CN103358516B - 单聚合物复合材料制品熔融包覆辊压成型方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单聚合物复合材料制品熔融包覆辊压成型方法及设备，属于聚合物复合材料成型加工技术领域。所述方法是将熔融状态基体在挤出压力下向前输送并冷却为过冷状态，经分流后将增强体包覆，再通过辊压复合得到单聚合物复合材料制品；所述方法得到的制品尺寸大且可连续化批量生产。所述设备由挤出机、机头、辊压机和牵引装置组成，结构简单、操作容易，可用于熔融包覆辊压成型得到密度小、回收利用率高、界面粘结性好的单聚合物复合材料制品。

Description

单聚合物复合材料制品熔融包覆辊压成型方法及设备

技术领域

本发明涉及一种单聚合物复合材料制品熔融包覆辊压成型方法及设备，属于聚合物复合材料成型加工技术领域。

背景技术

传统纤维增强聚合物复合材料由基体和增强体组成，通常选用聚丙烯、聚乙烯等聚合物作为基体，选用玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维等作为增强体。如玻纤增强聚丙烯复合材料就是一种以聚丙烯为基体、玻璃纤维为增强体的纤维增强聚合物复合材料，尤其在汽车“以塑带钢”方面具有极大的应用率。但是，由于基体和增强体所使用材料的不同，严重限制了传统纤维增强聚合物复合材料的回收再利用，导致了废弃物的增加；另外，由于传统纤维增强聚合物复合材料的基体和增强体是不同的物质，因此界面粘结性较差。研究力学和界面性能良好、回收利用率高的纤维增强聚合物复合材料成为复合材料发展的迫切需求。

单聚合物复合材料是一种基体和增强体为同种聚合物的复合材料。如聚丙烯单聚合物复合材料就是一种以聚丙烯为基体、聚丙烯纤维为增强体的单聚合物复合材料。由于基体与增强体来自于同种聚合物，因此同传统的纤维增强聚合物复合材料相比，单聚合物复合材料具有密度小、回收利用率高、界面粘结性好等优点。

目前，制备单聚合物复合材料制品的方法主要为热压法，包括纤维热压法、溶液浸渍热压法、夹层热压法以及纤维缠绕热压法等。利用热压法制备单聚合物复合材料制品，基体与增强体的结合主要通过加压实现，存在成型周期长、产品尺寸小和不能连续化生产等缺点。因此，需要一种可以实现连续、高效地规模化生产大尺寸的单聚合物复合材料制品的方法及设备。

挤出成型是聚合物材料制品加工的常用方法，一套完整的挤出成型设备应由主机和成型不同制品所配套的辅助机械（简称辅机）所组成。通常将这些组成部分统称为挤出机组。挤出机组各部分的构成和功能可以概述如下：

（1）主机

聚合物制品挤出成型机组的主要设备是主机。主机主要包括挤压系统、传动系统、加热冷却系统和控制系统四个部分：①挤压系统：主要由螺杆、机筒和料斗所组成。挤压系统是主机的核心部分，其作用是使聚合物材料塑化成均匀的熔体，同时建立起熔体压力，在螺杆推动下连续、定压、定温和定量地将熔体挤出机头。②传动系统：由电机、减速箱和调整装置所组成。作用是给螺杆提供所需的扭矩和转速。③加热冷却系统：由温度控制元件（加热器和鼓风机等）组成。作用是按设定条件对机筒（或螺杆）进行加热或冷却，保证聚合物材料能在挤出工艺要求的温度范围内进行挤出。④控制系统：主要由电器元件、仪表和执行机构组成。作用是调节控制螺杆转速、机筒（或螺杆）温度以及机头压力等。

（2）辅机

成型聚合物制品，除应具有主机外，还必须配备相应的辅机才能实现。辅机的组成是根据成型不同类型的制品的需要来配备的。通常，挤出成型的配套辅机包括六个部分：机头、定型装置、冷却装置、牵引装置、切割装置、卷取（或堆放）装置。各装置的作用如下：①机头：赋予制品所需的形状，即使熔融的聚合物材料经机头获得制品所需的几何截面和尺寸。②定型装置：稳定从机头挤出的制品的形状，并对其进行精整，从而得到尺寸更为精确的截面形状及更为光亮的制品表面。定型过程通常是采用冷却和加压的方法来实现。③冷却装置：对经定型后的制品实施进一步的冷却，以获得最终制品的形状和尺寸。④牵引装置：均匀地牵引制品，并对制品的截面尺寸进行拉伸控制，使挤出过程平稳地进行。调节牵引速度，还可调节制品截面尺寸及性能。⑤切割装置：将连续挤出的硬制品按要求的长度及宽度进行裁切。⑥卷取（或堆放）装置：将连续挤出的软制品（薄膜、软管或单丝等）卷绕成卷（或对硬制品进行堆放）。

