CN102814995A - 用于浸渍粗纱纤维的模具和方法 - Google Patents

用于浸渍粗纱纤维的模具和方法 Download PDF

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Abstract

一种采用聚合物树脂用于浸渍至少一根纤维粗纱的模具及其方法。在一个实施例中，模具包括具有浸渍区域的浸渍部件，该浸渍区域被构造成用以采用树脂浸渍粗纱，该浸渍区域包括多个接触表面。模具还包括位于多个接触表面中的至少一个接触表面中的扰动部，该扰动部被构造成用以与粗纱相互作用。在一个实施例中，该方法包括采用聚合物树脂涂覆纤维粗纱。该方法还包括使得被涂覆的粗纱通过浸渍区域以采用树脂浸渍粗纱。浸渍区域包括多个接触表面。该方法还包括与被涂覆的粗纱相互作用的位于多个接触表面中的至少一个接触表面中的扰动部。

Description

用于浸渍粗纱纤维的模具和方法
本申请要求享有2011年4月29日递交的美国临时申请61/480,445和2011年4月29日递交的美国临时申请61/480,456的优先权，这两个美国临时申请以参引方式并入本文。
背景技术
纤维粗纱业已广泛地应用在各种领域中。例如，这样的粗纱业已被用来形成纤维增强复合棒。该棒可以被利用作为轻型结构加强件。例如，动力脐带经常用于在海洋表面和位于海床的设备之间的流体和/或电信号的传送。为帮助加强这样的脐带，尝试采用拉挤碳纤维棒作为单独负载元件。
另一种尤其适合纤维粗纱的用途是轮廓体的形成。轮廓体是具有各种不同截面形状的拉挤成形部分，并且可以用作结构部件，该结构部件应用于诸如窗户直线构件、甲板支架、栏杆、栏杆柱、屋顶瓦片、侧板、装饰板、管道、栅栏、支柱、轻质杆、公路标志、路边标识柱，等等。空心轮廓体借助于将连续纤维粗纱牵拉(“拉挤”)通过树脂、然后在拉挤成形模具中使纤维增强树脂成型而形成。
而且，纤维粗纱可以普遍地用于任何适合的用途，用来形成例如合适的纤维增强塑料。在本领域公知的是，用在这些用途中的粗纱一般与聚合物树脂相结合。
然而，在目前已知的粗纱以及利用这种粗纱的应用环境中，存在很多严重问题。例如，许多粗纱依靠热固性树脂(例如，乙烯基脂)来帮助实现所需的强度性能。热固性树脂在制造过程中很难使用，并且不具有与其它材料形成层的良好的粘合特性。而且，也尝试在其它类型的用途中采用热塑性聚合物形成粗纱。例如，在Bryant等人的公开号为2005/0186410的美国专利公开物中，描述了将碳纤维嵌入到热塑性树脂以形成电传输电缆的复合核心的尝试。遗憾的是，Bryant等人的公开物指出，由于纤维不充分的湿润，这些核心呈现出裂纹和干斑，这将导致不良的耐久性和强度。这种核心的另一个问题是，热塑性树脂不能够在高温下操作。
因而，当下需要一种改善的用于浸渍纤维粗纱的模具的浸渍部件和方法。具体地说，当下需要能够制造出具备特定用途所需的强度、耐久力以及温度表现性能的纤维粗纱的一种浸渍部件和方法。
此外，当下需要一种用于浸渍纤维粗纱的模具的歧管组件和方法。具体地说，当下需要用于制造具备所需的强度、耐久力以及温度表现性能的纤维粗纱的一种歧管组件和方法。
发明内容
根据本发明的一个实施例，公开了一种模具的浸渍部件，该浸渍部件用于用聚合物树脂浸渍至少一根纤维粗纱。浸渍部件包括浸渍区域，其构造成用以用树脂浸渍粗纱，浸渍区域包括多个接触表面。浸渍部件还包括位于在多个接触表面中的至少一个接触表面中的扰动部，该扰动部被构造成用以与粗纱相互作用。
根据本发明的另一个实施例，公开了一种用于采用聚合物树脂浸渍至少一根纤维粗纱的方法。该方法包括采用聚合物树脂涂覆纤维粗纱。该方法还包括使得被涂覆的粗纱通过浸渍区域以便用树脂浸渍粗纱。浸渍区域包括多个接触表面。该方法还包括用位于多个接触表面中的至少一个接触表面上的扰动部与被涂覆的粗纱相互作用。
根据本发明的另一个实施例，公开了一种用于模具的歧管组件。模具被构造为用以采用聚合物树脂浸渍至少一根纤维粗纱。歧管组件包括通道，该通道限定在模具中，用于使得树脂从中流动通过。歧管组件还包括位于通道内的突起部，其用于扩散在通道内的树脂。
根据本发明的另一个实施例，公开了一种用于采用聚合物树脂浸渍至少一根纤维粗纱的方法。该方法包括使得聚合物树脂流动通过歧管组件。歧管组件包括通道。该方法还包括在通道内扩散树脂，用树脂涂覆至少一根纤维粗纱，并且使得被涂覆的粗纱通过浸渍区域以便用树脂浸渍粗纱。
其它的本发明的特征和方面将在下文中更为具体地阐明。
附图说明
对于本发明的完全的并且能够据之实现的公开，包括对于本领域技术人员而言的最佳模式，在说明书的后续部分中将参考附图而被更具体地阐明，附图中：
图1是在本发明中使用的浸渍系统的一个实施例的示意图；
图2是在本发明中使用的模具的一个实施例的立体图；
图3是在本发明使用的模具的一个实施例的反向立体图；
图4是图2示出的模具的横截面图；
图5是可以应用在本发明中的模具的歧管组件和闸门通道的一个实施例的分解图；
图6是可以应用在本发明中的歧管组件的一个实施例的立体图；
图7是可以应用在本发明中的歧管组件的另一个实施例的立体图；
图8是可以应用在本发明中的歧管组件的一个实施例的平面图；
图9是可以应用在本发明中的歧管组件的另一个实施例的平面图；
图10是可以应用在本发明中的歧管组件的另一个实施例的平面图；
图11是可以应用在本发明中的歧管组件的另一个实施例的平面图；
图12是可以应用在本发明中的歧管组件的另一个实施例的平面图；
图13是可以应用在本发明中的歧管组件的另一个实施例的平面图；
图14是可以应用在本发明中的板的一个实施例的立体图，该板至少部分地限定浸渍区域；
图15是可以应用在本发明中的板的另一个实施例的立体图，该至少部分地限定浸渍区域；
