CN103722638B - 连续长碳纤维增强聚丙烯生产用碳纤维束反应型熔融浸润装备及浸润方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及连续长碳纤维增强聚丙烯生产用碳纤维束反应型熔融浸润装备，所述的浸润装备包括浸润装备的壳体、反应槽、碳纤维分散浸润辊轮、浸润装备碳纤维入口、浸润装备碳纤维出口、浸润装备树脂导入通道入口和浸润装备树脂通道，所述的反应槽设有反应槽碳纤维入口和反应槽碳纤维出口，反应槽碳纤维出口与浸润装备碳纤维入口之间连接碳纤维导向柱，所述的碳纤维分散浸润辊轮是带有螺旋状凹槽结构，形状类似于螺纹，凹槽底部宽6-10mm，凹槽的深度为2-9mm。本发明的特点是更低的加工成本，更高的产量，更高的生产稳定性，更高的材料性能。

Description

连续长碳纤维增强聚丙烯生产用碳纤维束反应型熔融浸润装备及浸润方法

技术领域

本发明属于新材料改性加工技术领域，具体涉及连续长碳纤维增强聚丙烯生产用碳纤维束反应型熔融浸润装备及浸润方法。用于连续长碳纤维增强热塑性聚丙烯的生产。

背景技术

传统的改性方法生产的碳纤维增强热塑性聚丙烯的碳纤维长度一般小于0.5mm，平均长度是2-3mm，其制品的受力破坏主要是碳纤维从基体拔出，碳纤维越短越容易从基体树脂中拔出，制品的强度就越低。上个世纪末期，国外改性聚丙烯行业开始涌现出连续长碳纤维增强热塑性聚丙烯（LFT）。与传统的碳纤维增强热塑性聚丙烯相比，LFT的碳纤维长度明显大于传统方法生产的增强聚丙烯中碳纤维的长度。由于LFT中碳纤维的长度较长，更好地发挥了碳纤维的增强能力，从而赋予制品更高的刚性、机械强度、抗冲击强度、抗蠕变性，同时由于碳纤维的长度较长，在成型的过程中，碳纤维不容易发生取向，所以改善了传统碳纤维增强制品容易翘曲变形的缺陷。与传统的材料相比，LFT具有明显高的性能优势和制品的尺寸稳定性，所以LFT材料很快成为复合材料市场中正在突起的一类新产品。

这类材料作为以塑代钢的最佳解决方案，被大量用于汽车工业，以减轻汽车的重量，节能减排。如用于汽车的保险杠、仪表板承重支架，蓄电池承重槽，座椅骨架，发动机罩盖等部件。除了用于汽车领域以外还用于家电、环保机械、建筑、工程、航空、航天等众多领域。

目前，LFT材料的生产以熔融浸润法为主。其工艺过程是碳纤维在牵引力的作用下穿过充满熔体的模腔，碳纤维束在模腔内在内部装置的作用下散开，然后被树脂浸润到碳纤维束的内部，和每个碳纤维丝充分接触。然后经过浸润的碳纤维束从浸润装备碳纤维出口牵出，再经冷却、烘干后切成所需长度的连续长碳纤维增强热塑性聚丙烯颗粒。然而该材料生产的关键技术就在于树脂能否对碳纤维进行充分快速的浸润。关键技术具体表现为：1）碳纤维通过浸润装备过程中，磨损程度较小，因为如果磨损程度严重容易堵塞浸润设备，导致生产不稳定；2）碳纤维在经过浸润装备过程中，要被内部的熔融树脂充分浸润，甚至树脂包覆到每根碳纤维单丝，因为浸润效果不好，制品的外观浮纤严重，同时制品的强度不高；3）碳纤维通过浸润装置的线速度越快,LFT材料的产量越高，同时单位重量的LFT材料的加工成本越低。只有以上三个关键技术都能达到的浸润装备才算得上成功的设备。

法国阿托公司1989在中国专利CN1021643C公开的相关专利，其特征为一类似正玄曲线的弯曲浸润流道。塑化好的聚丙烯进入到模腔内与碳纤维接触，碳纤维束在通过弯曲流道的波峰和波谷时，在张力的作用下散开，然后被熔融树脂充分浸润。该专利设计的优点是，树脂对碳纤维的浸润效果较好，但是存在着非常严重的缺陷，即碳纤维丝容易被磨损，尤其是牵引速度越快，碳纤维受到的张力越大，越容易磨损，造成生产不稳定，甚至造成停产。同时我们也查阅和验证了国内其他公司或高校的授权专利。都不同程度上存在着一些缺陷，能够实现上述3个关键技术的几乎没有。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种连续长碳纤维增强聚丙烯生产用碳纤维束反应型熔融浸润装备。

