CN106515047A - 一种反应注射拉挤成型设备及反应注射拉挤成型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种反应注射拉挤成型设备及反应注射拉挤成型方法。用于解决现有的复合材料拉挤成型技术中纤维浸渍效果差、有毒气挥发的问题，本发明的反应注射拉挤成型设备包括:用于使树脂和纤维成型的成型单元,所述成型单元包括以下至少四个依次连接的加工段，所述加工段形成具有两个端口的封闭加工通道:预热段,用于使纤维预热；浸渍段,用于使树脂与经预热的纤维发生浸渍；加热段,用于使树脂发生固化反应；冷却段,用于使发生固化反应后的复合材料冷却成型。本发明提供一种能够实现在线混合树脂、浸渍纤维的，具有浸渍效果好、无挥发有毒气体等优点的，制备高纤维含量的连续纤维增强尼龙复合材料拉挤成型方法和相应的反应注射拉挤成型设备。

Description

一种反应注射拉挤成型设备及反应注射拉挤成型方法
技术领域
本发明属于复合材料领域，尤其涉及一种反应注射拉挤成型设备及反应注射拉挤成型方法。
背景技术
拉挤工艺是一种连续生产复合材料型材的方法，它是将纱架上的连续纤维进行树脂浸渍，然后通过保持一定截面形状的成型，并使其在模内固化成型后连续出模，由此形成拉挤制品的一种自动化生产工艺。利用拉挤工艺生产的产品其拉伸强度高于普通钢材。表面的富树脂层又使其具有良好的防腐性，故在具有腐蚀性的环境的工程中是取代钢材的最佳产品，广泛应用于交通运输、电工、电气、电气绝缘、化工、矿山、海洋、船艇、腐蚀性环境及生活、民用各个领域。
现存的拉挤工艺技术大多采用热固性树脂，如酚醛树脂，环氧树脂或乙烯基树脂等。热固性树脂基拉挤复合材料因其具有树脂黏度低、成型温度低、加工范围宽和工艺性能好等优点，得到了工业界的一致认可。但热固性树脂基复合材料在成型过程中存在挥发有害气体、抗冲击性能低、废料不可回收利用和加工周期长等缺点。热塑性树脂基复合材料则克服了以上缺点，并具有比强度和比刚度较大、固化时不挥发有害气体和废料可回收等特点。目前，纤维增强热塑性树脂基拉挤成型复合材料已成为复合材料开发的热点，其增长速度已超过了热固性树脂基拉挤成型复合材料。
热塑性树脂在熔融状态下很难浸渍连续纤维，尤其是纤维束内的浸渍，这也是制约纤维增强热塑性树脂基复合材料发展的难点。现存的热塑性树脂基拉挤成型工艺主要通过熔融浸渍，如专利：CN201110327424.5，CN201280018119.0，但浸渍效果达不到热固性树脂基拉挤成型水平，制品易出现抽丝等现象。
利用原位聚合法来浸渍纤维为连续纤维增强热塑性树脂基拉挤成型提供了一种新的解决途径。尼龙单体己内酰胺的黏度类似于水，能够充分浸渍纤维，纤维与树脂能够形成均匀的分散体系，达到理想的浸渍效果。专利CN201010602328.2即是利用该反应拉挤制备连续纤维增热热塑性树脂基复合材料，但该专利仍采用浸胶槽对纤维进行浸渍，浸胶槽内树脂稳定性差，长时间贮存会引起聚合反应提前发生，不能实现长时间连续化生产，同时为了增加挂胶量，在树脂中添加增稠剂，未能充分利用树脂低粘度的特性。
发明内容
解决上述问题所采用的技术方案是一种反应注射拉挤成型设备及反应注射拉挤成型方法。
本发明提供一种反应注射拉挤成型设备,包括:
用于使树脂和纤维成型的成型单元,所述成型单元包括以下至少四个依次连接的加工段，所述加工段形成具有两个端口的封闭加工通道:
预热段,用于使纤维预热；
浸渍段,用于使树脂与经预热的纤维发生浸渍；
加热段,用于使树脂发生固化反应；
冷却段,用于使发生固化反应后的复合材料冷却成型。
