CN106985303B - 一种长纤复合材料的造粒生产线 - Google Patents

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Abstract

一种长纤复合材料的造粒生产线，属于聚合物改性设备领域。包括挤出机、长纤存储单元、长纤预处理单元、长纤浸润挤出模具、冷却系统、风干系统、牵引系统、切粒系统和收集系统；长纤浸润挤出模具包括熔池底板、熔池上板、导柱、上加热器和下加热器；熔池上板开设有长纤导入孔、热电偶安装孔和熔体压力传感器安装孔；熔池底板开设有挤出模孔、聚合物熔体进料口和热电偶安装孔；给出了长纤浸润挤出模具长纤导入孔和挤出模孔的长度计算方法。本发明不仅可有效缩短聚合物熔体在挤出模具内的停留时间，提高长纤与聚合物熔体结合的密实度和浸润程度，而且可以防止聚合物熔体从长纤导入孔冒料和挤出模孔边沿刮落聚合物现象的出现。

Description

一种长纤复合材料的造粒生产线
技术领域
本发明涉及一种长纤复合材料的造粒生产线，属于聚合物改性设备领域。
背景技术
近年来，由于长纤复合材料优异的力学性能越来越受到关注，所以越来越多的科技工作者在长纤复合材料制备开发方面开展了大量工作：
1.申请号：200610045857.0，标题为“连续纤维增强复合材料、生产方法及专用设备”，采用了分流结构将熔融聚合物进行分流，在聚合物分流流道的末端与垂直方向引入的玻璃长纤交汇，随后长纤经过蛇形流道流出。该方案中存在如下问题：长纤导入孔较短，容易造成从长纤导入孔冒料；该挤出模具导入玻纤很难对正聚合物分流流道口。
2.申请号：200610122459.4，标题为“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”，在模头外体上开设了热塑性树脂熔体夹缝流道和连续长纤入口，浸润流道内安装张力辊。该挤出模具可以完成长纤浸润的工作，但是设计中没有考虑流道内物料建压不足、长纤导入孔冒料、长纤束在聚合物熔体内成股等问题。
3.申请号：200880007823.X，标题为“由长纤维强化的热塑性树脂粒料及其制造方法”，采用熔融浸润的方法对长纤进行浸润。挤出机挤出方向与长纤牵引方向垂直。浸润在浸润池内完成，浸润池内安装多个浸润辊，有利于树脂对长纤的浸润。但是，该专利没有提及如何保证长纤入口冒料和长纤束在聚合物熔体内浸润不充分的解决方案。
4.申请号：201410044256.2，标题为“连续长纤维增强热塑性树脂的双面熔融浸渍方法及设备”，该发明公开一种连续长纤增强热塑性树脂的双面熔融浸润方法及设备，先对连续长纤进行预分散和预加热，再通过双面分配流道进行全面包裹和浸润，进行长纤再分散处理后送出长纤通道。可有效避免出现长纤单侧浸润不严的现象。但分流流道加工复杂，各流道的流率均匀性不易保证，而且该发明没有提及如何解决长纤成股不易分散的问题。
发明内容
本发明目的在于提高长纤在聚合物熔体中的浸润程度和分散程度，致力于解决长纤导入孔冒料和长纤复合材料中浸润程度低的问题，提出一种长纤复合材料的造粒生产线。
本发明一种长纤复合材料的造粒生产线具体涉及一种基于熔体收敛流动原理设计的长纤浸润挤出模具以及该模具的长纤导入孔长度和挤出模孔长度的计算方法。
一种长纤复合材料的造粒生产线包括挤出机、长纤存储单元、长纤预处理单元、长纤浸润挤出模具、冷却系统、风干系统、牵引系统、切粒系统和收集系统；
其中，所述的挤出机可为具有塑化混炼功能的单螺杆挤出机、双螺杆挤出机、三螺杆挤出机或多螺杆挤出机，主要起对聚合物的塑化混炼作用；