图16是可以应用在本发明的板的另一个实施例的立体图，该板至少部分地限定浸渍区域；
图17是图4中指出的可以应用在本发明中的浸渍区域的一部分的一个实施例的放大横截面图；
图18是可以应用在本发明中的浸渍区域的一部分的另一个实施例的放大横截面图；
图19是可以应用在本发明中的浸渍区域的一部分的另一个实施例的放大横截面图；
图20是可以应用在本发明中的浸渍区域的一部分的另一个实施例的放大横截面图；
图21是可以应用在本发明中的浸渍区域的一部分的另一个实施例的放大横截面图；
图22是可以应用在本发明中的岸上区域的一个实施例的立体图；
图23是可以应用在本发明中的岸上区域的另一个实施例的立体图；
图24是应用在本发明中的压实带状物的一个实施例的立体图；以及
图25是应用在本发明中的压实带状物的另一个实施例的横截面图。
在本发明的说明书和附图中参考标记的重复使用，意图代表本发明的相同或类似的特征或者元件。
具体实施方式
本领域普通技术人员应当理解的是，目前的论述仅仅是对于例示性实施例的说明，并非用于对本发明的宽泛的各个方面加以限制。
总体而言，本发明涉及一种用于模具的浸渍部件以及一种用聚合物树脂浸渍纤维粗纱的方法。经浸渍的纤维粗纱可以被用于复合棒，轮廓体，或者任何其它合适的纤维增强塑料用途。浸渍部件通常包括浸渍区域，其构造成用以用树脂浸渍粗纱。从而，浸渍区域包括多个接触表面。粗纱当它们越过接触表面时被用树脂浸渍。而且，浸渍部件包括位于在一个或更多个接触表面中的一个或更多个扰动部。这些扰动部被构造成用以与粗纱相互作用。
例如，扰动部可以是突起部或者凹陷部，其用以扰乱粗纱的行进方向。可替换地，扰动部可以是用于使粗纱从中行进通过的通道。粗纱与扰动部的相互作用总体上增强了对粗纱的浸渍效果。
根据本发明另外一些方面，挤出装置可以与模具相结合地应用，以便用聚合物浸渍粗纱。除此之外，挤出装置还有利于使得聚合物能够被施加到纤维的整个表面上，如下文所述。
在其它实施例中，本发明涉及一种用于模具的歧管组件和采用聚合物树脂用于浸渍粗纱的方法。经浸渍的纤维粗纱可以被用于复合棒，轮廓体，或者任何其它合适的纤维增强塑料用途。根据本发明的歧管组件通常包括一条通道或者更多条通道以及位于通道内的一个突起部或者更多个突起部。通道限定在模具中，用于使得树脂从中流过。突起部位于通道内并在通道内扩散树脂。通常地，突起部是圆形的或者球形的，以在通道内平滑、均匀地扩散树脂。歧管组件提供均匀的树脂分配，使得树脂在排出歧管组件之后可以均匀地涂覆各种粗纱。
根据本发明的另外一些方面，当树脂流动通过歧管组件并且在歧管组件中扩散之后，树脂排出歧管组件。典型地，在排出歧管组件之后，树脂可以流动进入在模具中限定的闸门通道并且从中通过。粗纱可以贯穿通过模具，使得树脂在排出闸门通道后涂覆该粗纱。在被涂覆树脂之后，粗纱可以通过限定在模具的浸渍区域，并且在那里被树脂浸渍。
根据本发明的另外一些方面，挤出装置可以与模具相结合地使用，以便用聚合物浸渍粗纱。除此之外，挤出装置还有利于使得聚合物能够被施加到纤维的整个表面上，如下文所述。
参考附图1，其中示出了这种挤出装置的一个实施例。具体地说，设备包括挤出机120，其包含安装在筒管122内部的螺杆轴124。加热器130(例如，电阻加热器)安装在筒管122的外部。在使用中，聚合物给料127通过漏斗126被供给到挤出机120。给料127在筒管122的内部借助螺杆轴124被传送并且借助筒管122内部的摩擦力和加热器130而被加热。在被加热之后，给料127通过筒管法兰128从筒管122中退出并且进入浸渍模具150的模具法兰132。
一根连续的纤维粗纱142或者更多根连续的纤维粗纱142可以从卷轴144被供给到模具150。粗纱142可以在被提供浸渍之前分散开，并且可以被竖向地、水平地或者以任何合适的角度提供。各粗纱142在被提供之后可以大致并排地定位，在浸渍之前，相邻的粗纱间的距离可被最小化直至没有距离。借助安装在模具150里面或者周围的加热器133，在模具中的给料127可以被更进一步地加热。模具通常在足够温度(其能够导致和/或保持用于聚合物熔化的适当温度)下操作，因此允许用聚合物的粗纱的浸渍到预定的程度。典型地，模具的操作温度高于聚合物的融化温度，例如温度在大约200℃到大约450℃之间。当以这样的方式进行处理时，连续的纤维粗纱142变得被嵌入在聚合物基体中，该基体可以是从给料127加工而成的树脂214(图4)。混合物可以然后退出浸渍模具150，作为湿的复合物或者挤出物152。
这里使用的术语“粗纱”通常涉及单根纤维构成的束。包含在粗纱中的纤维可以是加捻的(twisted)或者可以是直的(straight)。粗纱可以包含单一类型纤维或者不同类型纤维。不同纤维还可以被包含在单独粗纱中，或者，可替换地，每一根粗纱可以包含一种不同纤维类型。应用在粗纱中的连续纤维相对于它们的质量(mass)而言拥有高度的抗拉强度。例如，纤维的极限抗拉强度典型的是从大约1,000到大约15,000兆帕(“MPa”)，在一些实施例中是从大约2,000MPa到10,000MPa，而在一些实施例中，是从大约3,000MPa到大约6,000MPa。如此的抗拉强度可以甚至用具有相对轻的质量的纤维来实现，例如每单位长度的质量从大约0.05到2克/每米，在一些实施例中，从大约0.4到大约1.5克/每米。抗拉强度与每单位长度的质量之间的比率可以因此为大约1,000兆帕/每克每米(“MPa/g/m”)或者更大，在一些实施例中，为大约4,000MPa/g/m或者更大，而在一些实施例中，为大约5,500到大约20,000MPa/g/m。如此高强度的纤维可以，例如，是金属纤维，玻璃纤维(例如，E-玻璃、A-玻璃、C-玻璃、D-玻璃、AR-玻璃、R-玻璃、S1-玻璃、S2-玻璃等)，碳纤维(例如，无定形碳、石墨碳，或者金属镀层碳等)，硼纤维，陶瓷纤维(例如，矾土或者硅土)，芳族聚酰胺纤维(例如，由E.I.DuPont deNemours，Wilmington，Del出售的