优选的，所述预热段中的温度为120-240℃,所述纤维的预热时间为5-20min；
所述预热段的两端设有前导纱板和后导纱板,及与所述纤维运动方向相互垂直设置的引导辊,所述引导辊在所述纤维运动方向间隔排列；所述预热段的一端设有热空气流入口，另一端设有热空气流出口。
优选的，所述浸渍段中的温度为80-120℃；所述浸渍段的长度为20-40cm；
所述浸渍段的加工通道沿纤维运动方向具有渐缩的横截面。
优选的，所述浸渍段的加工通道从靠近预热段到远离预热段形成与水平面的夹角为5-10°。
优选的，所述浸渍段靠近所述预热段的一端下部设有溢流口，用于使多余的树脂流出；
所述浸渍段靠近所述预热段的一端上部设有保护气入口，用对树脂进行保护；
所述浸渍段设有树脂注射入口。
优选的，所述加热段和所述浸渍段之间还设有隔热段。
优选的，所述隔热段的长度为5-20mm。
优选的，还包括：用于提供树脂的树脂提供单元，所述树脂提供单元具有分别与抽真空单元和通入保护气连接的管路，树脂计量混合单元和加热保温单元；
用于提供纤维的纱架，所述纱架上纤维通过牵引从穿过加工通道；
用于提供保护气的气体容器；
用于对树脂提供单元抽真空的抽真空单元；
用于将纤维聚集成束的设置在纱架和预热段之间集束板；
用于支撑所述加工段的支架。
本发明还提供一种纤维拉挤成型的方法，包括以下步骤：
真空脱水处理、在加热下对第一树脂组分和第二树脂组分进行真空脱水处理；
对第一树脂组分和第二树脂组分进行惰性气体保护；
将第一树脂组分和第二树脂组分进行混合，并注入加工通道中与经过预热的纤维进行浸渍、经加热、冷却获得复合材料。
优选的，所述真空脱水处理的条件为：温度为80-120℃，搅拌下脱水处理5-30min。
所述的惰性气体为氮气；
所述纤维为玻璃纤维、碳纤维或玄武岩纤维中的一种或几种；
所述的第一组分以质量份计包括：己内酰胺50质量份，催化剂重量百分比为0.5-7.5质量份，内脱模剂0.25-1质量份；
所述的第二组分以质量份计包括：己内酰胺50质量份，活化剂0.5-7.5质量份，内脱模剂0.25-1质量份。
所述的催化剂为己内酰胺钠、己内酰胺溴化镁、氢氧化钠、甲醇钠或乙醇钠中的一种或几种；
所述的活化剂为六亚甲基-1,6-二甲酰己内酰胺，N-乙酰化己内酰胺或异临苯二甲酰二己内酰胺中的一种或几种；
所述的内脱模剂为甲基硅油、二甲基硅油或硬脂酸钠中的一种或几种。
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能够实现在线混合树脂、浸渍纤维的，具有浸渍效果好、无挥发有毒气体等优点的，制备高纤维含量的连续纤维增强尼龙复合材料拉挤成型方法。
与现有技术相比，本发明有益效果表现为：本发明成型方法克服了传统技术浸渍效果差的缺陷，充分利用己内酰胺类似于水的低粘度特性(3-10mPa·S)，能够达到理想的浸渍效果，制备出性能优异的高纤维含量(纤维质量分数≥50质量份)的复合材料；采用封闭式浸渍结构，浸渍与成型过程紧密结合，有效减少有毒树脂蒸汽挥发，克服了传统开放式浸渍槽对环境污染较大的缺陷，对环境友好；通过控制树脂提供单元的注射枪注射入浸渍段的树脂流量，实现了在线混合树脂并浸渍纤维，相比传统技术，无需考虑树脂在浸渍槽提前固化的问题，减少了树脂损失，提高了资源利用率；在浸渍段和加热段之间，有5-20毫米的隔热段，防止热传导使浸渍段温度升高从而造成浸渍段内树脂提前固化，提高了拉挤工艺的可控性。
与现有技术相比，本发明有益效果表现为：
1.本发明成型方法克服了传统技术浸渍效果差的缺陷，充分利用己内酰胺类似于水的低粘度特性(3-10mPa·S)，能够达到理想的浸渍效果，制备出性能优异的高纤维含量(纤维质量分数≥50质量份)的复合材料；
