CN104325660B - 制造连续纤维增强材料的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制造连续纤维增强材料的方法及装置，该方法包括：经退捻机处理的连续纤维经由牵引机送至浸渍模具的若干曲线／直线浸渍通道中；把经过螺杆挤出机处理后的物料经过熔体泵输送至浸渍模具的树脂混合物入口；经由树脂混合物入口进入模具的树脂混合物经由浸渍模具的上、下平流层而分散进入与该上、下平流层相通且构成对冲结构的增压滤孔；树脂混合物经由增压滤孔对冲进入浸渍通道；自浸渍通道入口进入浸渍通道之后再牵引机的作用下缓慢通过浸渍通道而完成浸渍作业，再自浸渍通道出口引出；在经过后处理工艺进行后续处理。可通过该设备工艺路线方案制备连续纤维增强热塑性高温塑料及连续纤维增强聚甲醛塑料，提高高温塑料材料强度，抗冲击性能，该材料可以部分替代轻质金属材料的使用。

Description

制造连续纤维增强材料的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种制造连续纤维增强材料的方法及装置。
背景技术
目前，国内有使用通用塑料(熔点在255℃以下的材料)的连续纤维增强材料的设备(不包含聚甲醛材料)，而对于熔点在255℃以上的材料的加工设备在应用方面还存在一定的技术难题。
目前通用塑料(熔点在255℃以下材料)的连续纤维增强材料的制备是依靠增加纤维在熔融态塑料原料的停留时间而达到纤维浸渍完善的效果。纤维浸渍时间较长。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种制造连续纤维增强材料的方法及装置。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
制造连续纤维增强材料的方法，该方法包括如下步骤：
使放纱架(1)上的连续纤维经牵引机(4)牵引至退捻机(2)上；
经退捻机处理的连续纤维经由牵引机送至浸渍模具(3)的若干曲线/直线浸渍通道(30)中；
把经过螺杆挤出机(7)处理后的物料经过熔体泵(6)输送至浸渍模具的树脂混合物入口(31)，在这里，添加入螺杆挤出机的物料包括热塑性树脂、塑料添加剂、表面处理剂，而热塑性树脂、塑料添加剂、表面处理剂的添加比例与连续纤维的重量相关，四者之间的重量百分比关系为：
在这里，热塑性树脂包括熔点在255摄氏度以上的热塑性工程塑料以及POM；
经由树脂混合物入口进入模具的树脂混合物经由浸渍模具的上、下平流层 (K1、K2)而分散进入与该上、下平流层相通且构成对冲结构的增压滤孔(32)；
树脂混合物经由增压滤孔对冲进入浸渍通道(30)；
自浸渍通道入口进入浸渍通道之后在牵引机的作用下缓慢通过浸渍通道而完成浸渍作业，再自浸渍通道出口引出；
完成浸渍的连续纤维经由浸渍通道引出后经过风冷或者水冷处理之后由牵引机输出到切粒机(5)而完成切粒作业，切割制成半成品颗粒或片状料。
作为本发明，较为理想的是，所述连续纤维包括无机连续纤维、金属纤维，纤维直径为3μm～40μm，纤维纱束根数100～50000根。
作为本发明，较为理想的是，所述连续纤维包括碳纤维，玻璃纤维、玄武岩纤维、硼纤维、碳化硅纤维、铜纤维、不锈钢纤维、铁纤维、镍纤维中的一种或者至少两种纤维之间的组合。
作为本发明，较为理想的是，所述热塑性树脂包括耐高温尼龙PPA、PA46、PA6T、PA9T、聚苯硫树脂PPO、聚苯硫醚树脂PPS、热塑性聚酰亚胺PEI/TPI、聚砜、聚醚砜、液晶高分子LCP、聚醚醚酮PEEK、PEK或PBI。
作为本发明，较为理想的是，所述塑料添加剂为抗氧剂、光稳定剂、紫外光吸收剂、金属保护剂、润滑剂、表面光亮剂、脱模剂、加工助剂、抗静电剂中的一种或者至少两种添加剂之间的组合。
作为本发明，较为理想的是，所述表面处理剂为聚酯、聚氨酯、环氧类硅烷偶联剂中的一种或者至少两种处理剂之间的组合。
作为本发明，较为理想的是，借助浸渍模具设置在其上、下部的平流层和孔径小于浸渍通道的增压滤孔而使树脂混合物以高压的方式喷入浸渍流道，且相对设置的增压滤孔可对浸渍流道内的树脂混合物进行扰动。