其中，所述的长纤存储单元主要起存放成卷长纤的作用，供复合材料制备使用，其设计要点在于减少或消除长纤束打扭的现象；
其中，所述的长纤预处理单元主要有长纤预热功能与长纤预分散功能；长纤预热的目的是将长纤温度提高到聚合物熔体温度，使得长纤表面低分子物挥发的同时，保证长纤的引入不造成聚合物熔体温度的下降；长纤预分散的目的是将成股长纤进行预梳理，降低长纤丝之间的结合力，有利于降低长纤在聚合物熔体中的分散难度；
其中，所述的长纤浸润挤出模具主要起浸润长纤的作用；包括长纤导入口和聚合物熔体入口；长纤与聚合物熔体在长纤浸润挤出模具中复合；长纤与聚合物熔体充分浸润后，形成长纤复合材料；长纤复合材料从长纤浸润挤出模具出料口挤出；
其中，所述的冷却系统主要有水冷和风冷两种形式；当聚合物具有高温水解性能时，需进行风冷；当聚合物性能不受水份影响时，可采用水冷系统；
其中，所述的风干系统，主要是在采用水冷系统的情况下，对长纤复合材料进行吹干；
其中，所述的牵引系统提供了长纤复合材料牵引的动力；
其中，所述的切粒系统将长纤复合材料按照设定好的长度进行切割；
其中，所述的收集系统将切割后的长纤复合材料进行收集和包装。
所述的一种长纤复合材料的造粒生产线中各组成部分的连接及上下游关系如下：长纤浸润挤出模具安装在挤出机出口位置；长纤存储单元处于挤出机的侧方或上方；从长纤走向上看，长纤存储单元的下游为长纤预处理单元；长纤预处理单元的下游为长纤浸润挤出模具；长纤浸润挤出模具的下游为冷却系统；冷却系统的下游为风干系统；风干系统的下游为牵引系统；牵引系统的下游为切粒系统；切粒系统的下游为收集系统。
所述的一种长纤复合材料的造粒生产线的工作原理如下：挤出机将聚合物熔化、共混和挤出，以一定压力为长纤浸润挤出模具供料；长纤从长纤存储单元上放置的成卷长纤中抽出，经长纤预处理单元预热和分纤后引入长纤浸润挤出模具中；在长纤浸润挤出模具内长纤与聚合物熔体复合，形成聚合物浸润长纤复合材料；长纤浸润挤出模具输出的复合材料，经冷却系统进行冷却和固化；风干系统将经过冷却系统冷却和固化的长纤吹干，即进行干燥处理；牵引系统提供长纤和浸润后复合材料的牵引动力，其牵引速度可调；切粒系统将风干系统输出的冷却、固化及干燥后的复合材料切碎，切割成一定长度的长纤复合材料颗粒；收集系统将收集和包装切粒系统切碎的长纤复合材料颗粒。值得注意的是，当使用风冷系统对浸润后的复合材料进行冷却时，可以省略风干系统；
其中，所述的长纤浸润挤出模具包括熔池底板、熔池上板、导柱、上加热器和下加热器；其中，所述的熔池上板开设有长纤导入孔、热电偶安装孔和熔体压力传感器安装孔；所述的熔池底板开设有挤出模孔、聚合物熔体进料口和热电偶安装孔；熔体压力传感器的安装孔也可开设在熔池底板上；
其中，所述的导柱包含分纤导柱、压平导柱和导向导柱；所述的熔池上板与熔池底板安装后，其内空间构成了长纤浸润熔池，此长纤浸润熔池沿挤出方向截面形状相似但尺寸不同；长纤浸润熔池厚度方向尺寸和宽度方向尺寸均沿挤出方向逐渐收敛，该收敛空间称为收敛流道，收敛流道压缩比定义为长纤浸润熔池入口侧最大截面积与出口侧最小截面积的比值，且收敛流道压缩比范围在1到4.5之间；所述的长纤浸润熔池减去导柱所占空间后所剩空间为模具型腔；
其中，所述的长纤导入孔的截面形状可以为矩形或圆形；当其截面形状为矩形时，其宽度方向尺寸范围为10-16mm，厚度方向尺寸范围为0.5-2mm；当其形状为圆形时，长纤导入孔的直径范围为2-4mm；沿长度方向长纤导入孔的截面面积可以保持不变，也可以逐渐减小，即长纤入口一侧截面面积大于另一侧截面面积；当截面形状为矩形时，其截面面积的改变可通过调整厚度方向尺寸来实现；当截面形状为圆形时，其截面面积的改变可以通过调整截面圆形直径来实现；值得注意的是，当采用截面面积逐渐减小的长纤导入孔时，加工费用会有所提高，但是可以降低聚合物熔体从长纤导入孔冒料现象发生的机率；
