CN104910615B - 一种高强度尼龙/玻纤复合材料及其制造设备和制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种高强度尼龙/玻纤复合材料及其制造设备和制造方法，所述复合材料由尼龙树脂、玻纤布、抗紫外光吸收剂和抗氧剂复合而成。所述制造设备由n条生产线组成，包括牵引辊、预热器、包覆模头和冷却导辊，还包括双螺杆挤出机、热压导辊、加热保湿导辊、加热器、热压器、冷却室、切边机和剪割机。所述制造方法为将各生产线的玻纤布同时进行预热，然后进入包覆模头，双螺杆挤出混合熔体，浸润、包覆玻纤布；经多层连续多辊热压成型后，进行加热、热压，经冷却后，切边、剪切，即成。本发明复合材料性能优异，具有耐腐蚀、质量轻、寿命长等优点，可广泛应用于多种领域；本发明工艺相较于间隙模压法生产效率高，过程简单，劳动强度小，节能环保。

Description

一种高强度尼龙/玻纤复合材料及其制造设备和制造方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料及其制造设备和制造方法，具体涉及一种高强度尼龙/玻纤复合材料及其制造设备和制造方法。
背景技术
热塑性复合材料具有耐腐蚀、质量轻、强度高、可回收等诸多优点，替代金属作为结构材料具有十分广阔的应用前景。尤其是在推动车辆轻量化方面将起到十分重要的作用。因此，热塑性复合材料的开发与应用已成为人们普遍关注的课题。
热塑性复合材料早在十年前，国外就有商品化产品。我国近几年来，成为研发热点。已商品化的产品有聚丙烯（PP）/GF复合板材，但是材料的耐低温性能差，其强度也限制了其使用范围，材料耐候性差。
从国内外已有技术看，热塑性复合板材生产技术有两类：一类是聚合物纤维短丝与玻纤短丝混合、加捻热压工艺；一类是聚合物熔体浸润包覆玻纤纱片材模压工艺。前者是短纤混纺毛毡作为材料，聚合物加热熔融后与玻纤粘结形成一体；后者是连续玻纤纱被树脂熔体包覆冷却后形成一体。前者生产过程简单，可实现连续化生产，板材厚度与宽度可调，连续成型板材厚度在5mm左右；后者可连续生产片材、间隙生产片板材，但片材的宽度小于1500mm，生产装备及工程化技术不够成熟。两种工艺均存在一些技术缺陷，短纤混纺工艺所制造的板材的力学性能比连续纤维包覆材料要低，其弯曲强度在400MPa以下，而连续纤维包覆工艺所生产的板材弯曲强度在500MPa以上，甚至更高，但横纵两向的性能存在异向差异。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种耐低温及耐候性能好，弯曲强度高的高强度尼龙/玻纤复合材料。
本发明进一步要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种连续纤维增强、宽度可调整的高强度尼龙/玻纤复合材料的制造设备。
本发明更进一步要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种生产效率高，过程简单、连续，劳动强度小，节能环保的高强度尼龙/玻纤复合材料的制造方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：一种高强度尼龙/玻纤复合材料，由以下组分及重量份复合而成：
基体相尼龙树脂90～120份（优选100～110份）；
基体相添加剂抗紫外光吸收剂0.1～1份（优选0.3～0.6份）；
基体相添加剂抗氧剂0.1～1份（优选0.2～0.5份）；
增强相玻纤布80～200份（优选100～150份）。