Figure BSA00000757432800061
)，合成有机纤维(例如聚酰胺，聚乙烯，对亚苯基，对苯二酸酯，聚乙烯对苯二酸盐以及聚乙烯硫化物)，以及各种其它已知的用于增强热塑性和/或热固性复合物的天然的或者合成的、无机的或者有机的纤维材料。碳纤维尤其适合用于作为连续纤维，其典型地具有抗拉强度和质量的比率在从大约5,000到大约7,000MPa的范围内。连续纤维通常具有的名义直径为大约4到大约35微米，在一些实施例中，为大约9到大约35微米。包含在每根粗纱中的纤维的数量可以是恒定的，或者各个粗纱包含的纤维数量都彼此不同。典型地，一根粗纱包含大约1,000根纤维到大约50,000根单独的纤维，而在一些实施例中，包含大约5,000到大约30,000根纤维。
各种热塑性或者热固性聚合物中的任何一种都可以被应用于形成聚合物基体，在所述聚合物基体中，连续纤维被嵌入。例如，用于本发明中的合适的热塑性聚合物可以包括，例如，聚烯烃类(例如，聚丙烯，聚丙-乙烯共聚物等)，聚酯类(例如聚对苯二甲酸丁二醇酯(“PBT”))，聚碳酸酯类，聚酰胺类(例如，NylonTM)，聚醚酮类(例如，聚醚醚酮(“PEEK”))，聚醚酰亚胺类，聚芳基酮(例如聚亚苯基二酮(“PPDK”))，液晶聚合物类，聚芳基硫化物类(例如聚亚苯基硫(“PPS”)，聚(亚联苯基硫化酮)，聚(亚苯基硫化二酮)，聚(亚联苯基硫)等)，含氟聚合物类(例如聚四氟乙烯-全氟甲基乙烯醚聚合物，全氟-烷氧基链烷聚合物，五氟乙烯聚合物，乙烯基-四氟乙烯聚合物等)，聚缩醛类，聚亚胺酯类，聚碳酸酯类，苯乙烯化合物(例如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(“ABS”))，等等。
聚合物基体的特性通常被选择成用以实现预定的组合物的可加工性和表现性能。例如，聚合物基体的熔融粘度通常足够低以使得聚合物能够充分地浸渍纤维。为此，熔融粘度典型的范围从大约25到大约1,000帕斯卡-秒(“Pa-s”)，在一些实施例中，从大约50到大约500Pa-s，在一些实施例中，大约60到大约200Pa-s，取决于用于聚合物的操作条件(例如，大约360℃)。同样地，当被浸渍的粗纱旨在用于涉及高温的用途(例如，高电压传输电缆)时，使用具有相对高的熔化温度的聚合物。例如，如此高温聚合物的熔化温度范围可以从大约200℃到大约500℃，在一些实施例中从大约225℃到大约400℃，而在一些实施例中，从大约250℃到大约350℃。
聚芳基硫化物尤其适合用于本发明以预定的熔融粘度作为高温基体。聚亚苯基硫化物，例如，是半结晶的树脂，通常包括如下通式代表的重复的单体单元：
Figure BSA00000757432800071
这些单体单元在聚合物的循环单元中，典型的包括至少80摩尔％，而在一些实施例中，至少90摩尔％。应当理解的是，在任何情况下，聚亚苯基硫化物都可以包含额外的循环单元，例如在Gotoh等人的美国专利5,075,381中所述的那样，该美国专利的全部内容为了所有的目的以参引方式结合于此。当被应用时，如此额外的重复单元典型的组成不超过聚合物的20摩尔％。商业上可利用的高熔融粘度聚亚苯基硫化物可以包括以商业标识
Figure BSA00000757432800081
从Ticona，LLC(Florence，Kentucky)获得的那些。这样的聚合物可以具有大约285℃的熔化温度(根据ISO11357-1，2，3决定的)以及在310℃时从大约260到大约320帕斯卡-秒的熔融粘度。
压力传感器137(图2和3)可以感测浸渍模具150附近的压力，以允许借助于控制螺杆轴124的旋转速度或者进料器的喂入速率来控制挤出速率。也就是说，压力传感器137被定位于浸渍模具150附近，例如在歧管组件220的上游，使得挤出机120能够被操作以运输正确数量的树脂214来用于和纤维粗纱142的交互作用。在离开浸渍模具150之后，挤出物152，或者被浸渍的纤维粗纱142，可以在进入形成在两个相邻辊子190之间的间隙之前进入可选择的预成型或者引导部件(未示出)。尽管是可选择地，辊子190能够帮助将挤出物152压实形成带状物，同时增强纤维浸渍效果并且挤出多余的空隙。可选择地，挤出物152可以以压实的带状物的形式直接地从模具150离开。除了辊子190之外，也可以应用其它形式的装置，例如模具系统。无论如何，所获得的压实的带状物156借助于安装在辊子上的轨道162和164被牵拉出来。轨道162和164也从浸渍模具150中牵引挤出物152并且通过辊子190。如果需要，压实的带状物156可以被卷绕到部件171上。通常来讲，所获得的带状物相对较薄、并且具有的厚度典型地为从大约0.05到大约1毫米，在一些实施例中，为从大约0.1到大约0.8毫米，而在一些实施例中，为从大约0.2到大约0.4毫米。
根据本发明的模具150的一个实施例的立体图进一步在图2和3中示出。如图所示，树脂214以树脂流向244流入模具150。树脂214在模具150中被分配并且然后与粗纱142相互作用。粗纱142沿着粗纱行进方向282贯穿通过模具150，并且被树脂214涂覆。粗纱142然后被树脂214浸渍，并且这些被浸渍的粗纱142从模具150离开。
