CN103737736B - 一种长纤维增强热塑性复合树脂粒料的制备装置及其制备方法 - Google Patents
一种长纤维增强热塑性复合树脂粒料的制备装置及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及长纤维增强热塑性复合树脂粒料的制备装置及其制备方法，包括挤出机，挤出机前端设有连接流道，连接流道外侧设有浸渍模具，浸渍模具前端设有纤维预热装置，浸渍模具后端设有水冷装置，水冷装置后端设有纤维牵引切粒机，所述浸渍模具包括内设有模腔的浸渍模具模体，浸渍模具模体一端设有纤维束入口、另一端设有纤维束出口，模腔设有用于向模腔输入塑料熔体的熔体输送通道，连接流道与熔体输送通道连通,所述模腔内设置有一组双齿轮组合熔体泵和张力辊组。本发明在模腔内设置有一组齿轮熔体泵和张力辊组起分散纤维束、熔体浸渍、吸附作用。克服塑料熔体阻力大、连续纤维包覆的折断问题，具有均匀浸渍、分散、包覆效果，灵活性大、易操作。
Description
技术领域
本发明涉及高分子纤维增强材料领域，特别是涉及一种长纤维增强热塑性复合树脂粒料的制备装置及其制备方法。
背景技术
长纤维增强热塑性复合树脂粒料由于其具有优异的力学性能，兼具高的刚性和韧性以及优良的耐疲劳性能，且加工过程制品变形小，可部分替代金属材料，因此被广泛用于汽车、建材、化工等领域。尤其20世纪90年代中期以后，汽车工业的快速发展、人们环保节能意识的增强以及能源危机、石油涨价，促使汽车以轻量化为手段实现汽车节能减节。而高性能的长纤维增强热塑性复合树脂粒料是实现汽车轻量化的重要手段之一。因此，国外已对长纤维增强热塑性塑料作了大量的研究，并实现了长纤维增强热塑性复合树脂粒料生产汽车配部件。而在国内对长纤维增强热塑性塑料研究或生产成功的案例为数不多，尽管已实现产业化，但生产原料、设备装置和工艺过程掌握不到位，产品的纤维浸渍效果、工艺、配方的可行性尚且无法制备高性能产品。
长纤维增强热塑性复合树脂粒料是指一种增强纤维单向排布且取向与树脂粒料轴向平行，长度与树脂粒料等长的增强热塑性树脂。其制备方法是将连续纤维束与挤出机挤出的熔融树脂充分浸渍后，通过定型模头，拉出棒条状定型，切成不同长度（一般为10~25mm）的粒料。与传统的短纤维增强材料的生产方法不同，用这种方法生产的长纤维增强材料，由于纤维没有通过挤出机的混炼过程，纤维不会因为螺杆的剪切作用而被切短，因此纤维的长度与所切粒子的长度一样，可达到能够注射成型时的最大长度，通过采用合适的注射成型工艺，制品中的纤维长度仍然可以保持3~5mm的长度（而普通短纤维增强塑料注塑制品中的纤维长度一般只有0.2~0.7mm）。所以，长纤维增强塑料比短纤维增强材料具有更高的冲击强度，更好的刚性，而且，用这种方法可以制造出纤维含量非常高（60%~80%）的增强材料。
长纤维增强热塑性复合树脂粒料的制备方法较多，现今主要发展了溶液浸渍、熔融浸渍、粉末浸渍、悬浮浸渍及混编制备等技术路线，其中熔融浸渍由于便于连续化生产、便捷、简单等特点，受到青睐，并且由此延伸出不同浸渍装置。现有的熔融浸渍技术已能够实现连续生产，生产过程中纤维不易缠绕，摩擦损伤也小，但现有设备依然存在浸渍单元的结构设计复杂，浸渍、包覆效果差，生产线投资大等不足。
长纤维增强热塑性复合树脂粒料的制造方法，其关键技术在于熔体在纤维丝束中的分散性与可浸润性，以及纤维与树脂基体间的界面结合性最为关键。目前通过熔融树脂浸渍连续纤维制造预浸带，都采用设计复杂的熔融浸渍单元，如美国专利US5037284，使用浸渍辊与刮刀形成的初级浸渍，此法由于纤维丝束与辊表面形成的张力方向与树脂渗透方向相反，不利于熔融态树脂进入丝束内部。后期进入成型辊后，通过外部红外加热使树脂处于熔融态，但与纤维接触部分不能保证是熔融态，而温度过高容易造成树脂粘辊等不足，并且仅能制造窄幅预浸带。美国专利US3908042中使用旋转浸渍辊经过熔融态树脂池将其粘附在表面，再与纤维接触，由于辊表面与纤维的张力使得树脂能够透过纤维丝束，此法较好的解决了前面提到浸渍及穿丝难等问题，但存在熔融树脂池易氧化和树脂含量不易控制等问题。另外中国专利CN88102218A及公开号为CN101152767A的两个专利现同样存在美国专利US5529652中提到的问题，由于使用封闭的腔体，使得穿丝及模头清理困难。