目前对于单聚合物复合材料制品的挤出成型加工设备及方法，国内外还未见报道。利用挤出成型设备加工，可以实现连续、高效地规模化生产单聚合物复合材料制品的迫切要求。

发明内容

针对现有单聚合物复合材料制品的制备方法存在成型周期长、产品尺寸小和不能连续化生产的缺陷，本发明的目的在于提供一种单聚合物复合材料制品熔融包覆辊压成型方法及其设备，可用于批量连续成型得到大尺寸的密度小、回收利用率高、界面粘结性好的单聚合物复合材料制品。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种单聚合物复合材料制品熔融包覆辊压成型方法，具体步骤如下：

将基体加入挤出机中熔融，在挤出压力作用下使熔融状态的基体连续向机头输送；在机头中将熔融状态基体冷却到过冷状态，并分流为两层或多层；将增强体牵引至基体层中间；过冷状态的基体在挤出压力作用下将增强体包覆后从机头中一起挤出；再通过辊压将基体和增强体复合；继续牵引冷却得到本发明所述的一种单聚合物复合材料制品。

其中，所述基体和增强体为同种聚合物，增强体为连续的纤维丝或由连续的纤维丝编织而成的纤维带。过冷是指聚合物在熔融后再冷却至其熔点以下的温度时不结晶固化而继续保持流动状态的一种特性。

一种单聚合物复合材料制品熔融包覆辊压成型设备，由挤出机、机头、辊压机和牵引装置组成，挤出机主要由料斗、螺杆、机筒、加热冷却系统I组成，机头主要由机头体、分流管、口模、加热冷却系统II组成；特征在于所述机筒的外壁或/和壁中设有加热冷却系统I，螺杆在机筒的内部，料斗在机筒后端；机筒前端同机头体后端固定连接，分流管设置在机头体内部，口模设置在机头体前端，机头体的外壁或/和壁中设有加热冷却系统II；辊压机设置在口模前端。

其中，加热冷却系统I可采用风冷和电加热组合控制，在机筒外壁或/和壁中设置冷却流道和加热器。加热冷却系统II可采用水冷和电加热组合控制或油冷和电加热组合控制，在机头体外壁或/和壁中设置冷却流道和加热器。

优选牵引装置采用电机驱动自动牵引，控制牵引力和牵引速度。

机头为本领域常规挤出成型设备机头，可根据单聚合物复合材料制品种类如管材、棒材、片材、板材、薄膜及各种异型材等进行设计。相应的辊压机的辊子形状也需要改变以适应制品形状。同时，可配备切割装置、卷取（或堆放）装置等背景技术中所提到的辅机设备以适应不同制品的需要。

使用本发明所述单聚合物复合材料制品熔融包覆辊压成型设备的熔融包覆辊压成型方法如下：

1）将基体通过料斗加入到机筒中，基体经加热冷却系统I和螺杆作用达到熔融状态，同时在螺杆挤出压力作用下连续向前输送至机头；

2）在机头体中，熔融状态的基体经加热冷却系统II快速冷却至过冷状态，同时在挤出压力作用下继续向前输送，并经分流管分流为两层或多层；

3）将丝状或带状的增强体牵引穿过分流管管孔，在挤出压力作用下，分流过来的两层或多层基体将从分流管管孔出来的增强体包覆，后一起从机头的口模中挤出；

4）通过辊压机将基体和增强体进一步辊压复合；

5）牵引冷却，成型一种单聚合物复合材料制品。

其中，所述基体和增强体为同种聚合物，增强体为连续的纤维丝或由连续的纤维丝编织而成的纤维带。

所述步骤1）中的加热冷却系统I靠近机头端的设定温度高于基体的熔点，优选设定温度高于基体熔点20～50℃。

步骤2）中的加热冷却系统II设定的温度冷却速度＞基体结晶温度对应的冷却速度，为抑制基体从熔融状态到准熔融状态转变过程中发生结晶，在保证温度控制精度的基础上冷却速度越快越好。加热冷却系统II设定的温度均＞基体结晶温度并且＜增强体熔点。