本发明的再一的目的是，提供使用浸润装备浸润长碳纤维增强聚丙烯生产用碳纤维束的方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：连续长碳纤维增强聚丙烯生产用碳纤维束反应型熔融浸润装备，包括浸润装备的壳体、反应槽、碳纤维分散浸润辊轮、浸润装备碳纤维入口、浸润装备碳纤维出口、浸润装备树脂导入通道入口和浸润装备树脂通道，所述的反应槽设有反应槽碳纤维入口和反应槽碳纤维出口，反应槽碳纤维出口与浸润装备碳纤维入口之间连接碳纤维导向柱，所述的碳纤维分散浸润辊轮是带有螺旋状凹槽结构，形状类似于螺纹，凹槽底部宽6-10mm，凹槽的深度为2-9mm。

所述的浸润装备壳体是经过渗碳和氮化处理过的耐磨钢材。

所述的反应槽碳纤维入口的横切面是长轴为3-8mm，短轴为2-6mm的椭圆。

所述的反应槽碳纤维出口的横切面是长轴为3-6mm，短轴为2-4mm的椭圆。

所述的浸润装备树脂导入通道入口是一条狭缝，狭缝的间隙为1-4mm。

所述的浸润装备碳纤维入口的横切面是长轴为3-6mm，短轴为2-7mm的椭圆。

所述的浸润装备碳纤维出口的横切面是长轴为2-8mm，短轴为2-6mm的椭圆。

在浸润装备中碳纤维分散浸润辊轮可以设置两个、三个或四个。

为实现上述第二个目的，本发明采取的技术方案是：

浸润装备浸润长碳纤维增强聚丙烯生产用碳纤维束的方法：碳纤维先通过反应槽与相容剂发生接枝反应，然后经浸润装备碳纤维入口进入到浸润装备中，熔融树脂经浸润装备树脂导入通道进入到浸润装备模腔中，在充满熔体的模腔内碳纤维束在张力牵引下错位绕过浸润辊轮，同时由于浸润辊轮能够使碳纤维充分散开，促进熔融树脂浸润到碳纤维束内部，然后被充分浸润的碳纤维束从浸润装备碳纤维出口牵出，浸润好的碳纤维束经冷却、烘干后切成所需长度的连续长碳纤维增强热塑性聚丙烯颗粒。

与现有碳纤维熔融浸润设备相比，本发明有如下优点：1）碳纤维通过浸润装备过程中，磨损程度较小，因为如果磨损程度严重容易堵塞浸润设备，导致停产；2）碳纤维在经过浸润装备过程中，要被内部的熔融树脂充分浸润，甚至树脂包覆到每根碳纤维单丝，因为浸润效果不好，制品的外观浮纤严重，同时制品的强度不高；3）碳纤维通过浸润装置的线速度越快,LFT材料的产量越高，同时单位重量的LFT材料的加工成本越低。4）由于该浸润装备设置了一个对碳纤维进行预处理的设备---反应槽（该反应槽将碳纤维与树脂的相容剂接枝到碳纤维上），增强了树脂与碳纤维之间的结合力，使得最终制品的性能会非常高。本发明的特点是更低的加工成本，更高的产量，更高的生产稳定性，更高的材料性能。

附图说明

图1是碳纤维分散浸润辊轮结构示意图。

图2是连续长碳纤维增强聚丙烯生产用碳纤维束反应型熔融浸润装备结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的具体实施方式作详细说明。