一种用于制造连续纤维增强材料的装置，它包括：
连续纤维供给系统，它把连续纤维(S)源源不断的输送至带/不带自加热装置的浸渍模具，该浸渍模具具有：
由若干浸渍通道(30)以规则/不规则方式排列构成的型腔，该浸渍通道呈曲线/直线结构；
设于模具顶部和底部的上、下平流层(K1、K2)，其具有设于浸渍模具之上 的树脂混合物入口；
通向型腔各浸渍通道的若干增压滤孔(32)，其入料口与上平流层/下平流层相通；
在浸渍模具处理完连续纤维之后设置有风冷/水冷装置、牵引机构、切粒结构以及包装系统。
作为本发明，较为理想的是，所述浸渍通道的截面为流道曲线，该流道曲线采用连续椭圆相切制的曲线，该椭圆长短比大于1∶2。
作为本发明，较为理想的是，所述浸渍流道的高度为0.8-4mm，宽度为5-20mm。
作为本发明，较为理想的是，所述增压滤孔直径为0.5-3mm。
本发明具有如下有益效果：(1)该连续纤维增强材料加工装置(以下简称该装置)可以较好地加工熔点在255℃以上高温塑料连续纤维增强材料。该装置可以对熔点低于255℃的聚甲醛材料进行连续纤维增强材料的制备。
(2)该装置可以更好的对纤维进行浸渍处理，使得纤维与塑料之间形成良好的相容效果，有效地改善材料的机械性能。
(3)高温塑料及聚甲醛材料由于加工温度、粘度、分解温度的原因使其在高温状态下不能以熔融态长时间停留，否则会造成材料老化降解，而该装置能够较好的解决这一问题。该装置可以减少纤维浸渍时间，并且可以让高温材料以及聚甲醛的加温部分停留时间减少，达到可以连续生产连续纤维增强(熔点在255℃以上)热塑性工程塑料以及聚甲醛增强材料的目的。
附图说明
图1为制造连续纤维增强材料的装置结构示意图。
图2为实施例1的制造连续纤维增强材料的装置中加工模具的剖视图。
图3为实施例2的制造连续纤维增强材料的装置中加工模具的剖视图。
图4为制造连续纤维增强材料的工艺流程图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
本文中，“/”代表“或”的含义。
实施例1：制造连续纤维增强材料的方法，该方法包括如下步骤：
步骤一，使放纱架1上的连续纤维经牵引机4牵引至退捻机2上，连续纤维包括无机连续纤维、金属纤维，诸如碳纤维，玻璃纤维、玄武岩纤维、硼纤维、碳化硅纤维、铜纤维、不锈钢纤维、铁纤维、镍纤维中的一种或者至少两种纤维之间的组合，纤维直径为3μm～40μm，诸如5μm、10μm、15μm等等，纤维纱束根数100～50000根。
步骤二，经退捻机处理的连续纤维经由牵引机送至浸渍模具3的若干曲线/直线浸渍通道30中，在这里，经由放纱架出来的纱线筒有8个，浸渍模具的浸渍通道需要与其匹配。
步骤三，把经过螺杆挤出机7处理后的物料经过熔体泵6输送至浸渍模具的树脂混合物入口31，在这里，添加入螺杆挤出机的物料包括热塑性树脂、塑料添加剂、表面处理剂，而热塑性树脂、塑料添加剂、表面处理剂的添加比例与连续纤维的重量相关，四者之间的重量百分比关系为：热塑性树脂10％--90％；连续纤维85％-10％：塑料添加剂1％-5％；表面处理剂1％-3％(各组分的比百分比之和为100％)，诸如：
配比组别A：热塑性树脂10％；连续纤维85％：塑料添加剂3％；表面处理剂2％；
配比组别B：热塑性树脂20％；连续纤维72％：塑料添加剂5％；表面处理剂3％；
配比组别C：热塑性树脂30％；连续纤维65％：塑料添加剂4％；表面处理剂1％；
配比组别D：热塑性树脂30％；连续纤维64％：塑料添加剂3％；表面处理剂3％。
以上配比组别中，在生产过程中的单位可以是克、千克等。
所述热塑性树脂包括耐高温尼龙PPA、PA46、PA6T、PA9T、聚苯硫树脂PPO、聚苯硫醚树脂PPS、热塑性聚酰亚胺PEI/TPI、聚砜、聚醚砜、液晶高分子LCP、聚醚醚酮PEEK、PEK或PBI。
所述塑料添加剂为抗氧剂、光稳定剂、紫外光吸收剂、金属保护剂、润滑剂、表面光亮剂、脱模剂、加工助剂、抗静电剂中的一种或者至少两种添加剂之间 的组合。