其中，所述的挤出模孔直径范围为2-4mm；在挤出模孔内聚合物熔体的流动方向与长纤的牵引方向是相同的；
所述的长纤浸润挤出模具中各组成部分的功能是：
上加热器对熔池上板加热，下加热器对熔池底板加热，熔池上板与熔池底板的热电偶安装孔上安装热电偶，用来测量熔池上板和熔池底板的温度，并将对应热电偶分别接入温控仪表实现温度控制；长纤浸润熔池的功能是给导柱、长纤和聚合物熔体提供空间，让长纤与聚合物熔体充分浸润，具有控制该熔池内聚合物熔体温度和建立聚合物熔体压力的作用；其中，导柱分为分纤导柱、压平导柱和导向导柱三种；分纤导柱主要是将成股的长纤尽量分成小股，从而增加长纤与聚合物熔体的接触面积；压平导柱主要是将初步浸润的长纤压实，进一步增加聚合物熔体与长纤的结合力；导向导柱主要是利用导向槽将与聚合物熔体充分浸润的长纤进行导向，让长纤能顺利通过挤出模孔，而不发生模孔边沿刮落聚合物熔体的现象；其中，导柱的使用数量需根据聚合物的粘度、长纤的拉伸力学性能以及聚合物和长纤的结合情况进行确定。
所述的长纤浸润挤出模具中各组成部分的连接关系如下：上加热器与熔池上板相连，下加热器与熔池底板相连；分纤导柱、压平导柱与导向导柱安装到长纤浸润熔池内；熔池上板与熔池底板相连；
所述的长纤浸润挤出模具中各组成部分的安装过程如下：
所述的分纤导柱、压平导柱和导向导柱安装到熔池底板的安装槽中；所述的熔池上板安装到熔池底板上；所述的上加热器安装在熔池上板上；所述的下加热器安装在熔池底板上；所述的熔池上板与熔池底板都安装热电偶；根据熔体压力传感器安装孔开设的位置不同，将熔体压力传感器安装到熔池上板或熔池底板上。
长纤导入孔的长度计算方法，通过以下步骤实现：
步骤一、使用计算流体力学有限元方法计算模具型腔内的压力分布；计算中可使用四面体网格进行计算区域离散；在聚合物熔体进料口施加熔体流量边界条件和指定温度的温度条件；长纤导入孔给定法向力和切向力均为零的边界条件和指定回流温度的温度条件；挤出模孔出口给定法向力和切向力均为零的边界条件和指定回流温度的温度条件；其它与挤出浸润模具接触的表面给定法向速度和切向速度均为零的速度条件和给定温度的温度条件；计算中还需根据聚合物的流变特性给出本构方程和特征参数；
步骤二、从步骤一计算出的模具型腔内的压力分布中提取长纤导入孔出口压力；
长纤导入孔出口压力，记为Pfo；
步骤三、利用圆环型流道拖曳压力流模型建立长纤导入孔内流体平均流速与长纤导入孔长度、长纤导入孔出口压力及长纤拖曳速度之间的关系，并确定长纤导入孔等效半径、长纤束等效半径、聚合物熔体的表观粘度和聚合物熔体的密度；
步骤三建立的长纤导入孔内流体平均流速与长纤导入孔长度、长纤导入孔出口压力及长纤拖曳速度之间的关系即下面公式(1)：
式(1)中，ro为长纤导入孔等效半径；ri为长纤束等效半径；Vm为长纤导入孔内流体的平均流速；Lf为长纤导入孔长度；Vf为长纤拖曳速度；μa为聚合物熔体的表观粘度；
当采用恒定截面面积的圆形截面的长纤导入孔时，等效半径为圆形截面的半径；
当采用渐变截面面积的圆形截面的长纤导入孔时，等效半径为大端圆形截面半径与小端圆形截面半径之和的一半；
当采用恒定截面面积的矩形截面的长纤导入孔时，等效半径为与矩形截面积一样的圆形半径；
当采用渐变截面面积的矩形截面的长纤导入孔时，等效半径为与大端矩形截面积一样的圆形半径及与小端矩形截面积一样的圆形半径之和的一半；
当采用圆形截面的长纤导入孔时，长纤束等效半径为截面形状为圆形的长纤束半径；