中国专利200610122459.4公开了一种连续长纤维增强热塑性树脂的成型方法及其成型设备，包括浸渍模外体以及设在浸渍模外体中的热塑性树脂熔体夹缝流道、浸渍独立流道、连续长纤维入口通道和浸渍出口；热塑性树脂熔体夹缝流道设在浸渍模外体的上游端；连续长纤维入口通道设在与热塑性树脂熔体夹缝流道所在平面成一夹角的平面内，热塑性树脂熔体夹缝流道、连续长纤维入口通道均与浸渍独立流道连通，浸渍出口设在浸渍设备外体下游端且与浸渍独立流道末端连通；浸渍独立流道中还设有至少一组可以自由旋转的张力辊。由于仅靠几组张力辊其达到的浸渍效果不理想，并且自由旋转的张力辊由于无动力传动仅靠纤维摩擦力无法实现自由旋转。
中国专利201020194522.7公开了一种长玻纤增强改性塑料材料生产中用于浸溶玻纤的熔体槽，熔体槽由左板、右板、底板、顶板、前板和后板衔接构成，左、右板的内壁分别以圆角与底板内壁和顶板的内壁过渡衔接；左板上设置有玻纤进口，右板上设置有玻纤出口。
中国专利201010599665.0公开了一种长纤维增强热塑性树脂的成型设备，包括纤维束预先蓬松和预热系统；熔融树脂对纤维浸渍及成型设备，其熔体入口口模通过熔体流入通道与纤维浸渍体相通，并倾斜向上一定角度，纤维入口口模用以连接纤维预蓬松与预热系统和纤维浸渍体，使得纤维水平进入纤维浸渍体、纤维浸渍体的另一端与成型口模相连接。
上述中国专利依然存在浸渍设备设计的缺陷，不能使长纤维得到较为理想的浸渍。如1）纤维浸渍腔内部部分位置不具有圆滑过渡设计，腔体内留有熔料不易流动的区域，使得物料滞留，氧化发黄，产品力学性能降低，外观品质不佳；2）张力辊对纤维束只有分散作用，纤维间气泡、孔隙排除装置的缺失无法保证产品较低的孔隙率；3）张力辊的凹槽设计使得纤维与张力辊接触面较小，摩擦力不足以带动辊转动，熔体紊流的产生有限，进而导致纤维的浸渍效果不明显。
LATIIINUSTRIATERMOPLASTICIS.P.A公司在世界专利中公布，专利中描述塑料熔体从双螺杆挤出机挤出后经过一个直角拐角的圆管形流道进入纤维浸渍装置，在纤维浸渍装置内，塑料熔体再和连续纤维再从垂直方向接触。因此可知塑料熔体需要经过两次直角形拐转后再和纤维接触，塑料熔体在流道的阻力会明显增大，一方面使挤出功率增大，另一方面，流道拐点太多和拐点位置容易积累残留塑料，残留塑料容易老化产生黑点而影响产品的质量。
公开号为CN1962732A的专利，其专利讲述一种连续长纤维增强聚丙烯树脂粒料的制备方法，该专利采用聚丙烯纤维与玻璃纤维按一定比例混合制成复合混纱，复合混纱再与聚丙烯树脂，加工助剂混合后经挤出机造粒。因此可知，从生产效率分析，复合混纱的制造增加了一个工序，降低了生产效率，从生产成本分析，聚丙烯纤维的价格比聚丙烯树脂的价格高，从而增高了生产成本，从材料性能分析，由于复合混纱、聚丙烯树脂与加工助剂混合后经挤出机造粒，所以玻璃纤维在挤出过程中会折断，不能保证粒料中纤维的长度，由于长纤维增强热塑性塑料的力学性能与纤维的长度密切相关，所以该生产方法不能保证粒料中纤维的长度意味着不能保证材料的质量。
公开号为CN101152767A的专利，其专利讲述一种连续长纤维增强热塑性树脂的成型方法及其成型设备，专利中提及使用浸渍独立流道中的张力辊分散纤维束，因此可知，每一条纤维束占用一条独立流道，当加工纤维束的数量较多的情况，浸渍独立流道的数量也相应增加，当浸渍独立流道数量较多的情况时，可能出现塑料熔体在流道中分布不均匀现象，同时每个独立流道中放置一个或多个的张力辊，可知在整个模具中放置的张力辊数量很大，因此造成模具结构复杂化易产生纤维起毛堵塞流道。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种长纤维增强热塑性复合树脂粒料的制备装置及其制备方法，其在生产长纤维增强热塑性塑料过程中克服了塑料熔体阻力大、连续纤维在包覆的折断问题、以及纤维的均匀浸渍、分散、包覆效果。并且具有生产产品灵活性大、易于操作等优点，能用于生产各种长纤维增强热塑性塑料。