进一步，所述尼龙为尼龙6、尼龙11、尼龙12、尼龙612、尼龙610、尼龙1010或共聚尼龙中的一种或几种，所述共聚尼龙为尼龙6和尼龙66的共聚树脂；其中，所述尼龙6的分子量为16000～20000，熔融指数为20～50g/10min，所述尼龙11、尼龙12、尼龙612、尼龙610、尼龙1010或共聚尼龙的分子量为18000～20000，熔融指数为15～30g/10min。
进一步，所述尼龙6与所述尼龙11、尼龙12、尼龙612、尼龙610、尼龙1010或共聚尼龙复合使用时，其质量配比为80～90:20～10。尼龙6与其它所述尼龙复合使用，可提高复合板材的耐低温性能。
进一步，所述玻纤布为玻纤网格布、方格布或罗纹布，玻纤单丝的直径为10～20μm（优选11～15μm），克重为900～1500g/m2，宽幅1500～1800mm，玻纤布与玻纤纱比，玻纤布交织节点多，树脂包覆制备的片材具有多向同性，多层片材模压形成的板材强度高于玻纤纱作骨架的板材；所述抗紫外光吸收剂为2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮（即UV531）和/或2-(2'-羟基-3',5'-二叔丁基苯基) -5-氯苯并三唑（即UV327）；所述抗氧剂为受阻酚类或磷酸酯类抗氧剂，为抗氧剂168、抗氧剂1098或抗氧剂1076中的一种或几种。抗紫外光吸收剂和抗氧剂均属于抗老化剂，两种抗老化剂配合使用时，能有效提高材料的抗老化性能。
本发明进一步解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高强度尼龙/玻纤复合材料的制造设备，由n条生产线组成，n≥2，生产线从下至上依次排列，所述生产线均包括牵引辊、预热器、包覆模头和冷却导辊，所述冷却导辊按照需要可以为两轮或三轮冷却导辊；所述包覆模头的上方设有双螺杆挤出机；所述第1条生产线冷却导辊的下游设有n-1个热压导辊，分别对应于第n条生产线的冷却导辊，并在冷却导辊与热压导辊之间的行程上分别加设加热保湿导辊；第1条生产线最末一个热压导辊后依次设置加热器、热压器、冷却室、切边机和剪割机。
本发明更进一步解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高强度尼龙/玻纤复合材料的制造方法，利用所述制造设备进行，各生产线的玻纤布同时经牵引辊的牵引进入预热器进行预热，然后进入包覆模头，双螺杆挤出机挤出尼龙树脂、抗紫外光吸收剂和抗氧剂的混合熔体，倾斜射入并浸润玻纤布，玻纤布继续向前移动时，模框内尼龙混合熔体对玻纤布进行包覆，形成尼龙/玻纤复合片材；第1条生产线的尼龙/玻纤复合片材经冷却导辊冷却进入热压导辊，第2～n条生产线的尼龙/玻纤复合片材分别经冷却导辊冷却，通过冷却导辊与热压导辊之间的行程上的加热保湿导辊，对应进入第1条生产线上第n-1个热压导辊，与第n-1个热压导辊前形成的复合片材进行粘合，最后经第1条生产线最末一个热压导辊粘合后，进行加热、热压，经冷却后，切边、剪切，即成；n≥2。
进一步，所述牵引的速度为20～50m/min（优选22～32m/min）；所述玻纤布在包覆模头内停留的时间为25～60s（优选30～50s）。所述牵引速度包括玻纤布、冷却导辊、加热保湿导辊、热压导辊和热压器内导辊的牵引速度，玻纤布的牵引速度是根据包覆效果进行调整是，若速度太快，尼龙的混合熔体对玻纤布的包覆差，因此，需要控制一定的牵引速度，并保证玻纤布在包覆模头内停留足够的时间，使其得到充分的浸润与包覆。