在浸渍模具中，通常需要粗纱142贯穿通过浸渍区域250来以聚合物树脂214浸渍粗纱。在浸渍区域250中，聚合物树脂可以被促使借助产生在浸渍区域250中的切变和压力大致横向地通过粗纱，所述切变和压力有效地加强了浸渍的程度。当由高纤维含量的带状物形成复合物时，这尤其有用，所述纤维含量例如为大约35％的重量分数(“Wf”)或者更多，而在一些实施例中，为从大约40％的重量分数或者更多。典型地，模具150将包括多个接触表面252，例如至少2个，至少3个，4到7个，2到20个，2到30个，2到40个，2到50个，或者更多个接触表面252，以在粗纱142上产生足够的浸透程度和压力。尽管它们的具体形式可以不同，接触表面252典型地拥有曲线形的表面，例如弯曲的圆形突出部，销等。接触表面252也典型地由金属材料制成。
图4示出了浸渍模具150的横截面图。如图所示，浸渍模具150包括歧管组件220、闸门通道270以及浸渍区域250。歧管组件220被提供用于使聚合物树脂214从中流动通过。例如，歧管组件220可以包括一条通道222或者更多条通道222。被供给到浸渍模具150的树脂214可以流动通过通道222。
如图5到13所示，在一些优选的实施例中，每一条通道222的至少一部分可以是曲线形的。曲线形部分可以允许树脂214相对平滑地变向沿不同的方向通过歧管组件220来分配树脂214，并且可以允许树脂214相对平滑地流动通过通道222。可替换地，通道222可以是直线形的，并且树脂214的变向可以通过在通道222的各直线形部分之间的相对剧烈的转换区域而实现。还应被理解的是，通道222可以具有任何合适的形状、大小和/或轮廓。
在如图5到13所示的例示性实施例中，多条通道222可以是多个分支状的流槽222。流槽222可以包括第一分支状流槽组232。第一分支状流槽组232包括多条流槽222，这些流槽从向歧管组件提供树脂214的一条初始通道或更多条通道222分支而成。第一分支状流槽组232可以包括从最初的通道222分支而成的2、3、4条或者更多条流槽222。
如果需要，如图5到7和9到13所示，流槽222可以包括从第一分支状流槽组232分支而成的第二分枝状流槽组234。例如，来自第二分枝状流槽组234的多条流槽222可以从在第一分支状流槽组232中的一条或者更多条流槽222分支出来。第二分枝状流槽组234可以包括从在第一分支状流槽组232中的流槽222分支出来的2、3、4条或者更多条流槽222。
如果需要，如图5到7，10和11所示，流槽222可以包括从第二分支状流槽组234分支而成的第三分枝状流槽组236。例如，第三分枝状流槽组236中的多条流槽222可以从在第二分支状流槽组234中的一条或者更多条流槽222分支而成。第三分枝状流槽组236可以包括从在第二分支状流槽组234中的流槽222分支而成的2、3、4条或者更多条流槽222。
在一些例示性实施例中，如图5到13所示，多条分枝状流槽222沿着中心轴线224具有对称的取向。分枝状流槽222和它们的对称取向基本均匀地分配树脂214，这样使得从歧管组件220离开并且涂覆粗纱142的树脂214的流动基本上均匀地分配在粗纱142上。这将非常理想地允许基本均匀地浸渍粗纱142。
而且，在一些实施例中，歧管组件220可以限定出口区域242。出口区域242是歧管组件220上的树脂214离开歧管组件220的那部分。因此，出口区域242通常包括树脂214离开的通道或者流槽222的至少下游部分。在一些实施例中，如图5，6和8到12所示，配置在出口区域242的通道或者流槽222的至少一部分沿着树脂214的流动方向244具有逐渐增大的面积。当树脂214流动通过歧管组件220时，面积的逐渐增大允许树脂214的扩散和进一步的分布，这将更进一步地允许树脂214基本上均匀地分配。附加地或者可替换地，如图7和13所示，配置在出口区域242中的不同的通道或者流槽222沿着树脂214的流动方向244可以具有恒定的面积，或者沿着树脂214的流动方向244可以具有逐渐减小的面积。
在一些实施例中，如图5、6、8到11所示，配置在出口区域242中的每条通道或者流槽222被定位成使得从那里流出的树脂214与来自于配置在出口区域242的其它通道或者流槽222的树脂214相结合。来自于配置在出口区域242的不同通道或者流槽222的树脂214的结合，形成来自于歧管组件220的基本上单一并且均匀的树脂214的分配流量，以便基本上均匀地涂覆粗纱142。可替换地，如图7、12和13所示，配置在出口区域242中的不同的通道或者流槽222可以被定位成使得从那里流出的树脂214与来自于配置在出口区域242内的其它的通道或者流槽222的树脂214是不连续的。在这些实施例中，可以借助歧管组件220产生多股不连续的然而大致均匀分配的树脂流214，用于基本上均匀地涂覆粗纱142。
如图4所示，配置在出口区域242中的通道或者流槽222的至少一部分具有曲线形截面轮廓。这些曲线形截面轮廓允许树脂214从通道或者流槽222向着粗纱142逐渐向下。无论如何，可替换地，这些通道或者流槽222可以具有任何合适的截面轮廓。
应当被了解的是，本公开不局限于以上公开的歧管组件220的实施例。具体地说，任何合适的歧管组件220都在本公开的范围和精神之内。具体地说，能够基本均匀一致地分配树脂214的歧管组件220，例如衣架型的、马蹄铁型的、弯曲唇形的、或者可调整狭槽的歧管组件，都在本发明公开的范围和精神之内。
在一些例示性实施例中，歧管组件220还可以包括位于一条或者更多条通道或者分支状流槽222内的突起部226或者更多个突起部226。突起部226从通道222的表面延伸进入树脂214的流动路径，并且在通道222内扩散树脂214。例如，图5到13中的每一幅图，都示出了位于在歧管组件220内的每一条通道222中的单个突起部226，用以在每条通道222内扩散树脂214。从而，当树脂214流动通过包括突起部226的通道222时，树脂214可以被迫围绕并且越过突起部226。这在通道222内传播和分配树脂214，从而扩散树脂224。树脂的扩散可以提供更为均匀一致的树脂214分配，来涂覆粗纱142。除此之外，在通道222内包括突起部226，可以加大在通道222和歧管组件220内的背压(back pressure)，其可以更进一步地提供更为均匀一致的树脂214分配，来涂覆粗纱142。