本发明的目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种长纤维增强热塑性复合树脂粒料的制备装置，包括挤出机，挤出机前端设有连接流道，连接流道外侧设有浸渍模具，浸渍模具前端设有纤维预热装置，浸渍模具后端设有水冷装置，水冷装置后端设有纤维牵引切粒机，所述的浸渍模具包括内设有模腔的浸渍模具模体，浸渍模具模体一端设有纤维束入口、另一端设有纤维束出口，所述模腔设有用于向模腔输入塑料熔体的熔体输送通道,连接流道与熔体输送通道连通,所述模腔内设置有一组双齿轮组合熔体泵和张力辊组。
所述双齿轮组合熔体泵包括一从动齿轮辊和用于驱动从动齿轮辊的驱动齿轮辊筒,所述从动齿轮辊筒与驱动齿轮辊筒呈上下排列。
所述驱动齿轮辊筒包括主辊筒和设置在主辊筒一侧边上的传动齿轮,所述从动齿轮辊包括从动辊筒和设置在从动辊筒一侧边上的从动齿轮,传动齿轮与从动齿轮互相紧靠，且相齿合。
所述张力辊组含有两个或两个以上张力辊，所述张力辊设置在齿轮熔体泵下游，且第一个张力辊的最低弧面低于所述从动辊筒的最高弧面；张力辊在模腔内按以预定距离水平或上下起伏排列。
（1）、利用本发明的纤维浸渍模具制造长纤维增强热塑性复合树脂粒料的原理：
本制备装置，包括挤出机，挤出机机头设有连接流道，浸渍模具。纤维经预热装置预热后进入浸渍模具入口、模具出口与后端设有的水冷装置、干燥装置、纤维牵引机、切粒机完成产品制备；所述浸渍模具包括模腔、浸渍模具模体、一端设有纤维束入口、另一端设有纤维束出口，模腔内有用于向模腔输入熔体的连接流道、齿轮熔体泵和张力辊。
制造实施时,纤维束经预热装置预热后从浸渍模具入口进入模腔,来自挤出机的塑料熔体经熔体输送通道进入模腔内,纤维束进入浸渍模具中后，与模腔内的齿轮熔体泵从动辊筒、张力辊之间呈波浪形上下穿插，与塑料熔体浸润、互溶、浸渍，熔体在纤维束中被分散、压缩、吸收，最后被包覆的纤维束经浸渍模具出口引出。从浸渍模具出口引出的被熔体复合包覆的纤维束经水冷装置和牵引切粒机切粒后，干燥包装。
由于本发明在浸渍模具模腔内设置有齿轮熔体泵,可在模腔内形成熔体对纤维束瞬间增压、减压和涡流效应，每束纤维在齿轮熔体泵和张力辊的作用下成周期性的分散、收缩,并被熔体充分浸渍、包覆,增强了熔体对纤维的浸渍、浸润效果。
具体地来说，浸渍模具模腔内所述齿轮熔体泵包括一对上下排列齿轮辊筒组，所述齿轮辊筒组包括从动齿轮辊筒和驱动齿轮辊筒,从动齿轮辊筒与驱动齿轮齿合连接,齿轮熔体泵的驱动齿轮由电机驱动。驱动齿轮与从动齿轮辊筒的传动比为12-35：1。
所述从动齿轮辊筒与驱动齿轮齿合并上下排列，浸渍模具模体设置有用于安装齿轮的齿轮腔和用于安装辊筒的辊筒插槽，驱动齿轮和从动齿轮在齿轮腔内齿合，另一端均为辊筒且插在辊筒插槽内。
本发明通过在模腔内设置齿轮辊筒作为一特种齿轮熔体泵，利用驱动齿轮在驱动电机的驱动下转动，并通过齿轮齿合带动从动齿轮辊筒旋转；这种由于齿轮辊筒相对应于纤维束运动方向的转动产生局部涌流、射流或涡流，有利于将熔体向纤维束内间隙分散，同时，操作控制该齿轮熔体泵的转速，即使之与纤维束牵引速度产生一个速度差，纤维束的牵引速度与齿轮熔体泵的转速不同步，还可以增加这种效果的强度，使熔体向纤维束内分散、扩展、浸渍，最终达到熔体包覆每一根纤维的效果。
所述驱动齿轮和从动齿轮的转速比为12-35：1。通过对转速比的科学设置和调控，使之与纤维束的牵引速度相匹配，还可避免对纤维产生磨损或造成断纤。