进一步，所述双螺杆挤出的温度为235～260℃，所述包覆模头的温度为250～260℃。双螺杆挤出机挤出的温度及包覆模头的温度设定十分重要，特别是挤出机的输入段、机头至模具的连接管温度对包覆效果有重大影响。若连接管温度过高，导致熔体粘度太低，使得螺杆难以建压而降低输送压力，一般只能采用在模具与连接管之间增设熔体压力泵进行补救，以保持稳定的熔体压力。适当提高挤出机连接管尤其是包覆模头连接端的温度，可以降低熔体粘度，提高熔体喷射速度，增强熔体对玻纤布的浸润包覆速度。包覆模头的温度既影响包覆模头内尼龙混合物熔体的粘度，又影响熔体对玻纤布的浸润包覆效果，进而影响玻纤布的牵引速度与复合片材的厚度。所述双螺杆挤出机上根据熔体粘度在所述温度范围内分段设定温度。
进一步，所述冷却导辊的温度为40～70℃；所述加热保湿导辊的温度为60～80℃；所述热压导辊的温度为150～200℃（优选160～180℃）。冷却导辊温度的选定对正常运行及后序热压工艺影响很大，由于从包覆模头出来的片材温度较高，若不迅速冷却固化，会导致尼龙熔体四处流淌，若冷却导辊温度太低，会导致后序粘合性差。冷却导辊合适的温度可保证复合材料的表面固化平整，若为了取得更好的效果，还可在模头与导辊间设置冷却槽，以保证片材离开包覆模头后立即被冷却固化。冷却导辊与第1条生产线上n-1个热压导辊之间的行程上的加热保湿导辊主要起到牵引作用，其温度不宜设置过高；第1条生产线上n-1个热压导辊既有加热、保温作用，又有牵引、压延作用，设置的温度较高。
为了控制尼龙/玻纤复合材料的厚度，可以通过选择不同厚度的玻纤布，或者通过调整玻纤布的牵引速度与模头温度，再或者通过调整导辊辊筒之间缝隙的距离（热压导辊辊筒之间缝隙的距离即为复合材料的厚度），最终制造出的尼龙/玻纤复合材料为厚度2.5～5.0mm，宽度1500～1800mm的薄板，根据使用要求，可采用多条生产线进行连续热压制造，也可用多张薄板模压成10～20mm厚度的板材，最终得到的产品可为多层，适用于不同领域。
进一步，所述预热的温度为160～200℃（优选170～190℃）；所述加热的温度为180～210℃（优选190～205℃）；所述热压的温度为210～240℃（优选215～230℃）。加热的温度既要保证片材呈软化状态，又要保证其不粘输送带；热压温度的选择主要是为了保证片材充分受热软化，使片材温度保持在半固化状态，也就是说既不流淌，也不固化，相互具有粘接性。
热压后板材的冷却可以分阶段进行，可以用喷水冷却结合鼓风冷却，最后再自然冷却。
本发明设备的工作过程是：设定各工序工艺参数，将玻纤布装入包覆模头，并导入牵引辊和冷却导辊，开启预热器，启动双螺杆挤出机，将尼龙混合物共混熔融并输入包覆模头，当熔体压力≥0.5MPa时，开启各导辊，根据牵伸情况，调整各导辊牵引速度；根据浸润包覆模头的出料状况，调整包覆模头温度及冷却导辊温度，保证运行正常；微调冷却导辊以及热压导辊的辊轮间隙，以获得不同厚度的尼龙/玻纤复合材料，通过最末一个热压导辊粘合后，进行加热、热压，经冷却后，切边、剪切，即成。
本发明尼龙/玻纤复合材料是采用尼龙树脂、抗紫外光吸收剂和抗氧剂的混合熔体连续熔融挤出，对玻纤布进行连续浸润、包覆，通过多层连续多辊热压成型一步制造而成。本发明尼龙/玻纤复合材料的弯曲强度均大于650MPa，弯曲模量均大于2.5GPa，拉伸强度均大于500MPa；韧性好，23℃下，缺口冲击强度均在90kJ/m2以上，经氙灯60℃下，老化1000h后，弯曲强度仍大于650MPa，拉伸强度为500MPa左右，相比未老化前性能变化不大，产品性能优异，产品质量稳定，具有耐腐蚀、质量轻、寿命长等优点。本发明制造方法是连续化包覆热压成型，相较于间隙模压法生产效率高，过程简单，劳动强度小，节能环保。本发明尼龙/玻纤复合材料可广泛应用于汽车箱体、轨道交通车辆、公共汽车顶棚等的结构材料，也可用于汽车发动机底护板、备胎支座等。
附图说明
图1是本发明实施例高强度尼龙/玻纤复合材料的制造设备的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