2.采用封闭式浸渍结构，浸渍与成型过程紧密结合，有效减少有毒树脂蒸汽挥发，克服了传统开放式浸渍槽对环境污染较大的缺陷，对环境友好；
3.通过控制树脂提供单元的注射枪注射入浸渍段的树脂流量，实现了在线混合树脂并浸渍纤维，相比传统技术，无需考虑树脂在浸渍槽提前固化的问题，减少了树脂损失，提高了资源利用率；
4.在浸渍段和加热段之间，有5-20毫米的隔热段，防止热传导使浸渍段温度升高从而造成浸渍段内树脂提前固化，提高了拉挤工艺的可控性。
附图说明
图1是实施例1中反应注射拉挤成型设备的示意图；
图2是实施例1中反应注射拉挤成型设备中预热段的剖视图；
图3是实施例1中反应注射拉挤成型设备中浸渍段的剖视图；
图4是实施例1中反应注射拉挤成型设备加工通道的剖视图。
其中，1.纱架，2.集束板，3.预热段，4.浸渍段，5.加热段，6.冷却段，7.支架，8.树脂提供单元，9.真空泵，10.氮气罐，11.前导纱板，12.热空气流出口，13.引导辊，14.热空气流入口，15.后导纱板，16.保护气入口，17.树脂注射入口，18.隔热段，19.溢流口。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
如图1-4所示,本实施例提供一种反应注射拉挤成型设备,包括:
用于使树脂和纤维成型的成型单元,所述成型单元包括以下至少四个依次连接的加工段，所述加工段形成具有两个端口的封闭加工通道:
预热段3,用于使纤维预热；
浸渍段4,用于使树脂与经预热的纤维发生浸渍；
加热段5,用于使经浸渍的纤维发生固化反应；
冷却段6,用于使发生固化反应后的复合材料冷却成型。
优选的，所述预热段3中的温度为120-240℃,所述纤维的预热时间为5-20min；经过预热的纤维能够更好地与树脂进行浸渍。
优选的，所述预热段3的两端设有前导纱板11和后导纱板15,及与所述纤维运动方向相互垂直设置的引导辊13,所述引导辊13在所述纤维运动方向间隔排列；所述预热段3的一端设有热空气流入口14，另一端设有热空气流出口12。其中,引导辊13在与纤维接触时将热量传递给纤维,热空气对纤维和引导辊13进行热交换。
优选的，所述浸渍段4中的温度为80-120℃；所述浸渍段4的长度为20-40cm。
所述浸渍段4的加工通道沿纤维运动方向具有渐缩的横截面。这样加工通道的横截面逐渐变小，使得纤维和树脂的接触更加紧致。
优选的，所述浸渍段4的加工通道从靠近预热段3到远离预热段3形成与水平面的夹角为5-10°。有利于树脂沿纤维移动的方向流动。
优选的，所述浸渍段4靠近所述预热段3的一端下部设有溢流口19，用于使多余的树脂流出；
所述浸渍段4靠近所述预热段3的一端上部设有保护气入口16，用对树脂进行保护；
所述浸渍段4设有树脂注射入口17；
优选的，所述加热段5和所述浸渍段4之间还设有隔热段18；防止树脂提前在浸渍段4发生反应。
优选的，所述隔热段18的长度为5-20mm。
优选的，反应注射拉挤成型设备还包括：用于提供树脂的树脂提供单元8，所述树脂提供单元8具有分别与抽真空单元和通入保护气连接的管路，树脂计量混合单元和加热保温单元；例如,树脂提供单元8可以为具有混合功能的树脂提供单元，树脂提供单元8包括树脂罐,静态混合器及加热保温单元；
用于提供纤维的纱架1，所述纱架1上纤维通过牵引从穿过加工通道；
用于提供保护气的气体容器；可以是氮气罐10，根据工艺需要也可以是其它类型的保护气体；
用于对树脂提供单元8抽真空的抽真空单元,抽真空单元可以是真空泵9；