根据本公开的突起部226可以具有用于在通道222内扩散树脂214的任何合适的形状和大小。在许多实施例中，突起部226是圆形的。例如，如图5到13所示，突起部226可以是球形的。然而，可替换地，突起部226可以是圆柱形的，圆锥形的，立方形的或者类似立方体的，类似棱柱形的，类似棱锥形的，或者具有任何其它合适的三维形状。
如上所述，在一些实施例中，一条通道222或者更多条通道222的至少一部分沿着树脂214的流动方向244可以具有逐渐增大的面积。在一些例示性实施例中，位于通道222中的一个突起部226或者更多个突起部226可以定位于通道222具有逐渐增大面积的那部分的上游。无论如何，可替换地，位于通道222中的一个突起部226或者更多个突起部226可以定位于通道222具有逐渐增大面积的那部分的内部或者下游。在另一些可替换实施例中，一条通道222或者更多条通道222的至少一部分沿着树脂214的流动方向244可以具有逐渐减小的面积，并且位于通道222内的一个突起部226或者更多个突起部226可以被定位于通道222具有逐渐减小面积的那部分的上游、内部或者下游。
应当被理解的是，任何数量的突起部226可以被定位于本公开的歧管组件220中的任何数量的通道222内。例如，一条或者更多条通道222中可以包括一个或者更多个突起部226。而且，根据通道222和/或歧管组件220的需要或者要求，不同的突起部226可以具有不同的或者同样的形状和大小。
如图4和5进一步所示的那样，在流动通过歧管组件220之后，树脂214可以流动通过闸门通道270。闸门通道270位于歧管组件220和浸渍区域250之间，并且被提供用于使树脂214从歧管组件220流出，以便用树脂214涂覆粗纱142。因此，从歧管组件220排出(例如通过出口区域242)的树脂214，可以进入闸门通道270并从中流动穿过。
在一些实施例中，如图4所示，闸门通道270在歧管组件220和浸渍区域250之间沿竖向延伸。无论如何，可替换地，闸门通道270可以以能够允许树脂214流动通过的竖向和水平之间以任何合适的角度延伸。
如图4进一步所示的那样，在一些实施例中，闸门通道270的至少一部分沿着树脂214的流动方向244具有逐渐减小的截面轮廓。闸门通道270的至少一部分的锥度可以在从其中流动通过的树脂214接触粗纱142之前，增大树脂的流动速率，这可以允许树脂214撞击粗纱142。借助树脂214对粗纱142的初始撞击，对粗纱产生更充分的浸渍，如下文所述。而且，闸门通道270的至少一部分的锥度可以增大在闸口通道270和歧管组件220内的背压，这可以更进一步地提供更为均匀、一致的树脂214来涂覆粗纱142。可替换地，如果需要的话，闸门通道270可以具有增大的或者基本恒定的截面轮廓。
如图4所示，从模具150的歧管组件220和闸门通道270排出后，树脂214贯穿通过模具150，与粗纱142接触。如上文所述，由于树脂214在歧管组件220和闸门通道270中的分布，树脂214可以基本上均匀地涂覆粗纱142。而且，在一些实施例中，树脂214可以撞击到每根粗纱214的上表面上，或者撞击到每根粗纱142的下表面上，或者撞击到每根粗纱142的上、下表面上。粗纱142的初始撞击使得粗纱142被树脂214更充分地浸渍。对于粗纱142的撞击可以通过下述方式加以促进：当树脂撞击粗纱142时树脂214的速率；当树脂从歧管组件220或者闸门通道270排出时使粗纱接近树脂214；或者其它各种变化方式。
如图4所示，被涂覆的粗纱142沿着行进方向282贯穿通过浸渍区域250。浸渍区域250与歧管组件220流体连通，例如借助于在它们之间的闸门通道270。浸渍区域250构造成用以利用树脂214浸渍粗纱142。
例如，如上文所述，在如图4和14到21所示的例示性实施例中，浸渍区域250包括多个接触表面252。粗纱142横越过在浸渍区域中的接触表面252。粗纱142在接触表面252上的撞击产生切变和压力，所述切变和压力足以用涂覆粗纱142的树脂214浸渍粗纱142。
在一些实施例中，如图4所示，浸渍区域250被限定在两个相间隔的、相面对的板256和258之间。第一板256限定出第一内部表面257，第二板258限定出第二内部表面259。浸渍区域250限定在第一板256和第二板258之间。接触表面252可以限定在第一和第二内部表面257和259二者上或者仅仅其中一者上，或者接触表面252可以从第一和第二内部表面257和259二者或者仅仅其中一者延伸。
在一些例示性实施例中，如图4、17和19到21所示，接触表面252可以在第一和第二表面257和259上交替地限定，这样使得粗纱交替地撞击在第一和第二表面257和259上的接触表面252。从而，粗纱142可以以波形、复曲形(tortuous)或者正弦曲线类型的路径通过接触表面252，以增强切变。
粗纱142横越接触表面252的角度254可以通常高得足以增强切变和压力，然而不会过高而导致将会削弱纤维的额外的力。因此，例如，角度254可以在接近1°到接近30°之间的范围，在一些实施例中，在接近5°到接近25°之间。
如上所述，接触表面252典型的拥有曲线形表面，例如弯曲的凸角，销等。而且，在许多例示性实施例中，浸渍区域250具有波形截面轮廓。在如图4和14到17所示的一个例示性实施例中，接触表面252是凸角，所述凸角在第一和第二板256和258二者上形成波形表面的一些部分、并且限定出波形截面轮廓。图14、15和16示出了第二板258的各个实施例和在所述板上的各种接触表面，它们形成根据这些实施例的浸渍区域250的至少一部分。