本发明实施例所使用原料的性能参数如下：
尼龙树脂：尼龙6：PA6，分子量为16000～20000，熔融指数35g/10min；尼龙612：PA612，分子量为18000～20000，熔融指数25g/10min；尼龙11：PA11，分子量为18000～20000，熔融指数15 g/10min；共聚尼龙：尼龙6和尼龙66的共聚树脂，分子量为18000～20000，熔融指数20 g/10min；
玻纤布：网格布，玻纤单丝的直径为13μm，克重为1500g/m2，宽幅1500mm；
抗紫外光吸收剂：2- (2'-羟基-3',5'-二叔丁基苯基) -5-氯苯并三唑：UV327；
抗氧剂：N,N'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺：抗氧剂1098；
其它所使用的化学试剂，如无特殊说明，均通过常规商业途径获得。
实施例1～6
高强度尼龙/玻纤复合材料
具体原料及配比如表1所示：
表1实施例1～6组分重量份配比表
高强度尼龙/玻纤复合材料的制造设备：
如图1所示，高强度尼龙/玻纤复合材料的制造设备由3条生产线组成，生产线从下至上依次排列，所述生产线均包括牵引辊1、预热器2、包覆模头3和冷却导辊4；所述包覆模头3的上方设有双螺杆挤出机5；所述第1条生产线冷却导辊4的下游设有2个热压导辊6，分别对应于第2、3条生产线的冷却导辊4，并在冷却导辊4与热压导辊6之间的行程上分别加设加热保湿导辊7；第1条生产线最末一个热压导辊6后依次设置加热器8、热压器9、水气混合冷却室10、自动切边机11和自动剪割机12。
本发明实施例设备的工作过程是：设定各工序工艺参数，将玻纤布装入包覆模头3，并导入牵引辊1和冷却导辊4，开启预热器2，启动双螺杆挤出机5，将尼龙混合物共混熔融并输入包覆模头3，当熔体压力≥0.5MPa时，开启各导辊，根据牵伸情况，调整各导辊牵引速度；根据浸润包覆模头3的出料状况，调整包覆模头3温度及冷却导辊4温度，保证运行正常；微调冷却导辊4以及热压导辊6的辊轮间隙，以获得不同厚度的尼龙/玻纤复合材料，通过最末一个热压导辊6粘合后，进行加热、热压，经冷却后，切边、剪切，即成。
高强度尼龙/玻纤复合材料的制造方法：
在所述3条生产线的玻纤布同时经牵引辊1的牵引进入预热器2进行预热，然后进入包覆模头3，双螺杆挤出机5挤出尼龙树脂、抗紫外光吸收剂和抗氧剂的混合熔体，倾斜射入并浸润玻纤布，玻纤布继续向前移动时，模框内尼龙混合熔体对玻纤布进行包覆，形成尼龙/玻纤复合片材；第1条生产线的尼龙/玻纤复合片材经冷却导辊4冷却进入热压导辊6，第2、3条生产线的尼龙/玻纤复合片材分别经冷却导辊4冷却，通过冷却导辊4与热压导辊6之间的行程上的加热保湿导辊7，对应进入第1条生产线上第1、2个热压导辊6，与第1、2个热压导辊6前形成的复合片材进行粘合，最后经第1条生产线最末一个热压导辊6粘合后，进行加热、热压，经冷却后，切边、剪切，即成。
实施例1～3具体工艺参数如下：
玻纤布预热温度：180 ℃；
玻纤布牵引速度：25m/min；
玻纤布在包覆模头内停留的时间：45s；
双螺杆挤出机共混挤出温度：250/260/250/250/250/245/245/245/235/235℃（十段加热模块上分别设定的温度）；
包覆模头温度：250℃；
冷却导辊温度：50±5 ℃，牵引速度 25±0.001m/min；
加热保湿导辊温度：70±5 ℃，牵引速度 25±0.001m/min；
热压导辊温度：160 ℃，牵引速度 25±0.001m/min；
加热器温度：200℃；
热压器温度：220±5℃，热压器内导辊的牵引速度：25±0.001m/min；