当采用矩形截面的长纤导入孔时，长纤束等效半径为与展开成矩形截面的长纤束截面积相同的圆形的半径；
由于长纤导入孔为开放状态，与大气接触，所以我们在计算过程中假定长纤导入孔入口压力为零，即以大气压强为聚合物熔体相对压力零点；
步骤三中所述式(1)中的长纤导入孔内流体平均流速Vm应大于零，且Vm的方向应与长纤牵引方向一致；
其中，长纤拖曳速度Vf可用时间距离来测量；
步骤四、根据长纤导入孔内流体的平均流速、长纤导入孔出口压力、长纤拖曳速度、长纤导入孔等效半径、长纤束等效半径、聚合物熔体的表观粘度及聚合物熔体的密度，计算长纤导入孔长度；
具体的，是把Pfo、Vf、r0、ri、μa代入式(1)中，设定Vm为零，计算得到长纤导入孔长度Lf的最小值，设计时Lf的取值应大于该最小值；至此，从步骤一到步骤四，完成了长纤导入孔的长度计算。
挤出模孔长度的计算，具体通过以下步骤实现：
步骤A、使用计算流体力学有限元方法计算模具型腔内的压力分布；其中，步骤A的计算中可使用四面体网格进行计算区域离散；在聚合物熔体入口施加熔体流量边界条件和指定温度的温度条件；长纤导入孔给定法向力和切向力均为零的边界条件和指定回流温度的温度条件；挤出模孔出口给定法向力和切向力均为零的边界条件和指定回流温度的温度条件；其它与挤出浸润模具接触的表面给定法向速度和切向速度均为零的速度条件和给定温度的温度条件；计算中还需根据聚合物的流变特性给出本构方程和特征参数；
步骤B、从步骤A计算得到的模具型腔内的压力分布中提取挤出模孔入口处压力；
其中，挤出模孔入口处压力，记为Pei；
步骤C、利用圆环型流道拖曳压力流模型建立挤出模孔内流体平均流速与挤出模孔长度、挤出模孔入口压力及长纤拖曳速度之间的关系，此关系如下公式(2)：
式(2)中，ro1为挤出模孔半径；ri为长纤束半径；μa为聚合物熔体的表观粘度；Ve挤出模孔内流体平均流速；Le为挤出模孔长度；Pei为挤出模孔入口压力；Vf为长纤拖曳速度；
其中，长纤束半径ri在长纤参数中可以得知，聚合物熔体的表观粘度μa可以根据所选用的聚合物物性参数得知，长纤拖曳速度Vf可用时间距离来测量；
其中，步骤C中计算所得Ve与Vf需要满足如下公式(3)的关系：
步骤D、把已知的Pei、Vf、r01、ri、μa代入式(2)中，通过改变挤出模孔长度Le的大小，来调整Ve的大小，使其满足式(3)的要求；至此，从步骤A到步骤D，完成了挤出模孔的长度计算。
有益效果
本发明提出的一种长纤复合材料的造粒生产线，与其它同类造粒生产线相比，具有如下有益效果：
(1)本发明相比其它长纤浸润挤出模具采用了收敛流道结构，可有效缩短聚合物熔体在挤出模具内的停留时间，并有利于增加熔池内的聚合物熔体压力，在防止聚合物熔体过热分解的情况下，有效地提高了长纤浸润的密实度；同时，可以将部分聚合物熔体流动状态从剪切流动转变为拉伸流动，这样使得聚合物分子的流动取向与长纤流动方向一致，有利于提高长纤浸润的密实度；
(2)本发明相比其它长纤浸润挤出模具，提出了计算长纤导入孔长度的方法，其特点为，根据所加工聚合物熔体的粘度、长纤的牵引速度和模具型腔内聚合物熔体的压力分布设计长纤导入孔的长度，可有效防止聚合物熔体从长纤导入孔冒料；
(3)本发明相比其它长纤浸润挤出模具，提出了计算挤出模孔长度的方法，其特点为，根据所加工聚合物熔体的粘度、长纤的牵引速度和模具型腔内聚合物熔体的压力分布设计挤出模孔的长度，有利于提高长纤与聚合物的结合牢固性，提高长纤浸润密实度；
(4)本发明采用分纤导柱，可将大股长纤分为小股长纤，增加长纤与聚合物熔体的接触面积，有利于增加长纤的浸润程度；