在其它实施例中，如图18所示，接触表面252是凸角，所述凸角形成第一或第二板256或258中的仅仅一个的波形表面的一些部分。在这些实施例中，撞击仅仅发生在一个板表面的接触表面252上。另一个板可以是大致平坦的，或者以其它方式成型成不与被涂覆的粗纱发生相互作用。
在其它可替换的实施例中，如图19到21所示，浸渍区域250可以包括多个销(或棒)260，每个销具有接触表面252。如图19和20所示，销260可以是静态的，自由旋转的(未示出)，或者如图23所示的旋转地被驱动的。而且，如图21所示，销260可以直接安装到限定浸渍区域的板的表面上，或者如图20和21所示的可以与表面相间隔。应当指出的是，销260可以借助加热器133而被加热，或者可以被单独地加热、或者按照需要或要求以其它方式被加热。而且，销260可以被包含在模具150中，或者可以从模具150向外延伸、并且并非完全地被包封在其中。
在更进一步的可替换的实施例中，按照需要或要求，接触表面252和浸渍区域250可以包括用于以树脂214浸渍粗纱142的任何合适的外形和/或结构。
为了更进一步地促进粗纱142的浸渍，粗纱还可以在当它们处于模具150中(具体地说，在浸渍区域250中)时被保持在张力之下。张力的范围可以是，例如，在每根粗纱142或者每束纤维中，从大约5到大约300牛顿，在一些实施例中从大约50到大约250牛顿，而在一些实施例中，从大约100到大约200牛顿。
如图14到21所示，浸渍部件包括一个扰动部300或者更多个扰动部300。扰动部300被定位于至少一个或者更多个接触表面252上。而且，扰动部300被构造成用以与粗纱142相互作用。扰动部300与粗纱142的相互作用，增强了树脂214对粗纱142的浸渍效果。
例如，如图14、15以及16到21所示，扰动部300可以是突起部302。突起部302可以从接触表面252延伸，并且被构造成用以扰乱粗纱142的行进方向282。例如，当粗纱142贯穿通过浸渍部件时，粗纱142可以遭遇突起部302。通过接触和横越过和/或围绕突起部302，粗纱142将与突起部302相互作用，并且将然后继续贯穿通过浸渍部件。与突起部302的接触将在粗纱142上创造出额外的切变和压力，从而使得树脂214更充分地浸渍粗纱142。
在如图14、15和16到21所示的另一个实施例中，突起部300可以是凹陷部304。凹陷部304可以被限定在接触表面252中，并且被构造成用以扰乱粗纱142的行进方向282。例如，当粗纱142贯穿通过浸渍部件时，粗纱142可以遭遇凹陷部304。通过接触和横越通过凹陷部304，粗纱142将与凹陷部304相互作用，其可以被树脂214更充分地填充，并且然后将继续贯穿通过浸渍部件。在凹陷部304中的接触将在粗纱142上创造出额外的切变和压力，从而使得树脂214更充分地浸渍粗纱142。
如图14、15和16到21所示，在一些实施例中，突起部302和凹陷部304可以以各种方式在浸渍区域中交替地布置，从而与粗纱142相互作用。例如，图14示出了相交替的多个突起部302和凹陷部304。图15示出了相交替的多个突起部302、凹陷部304和没有扰动部位于其上的接触表面252。
在如图16中所示的另一个实施例中，扰动部300可以是通道306。通道306可以被限定在接触表面252中，并且定位成用于使粗纱142从其中行进通过。例如，当粗纱142贯穿通过浸渍部件时，粗纱142可以遭遇通道306。粗纱142将然后行进通过通道306，其可以被树脂214填充，并且然后将继续贯穿通过浸渍部件。通过通道306并且被填充树脂214的粗纱142的行进，将在粗纱142上创造出额外的切变和压力，从而使树脂214更充分地浸渍粗纱142。
应当被理解的是，本发明公开的范围不局限与以上公开的在一个冲击部件中的扰动部300的定位和排列。具体地说，应当被理解的是，任何合适的扰动部300的定位或者排列都在本发明公开的范围和精神内。
如图4和图22和23所示，在一些实施例中，沿着粗纱142的行进方向282，岸上区域280可以位于浸渍区域250的下游。粗纱142可以在退出模具150之前贯穿通过岸上区域280。在一些实施例中，如图22所示，岸上区域280的至少一部分沿着行进方向282可以具有增大的截面轮廓，如此使得岸上区域280的面积增大。增大部分可以是岸上区域280的下游部分，以促进粗纱142退出模具150。可替换地，截面轮廓或者任何其中的部分可以减小，或者可以保持不变，如图23所示。
如图4进一步所示的那样，在一些实施例中，面板290可以毗邻浸渍区域250。沿着行进方向282，面板290可以位于浸渍区域250以及岸上区域280(如果包括的话)的下游。面板290通常构造成用以计量(meter)从粗纱142额外的树脂214。因此，面板290上的孔径(粗纱142贯穿通过该孔径)大小设定成使得当粗纱142贯穿通过其中时，孔径的大小引起额外的树脂214从粗纱142移除。
除此之外，其它构件可以有选择地协助对于纤维的浸渍。例如，“气体喷射”组件可以应用在特定的实施例中来帮助粗纱中的各个纤维均匀地扩散，在合并的粗纤维的全部宽度上，每一根粗纱可以包含相当于24,000根纤维。这帮助实现强度特性的均匀分配。这种组件可以包括压缩空气或者另外的气体的供应源，所述压缩空气或者另外的气体以大致垂直的方式撞击在移动着通过出口端口粗纱。展开的粗纱然后可以如上文所述的那样被引入到模具加以浸渍。