水气混合冷却室冷却水温度：80℃，侧吹风温度：常温，吹风量：1.0±0.5m3/min。
实施例4～6具体工艺参数如下：
玻纤布预热温度：190℃；
玻纤布牵引速度：30m/min；
玻纤布在包覆模头内停留的时间：30s；
双螺杆挤出机共混挤出温度：250/260/250/250/250/245/235/235/235/245℃（十段加热模块上分别设定的温度）；
包覆模头温度：260℃；
冷却导辊温度：60±5 ℃，牵引速度 30±0.001m/min；
加热保湿导辊温度：65±5 ℃，牵引速度 30±0.001m/min；
热压导辊温度：165℃，牵引速度 30±0.001m/min；
加热器温度：205℃；
热压器温度：220±5℃，热压器内导辊的牵引速度：30±0.001m/min；
冷却水温度：60℃，侧吹风温度：常温，吹风量：1.5±0.5m3/min。
耐磨自润滑尼龙复合材料的检测标准与方法：
弯曲强度：《塑料弯曲性能试验方法》，GB/T9341-2000；
弯曲模量：《塑料弯曲性能试验方法》，GB/T9341-2000；
拉伸强度：《塑料拉伸性能的测定》GB/T1040.1-2006；
缺口冲击强度：《冲击试验方法》，GB/T1043-1993；
玻纤含量：《塑料灰分的测定》，GB/T9345.1-2008；
板材厚度：游标卡尺；
板材外观：目测。
高强度尼龙/玻纤复合材料的性能检测结果如表2所示：
表2 实施例1～6高强度尼龙/玻纤复合材料的性能检测结果
从表2可知，本发明实施例1～6所得高强度尼龙/玻纤复合材料强度高，弯曲强度均大于650MPa，弯曲模量均大于2.5GPa，拉伸强度均大于500MPa；韧性好，23℃下，缺口冲击强度均在90kJ/m2以上；耐低温性能优异，经氙灯60℃下，老化1000h后，弯曲强度仍大于650MPa，拉伸强度为500MPa左右，材料性能仍有良好的保持率，耐老化性能优异，且外表平整光滑，外观优异。

Claims (18)

1.一种高强度尼龙/玻纤复合材料，其特征在于：由以下组分及重量份复合而成：
基体相尼龙树脂90～120份；
基体相添加剂抗紫外光吸收剂0.1～1份；
基体相添加剂抗氧剂0.1～1份；
增强相玻纤布80～200份；
所述高强度尼龙/玻纤复合材料的制造设备由n条生产线组成，n≥2，生产线从下至上依次排列，所述生产线均包括牵引辊、预热器、包覆模头和冷却导辊；所述包覆模头的上方设有双螺杆挤出机；第1条生产线冷却导辊的下游设有n-1个热压导辊，分别对应于第n条生产线的冷却导辊，并在冷却导辊与热压导辊之间的行程上分别加设加热保湿导辊；第1条生产线最末一个热压导辊后依次设置加热器、热压器、冷却室、切边机和剪割机；
所述高强度尼龙/玻纤复合材料的制造方法是，利用所述制造设备进行，各生产线的玻纤布同时经牵引辊的牵引进入预热器进行预热，然后进入包覆模头，双螺杆挤出机挤出尼龙树脂、抗紫外光吸收剂和抗氧剂的混合熔体，倾斜射入并浸润玻纤布，玻纤布继续向前移动时，模框内尼龙混合熔体对玻纤布进行包覆，形成尼龙/玻纤复合片材；第1条生产线的尼龙/玻纤复合片材经冷却导辊冷却进入热压导辊，第2～n条生产线的尼龙/玻纤复合片材分别经冷却导辊冷却，通过冷却导辊与热压导辊之间的行程上的加热保湿导辊，对应进入第1条生产线上第n-1个热压导辊，与第n-1个热压导辊前形成的复合片材进行粘合，最后经第1条生产线最末一个热压导辊粘合后，进行加热、热压，经冷却后，切边、剪切，即成；n≥2。
2.根据权利要求1所述高强度尼龙/玻纤复合材料，其特征在于：所述尼龙为尼龙6、尼龙11、尼龙12、尼龙612、尼龙610、尼龙1010或共聚尼龙中的一种或几种；其中，所述尼龙6的分子量为16000～20000，熔融指数为20～50g/10min，所述尼龙11、尼龙12、尼龙612、尼龙610、尼龙1010或共聚尼龙的分子量为18000～20000，熔融指数为15～30g/10min。