(5)本发明采用压平导柱，可将浸润后的长纤压实，改善局部长纤浸润的均匀性外，还可以进一步提高长纤与聚合物熔体结合密实度；
(6)本发明采用导向导柱，可将长纤沿垂直于牵引方向进行导向，让长纤牵引方向正对挤出模孔，防止挤出模孔边沿刮落聚合物现象的发生。
附图说明
图1为本发明一种长纤复合材料的造粒生产线示意图；
图2为本发明一种长纤复合材料的造粒生产线中的长纤浸润挤出模具三维示意图；
图3为本发明一种长纤复合材料的造粒生产线中的长纤浸润挤出模具内聚合物熔体压力分布；
图4为本发明一种长纤复合材料的造粒生产线中的长纤浸润挤出模具内三种导柱结构示意图；
图5为本发明一种长纤复合材料的造粒生产线中的长纤浸润挤出模具内的长纤走向图；
图6为本发明一种长纤复合材料的造粒生产线中的长纤浸润挤出模具实物工作状态照片；
图7为本发明一种长纤复合材料的造粒生产线的造粒实物；
图8为本发明一种长纤复合材料的造粒生产线中的一种采用矩形截面形状长纤导入孔的模具上板三维图。
具体实施方式
下面根据附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明。应当指出，本申请的实施并不局限于下面的实施例，对本申请所做的任何形式上的变通或改变将落入本发明保护范围。
实施例1
如图1所示的长纤复合材料造粒生产线，由挤出机1、长纤存储单元2、长纤预处理单元3、长纤浸润挤出模具5、冷却系统7、风干系统8、牵引系统9、切粒系统10和收集系统12组成；其中挤出机1采用双螺杆挤出机(螺杆直径33mm，长径比40)，对熔融指数为60g/10min的聚丙烯颗粒、抗氧剂(1010和168)以及相容剂进行融化、共混和挤出，并以一定压力为长纤浸润挤出模具5供料；从长纤存储单元2中牵出的长纤4经过长纤预处理单元3预热和预分纤后，引入长纤浸润挤出模具5中，与聚合物熔体复合，形成聚合物浸润长纤复合材料6；聚合物浸润长纤复合材料6经过冷却系统7固化后，经风干系统8吹干；固化干燥后的长纤复合材料6经牵引系统9进入下游切粒系统10；利用牵引系统9可以调整长纤的牵引速度；经过切粒系统10切碎后，形成一定长度的长纤复合材料颗粒11，进入收集系统12；
本例中长纤牵引速度约为100m/min；其中长纤存储单元2中使用的是内部包含纸卷的外抽丝式长纤卷，抽丝过程中长纤卷安装到储线架上，并随储线架一起转动，可以有效缓解长纤的扭结打股效应；
如图2所示为用于三股长纤同时浸润的长纤浸润挤出模具的三维示意图；图2中，长纤浸润挤出模具5(序号见图1)中熔池上板25和熔池底板13安装后，其内的空间构成了长纤浸润熔池14，长纤4(序号见图1)从靠近挤出机1(序号见图1)出口处的长纤导入孔15(直径3mm，长度120mm)引入浸润熔池14，先后经过分纤导柱16、压平导柱17和导向导柱18后，通过挤出模孔19挤出。挤出模孔的直径为3mm，长度为20mm。其中导向导柱18的导向槽20与挤出模孔19正好相对，保证长纤4(序号见图1)顺利通过长纤浸润挤出模具5(序号见图1)成型，且不发生挤出模孔边沿刮落聚合物的现象；本长纤浸润挤出模具5上侧安装加热器21，长纤浸润挤出模具5下侧安装加热器22；且在挤出模具熔池上板25和熔池底板13上开设热电偶安装孔23_1和23_2，安装温度传感器，并接入温控仪表；根据熔池上板25和熔池底板13的设定温度和实际温度的偏差对熔池上板25和熔池底板13分别进行温控；挤出模具熔池上板25上还开设熔体压力传感器安装孔24，安装压力传感器，并接入压力控制仪表，测量模头压力及安全联锁；熔池上板25安装的加热器21还可对长纤进行预热，有利于长纤浸润；此外，聚合物熔体进料口26开设在熔池底板13上；相比其它非收敛式挤出模具，本模具可以降低聚合物熔体在模具中的停留时间，增加模具型腔内熔体压力；本发明给出了长纤导入孔长度的计算方法，该方法解决了长纤导入孔冒料的问题；