有益效果

1.本发明提供的单聚合物复合材料制品熔融包覆辊压成型方法，利用单聚合物复合材料的基体和增强体属于同种聚合物材料，当增强体和准熔融状态基体复合时，增强体不会发生熔融而保持增强作用特点，此方法可连续生产出具有密度小、回收利用率高、界面粘结性好的单聚合物复合材料制品；

2.本发明提供的单聚合物复合材料制品熔融包覆辊压成型方法，所述方法可制备得到大尺寸制品、可连续化批量生产、生产效率高、使用设备结构较简单以及操作比较容易等优点；

3.本发明提供的单聚合物复合材料制品熔融包覆辊压成型方法，制备得到的单聚合物复合材料应用领域广，可取代木材金属合金和玻纤复合材料，广泛应用于航空航天、船舶、汽车、通信电子、建材、医疗器械和健身器材等领域，可推动新材料技术和加工行业的发展；

4.本发明提供的单聚合物复合材料制品熔融包覆辊压成型设备，所述设备中挤出机的螺杆、机筒和加热冷却系统I相当于基体塑化装置，用于塑化熔融基体；机头的加热冷却系统II用于使塑化好的基体由熔融状态快速冷却转变为过冷状态，并保证冷却过程中不会发生结晶而固化；辊压机用于基体与增强体的有效复合；牵引装置采用电机驱动自动牵引，控制牵引力和牵引速度，在一定的牵引力条件下，纤维的熔点会提高，有助于增强体在被基体包覆和复合时不会熔融。

附图说明

图1是实施例1的主视图；

图2是实施例1的侧视图；

图3是实施例1的机头剖视图；

图4是实施例2的机头剖视图。

图中：1—挤出机，2—机头，3—辊压机，4—牵引装置，5—基体，6—增强体，1-1—料斗，1-2—螺杆，1-3—机筒，1-4—加热冷却系统I，2-1—机头体，2-2—分流管，2-3—口模，2-4—加热冷却系统II

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施方式作进一步详细说明。

实施例1

一种单聚合物复合材料制品熔融包覆辊压成型设备，所述设备由挤出机（1）、机头（2）、辊压机（3）和牵引装置（4）组成，挤出机（1）主要由料斗（1-1）、螺杆（1-2）、机筒（1-3）、加热冷却系统I（1-4）组成，机头（2）主要由机头体（2-1）、分流管（2-2）、口模（2-3）、加热冷却系统II（2-4）组成，其特征在于：所述机筒（1-3）的外壁或/和壁中设有加热冷却系统I（1-4），螺杆（1-2）在机筒（1-3）的内部，料斗（1-1）在机筒（1-3）后端；机筒（1-3）前段同机头体（2-1）后端固定连接，分流管（2-2）设置在机头体（2-1）内部，口模（2-3）设置在机头体（2-1）前端，机头体（2-1）的外壁或/和壁中设有加热冷却系统II（2-4）；辊压机（3）设置在口模（2-3）前端。

其中，所述机头（2）根据一厚3mm宽40mm的片材制品设计；分流管（2-2）的管孔出为长38mm宽1mm的长方形孔，增强体可经过牵引从中穿过；口模（2-3）的出口孔为长40mm宽4mm的长方形孔；辊压机（3）的两个辊子设置在口模（2-3）的前端，两个辊子之间的间隙为3mm，从而最终可成型一厚3mm宽40mm的单聚合物复合材料片材制品；所述加热冷却系统I（1-4）采用风冷和电加热组合控制，加热冷却系统II（2-4）采用水冷和电加热组合控制；机头体（2-1）中设置有冷却水道，机头体（2-1）由电加热片包裹；牵引装置（4）采用电机驱动自动牵引，控制牵引力和牵引速度。

一种单聚合物复合材料制品熔融包覆辊压成型方法，所述方法使用本实施例所提供的熔融包覆辊压成型设备，基体（5）采用了聚丙烯粒料（美国PhilipsSumikaPolypropylene公司生产），增强体（6）采用了聚丙烯纤维编织而成的纤维带（美国Innegrity公司生产），纤维带厚1mm宽38mm。经差式扫描量热仪（Q200，美国TA公司生产）测试确定聚丙烯基体的熔点为167℃，聚丙烯纤维增强体的熔点为152℃，聚丙烯基体的冷却速度与结晶温度关系如下：1℃/min下的结晶温度为135℃、10℃/min下的结晶温度为123℃、20℃/min下的结晶温度为121℃、30℃/min下的结晶温度为119℃。根据以上测试数据，将加热冷却系统I（1-4）靠近机头（2）端的温度设定为200℃，将加热冷却系统II（2-4）的冷却速度设定为10℃/min，将加热冷却系统II（2-4）的温度设定为为140℃。