所述的纤维浸渍模具，模具模腔内可含有1-12个张力辊，张力辊设置在齿轮熔体泵下游，且第一个张力辊的最低弧面低于齿轮熔体泵从动辊筒的最高弧面；所述张力辊在模腔内按一定距离上下排列。所述的张力辊辊筒直径为10-35mm，长度与纤维浸渍模具的模腔宽度相当，嵌入在模体模腔内。张力辊可根据不同情况设置若干个，但优选至少为两个。
在纤维浸渍模具内，被牵引的纤维束从纤维预热装置预热处理后，从纤维入口进入模腔与熔体输送通道进入的熔体混合、浸渍，并在包括齿轮熔体泵从动辊筒、张力辊之间呈波浪形上下穿插并经浸渍模具出口引出。
本发明浸渍模具装置的设计，其基本原理是通过在装置模腔内设置齿轮熔体泵的齿轮辊筒和张力辊，当纤维束绕过熔体泵辊筒组中的从动辊筒和张力辊的圆辊时，上下排列熔体泵辊筒和张力辊与纤维束之间产生张力，并形成拉伸和挤压作用，熔体压力瞬间反复交替增压、减压施加在纤维束的纤维之间。另外，操作控制该齿轮熔体泵的转速，使之与纤维束牵引速度产生一个速度差，控制纤维束的牵引速度与齿轮熔体泵的转速不同步，都可以增加这种效果的强度。这种产生与熔体和连续纤维束路经速度或方向不同步的局部作用力，导致一定的熔体涡流、旋流等产生的挤压力，使得纤维束间隙内空间、残留气体被熔体挤出、浸渍和侵占，达到排除纤维束间隙内残留气体的排除、溢出，最大限度使纤维束中各股纤维得到熔体的浸渍、包覆。熔体与连续纤维束相互浸渍、作用致使压力瞬间反复交替增压、减压这一作用在模具后半段进入若干张力辊时，还会反复多次，直至熔体不断地渗透入纤维束内部，从而达到熔体分散、浸渍、包覆的效果和良好的浸渍效果，最后充分吸附熔体的纤维束从浸渍模具的纤维束出口导出。
另一方面由于从动齿轮辊筒的滚动，推动熔体的流动，可为纤维束穿过模腔提供动力，克服了塑料熔体阻力大的问题，有利于避免纤维束折断。
所述齿轮熔体泵位于模腔前中部位置，其旋转方向与纤维束牵引方向相同。
所述的齿轮熔体泵包括一对上下排列齿轮辊筒组，齿轮辊筒组包括从动齿轮辊筒和驱动齿轮辊筒,从动齿轮辊筒与驱动齿轮齿合连接,齿轮熔体泵的驱动齿轮由电机驱动。浸渍模具模体设置有用于安装齿轮的齿轮腔和用于安装辊筒的辊筒插槽，驱动齿轮和从动齿轮在齿轮腔内齿合，另一端均为辊筒且插在辊筒插槽内。齿轮熔体泵的上下排列齿轮辊筒组，辊筒直径根据设备机型调节，驱动齿轮与从动齿轮辊筒的传动比为12-35:1。两个辊筒以相同方向转动，亦可反向转动。
所述的熔体连接流道进入纤维浸渍模具的接口处与引入的纤维束呈15-45度角接触、接入。
所述的纤维预热装置为具有电热丝的铝合金圆筒，其直径为100mm、长1500mm。
利用上述制备装置，制备长纤维增强热塑性复合树脂粒料的方法，包括如下步骤:
1）、长纤维增强热塑性复合树脂粒料的配方由如下质量百分数的各组分组成：
纤维束10-55%，塑胶原材料：热塑性塑料80-35%、表面处理剂0.3-3%、相容剂5.5-9.2%、抗氧剂0.5～1.5%；其它助剂根据需要加入；
2）、利用长纤维增强热塑性复合树脂粒料的制备装置进行料粒制备：
a、多股纤维束经纤维预热装置预热后被连续引入纤维浸渍模具的模腔内，纤维束由纤维束入口进入模腔，经过齿轮熔体泵和张力辊从模腔的纤维束出口导出；
b、将塑胶原材料各组分在混料机内预混后，加入挤出机混合熔融成熔体，熔体经连接流道进入纤维浸渍模具和纤维浸渍模具中连续引入的纤维束在模腔内互溶、浸渍并被包覆，纤维束在模腔内的齿轮熔体泵从动辊筒、张力辊之间呈波浪形上下穿插并经浸渍模具出口引出；
c、从浸渍模具出口引出的被熔体复合包覆的纤维束经水冷装置和牵引切粒机切粒后，干燥包装。
所述的热塑性塑料为聚烯烃均聚或共聚树脂、聚丙烯、聚乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚甲醛、聚酯、尼龙6、尼龙66、尼龙46、尼龙12；
所述纤维束由璃纤维、碳纤维、金属纤维、硼纤维、聚酰胺纤维、聚酯纤维、聚丙烯纤维中的一种或两种以上混合组成；