用于将纤维聚集成束的设置在纱架1和预热段3之间集束板2；
用于支撑所述加工段的支架7。
上述的反应注射拉挤成型设备工作过程如下：
(1)真空脱水
将一定比例的己内酰胺、内脱模剂和催化剂，己内酰胺、内脱模剂和活化剂分别在两个树脂提供单元8中真空脱水，并保持搅拌状态，真空脱水后向树脂提供单元8内通入氮气进行保护；
(2)混合注射
将两个树脂提供单元8中的树脂通过柱塞式计量泵以1:1比例在静态混合器中混合，混合后的树脂直接由注射枪注射入浸渍段4中，注射的树脂流量与拉挤速度相匹配，树脂提供单元、整套树脂管路、静态混合器和注射枪保持温度在80-120℃；
(3)拉挤成型
放置于纱架1上的纤维经过集束板2预排布，进入2预热段3在120-240℃热空气流下预热，再经过2浸渍段4由注射入加工通道的树脂在线浸渍纤维，浸渍段4中通入氮气以防止浸渍后的纤维与空气接触，浸渍后的纤维经牵引进入加热段5进行固化，然后经过冷却段6，由牵引机牵引出，切割，即可得到连续纤维增强尼龙复合材料，浸渍段4温度保持在80-120℃，加热段5温度保持在140-200℃，冷却段6温度保持在120-180。
实施例2：
将50重量份己内酰胺、2重量份己内酰胺钠和0.5重量份甲基硅油，50重量份己内酰胺、2重量份六亚甲基-1,6-二甲酰己内酰胺和0.5重量份甲基硅油分别至于树脂提供单元的两个树脂罐中加热至90℃，并真空脱水10分钟，并保持搅拌状态，真空脱水后向树脂罐内通入氮气进行保护。
玻璃纤维束经过集束板预排布，依次引导通过预热段3，浸渍段4，加热段5，冷却段6，最后固定在牵引机上。将注射枪和氮气管路与浸渍段4螺纹连接，通入氮气，启动柱塞式计量泵和牵引机，开始生产。
预热段3热空气流为160℃，停留时间为15分钟，浸渍段4温度为90℃，加热段5温度为150℃，冷却段6温度为130℃，牵引速度为20厘米/每分钟，浸渍段4长度为20厘米，加工通道与水平面的倾角为5°，隔热段长度为10毫米，加热段5长度为60厘米，冷却段6长度为30厘米。
最后经切割，即可得到连续纤维增强尼龙复合材料。所得的连续纤维增强尼龙复合材料纤维含量由纤维束数量的决定，为制品的质量分数77％。
根据标准GBT 1040-2006，测得制品的拉伸强度为1200MPa，根据标注GB/T 9341-2000测得制品弯曲强度为400MPa，根据ASTM D955，测得制品体积收缩率为0.5％。
实施例3：
将50重量份己内酰胺、4重量份己内酰胺溴化镁和1重量份二甲基硅油，50重量份己内酰胺、4重量份N-乙酰化己内酰胺和1重量份二甲基硅油分别至于树脂提供单元的两个树脂罐中加热至100℃，并真空脱水15分钟，并保持搅拌状态，真空脱水后向树脂罐内通入氮气进行保护。
碳纤维束经过集束板预排布，依次引导通过预热段3，浸渍段4，加热段5，冷却段6，最后固定在牵引机上。将注射枪和氮气管路与浸渍段4螺纹连接，通入氮气，启动柱塞式计量泵和牵引机，开始生产。
预热段3热空气流为180℃，停留时间为10分钟，浸渍段4温度为100℃，加热段5温度为170℃，冷却段6温度为150℃，牵引速度为30厘米/每分钟，浸渍段4长度为25厘米，加工通道与水平面的倾角为6°，隔热段长度为10毫米，加热段5长度为60厘米，冷却段6长度为30厘米。
最后经切割，即可得到连续纤维增强尼龙复合材料。所得的连续纤维增强尼龙复合材料纤维含量由纤维束数量的决定，为制品的质量分数73％。
根据标准GBT 1040-2006，测得制品的拉伸强度为1100MPa，根据标注GB/T 9341-2000测得制品弯曲强度为420MPa，根据ASTM D955，测得制品体积收缩率为0.75％。