图3给出了该长纤浸润挤出模具5长纤浸润熔池14内聚合物熔体的压力分布，从图3中可以看出，在本设计中，当聚合物熔体进料口26给定一定入口压力(2MPa)后，长纤浸润熔池14沿挤出方向和长纤导入孔15内沿长纤牵引相反方向、挤出模孔19内沿挤出方向均呈现压力逐渐降低的趋势。此压力降低的主要是由于长纤浸润熔池表面、导柱表面对聚合物熔体造成阻力、以及挤出模孔的建压阻力导致的。长纤引入孔出口处压力为1.98MPa，根据式(1)计算得Vm/Vf＝0.3301；挤出模孔入口处压力约为1.73MPa，根据式(2)计算得Ve/Vf＝0.3301；两孔长度设计均满足设计要求；
图4给出了该挤出模具使用的三种导柱结构；从左到右分别为分纤导柱、压平导柱和导向导柱；导柱的主体直径均为10mm，分纤导柱上开有深度0.3mm、间距0.4mm的沟槽，压平导柱表面光滑，导向导柱上开有3个沟槽，沟槽深度2.5mm；与其它无分纤导柱的挤出模具相比，该模具可以提高聚合物熔体与长纤的浸润程度；
图5给出了长纤绕导柱走线示意图；长纤4从长纤导入孔15引入长纤浸润挤出模具5，从分纤导柱16下侧穿过，经过压平导柱17上侧，后经导向导柱18的导向槽20下侧牵出；导向导柱18的导向槽20底径的切线方向与挤出模孔19中心线重合，起到长纤导向作用，让长纤能顺利通过挤出模孔，而不发生模孔边沿刮落聚合物的现象；
图6为本专利发明的所使用的一种基于熔体收敛流动原理设计的长纤浸润挤出模具实物工作状态照片；
图7为使用本专利发明的一种长纤复合材料的造粒生产线所制备的长纤复合材料照片；从图中可见，该复合材料中的长纤与聚合物熔体充分浸润，密实度高，颗粒饱满；长纤含量约30％。
实施例2
在实施例1的基础上，使用了具有矩形截面形状长纤导入口的长纤浸润模具。为了便于加工矩形孔，模具上板被分为两个部分，如图8所示；与实施例1相比，实施例2中模具上板加工费用有所增加，但是经过长纤预处理单元处理后的2400tex规格的长纤，在经过宽度为14mm的矩形截面形状的长纤导入口时，长纤没有被再次聚拢；更有利于长纤在模具中以更分散的状态与聚合物熔体浸润结合。
以上对本发明进行了详细的说明，但本发明的具体实施形式并不局限于此；该实施的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，在不背离本发明所述方法的精神和权利要求范围的情况下对它进行的各种显而易见的改变都在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种长纤复合材料的造粒生产线，包括挤出机、长纤存储单元、长纤预处理单元、长纤浸润挤出模具、冷却系统、风干系统、牵引系统、切粒系统和收集系统；
其中，所述的挤出机可为具有塑化混炼功能的单螺杆挤出机、双螺杆挤出机、三螺杆挤出机或多螺杆挤出机，主要起对聚合物的塑化混炼作用；
其中，所述的长纤存储单元主要起存放成卷长纤的作用，供复合材料制备使用，其设计要点在于减少或消除长纤束打扭的现象；
其中，所述的长纤预处理单元主要包括长纤预热功能与长纤预分散功能；长纤预热的目的是将长纤温度提高到聚合物熔体温度，使得长纤表面低分子物挥发的同时，保证长纤的引入不造成聚合物熔体温度的下降；长纤预分散的目的是将成股长纤进行预梳理，降低长纤丝之间的结合力，有利于降低长纤在聚合物熔体中的分散难度；