所述偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、(γ-（甲基丙烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷、γ-巯丙基三乙氧基硅烷、γ-巯丙基三甲氧基硅烷、长链烷基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙基硅烷、乙烯基三甲基硅烷、γ-氯丙基三乙氧基硅烷、苯胺甲基三乙氧基硅烷、N-β(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷或N-β(氨乙基)-γ-氨丙基三乙氧基硅烷；
所述相熔剂为聚烯烃接枝马来酸酐、聚乙烯辛烯共聚弹性体接枝马来酸酐、马来酸酐丙烯酸酯双官能化乙烯类橡胶共聚物、丙烯酸酯与缩水甘油酯双官化乙烯共烯物、马来酸酐丙烯酸酯双官能化乙烯类弹性体、三元乙丙橡胶接枝马来酸酐或环氧齐聚物；
所述的抗氧剂为2,6-叔丁基-4-甲基苯酚、四[β-(3,5-二叔丁基4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯、β-(4-羟基于,5-二叔丁基苯基)丙酸正十八酯或3-(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯；
所述的其它助剂包括阻燃剂、抗静电剂、着色剂、光稳定剂、导热剂和/或无机填料。
纤维束在温度100-200℃的纤维预热装置中进行预热。
具体制备方法及流程如下：
利用所述制备装置，长纤维增强热塑性复合树脂粒料制备方法，包括如下步骤:
1）、备料，长纤维增强热塑性复合树脂粒料的配方由如下质量百分数的各组成：
纤维束10-55%，塑胶原材料：热塑性塑料80-35%、表面处理剂0.3-3%、相容剂5.5-9.2%、抗氧剂0.5～1.5%；
2）、利用长纤维增强热塑性复合树脂粒料的制备装置进行料粒制备：
a、多股束纤维束经纤维预热装置预热后被连续引入纤维浸渍模具内：纤维束由纤维束入口进入模腔，经过齿轮熔体泵和张力辊从模腔的纤维束出口导出；
b、将塑胶原材料通过挤出机混合熔融成熔体，熔体经连接流道和纤维浸渍模具中连续引入的纤维束在模腔内互溶、浸渍得复合体；
c、复合体经水冷装置和牵引切粒机切粒后，干燥包装。
配方组分：
本发明的长纤维增强热塑性复合树脂粒料制备方法通过改善纤维熔体浸渍装置提高了浸渍效果、克服了塑料熔体阻力大、连续纤维在包覆的折断问题、以及纤维的均匀浸渍问题，使用偶联剂与相容剂提高纤维与热塑性塑料的粘接性，从而获得高性能的长纤维增强热塑性塑料产品。并具有生产灵活性大、易于操作等优点。长纤维增强热塑性复合树脂粒料的配方由如下质量百分数的各组成：纤维束10-55%，塑胶原材料：热塑性塑料80-35%、表面处理剂0.2-3%、相容剂2.3-5.53～10%、抗氧剂0.5～1.5%；
所述的热塑性塑料为聚烯烃均聚或共聚树脂、聚丙烯、聚乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚甲醛、聚酯、尼龙6、尼龙66、尼龙46、尼龙12；
所述纤维束由玻璃纤维、碳纤维、金属纤维、硼纤维、聚酰胺纤维、聚酯纤维、聚丙烯纤维中的一种或两种以上混合组成；
所述偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、(γ-（甲基丙烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷、γ-巯丙基三乙氧基硅烷、γ-巯丙基三甲氧基硅烷、长链烷基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙基硅烷、乙烯基三甲基硅烷、γ-氯丙基三乙氧基硅烷、苯胺甲基三乙氧基硅烷、N-β(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷或N-β(氨乙基)-γ-氨丙基三乙氧基硅烷；