实施例4：
将50重量份己内酰胺、6重量份乙醇钠和1.5重量份硬脂酸钠，50重量份己内酰胺、6重量份异临苯二甲酰二己内酰胺和1.5重量份硬脂酸钠分别至于树脂提供单元的两个树脂罐中加热至110℃，并真空脱水20分钟，并保持搅拌状态，真空脱水后向树脂罐内通入氮气进行保护。
玄武岩纤维束经过集束板预排布，依次引导通过预热段3，浸渍段4，加热段5，冷却段6，最后固定在牵引机上。将注射枪和氮气管路与浸渍段4螺纹连接，通入氮气，启动柱塞式计量泵和牵引机，开始生产。
预热段3热空气流为200℃，停留时间为5分钟，浸渍段4温度为110℃，加热段5温度为190℃，冷却段6温度为170℃，牵引速度为60厘米/每分钟，浸渍段4长度为25厘米，加工通道与水平面的倾角为7°，隔热段长度为10毫米，加热段5长度为60厘米，冷却段6长度为30厘米。
最后经切割，即可得到连续纤维增强尼龙复合材料。所得的连续纤维增强尼龙复合材料纤维含量由纤维束数量的决定，为制品的质量分数67％。
根据标准GBT 1040-2006，测得制品的拉伸强度为1000MPa，根据标注GB/T 9341-2000测得制品弯曲强度为440MPa，根据ASTM D955，测得制品体积收缩率为1％。
实施例5：
将50重量份己内酰胺、0.5重量份氢氧化钠和0.25重量份硬脂酸钠，50重量份己内酰胺、0.5重量份异临苯二甲酰二己内酰胺和0.25重量份硬脂酸钠分别至于树脂提供单元的两个树脂罐中加热至120℃，并真空脱水5分钟，并保持搅拌状态，真空脱水后向树脂罐内通入氮气进行保护。
玄武岩纤维束经过集束板预排布，依次引导通过预热段3，浸渍段4，加热段5，冷却段6，最后固定在牵引机上。将注射枪和氮气管路与浸渍段4螺纹连接，通入氮气，启动柱塞式计量泵和牵引机，开始生产。
预热段3热空气流为120℃，停留时间为20分钟，浸渍段4温度为80℃，加热段5温度为140℃，冷却段6温度为120℃，牵引速度为60厘米/每分钟，浸渍段4长度为40厘米，加工通道与水平面的倾角为8°，隔热段长度为5毫米，加热段5长度为100厘米，冷却段6长度为50厘米。
最后经切割，即可得到连续纤维增强尼龙复合材料。所得的连续纤维增强尼龙复合材料纤维含量由纤维束数量的决定，为制品的质量分数62％。
根据标准GBT 1040-2006，测得制品的拉伸强度为900MPa，根据标注GB/T 9341-2000测得制品弯曲强度为460MPa，根据ASTM D955，测得制品体积收缩率为1.25％。
实施例6：
将50重量份己内酰胺、7.5重量份氢氧化钠和1重量份甲基硅油，50重量份己内酰胺、7.5重量份异临苯二甲酰二己内酰胺和1重量份硬脂酸钠分别至于树脂提供单元的两个树脂罐中加热至80℃，并真空脱水30分钟，并保持搅拌状态，真空脱水后向树脂罐内通入氮气进行保护。
玄武岩纤维束经过集束板预排布，依次引导通过预热段3，浸渍段4，加热段5，冷却段6，最后固定在牵引机上。将注射枪和氮气管路与浸渍段4螺纹连接，通入氮气，启动柱塞式计量泵和牵引机，开始生产。
预热段3热空气流为240℃，停留时间为5分钟，浸渍段4温度为120℃，加热段5温度为200℃，冷却段6温度为180℃，牵引速度为60厘米/每分钟，浸渍段4长度为30厘米，加工通道与水平面的倾角为8°，隔热段长度为20毫米，加热段5长度为50厘米，冷却段6长度为20厘米。
最后经切割，即可得到连续纤维增强尼龙复合材料。所得的连续纤维增强尼龙复合材料纤维含量由纤维束数量的决定，为制品的质量分数57％。