其中，所述的长纤浸润挤出模具主要起浸润长纤的作用；包括长纤导入口和聚合物熔体入口；长纤与聚合物熔体在长纤浸润挤出模具中复合；长纤与聚合物熔体充分浸润后，形成长纤复合材料；长纤复合材料从长纤浸润挤出模具出料口挤出；
其中，所述的冷却系统主要有水冷和风冷两种形式；当聚合物具有高温水解性能时，需进行风冷；当聚合物性能不受水份影响时，可采用水冷系统；
其中，所述的风干系统，主要是在采用水冷系统的情况下，对长线复合材料进行吹干；
其中，所述的牵引系统提供了长纤复合材料牵引的动力；
其中，所述的切粒系统将长纤复合材料按照设定好的长度进行切割；
其中，所述的收集系统将切割后的长纤复合材料进行收集和包装；
所述的一种长纤复合材料的造粒生产线中各组成部分的连接及上下游关系如下：长纤浸润挤出模具安装在挤出机出口位置；长纤存储单元处于挤出机的侧方或上方；从长纤走向上看，长纤存储单元的下游为长纤预处理单元；长纤预处理单元的下游为长纤浸润挤出模具；长纤浸润挤出模具的下游为冷却系统；冷却系统的下游为风干系统；风干系统的下游为牵引系统；牵引系统的下游为切粒系统；切粒系统的下游为收集系统；挤出机将聚合物熔化、共混和挤出，以一定压力为长纤浸润挤出模具供料；长纤从长纤存储单元上放置的成卷长纤中抽出，经长纤预处理单元预热和分纤后引入长纤浸润挤出模具中；在长纤浸润挤出模具内长纤与聚合物熔体复合，形成聚合物浸润长纤复合材料；长纤浸润挤出模具输出的复合材料，经冷却系统进行冷却和固化；风干系统将经过冷却系统冷却和固化的长纤吹干，即进行干燥处理；牵引系统提供长纤和浸润后复合材料的牵引动力，其牵引速度可调；切粒系统将风干系统输出的冷却、固化及干燥后的复合材料切碎，切割成一定长度的长纤复合材料颗粒；收集系统将收集和包装切粒系统切碎的长纤复合材料颗粒；值得注意的是，当使用风冷系统对浸润后的复合材料进行冷却时，可以省略风干系统；
所述的长纤浸润挤出模具包括熔池底板、熔池上板、导柱、上加热器和下加热器；其中，所述的熔池上板开设有长纤导入孔、热电偶安装孔和熔体压力传感器安装孔；所述的熔池底板开设有挤出模孔、聚合物熔体进料口和热电偶安装孔；熔体压力传感器的安装孔也可开设在熔池底板上；
其中，所述的导柱包含分纤导柱、压平导柱和导向导柱；所述的熔池上板与熔池底板安装后，其内空间构成了长纤浸润熔池，此长纤浸润熔池沿挤出方向截面形状相似但尺寸不同；长纤浸润熔池厚度方向尺寸和宽度方向尺寸均沿挤出方向逐渐收敛，该收敛空间称为收敛流道，收敛流道压缩比定义为长纤浸润熔池入口侧最大截面积与出口侧最小截面积的比值，且收敛流道压缩比范围在1到4.5之间；所述的长纤浸润熔池减去导柱所占空间后所剩空间为模具型腔；
其中，所述的长纤导入孔的截面形状可以为矩形或圆形；当其截面形状为矩形时，其宽度方向尺寸范围为10-16mm，厚度方向尺寸范围为0.5-2mm；当其形状为圆形时，长纤导入孔的直径范围为2-4mm；沿长度方向长纤导入孔的截面面积可以保持不变，也可以逐渐减小，即长纤入口一侧截面面积大于另一侧截面面积；当截面形状为矩形时，其截面面积的改变可通过调整厚度方向尺寸来实现；当截面形状为圆形时，其截面面积的改变可以通过调整截面圆形直径来实现；值得注意的是，当采用截面面积逐渐减小的长纤导入孔时，加工费用会有所提高，但是可以降低聚合物熔体从长纤导入孔冒料现象发生的机率；
其中，所述的挤出模孔直径范围为2-4mm；在挤出模孔内聚合物熔体的流动方向与长纤的牵引方向是相同的；
长纤浸润挤出模具中各组成部分的连接关系如下：上加热器与熔池上板相连，下加热器与熔池底板相连；分纤导柱、压平导柱与导向导柱安装到长纤浸润熔池内；熔池上板与熔池底板相连；
长纤浸润挤出模具中各组成部分的安装过程如下：