附图中涉及的附图标记和组成部分如下所示：

1反应槽

2碳纤维导向柱

3碳纤维分散浸润辊轮

11反应槽碳纤维入口

12反应槽碳纤维出口

31浸润装备碳纤维入口

32浸润装备碳纤维出口

34浸润装备树脂导入通道入口

35浸润装备树脂通道

请参看图2，图2是本发明连续长碳纤维增强聚丙烯生产用碳纤维束反应型熔融浸润装备结构示意图。所述浸润装备的壳体是一个经过渗碳和氮化处理的箱体，具有耐高温、耐磨损、那腐蚀性的特性。箱体的内部空间是反应槽1和浸润槽。所述的碳纤维分散浸润辊轮3的两端镶嵌于箱体的两侧板上。并设有碳纤维入口、出口，树脂的入口。上述连续长碳纤维增强聚丙烯生产用碳纤维束反应型熔融浸润装备中，所述的反应槽碳纤维入口11的横切面是长轴为3-8mm，短轴为2-6mm的椭圆。所述的反应槽碳纤维出口12的横切面是长轴为3-6mm，短轴为2-4mm的椭圆。所述的浸润装备树脂导入通道入口34是一条狭缝，狭缝的间隙为1-4mm。所述的浸润装备碳纤维入口31的横切面是长轴为3-6mm，短轴为2-7mm的椭圆。所述的浸润装备碳纤维出口32的横切面是长轴为2-8mm，短轴为2-6mm的椭圆。所述的碳纤维分散浸润辊轮3（见图1）是带有螺旋状凹槽结构，形状类似于螺纹。凹槽底部宽6-10mm，凹槽的深度为2-9mm，（凹槽底部宽也可以6-20mm，凹槽的深度也可以为3-10mm），碳纤维进入浸润装备内部的的浸润槽后，沿着凹槽缠绕在滚轮上，缠绕一周从相邻的凹槽轨道离开辊轮，然后引入下一个辊轮的凹槽轨道。凹槽与凹槽之间隔板的宽度为2-6mm。凹槽的圈数至少是碳纤维股数的两倍。碳纤维分散浸润辊轮3个数为两个（三个，四个）或两个以上。反应槽碳纤维出口12与浸润装备碳纤维入口31之间连接碳纤维导向柱2，碳纤维导向柱2的作用：该结构是一个光滑的圆柱体，用于辅助纤维束改变方向。

长碳纤维增强聚丙烯生产用碳纤维束浸润方法：

碳纤维先通过反应槽1与相容剂发生接枝反应，然后经浸润装备碳纤维入口31进入到浸润装备中。熔融树脂经浸润装备树脂导入通道进入到浸润装备模腔中。在充满熔体的模腔内碳纤维束在张力牵引下错位绕过浸润辊轮，同时由于浸润辊轮能够使碳纤维充分散开，促进熔融树脂浸润到碳纤维束内部，然后被充分浸润的碳纤维束从浸润装备碳纤维出口32牵出。浸润好的碳纤维束经冷却、烘干后切成所需长度的连续长碳纤维增强热塑性聚丙烯颗粒。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.连续长碳纤维增强聚丙烯生产用碳纤维束反应型熔融浸润装备，其特征在于，包括浸润装备的壳体、反应槽、碳纤维分散浸润辊轮、浸润装备碳纤维入口、浸润装备碳纤维出口、浸润装备树脂导入通道入口和浸润装备树脂通道，所述的反应槽设有反应槽碳纤维入口和反应槽碳纤维出口，反应槽碳纤维出口与浸润装备碳纤维入口之间连接碳纤维导向柱，所述的碳纤维分散浸润辊轮是带有螺旋状凹槽结构，形状类似于螺纹，凹槽底部宽6-10mm，凹槽的深度为2-9mm；所述的反应槽碳纤维入口的横切面是长轴为3-8mm，短轴为2-6mm的椭圆；所述的反应槽碳纤维出口的横切面是长轴为3-6mm，短轴为2-4mm的椭圆；所述的浸润装备碳纤维入口的横切面是长轴为3-6mm，短轴为2-7mm的椭圆；所述的浸润装备碳纤维出口的横切面是长轴为2-8mm，短轴为2-6mm的椭圆。

2.根据权利要求1所述的浸润装备，其特征在于，所述的浸润装备壳体是经过渗碳和氮化处理过的耐磨钢材。

3.根据权利要求1所述的浸润装备，其特征在于，所述的浸润装备树脂导入通道入口是一条狭缝，狭缝的间隙为1-4mm。

4.根据权利要求1所述的浸润装备，其特征在于，在浸润装备中碳纤维分散浸润辊轮可以设置两个、三个或四个。

5.使用权利要求1-4任一所述的浸润装备浸润长碳纤维增强聚丙烯生产用碳纤维束的方法：碳纤维先通过反应槽与相容剂发生接枝反应，然后经浸润装备碳纤维入口进入到浸润装备中，熔融树脂经浸润装备树脂导入通道进入到浸润装备模腔中，在充满熔体的模腔内碳纤维束在张力牵引下错位绕过浸润辊轮，同时由于浸润辊轮能够使碳纤维充分散开，促进熔融树脂浸润到碳纤维束内部，然后被充分浸润的碳纤维束从浸润装备碳纤维出口牵出，浸润好的碳纤维束经冷却、烘干后切成所需长度的连续长碳纤维增强热塑性聚丙烯颗粒。