纤维增强热塑性塑料的浸渍设备，其特征在于：所述浸渍流道(4)中设置有凸起(41)，所述凸起(41)是以浸渍流道(4)与所述长纤维加入口(3)的结合面作为底面。

3.如权利要求2所述的连续长纤维增强热塑性塑料的浸渍设备，其特征在于：所述浸渍流道(4)为弯曲状，其弯曲形成的凸起(41)为圆弧状，沿熔体流动方向，所述长纤维加入口(3)沿所述圆弧状凸起(41)起点的切线与所述浸渍流道(4)连通。

4.如权利要求3所述的连续长纤维增强热塑性塑料的浸渍设备，其特征在于：所述熔体入口(2)与所述浸渍流道(4)之间的连通是以圆弧面平滑过渡。

5.如权利要求1所述的连续长纤维增强热塑性塑料的浸渍设备，其特征在于：所述浸渍流道(4)中设置有辊轮(5)，所述辊轮(5)上设置有凹槽(51)，以熔体流动方向为正向，所述辊轮(5)与逆向旋转动力源相连。

6.如权利要求1所述的连续长纤维增强热塑性塑料的浸渍设备，其特征在于：所述设备外体(1)包括前段(8)与设置在下游端的可拆卸段(6)，所述挤出口(7)设置在可拆卸段(6)内，所述可拆卸段(6)可拆卸连接在前段(8)上。

7.如权利要求1至6任一权利要求所述的连续长纤维增强热塑性塑料的浸渍设备，其特征在于：所述长纤维加入口(3)的横截面为直径5～20mm的圆或长度5～20mm宽度5～10mm的矩形，所述浸渍流道(4)横截面为直径10～20mm的圆形或边长10～20mm的正方形，所述挤出口(7)的横截面为圆形，圆形半径为1～5mm。

8.使用如权利要求1所述的连续长纤维增强热塑性塑料的浸渍设备的连续长纤维增强热塑性塑料的浸渍方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、将连续长纤维束按照纤维加入口的数量均分，将分好的连续长纤维束一一对应的加入到长纤维加入口(3)并引入各自的浸渍流道(4)，对连续长纤维束预加牵引力，利用浸渍流道(4)与长纤维加入口(3)的连接拐角处顶紧连续长纤维束从而使连续长纤维束分散，从而在各个浸渍流道(4)中与热塑性树脂充分接触；

B、热塑性树脂通过熔体入口加入，然后分别进入各个浸渍流道；

C、浸渍后的连续长纤维束在浸渍流道(4)的末端重新汇聚为一束，通过挤出口(7)挤出成为预定形状和尺寸的长纤维增强热塑性树脂；

D、将长纤维增强热塑性树脂经冷却、牵引、切粒成预订长度的连续长纤维增强热塑性树脂粒料。

9.如权利要求8所述的连续长纤维增强热塑性塑料的浸渍方法，其特征在于：在A步骤中，所述连续长纤维束沿弯曲状的浸渍流道(4)的凸起(41)起点的切线进入浸渍流道(4)，在牵引力的作用下被凸起(41)顶紧而分散。

10.如权利要求8或9所述的连续长纤维增强热塑性塑料的浸渍方法，其特征在于：在B步骤中，在热塑性树脂流入到浸渍流道(4)后，以熔体流动方向为正向，逆向旋转表面带凹槽(51)的辊轮(5)，利用旋转产生的逆向紊流压向连续长纤维束。

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