CN102367004B - 一种串联型连续长纤维增强热塑性塑料的浸渍设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种浸渍设备及方法，尤其是一种串联型连续长纤维增强热塑性塑料的浸渍设备及方法。本发明提供了一种具有良好通用性的串联型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，所述设备外体的侧壁上至少设置有两个长纤维加入口，所述长纤维加入口沿熔体流动方向排布并且与所述浸渍流道连通。由于采用多个长纤维加入口分别入纤维，并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顶散纤维，使得每束纤维分别浸渍后重新聚集，提高了浸渍效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种浸渍设备，尤其是一种串联型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，尤其是一种串联型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。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有良好通用性的串联型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串联型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，所述设备外体的侧壁上至少设置有两个长纤维加入口，所述长纤维加入口沿熔体流动方向排布并且与所述浸渍流道连通。
进一步的是，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，浸渍流道呈连续弯曲的波浪状，并且在熔体的流动方向上波峰依次减小。
进一步的是，每个所述长纤维加入口分别与不同的所述浸渍流道的波峰对应，沿熔体流动方向，所述长纤维加入口沿所述波峰起点的切线与所述浸渍流道连通。
进一步的是，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，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，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的平滑正方形，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具有良好通用性的串联型连续长纤维增强热塑性塑料的浸渍方法。
本发明还提供一种串联型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纤维加入口并引入浸渍流道，对连续长纤维束预加牵引力，利用浸渍流道与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；
B、将热塑性树脂通过熔体入口流入浸渍流道中，与连续长纤维束接触；
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波浪形浸渍流道的波峰起点的切线进入浸渍流道，在辅助牵引力的作用下被波峰顶紧而分散。
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：由于采用多个长纤维加入口分别加入纤维，并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。长纤维加入口沿熔体流动方向排布，这就使得分开后的每束纤维束的展开位置不同，这在浸渍过程中各个长纤维加入口处的纤维束不会相互影响，提高了浸渍效果。浸渍流道采用弯曲的波浪状，弯曲流道中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、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，所述设备外体1的侧壁上至少设置有两个长纤维加入口3，所述长纤维加入口3沿熔体流动方向排布并且与所述浸渍流道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，各个长纤维加入口3按照熔体流动方向依次排布，最好在一条直线上。在生产时，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。在布置好长纤维后，将热塑性树脂通过熔体入口2流入浸渍流道4中，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。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；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，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；在加热器加热的过程中，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。长纤维加入口3沿熔体流动方向排布，这就使得分开后的每束纤维束的展开位置不同，纤维运动造成熔体的压力温度变化就不会对另外长纤维加入口3处的纤维束造成影响，因此，在浸渍过程中各个长纤维加入口处的纤维束不会相互影响，提高了浸渍效果。
为了更好的顶散连续长纤维束，如图1所示，浸渍流道4呈连续弯曲的波浪状，并且在熔体的流动方向上波峰依次减小。在浸渍流道4中必然形成波峰和波谷，弯曲浸渍流道4的弧度为直径为40～100mm的圆弧。纤维束在受到牵引力的时候会受到波峰的顶紧，从而使得纤维束分散，纤维束可以单独受到波峰的顶紧，也可以同时受到波峰和拐角的顶紧，同时，波峰本身就可以位于拐角处作为长纤维加入口3与浸渍流道4的拐角。由于在熔体的流动方向上波峰依次减小，使得纤维束在各波峰和波谷的受力峰值差异减小，即张力递减，从而在纤维束牵引速度较快的情况下也能平稳运行，防止纤维的折断。
为了减少应力集中，如图1所示，每个所述长纤维加入口3分别与不同的所述浸渍流道4的波峰对应，沿熔体流动方向，所述长纤维加入口3沿所述波峰起点的切线与所述浸渍流道4连通。由于长纤维加入口3是沿熔体流向排列的，因此可以依次与浸渍流道4中的波峰对应。在生产的过程中，连续长纤维束实际上是沿波浪形浸渍流道4的波峰起点的切线进入浸渍流道4，在牵引力的作用下被波峰顶紧而分散。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、波峰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。挤出口7可以设置在口模上，然后口模安装在可拆卸段6内，这样对于不同规格的产品就可以使用不同规格的口模；挤出口7也可以直接设置在可拆卸段6上，这样的结构比较简单。在清理的过程中，如果是一些难以清理的树脂，则可拆下可拆卸段6进行清洗，这样清洗操作就会比较方便。
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并引入浸渍流道4，连续长纤维束在穿过浸渍流道4后从挤出口7穿出，并使其汇聚成一束，对连续长纤维束预加牵引力，牵引力分散到各组连续长纤维束上，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；
B、利用挤出机将热塑性树脂通过熔体入口2流入浸渍流道4中，与连续长纤维束接触，并利用加热设备和加压设备使熔体保持为所需的温度和压力，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。
为了分散应力，在A步骤中，所述连续长纤维束沿波浪形浸渍流道4的波峰起点的切线进入浸渍流道4，在辅助牵引力的作用下被波峰顶紧而分散。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、波峰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 (8)
1.一种串联型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：所述设备外体（1）的侧壁上至少设置有两个长纤维加入口（3），所述长纤维加入口（3）沿熔体流动方向排布并且与所述浸渍流道（4）连通，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）的数量与长纤维加入口（3）的数量相等，以对应每一个纤维分散处。
2.如权利要求1所述的串联型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）呈连续弯曲的波浪状，并且在熔体的流动方向上波峰依次减小。
3.如权利要求2所述的串联型连续长纤维增强热塑性塑料的浸渍设备，其特征在于：每个所述长纤维加入口（3）分别与不同的所述浸渍流道（4）的波峰对应，沿熔体流动方向，所述长纤维加入口（3）沿所述波峰起点的切线与所述浸渍流道（4）连通。
4.如权利要求2所述的串联型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所述的串联型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。
6.如权利要求1至6任一权利要求所述的串联型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。
7.使用如权利要求1所述的串联型连续长纤维增强热塑性塑料的浸渍设备的一种串联型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；
B、将热塑性树脂通过熔体入口（2）流入浸渍流道（4）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，使热塑性树脂与连续长纤维束接触；
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。
8.如权利要求7所述的串联型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波浪形浸渍流道（4）的波峰起点的切线进入浸渍流道（4），在辅助牵引力的作用下被波峰顶紧而分散。
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2011
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