由根据这里公开的方法以及模具的应用产生的经浸渍的粗纱可以具有非常低的空隙分数，其将帮助增强它们的强度。例如，空隙分数可以是大约3％或者更小，在一些实施例中是大约2％或者更小，在一些实施例中是大约1％或者更小，而在一些实施例中是大约0.5％或者更小。空隙分数可以使用本领域常见的技术手段测量。例如，空隙分数可以使用“树脂烧脱”试验测量，在其中样本被置于烘箱(例如，在600℃持续3小时)中来烧尽树脂。剩余纤维的物质可以然后被测量来计算重量和体积分数。这种“烧脱”试验可以依照ASTM D 2584-08被执行来决定纤维的重量和聚合物基体，然后可以被用于计算“空隙分数”基于下面的等式：
Vf＝100＊(ρt-ρc)/ρt
其中，
Vf是以百分数表示的空隙分数；
ρc是使用已知技术手段——例如采用液体或者气体比重瓶(例如，氦气比重瓶)——测量的复合物的密度；
ρt是由下述等式决定的作为复合物的理论密度：
ρt＝1/[Wf/ρf+Wm/ρm]
ρm是聚合物基体的密度(例如，以适当的结晶度)；
ρf是纤维的密度；
Wf是纤维的重量分数；以及
Wm是聚合物基体的重量分数。
可替换地，空隙分数可以依据ASTM D 3171-09由以化学方式溶解的树脂来确定。“烧脱”和“溶解”方法都尤其合适于玻璃纤维，其通常对于熔化和化学溶解有抵抗力。然而，在其它例子中，空隙分数可以依据ASTM D 2734-09(A方法)，基于聚合物、纤维以及带状物的密度间接地计算，其中密度可以由ASTM D792-08的方法A来确定。当然，空隙分数也能够使用常规的显微镜仪器来估算。
本发明公开的内容更进一步的涉及用聚合物树脂214浸渍至少一根纤维粗纱142或者更多根纤维粗纱142的方法。如上文中论述过的那样，在一些实施例中，该方法包括用树脂214涂覆纤维粗纱142。该方法还包括使得被涂覆的粗纱142贯穿通过浸渍区域250以便用树脂214浸渍粗纱142。浸渍区域250包括多个接触表面252。该方法还包括用位于多个接触表面252中的至少一个接触表面上的扰动部300与被涂覆的粗纱142相互作用。
在一些实施例中，用扰动部300与被涂覆的粗纱142相互作用可以包括使得被涂覆的粗纱142越过突起部302，突起部302从多个接触表面252中的一个接触表面延伸、并且构造成用以扰乱粗纱142的行进方向282。附加地或者可替换地，用扰动部300与被涂覆的粗纱142相互作用可以包括使得被涂覆的粗纱142通过凹陷部204，凹陷部204被限定在多个接触表面252中的一个接触表面中、并且构造成用以扰乱粗纱142的行进方向282。附加地或者可替换地，用扰动部300对被涂覆的粗纱142施加相互作用可以包括使得被涂覆的粗纱142贯穿通过通道306，该通道被限定在多个接触表面252中的一个接触表面中、并且被定位为用以使得粗纱142从中通过。
在一些实施例中，如上文中论述过的那样，粗纱142可以在浸渍区域250中承受大约5牛顿到大约300牛顿的压力。而且，在一些实施例中，用树脂214涂覆粗纱142可以包括使得树脂214流动通过闸门通道270。
在另外一些实施例中，方法通常包括使得聚合物树脂214流动通过歧管组件220。如上所述，歧管组件220包括一条通道222或者更多条通道222。该方法还包括在一条通道222或者更多条通道222内扩散树脂214。例如，一个突起部226或者更多个突起部226可以被定位于一条通道222或者更多条通道222内。如上所述，当树脂214在通道222内流动经过突起部226时，会发生树脂214的扩散。
如上所述，该方法还包括用树脂214涂覆至少一根纤维粗纱142或者更多根纤维粗纱142，并且使得被涂覆的一根粗纱142或者更多根粗纱142贯穿通过浸渍区域250以便用树脂214浸渍粗纱142。
如上所述，在一些实施例中，使树脂214流动通过歧管组件220的步骤可以包括使树脂214流动通过歧管组件220的出口区域242。如上文详细论述的那样，用树脂214涂覆粗纱142的步骤可以包括使树脂214从歧管组件220流动通过闸门通道270。如上所述，该方法还包括使粗纱从浸渍区域250流动通过岸上区域280和/或使粗纱142贯穿通过面板290。
如上文中论述过的那样，在退出浸渍模具150之后，经浸渍的粗纱142，或者挤出物152，可以被压实而形成带状物。应用在每一个带状物中的粗纱的数量可以不同。然而，典型地，带状物将包含2到20根粗纱，并且在一些实施例中包含2到10根粗纱，而在一些实施例中包含3到5根粗纱。为了帮助实现粗纱的均衡分配，通常需要它们在带状物中相互之间以近似相同的距离间隔开。例如，参考图24，压实的带状物4的一个实施例示出：该实施例包含三(3)根粗纱5，它们在X方向上相互之间等距离地隔开。然而，在其它实施例中，可能希望将各根粗纱合并，使得各根粗纱的纤维在整个带状物4中基本上均匀地分布。在这些实施例中，各粗纱互相之间很难区别开。例如，参考图25，所示的压实带状物4的一个实施例包含了合并在一起的粗纱，这样使得纤维基本上均匀地被分配。
根据本公开，对于一些特殊的用途而言，还可以利用拉挤成形工艺(pultrusion process)。例如，在一些实施例中，可以利用这种工艺形成棒。在这些实施例中，粗纱142的连续纤维可以沿纵向方向取向(图1中系统的机器方向“A”)以增强拉伸强度。除了纤维取向，也可以对拉挤成形工艺的一些其它方面页加以控制以实现需要的强度。例如，将相对高百分数的连续纤维应用在压实带状物中，以提供增强的强度特性。例如，连续的纤维典型地构成带状物的大约25wt％到80wt％，在一些实施例中大约30wt％到75wt％，而在一些实施例中大约35wt％到60wt％。类似地，聚合物典型地构成带状物的大约20wt％到75wt％，在一些实施例中大约25wt％到70wt％，而在一些实施例中大约40wt％到65wt％。