所述相熔剂为聚烯烃接枝马来酸酐、聚乙烯辛烯共聚弹性体接枝马来酸酐、马来酸酐丙烯酸酯双官能化乙烯类橡胶共聚物、丙烯酸酯与缩水甘油酯双官化乙烯共烯物、马来酸酐丙烯酸酯双官能化乙烯类弹性体、三元乙丙橡胶接枝马来酸酐或环氧齐聚物；
所述的抗氧剂为2,6-叔丁基-4-甲基苯酚、四[β-(3,5-二叔丁基4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯、β-(4-羟基于,5-二叔丁基苯基)丙酸正十八酯或3-(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯；
所述的其它助剂包括阻燃剂、抗静电剂、着色剂、光稳定剂、导热剂和/或无机填料。
制造工艺：
具体实施时，首先纤维束定量导入温度为200℃的纤维预热装置中进行预热处理，继续经由浸渍模具的纤维束入口进入模腔内。塑料原材料各组分经预混合后注入挤出机熔融共混，设定挤出机各段熔融温度在200-240摄氏度，其熔体经连接流道与浸渍模具中的预热纤维束成一定角度接触浸渍，并发生挤压、湿润、偶联作用，在浸渍模具中熔体和连续纤维束经由圆柱型齿轮熔体泵辊筒后，穿插进入若干个张力辊。在圆柱型齿轮熔体泵辊筒接触中，熔体压力瞬间反复交替增压、减压，同时产生与熔体和连续纤维束路经速度或方向不同步的瞬间齿轮轴作用力，导致一定的熔体涡流、旋流等产生的挤压力，使得纤维束间隙内空间、残留气体被熔体挤出、浸渍和侵占，达到排除纤维束间隙内残留气体的排除、溢出，最大限度使纤维束中各股纤维得到熔体的浸渍、包覆。浸渍模具中的熔体温度在220-250摄氏度，熔体与连续纤维束相互浸渍、作用致使压力瞬间反复交替增压、减压这一作用在模具后半段进入若干张力辊时，还会反复多次直至经浸渍充分的纤维束从浸渍模具的纤维束出口导出。纤维束从从浸渍模具的纤维束出后在水冷装置充分冷却定型，经牵引、热风干燥后，在纤维牵引切粒机切粒筛分为直径为2-4mm，粒长10-15mm的塑料粒料。
本发明的技术效果：
1、本方法制备长纤维增强热塑性复合树脂粒料过程中通过改善纤维熔体浸渍装置,采用模腔内设置的齿轮熔体泵,可在模腔内形成熔体对纤维束瞬间增压、减压和涡流效应，每束纤维在齿轮熔体泵和张力辊的作用下成周期性的分散、收缩,达到吸收熔体和挤排纤维束内空气的作用,使得纤维束被熔体充分浸渍、包覆,增强了熔体对纤维的浸渍、浸润效果。在一定程度上克服了塑料熔体阻力大、连续纤维在包覆的折断问题、以及纤维的均匀浸渍问题。
2，使用的偶联剂与相容剂提高纤维与热塑性塑料的粘接性，从而获得高性能的长纤维增强热塑性塑料产品，并具有生产灵活性大、易于操作等优点。
3，采用本制造方法加工装置生产长纤维增强热塑性复合树脂粒料，产品中纤维不但折断小，而且纤维保留长度与粒料的长度相同，并且均匀分散和被浸渍、包覆在塑料粒料中，材料的抗冲击性能和刚性高，更可以大大降低产品的翘曲性和提高产品的尺寸稳定性。可以部分取代工程塑料、金属用于生产汽车、电子、化工设备等部件。
附图说明
图1为发明的制造流程示意图；
图2为发明实施例1中浸渍模具的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。
实施例1
参见图1，2，一种长纤维增强热塑性复合树脂粒料的制备装置，包括挤出机2，挤出机前端设有连接流道3，连接流道外侧设有浸渍模具4，浸渍模具前端设有纤维预热装置1，浸渍模具后端设有水冷装置5，水冷装置后端设有纤维牵引切粒机6，所述的浸渍模具包括内设有模腔42的浸渍模具模体41，浸渍模具模体一端设有纤维束入口、另一端设有纤维束出口，所述模腔设有用于向模腔输入塑料熔体的熔体输送通道43,连接流道与熔体输送通道连通,所述模腔内设置有一组双齿轮组合熔体泵44和张力辊组。
本实施例中，双齿轮组合熔体泵包括一从动齿轮辊和用于驱动从动齿轮辊的驱动齿轮辊筒,所述从动齿轮辊筒与驱动齿轮辊筒呈上下排列。
驱动齿轮辊筒包括主辊筒和设置在主辊筒一侧边上的传动齿轮,所述从动齿轮辊包括从动辊筒和设置在从动辊筒一侧边上的从动齿轮,传动齿轮与从动齿轮互相紧靠，且相齿合。