所述表面处理剂为聚酯、聚氨酯、环氧类硅烷偶联剂中的一种或者至少两种处理剂之间的组合。纤维表面处理剂工艺：电晕处理，高温烧蚀处理，酸洗酸蚀处理。
在这里，热塑性树脂包括熔点在255摄氏度以上的热塑性工程塑料以及POM，处理以上树脂材料的能力是本发明所能完成的。
步骤四，经由树脂混合物入口进入模具的树脂混合物经由浸渍模具的上、下平流层K1、K2而分散进入与该上、下平流层相通且构成对冲结构的增压滤孔32。
步骤五，树脂混合物经由增压滤孔对冲进入浸渍通道30，借助浸渍模具设置在其上、下部的平流层和孔径小于浸渍通道的增压滤孔而使树脂混合物以高压的方式喷入浸渍流道，且相对设置的增压滤孔可对浸渍流道内的树脂混合物进行扰动。
步骤六，自浸渍通道入口进入浸渍通道之后在牵引机的作用下缓慢通过浸渍通道而完成浸渍作业，再自浸渍通道出口引出，需要注意的是，连续纤维进入浸渍流道的同时树脂混合物也须同时进入到浸渍流道。
步骤七，完成浸渍的连续纤维经由浸渍通道引出后经过风冷或者水冷处理之后由牵引机输出到切粒机5而完成切粒作业，切割制成半成品颗粒或片状料。
对于制造连续纤维增强材料的工艺流程可以参见图4。
完成切粒作业的塑料颗粒(半成品)：直径0.5-5毫米，长度5毫米-500毫米的圆柱状颗粒及长条；厚度在0.5-5毫米，长度大于5毫米以上，宽度大于1毫米以上扁平状颗粒及片状板状材料。塑料颗粒(半成品)中纤维长度与颗粒(半成品)长度一致。
浸渍装置中流道延伸方向界定为浸渍装置的横向(即图2中的左右方向)，而垂直于流道延伸方向界定为浸渍装置的纵向(即图3中的上下方向)。
参见图1、2，用于制造连续纤维增强材料的装置，它包括：由放纱架1、退捻机2构成的连续纤维供给系统，它把连续纤维S源源不断的输送至带自加热装置的浸渍模具，该浸渍模具具有：由若干浸渍通道30以规则方式排列构成的型腔，该浸渍通道呈曲线结构；设于模具顶部和底部的上、下平流层K1、K2， 其具有设于浸渍模具之上的树脂混合物入口；通向型腔各浸渍通道的若干增压滤孔32，其入料口与上平流层/下平流层相通；在浸渍模具处理完连续纤维之后设置有风冷/水冷装置、牵引机构(诸如牵引机，特别是履带式牵引机)、切粒结构(诸如切粒机)以及包装系统。
下面对于浸渍模具进行详细介绍：
整个浸渍模具在浸渍通道的设计上需要满足以下要求：
浸渍通道的截面为流道曲线结构，流道曲线结构采用连续椭圆相切制的曲线，该椭圆长短比大于1∶2，浸渍通道在入口端具有一个平直段，而与该平直段相邻的部分为第一个连续椭圆剩余部分N1，但该连续椭圆剩余部分保留的是椭圆上半部分，而与连续椭圆剩余部分N1相邻的是第二个连续椭圆剩余部分N2，其保留的是椭圆下半部分，以此类推，该浸渍通道具有n个连续椭圆剩余部分而组成，由于浸渍流道由多个弧形通道交错布置而成，从而构成波浪形的通道，n的取值范围在1-20个。需要说明的是，浸渍流道的椭圆长径等于浸渍模具横向总长度L处于(N-4)或(N-6)。
所述浸渍流道的高度H为0.8-4mm，宽度为5-20mm。
所述增压滤孔直径为0.5-3mm。
实施例2：制造连续纤维增强材料的方法，该方法包括如下步骤：使放纱架1上的连续纤维经牵引机4牵引至退捻机2上，放纱架上安装有八个纱线筒，连续纤维包括但不限于玻璃纤维、玄武岩纤维、硼纤维、碳化硅纤维、铜纤维、不锈钢纤维、铁纤维、镍纤维；经退捻机处理的连续纤维经由牵引机送至浸渍模具3的若干直线浸渍通道30中(图中示出了四个浸渍通道)；把经过螺杆挤出机7处理后的物料经过熔体泵6输送至浸渍模具的树脂混合物入口31，在这里，添加入螺杆挤出机的物料包括热塑性树脂、塑料添加剂、表面处理剂，而热塑性树脂、塑料添加剂、表面处理剂的添加比例与连续纤维的重量相关，四者之间的重量百分比关系为：
在这里，热塑性树脂包括熔点在255摄氏度以上的热塑性工程塑料以及POM；
经由树脂混合物入口进入模具的树脂混合物经由浸渍模具的上、下平流层K1、K2而分散进入与该上、下平流层相通且构成对冲结构的增压滤孔32；
树脂混合物经由增压滤孔对冲进入浸渍通道30；