总体而言，带状物可以直接从浸渍模具150被供给到拉挤成形系统，或者可以由线轴或者其它合适的储存装置来供给。可以应用张力调节设备以便有助于当带状物通过拉挤成形系统拔出时控制带状物中的张力程度。在装置中可以设置烘箱，以加热带状物。然后可以将带状物供给到压实模具，其可以操作以将各个带状物压缩一起形成预成形坯件(preform)，进而排列并形成所需产品(例如棒)的最初形状。如果需要，也可以使用第二模具(例如，定型模)，其将预成形坯件压缩到最终形状。冷却系统可以额外地结合在模具之间和/或在其中每个模具之后。可以设置下游牵引设备，以通过系统牵拉产品。
本领域的普通技术人员可以实践本发明的上述和其它修改和变化方式而不背离本发明的精神和范围。此外，应当被理解的是，不同的实施例的各方面可以被全部地或者局部地互相交换。而且，本领普通技术人员将意识到的是，上述说明仅仅是例示性的，并非意欲限制如在所附的权利要求中描述的发明。

Claims (28)

1.一种用于采用聚合物树脂浸渍至少一根纤维粗纱的模具，浸渍部件包括：
浸渍部件，该浸渍部件包括浸渍区域，所述浸渍区域构造成用以采用树脂浸渍粗纱，所述浸渍区域包括多个接触表面；以及
位于多个接触表面中的至少一个接触表面上的扰动部，该扰动部被构造成用以与粗纱相互作用。
2.根据权利要求1所述的模具，其中，所述扰动部是突起部，该突起部从所述多个接触表面中的一个接触表面延伸并且构造成用以扰乱粗纱的行进方向。
3.根据权利要求1所述的模具，其中，所述扰动部是凹陷部，该凹陷部被限定在所述多个接触表面中的一个接触表面中并且构造成用以扰乱粗纱的行进方向。
4.根据权利要求1所述的模具，其中，所述扰动部是通道，该通道被限定在所述多个接触表面中的一个接触表面中并且被定位成用以使粗纱从该通道中通过。
5.根据权利要求1所述的模具，还包括多个扰动部。
6.根据权利要求1所述的模具，其中，所述浸渍区域包括在2个到50个之间的接触表面。
7.根据权利要求1所述的模具，其中，所述多个接触表面中的每一个接触表面包括曲线形接触表面。
8.根据权利要求1所述的模具，其中，所述多个接触表面中的每一个接触表面构造成用以使得粗纱以在1°到30°之间范围内的角度横越该接触表面。
9.根据权利要求1所述的模具，其中，所述浸渍区域具有波形截面轮廓。
10.根据权利要求1所述的模具，还包括歧管组件，该歧管组件包括通道以及突起部，所述通道限定在模具内，用于使树脂流动通过，所述突起部位于所述通道内，用来扩散在所述通道内的树脂。
11.根据权利要求10所述的模具，还包括多条通道和多个突起部。
12.根据权利要求10所述的模具，其中，所述多条通道具有沿着中心轴线对称的取向。
13.根据权利要求10所述的模具，其中，所述多条通道是多个分支状流槽。
14.根据权利要求10所述的模具，其中，所述通道的至少一部分是曲线形的。
15.根据权利要求10所述的模具，其中，所述歧管组件还限定出口区域，并且其中，所述突起部被设置在所述出口区域中。
16.根据权利要求1所述的模具，其中，所述树脂是热塑性树脂。
17.根据权利要求1所述的模具，其中，所述树脂是热固性树脂。
18.一种用于采用聚合物树脂浸渍至少一根纤维粗纱的方法，该方法包括：
采用聚合物树脂涂覆纤维粗纱；
使得被涂覆的粗纱贯穿通过浸渍区域以便采用树脂浸渍所述粗纱，所述浸渍区域包括多个接触表面；以及
采用位于所述多个接触表面中的至少一个接触表面上的扰动部与被涂覆的粗纱相互作用。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，采用扰动部与被涂覆的粗纱相互作用包括使得被涂覆的粗纱跨越过突起部，所述突起部从多个接触表面中的一个接触表面延伸、并且被构造成用以扰乱粗纱的行进方向。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，采用扰动部与被涂覆的粗纱相互作用包括使得被涂覆的粗纱贯穿通过凹陷部，所述凹陷部被限定在所述多个接触表面中的一个接触表面中、并且被构造成用以扰乱粗纱的行进方向。
21.根据权利要求18所述的方法，其中，采用扰动部与被涂覆的粗纱相互作用包括使得被涂覆的粗纱穿过通道，所述通道被限定在所述多个接触表面中的一个接触表面中、并且被定位成用以使粗纱从该通道中通过。
22.根据权利要求18所述的方法，其中，粗纱在所述浸渍区域中承受从大约5牛顿到大约300牛顿的张力。
23.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，采用树脂涂覆粗纱包括使树脂流动通过闸门通道，并且其中，闸门通道的至少一部分沿着树脂的流动方向具有逐渐减小的截面轮廓。
24.根据权利要求18所述的方法，还包括采用树脂涂覆多根粗纱、并且使得被涂覆的粗纱通过所述浸渍区域。
25.根据权利要求18所述的方法，还包括使得聚合物树脂流动通过歧管组件，所述歧管组件包括通道，并且在该通道中扩散树脂。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述歧管组件还包括位于所述通道内的突起部，并且其中，所述突起部在所述通道中扩散树脂。
27.根据权利要求25所述的方法，其中，使得树脂流动通过歧管组件包括使得树脂流动通过所述歧管组件的出口区域，并且其中，所述通道的被设置在出口区域中的至少部分在树脂的流动方向上具有逐渐增大的面积。
28.根据权利要求25所述的方法，其中，采用树脂涂覆粗纱包括使得树脂从歧管组件流动通过闸门通道，并且其中，所述闸门通道的至少一部分在树脂的流动方向上具有逐渐减小的截面轮廓。
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