具体步骤如下：

1）将固体颗粒形态的聚丙烯基体（5）通过料斗（1-1）加入到机筒（1-3）中，基体（5）经加热冷却系统I（1-4）和螺杆（1-2）作用达到熔融状态，同时在螺杆（1-2）挤出压力作用下连续向前输送至机头（2）；

2）在机头体（2-1）中，熔融状态的基体（5）经加热冷却系统II（2-4）快速冷却至过冷状态，同时在挤出压力作用下继续向前输送，并经分流管（2-2）分流为两层；

3）将带状的增强体（6）牵引穿过分流管（2-2）管孔，在挤出压力作用下，分流过来的两层基体（5）将从分流管（2-2）管孔出来的增强体（6）包覆，后一起从机头（2）的口模（2-3）中挤出；

4）通过辊压机（3）将基体（5）和增强体（6）进一步辊压复合；

5）牵引冷却，成型得到一种厚3mm、宽40mm的片状聚丙烯单聚合物复合材料制品。

实施例2

与实施例1的不同之处在于：所述机头（2）根据一厚6mm宽40mm的板材制品设计；分流管（2-2）有三个管孔，均为长38mm宽1mm的长方形孔，增强体采用了三层厚1mm宽38mm的纤维带，可分别经过牵引从中分流管（2-2）的三个管孔中穿过；口模（2-3）的出口孔为长40mm宽7mm的长方形孔；辊压机（3）的两个辊子设置在口模（2-3）的前端，两个辊子之间的间隙为6mm，从而最终可成型一厚6mm宽40mm的单聚合物复合材料板材制品。

本发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明的精神和原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种单聚合物复合材料制品熔融包覆辊压成型设备，由挤出机(1)、机头(2)、辊压机(3)和牵引装置(4)组成，挤出机(1)主要由料斗(1-1)、螺杆(1-2)、机筒(1-3)、加热冷却系统I(1-4)组成，机头(2)主要由机头体(2-1)、分流管(2-2)、口模(2-3)、加热冷却系统II(2-4)组成，其特征在于：所述机筒的外壁或/和壁中设有加热冷却系统I(1-4)；螺杆(1-2)在机筒(1-3)的内部，料斗(1-1)在机筒(1-3)后端；机筒(1-3)前端同机头体(2-1)后端固定连接，分流管(2-2)设置在机头体(2-1)内部，口模(2-3)设置在机头体(2-1)前端，机头体(2-1)的外壁或/和壁中设有加热冷却系统II(2-4)，加热冷却系统II(2-4)采用水冷和电加热组合控制或油冷和电加热组合控制，在机头体(2-1)外壁或/和壁中设置冷却流道和加热器；辊压机(3)设置在口模(2-3)前端；牵引装置(4)采用电机驱动自动牵引，控制牵引力和牵引速度。

2.一种单聚合物复合材料制品熔融包覆辊压成型方法，其特征在于：所述方法在如权利要求1所述的单聚合物复合材料制品熔融包覆辊压成型设备上进行，所述方法具体步骤如下：

1)将基体通过料斗(1-1)加入到机筒(1-3)中，基体经加热冷却系统I(1-4)和螺杆(1-2)作用达到熔融状态，同时在螺杆(1-2)挤出压力作用下连续向前输送至机头(2)；

2)在机头体(2-1)中，熔融状态的基体经加热冷却系统II(2-4)快速冷却至过冷状态，同时在挤出压力作用下继续向前输送，并经分流管(2-2)分流为两层或多层；

3)将丝状或带状的增强体牵引穿过分流管(2-2)管孔，在挤出压力作用下，分流过来的两层或多层基体将从分流管(2-2)管孔出来的增强体包覆，后一起从机头(2)的口模(2-3)中挤出；

4)通过辊压机(3)将基体和增强体进一步辊压复合；

5)牵引冷却，成型一种单聚合物复合材料制品；

其中，所述基体和增强体为同种聚合物；增强体为连续的纤维丝或由连续的纤维丝编织而成的纤维带；

步骤1)中的加热冷却系统I(1-4)靠近机头(2)端的设定温度高于基体的熔点；

步骤2)中的加热冷却系统II(2-4)设定的温度冷却速度＞基体结晶温度对应的冷却速度；

步骤2)中的加热冷却系统II(2-4)设定的温度均＞基体结晶温度并且＜增强体熔点。