自浸渍通道入口进入浸渍通道之后在牵引机的作用下缓慢通过浸渍通道而完成浸渍作业，再自浸渍通道出口引出；
完成浸渍的连续纤维经由浸渍通道引出后经过风冷或者水冷处理之后由牵引机输出到切粒机5而完成切粒作业，切割制成半成品颗粒或片状料。
本案所加工的连续纤维可以是无机连续纤维、金属纤维，连续纤维的参数控制在：纤维直径为3μm～40μm，纤维纱束根数100～50000根。
本案中，所述热塑性树脂包括耐高温尼龙PPA、PA46、PA6T、PA9T、聚苯硫树脂PPO、聚苯硫醚树脂PPS、热塑性聚酰亚胺PEI/TPI、聚砜、聚醚砜、液晶高分子LCP、聚醚醚酮PEEK、PEK或PBI。聚甲醛材料也是允许的。
所述塑料添加剂为抗氧剂、光稳定剂、紫外光吸收剂、金属保护剂、润滑剂、表面光亮剂、脱模剂、加工助剂、抗静电剂中的一种或者至少两种添加剂之间的组合。
所述表面处理剂为聚酯、聚氨酯、环氧类硅烷偶联剂中的一种或者至少两种处理剂之间的组合。纤维表面处理剂工艺：电晕处理，高温烧蚀处理，酸洗酸蚀处理。
借助浸渍模具设置在其上、下部的平流层和孔径小于浸渍通道的增压滤孔而使树脂混合物以高压的方式喷入浸渍流道，且相对设置的增压滤孔可对浸渍流道内的树脂混合物进行扰动。
一种用于制造连续纤维增强材料的装置，它包括：连续纤维供给系统，它把连续纤维S源源不断的输送至带自加热装置的浸渍模具，浸渍装置具有自加热装置，诸如电加热器件，可以控制温度范围在0-400摄氏度，连续纤维供给系统包括可提供多根连续纤维的放纱架1，其用于安装纱线筒；接收来自放纱架的连续纤维的退捻机2。该浸渍模具具有：由若干浸渍通道30以规则方式排列构 成的型腔，该浸渍通道呈直线结构，浸渍模具的横向方向(长度方向)与浸渍通道的走向是相同的，浸渍模具的纵向方向(宽度方向)则可以容易理解为与浸渍流道走向相互垂直的方向；设于模具顶部和底部的上、下平流层K1、K2，其具有设于浸渍模具之上的树脂混合物入口，整个模具具有树脂混合物入口31，其入口端是设置在模具的上下表面的，树脂混合物入口最好选择在浸渍模具的高度方向上进行设置，亦或是模具的其它侧面，但树脂混合物入口需要与平流层相通而形成流体通路，整个装置的布置图可参见实施例中的图1，从图1中可知，装置还包括熔体泵6.其出口端接于浸渍装置的树脂混合物入口，螺杆挤出机7，其出口端接于熔体泵的入口端，螺杆挤出机具有接收物料的入口，螺杆挤出机可以是单螺杆挤出机、双螺杆挤出机或者多螺杆挤出机，螺杆长径比小于1∶56，螺杆直径20-75mm；通向型腔各浸渍通道的若干增压滤孔32，其入料口与上平流层/下平流层相通，增压滤孔在高度方向上布置从而构成贯通浸渍流道的对冲结构，以浸渍流道32为例，位于浸渍流道的下部分与位于浸渍流道的上部分在竖向方向上是处于同一竖向轴线的；在浸渍模具处理完连续纤维之后设置有风冷/水冷装置、牵引机构、切粒结构以及包装系统，牵引机构可采用牵引机特别是履带式牵引机来对连续纤维进行牵引作业，切粒机构选用切粒机而将牵引机输出的连续纤维进行切粒，经过切粒的产品经过包装机构Z进行处理而得到成品。
所述浸渍通道的截面为流道曲线，该流道曲线采用连续椭圆相切制的曲线，该椭圆长短比大于1∶2。
所述浸渍流道的高度为0.8-4mm，宽度为5-20mm，浸渍流道在纵向方向上设置M个，M的取值范围为1-50个，图中示出的情况是4个，即M1-M4。
所述增压滤孔直径为0.5-3mm，单一浸渍流道在流道延伸方向上设有5-300个增压滤孔，在纵向方向设置有1-20个增压滤孔。增压滤孔的数量与浸渍效果是密切相关的，图中所示增压滤孔的排布方式为两行三十列增压滤孔。
浸渍装置与螺杆挤出机安装在同一水平面之上，浸渍装置的横向轴线与螺杆挤出机的延伸方向所在的轴线之间的夹角为60-90°为宜。

Claims (11)

1.制造连续纤维增强材料的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
使放纱架(1)上的连续纤维经牵引机(4)牵引至退捻机(2)上；