3.根据权利要求2所述高强度尼龙/玻纤复合材料，其特征在于：所述尼龙6与所述尼龙11、尼龙12、尼龙612、尼龙610、尼龙1010或共聚尼龙复合使用时，其质量配比为80～90:20～10。
4.根据权利要求1～3之一所述高强度尼龙/玻纤复合材料，其特征在于：所述玻纤布为玻纤网格布、方格布或罗纹布，玻纤单丝的直径为10～20μm，克重为900～1500g/m2，宽幅1500～1800mm；所述抗紫外光吸收剂为2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮和/或2- (2'-羟基-3',5'-二叔丁基苯基) -5-氯苯并三唑；所述抗氧剂为抗氧剂168、抗氧剂1098或抗氧剂1076中的一种或几种。
5.根据权利要求1～3之一所述高强度尼龙/玻纤复合材料，其特征在于：所述牵引的速度为20～50m/min；所述玻纤布在包覆模头内停留的时间为25～60s。
6.根据权利要求4所述高强度尼龙/玻纤复合材料，其特征在于：所述牵引的速度为20～50m/min；所述玻纤布在包覆模头内停留的时间为25～60s。
7.根据权利要求1～3之一所述高强度尼龙/玻纤复合材料，其特征在于：所述双螺杆挤出的温度为235～260℃，所述包覆模头的温度为250～260℃。
8.根据权利要求4所述高强度尼龙/玻纤复合材料，其特征在于：所述双螺杆挤出的温度为235～260℃，所述包覆模头的温度为250～260℃。
9.根据权利要求5所述高强度尼龙/玻纤复合材料，其特征在于：所述双螺杆挤出的温度为235～260℃，所述包覆模头的温度为250～260℃。
10.根据权利要求1～3之一所述高强度尼龙/玻纤复合材料，其特征在于：所述冷却导辊的温度为40～70℃；所述加热保湿导辊的温度为60～80℃；所述热压导辊的温度为150～200℃。
11.根据权利要求4所述高强度尼龙/玻纤复合材料，其特征在于：所述冷却导辊的温度为40～70℃；所述加热保湿导辊的温度为60～80℃；所述热压导辊的温度为150～200℃。
12.根据权利要求5所述高强度尼龙/玻纤复合材料，其特征在于：所述冷却导辊的温度为40～70℃；所述加热保湿导辊的温度为60～80℃；所述热压导辊的温度为150～200℃。
13.根据权利要求7所述高强度尼龙/玻纤复合材料，其特征在于：所述冷却导辊的温度为40～70℃；所述加热保湿导辊的温度为60～80℃；所述热压导辊的温度为150～200℃。
14.根据权利要求1～3之一所述高强度尼龙/玻纤复合材料，其特征在于：所述预热的温度为160～200℃；所述加热的温度为180～210℃；所述热压的温度为210～240℃。
15.根据权利要求4所述高强度尼龙/玻纤复合材料，其特征在于：所述预热的温度为160～200℃；所述加热的温度为180～210℃；所述热压的温度为210～240℃。
16.根据权利要求5所述高强度尼龙/玻纤复合材料，其特征在于：所述预热的温度为160～200℃；所述加热的温度为180～210℃；所述热压的温度为210～240℃。
17.根据权利要求7所述高强度尼龙/玻纤复合材料，其特征在于：所述预热的温度为160～200℃；所述加热的温度为180～210℃；所述热压的温度为210～240℃。
18.根据权利要求10所述高强度尼龙/玻纤复合材料，其特征在于：所述预热的温度为160～200℃；所述加热的温度为180～210℃；所述热压的温度为210～240℃。
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