根据标准GBT 1040-2006，测得制品的拉伸强度为800MPa，根据标注GB/T 9341-2000测得制品弯曲强度为480MPa，根据ASTM D955，测得制品体积收缩率为1.5％。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种反应注射拉挤成型设备,其特征在于,包括:
用于使树脂和纤维成型的成型单元,所述成型单元包括以下至少四个依次连接的加工段，所述加工段形成具有两个端口的封闭加工通道:
预热段,用于使纤维预热；
浸渍段,用于使树脂与经预热的纤维发生浸渍；
加热段,用于使树脂发生固化反应；
冷却段,用于使发生固化反应后的复合材料冷却成型。
2.如权利要求1所述的反应注射拉挤成型设备，其特征在于，
所述预热段中的温度为120-240℃,所述纤维的预热时间为5-20min；
所述预热段的两端设有前导纱板和后导纱板,及与所述纤维运动方向相互垂直设置的引导辊,所述引导辊在所述纤维运动方向间隔排列；所述预热段的一端设有热空气流入口，另一端设有热空气流出口。
3.如权利要求1所述的反应注射拉挤成型设备，其特征在于，
所述浸渍段中的温度为80-120℃；所述浸渍段的长度为20-40cm；
所述浸渍段的加工通道沿纤维运动方向具有渐缩的横截面。
4.如权利要求3所述的反应注射拉挤成型设备，其特征在于，
所述浸渍段的加工通道从靠近预热段到远离预热段形成与水平面的夹角为5-10°。
5.如权利要求1所述的反应注射拉挤成型设备，其特征在于，
所述浸渍段靠近所述预热段的一端下部设有溢流口，用于使多余的树脂流出；
所述浸渍段靠近所述预热段的一端上部设有保护气入口，用对树脂进行保护；
所述浸渍段设有树脂注射入口。
6.如权利要求1所述的反应注射拉挤成型设备，其特征在于，
所述加热段和所述浸渍段之间还设有隔热段。
7.如权利要求6所述的反应注射拉挤成型设备，其特征在于，
所述隔热段的长度为5-20mm。
8.如权利要求1所述的反应注射拉挤成型设备，还包括：用于提供树脂的树脂提供单元，所述树脂提供单元具有分别与抽真空单元和通入保护气连接的管路，树脂计量混合单元和加热保温单元；
用于提供纤维的纱架，所述纱架上纤维通过牵引穿过加工通道；
用于提供保护气的气体容器；
用于对树脂提供单元抽真空的抽真空单元；
用于将纤维聚集成束的设置在纱架和预热段之间集束板；
用于支撑所述加工段的支架。
9.一种反应拉挤成型的方法，其特征在于，包括以下步骤：
真空脱水处理、在加热下对第一树脂组分和第二树脂组分进行真空脱水处理；
对第一树脂组分和第二树脂组分进行惰性气体保护；
将第一树脂组分和第二树脂组分进行混合，并注入加工通道中与经过预热的纤维进行浸渍、经加热、冷却获得复合材料。
10.如权利要求9所述反应拉挤成型的方法，其特征在于，所述真空脱水处理的条件为：温度为80-120℃，搅拌下脱水处理5-30min；
所述的惰性气体为氮气；
所述纤维为玻璃纤维、碳纤维或玄武岩纤维中的一种或几种；
所述的第一组分以质量份计包括：己内酰胺50质量份，催化剂重量百分比为0.5-7.5质量份，内脱模剂0.25-1质量份；
所述的第二组分以质量份计包括：己内酰胺50质量份，活化剂0.5-7.5质量份，内脱模剂0.25-1质量份；
所述的催化剂为己内酰胺钠、己内酰胺溴化镁、氢氧化钠、甲醇钠或乙醇钠中的一种或几种；
所述的活化剂为六亚甲基-1,6-二甲酰己内酰胺，N-乙酰化己内酰胺或异临苯二甲酰二己内酰胺中的一种或几种；
所述的内脱模剂为甲基硅油、二甲基硅油或硬脂酸钠中的一种或几种。
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