经退捻机处理的连续纤维经由牵引机送至浸渍模具(3)的若干曲线/直线浸渍通道(30)中；
把经过螺杆挤出机(7)处理后的物料经过熔体泵(6)输送至浸渍模具的树脂混合物入口(31)，在这里，添加入螺杆挤出机的物料包括热塑性树脂、塑料添加剂、表面处理剂，而热塑性树脂、塑料添加剂、表面处理剂的添加比例与连续纤维的重量相关，四者之间的重量百分比关系为：
在这里，热塑性树脂包括熔点在255摄氏度以上的热塑性工程塑料以及POM；
经由树脂混合物入口进入模具的树脂混合物经由浸渍模具的上、下平流层(K1、K2)而分散进入与该上、下平流层相通且构成对冲结构的增压滤孔(32)；
树脂混合物经由增压滤孔对冲进入浸渍通道(30)；
自浸渍通道入口进入浸渍通道之后在牵引机的作用下缓慢通过浸渍通道而完成浸渍作业，再自浸渍通道出口引出；
完成浸渍的连续纤维经由浸渍通道引出后经过风冷或者水冷处理之后由牵引机输出到切粒机(5)而完成切粒作业，切割制成半成品颗粒或片状料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述连续纤维包括无机连续纤维、金属纤维，纤维直径为3μm～40μm，纤维纱束根数100～50000根。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述连续纤维包括碳纤维，玻璃纤维、玄武岩纤维、硼纤维、碳化硅纤维、铜纤维、不锈钢纤维、铁纤维、镍纤维中的一种或者至少两种纤维之间的组合。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热塑性树脂包括耐高温尼龙PPA、PA46、PA6T、PA9T、聚苯硫树脂PPO、聚苯硫醚树脂PPS、热塑性聚酰亚胺PEI/TPI、聚砜、聚醚砜、液晶高分子LCP、聚醚醚酮PEEK、PEK或PBI。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述塑料添加剂为抗氧剂、光稳定剂、紫外光吸收剂、金属保护剂、润滑剂、表面光亮剂、脱模剂、加工助剂、抗静电剂中的一种或者至少两种添加剂之间的组合。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述表面处理剂为聚酯、聚氨酯、环氧类硅烷偶联剂中的一种或者至少两种处理剂之间的组合。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，借助浸渍模具设置在其上、下部的平流层和孔径小于浸渍通道的增压滤孔而使树脂混合物以高压的方式喷入浸渍流道，且相对设置的增压滤孔可对浸渍流道内的树脂混合物进行扰动。
8.一种用于制造连续纤维增强材料的装置，其特征在于，它包括：
连续纤维供给系统，它把连续纤维(S)源源不断的输送至带/不带自加热装置的浸渍模具，该浸渍模具具有：
由若干浸渍通道(30)以规则/不规则方式排列构成的型腔，该浸渍通道呈曲线/直线结构；
设于模具顶部和底部的上、下平流层(K1、K2)，其具有设于浸渍模具之上的树脂混合物入口；
通向型腔各浸渍通道设有若干构成对冲结构的增压滤孔(32)，且所述增压滤孔沿浸渍模具的高度方向成对设置，其入料口与上平流层/下平流层相通；
在浸渍模具处理完连续纤维之后设置有风冷/水冷装置、牵引机构、切粒结构以及包装系统。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述浸渍通道的截面为流道曲线，该流道曲线采用连续椭圆相切制的曲线，该椭圆长短比大于1∶2。
10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述浸渍通道的高度为0.8-4mm，宽度为5-20mm。
11.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述增压滤孔直径为0.5-3mm。
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