浸渍模具模体设置有用于安装齿轮的齿轮腔和用于安装辊筒的辊筒插槽，辊筒插槽的位置与从动齿轮辊筒安装位置对应。驱动齿轮和从动齿轮设置在齿轮腔内，各从动齿轮辊筒的辊筒一端连接从动齿轮、另一端插在辊筒插槽内。
在本实施例中，驱动齿轮和从动齿轮的转速比为10：1。通过对转速比的科学设置，与纤维束的牵引速度相匹配，避免对纤维产生磨损或造成断纤。且所述辊筒优选为圆柱型辊筒。
张力辊组含有两个张力辊45，张力辊设置在齿轮熔体泵下游，且第一个张力辊的最低弧面低于所述从动辊筒的最高弧面；张力辊在模腔内按以预定距离上下起伏排列。前一个张力辊略高于后一个张力辊形成呈波浪线状排列。
通过设置张力辊，纤维束穿绕过张力辊的圆辊时，张力辊之间存在的落差以及纤维束穿过各圆辊之间所形成的张力拉伸将对纤维束产生挤压作用和强大的牵引张力，从而达到熔体分散、浸渍、包覆的效果。熔体与连续纤维束相互浸渍、作用致使压力瞬间反复交替增压、减压这一作用在模具后半段进入若干张力辊时，还会反复多次，熔体与连续纤维束相互浸渍、作用致使压力瞬间反复交替增压、减压，使熔体轻易渗透入纤维束内部，达到良好的浸渍效果,直至经浸渍充分的纤维束从浸渍模具的纤维束出口导出。
张力辊的辊筒直径为10-35mm，长度与纤维浸渍模具的模腔宽度相当，两个张力辊之间距离为25-100mm。
具体实施时，首先纤维束定量导入纤维预热装置进行纤维连续预热处理，继续经由浸渍模具的纤维束入口进入模腔内。塑料原材料各组分经预混合后注入挤出机熔融共混，其熔体经连接流道与浸渍模具中的预热纤维束成一定角度融入浸渍，并发生挤压、湿润、偶联作用，在浸渍模具中熔体和连续纤维束经由一组齿轮熔体泵圆筒、张力辊。熔体压力瞬间反复交替增压、减压，同时产生与熔体和连续纤维束路经速度或方向不同步的瞬间齿轮轴作用力，导致一定的熔体涡流、旋流等产生的挤压力，使得纤维束间隙内空间、残留气体被熔体挤出、浸渍和侵占，达到排除纤维束间隙内残留气体的排除、溢出，最大限度使纤维束中各股纤维得到熔体的浸渍、包覆直至经浸渍充分的纤维束从浸渍模具的纤维束出口导出，
共混均匀的熔体通过挤出机出口的连接流道进入纤维浸渍模具的接口处与引入的纤维束呈15-45度角接触。
实施制造流程：
a、5股束纤维束经100摄氏度的纤维预热装置（1）预热后被连续引入纤维浸渍模具（4）内：纤维束由纤维束入口进入模腔，经过齿轮熔体泵和张力辊从模腔的纤维束出口导出；
b、将塑胶原材料通过40mm双螺杆挤出机（2）混合熔融成熔体，挤出机加热温度200-250摄氏度，螺杆转速200-600转/分钟，挤出机喂料速度0.5-3公斤/分钟，熔体经连接流道（3）和纤维浸渍模具中连续引入的纤维束在模腔内互溶、浸渍得复合树脂；
c、复合树脂经水冷装置（5）和牵引切粒机（6）切粒后，干燥包装。
实施例A
各组分具体配方：
聚丙烯V30G海南石化65Kg
玻璃纤维362巨石纤维厂30Kg
表面处理剂KH-5500.5Kg
相容剂聚丙烯接枝马来酸酐5Kg
抗氧剂抗氧剂1010/1680.2/0.1
实施例B
各组分具体配比（质量比）：
尼龙6YH800岳阳石化65Kg
玻璃纤维362巨石纤维厂30Kg
表面处理剂KH-5500.5Kg
相容剂POE-g-MAH5Kg
抗氧剂抗氧剂1010/1680.2/0.1Kg
实施例C
各组分具体配比（质量比）：
PBT1100台湾长春65Kg
玻璃纤维362巨石纤维厂30Kg
表面处理剂KH-5500.5Kg
相容剂丙烯酸酐接枝乙烯类弾性体5Kg
抗氧剂抗氧剂1076/1680.2/0.1Kg
以上实例配方通过螺杆直径40mm的挤出机将塑料、助剂部分熔融与经过表面处理剂对玻璃纤维进行表面处理后的纤维，通过本发明上述制备流程和方法经由本发明所述纤维浸渍模具内相互熔融包覆、和浸渍，后经定型拉条、冷却、切粒、包装完成制备。
具体比较方案：
比较例1
各组分具体配方：
聚丙烯V30G海南石化65Kg
玻璃纤维362巨石纤维厂30Kg
表面处理剂KH-5500.5Kg
相容剂聚丙烯接枝马来酸酐5Kg
抗氧剂抗氧剂1010/1680.2/0.1
比较例2
各组分具体配比（质量比）：
尼龙6YH800岳阳石化65Kg
玻璃纤维362巨石纤维厂30Kg
表面处理剂KH-5500.5Kg
相容剂POE-g-MAH5Kg
抗氧剂抗氧剂1010/1680.2/0.1Kg
比较例3
各组分具体配比（质量比）：
PBT1100台湾长春65Kg
玻璃纤维362巨石纤维厂30Kg
表面处理剂KH-5500.5Kg
相容剂丙烯酸酐接枝乙烯类弾性体5Kg
抗氧剂抗氧剂1076/1680.2/0.1Kg
以上配方比较例的操作方法：将聚丙烯与除纤维外的各种组分在高速分散机中分散3min，然后加入到直径40mm双螺杆挤出机中挤出，纤维则从双螺杆挤出机螺杆的中段位置加入，在螺杆的啮合作用下，纤维被切断为短纤维并分散在塑料熔体中，随后经普通挤出机口模挤出、拉条、冷却、切粒、包装完成制备。
表：实施例与比较例的各个性能测试结果比较：
从表中数据可以分析，同样纤维含量的PP、PBT和尼龙6塑料，采用相同的生产配方，本发明制备的长纤维增强热塑性复合树脂粒料产品都比典型的双螺杆挤出机加工工艺制备的短纤维增强塑料性能均呈现明显优势。
Claims (6)
1.一种长纤维增强热塑性复合树脂粒料的制备装置，其特征在于：包括挤出机(2)，挤出机前端设有连接流道(3)，连接流道外侧设有浸渍模具(4)，浸渍模具前端设有纤维预热装置(1)，浸渍模具后端设有水冷装置(5)，水冷装置后端设有纤维牵引切粒机(6)，所述的浸渍模具(4)包括内设有模腔(42)的浸渍模具模体(41)，浸渍模具模体一端设有纤维束入口、另一端设有纤维束出口，所述模腔(42)设有用于向模腔输入塑料熔体的熔体输送通道(43),连接流道(3)与熔体输送通道(43)连通,所述模腔内设置有一组双齿轮组合熔体泵(44)和张力辊组。
2.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于：所述双齿轮组合熔体泵(44)包括一从动齿轮辊和用于驱动从动齿轮辊的驱动齿轮辊筒,所述从动齿轮辊与驱动齿轮辊筒呈上下排列。
3.根据权利要求2所述的制备装置，其特征在于：所述驱动齿轮辊筒包括主辊筒和设置在主辊筒一侧边上的传动齿轮,所述从动齿轮辊包括从动辊筒和设置在从动辊筒一侧边上的从动齿轮,传动齿轮与从动齿轮互相紧靠，且相齿合。
4.根据权利要求3所述的制备装置，其特征在于：所述张力辊组含有两个或两个以上张力辊(45)，所述张力辊设置在齿轮熔体泵下游，且第一个张力辊的最低弧面低于所述从动辊筒的最高弧面；张力辊在模腔内按以预定距离水平或上下起伏排列。
5.利用权利要求1-4任一所述的制备装置，制备长纤维增强热塑性复合树脂粒料的方法，其特征包括如下步骤:
1)、长纤维增强热塑性复合树脂粒料的配方由如下质量百分数的各组分组成：纤维束10-55％，塑胶原材料：热塑性塑料80-35％、表面处理剂0.3-3％、相容剂5.5-9.2％、抗氧剂0.5～1.5％；其它助剂根据需要加入；
2)、利用长纤维增强热塑性复合树脂粒料的制备装置进行料粒制备：
a、多股纤维束经纤维预热装置(1)预热后被连续引入纤维浸渍模具(4)的模腔内，纤维束由纤维束入口进入模腔，经过双齿轮组合熔体泵和张力辊从模腔的纤维束出口导出；
b、将塑胶原材料各组分在混料机内预混后，加入挤出机(2)混合熔融成熔体，熔体经连接流道(3)进入纤维浸渍模具(4)和纤维浸渍模具中连续引入的纤维束在模腔内互溶、浸渍并被包覆，纤维束在模腔内的齿轮熔体泵从动辊筒、张力辊之间呈波浪形上下穿插并经浸渍模具出口引出；
c、从浸渍模具出口引出的被熔体复合包覆的纤维束经水冷装置(5)和牵引切粒机(6)切粒后，干燥包装。
6.根据权利要求5所述的长纤维增强热塑性复合树脂粒料制备方法，其特征在于：纤维束在温度100-200℃的纤维预热装置中进行预热。
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