所述的分纤导柱、压平导柱和导向导柱安装到熔池底板的安装槽中；所述的熔池上板安装到熔池底板上；所述的上加热器安装在熔池上板上；所述的下加热器安装在熔池底板上；所述的熔池上板与熔池底板都安装热电偶；根据熔体压力传感器安装孔开设的位置不同，将熔体压力传感器安装到熔池上板或熔池底板上，其特征在于：长纤导入孔的长度计算方法，通过以下步骤实现：
步骤一、使用计算流体力学有限元方法计算模具型腔内的压力分布；
步骤二、从步骤一计算出的模具型腔内的压力分布中提取长纤导入孔出口压力；
其中，长纤导入孔出口压力，记为Pfo；
步骤三、利用圆环型流道拖曳压力流模型建立长纤导入孔内流体平均流速与长纤导入孔长度、长纤导入孔出口压力及长纤拖曳速度之间的关系，并确定长纤导入孔等效半径、长纤束等效半径、聚合物熔体的表观粘度；
步骤四、根据长纤导入孔内流体的平均流速、长纤导入孔出口压力、长纤拖曳速度、长纤导入孔等效半径、长纤束等效半径、聚合物熔体的表观粘度，计算长纤导入孔长度。
2.根据权利要求1所述的一种长纤复合材料的造粒生产线，其特征在于：挤出模孔的长度计算，具体通过以下步骤实现：
步骤A、使用计算流体力学有限元方法计算模具型腔内的压力分布；
步骤B、从步骤A计算得到的模具型腔内的压力分布中提取挤出模孔入口处压力；
其中，挤出模孔入口处压力，记为Pei；
步骤C、利用圆环型流道拖曳压力流模型建立挤出模孔内流体平均流速与挤出模孔长度、挤出模孔入口压力及长纤拖曳速度之间的关系，此关系如下公式(2)：
式(2)中，ro1为挤出模孔半径；ri为长纤束半径；μa为聚合物熔体的表观粘度；Ve挤出模孔内流体平均流速；Le为挤出模孔长度；Pei为挤出模孔入口压力；Vf为长纤拖曳速度；
其中，长纤束半径ri在长纤参数中可以得知，聚合物熔体的表观粘度μa可以根据所选用的聚合物物性参数得知，长纤拖曳速度Vf可用时间距离来测量；
其中，步骤C中计算所得Ve与Vf需要满足如下公式(3)的关系：
步骤D、把已知的Pei、Vf、r01、ri、μa代入式(2)中，通过改变挤出模孔长度Le的大小，来调整Ve的大小，使其满足式(3)的要求；至此，从步骤A到步骤D，完成了挤出模孔的长度计算。
3.根据权利要求1所述的一种长纤复合材料的造粒生产线，其特征在于：步骤一计算中可使用四面体网格进行计算区域离散；在聚合物熔体进料口施加熔体流量边界条件和指定温度的温度条件；长纤导入孔给定法向力和切向力均为零的边界条件和指定回流温度的温度条件；挤出模孔出口给定法向力和切向力均为零的边界条件和指定回流温度的温度条件；其它与挤出浸润模具接触的表面给定法向速度和切向速度均为零的速度条件和给定温度的温度条件；计算中还需根据聚合物的流变特性给出本构方程和特征参数；
步骤三建立的长纤导入孔内流体平均流速与长纤导入孔长度、长纤导入孔出口压力及长纤拖曳速度之间的关系即下面公式(1)：
式(1)中，ro为长纤导入孔等效半径；ri为长纤束等效半径；Vm为长纤导入孔内流体的平均流速；Lf为长纤导入孔长度；Vf为长纤拖曳速度；μa为聚合物熔体的表观粘度；
其中，长纤拖曳速度Vf可用时间距离来测量；
当采用恒定截面面积的圆形截面的长纤导入孔时，等效半径为圆形截面的半径；
当采用渐变截面面积的圆形截面的长纤导入孔时，等效半径为大端圆形截面半径与小端圆形截面半径之和的一半；
当采用恒定截面面积的矩形截面的长纤导入孔时，等效半径为与矩形截面积一样的圆形半径；
当采用渐变截面面积的矩形截面的长纤导入孔时，等效半径为与大端矩形截面积一样的圆形半径及与小端矩形截面积一样的圆形半径之和的一半；
当采用圆形截面的长纤导入孔时，长纤束等效半径为截面形状为圆形的长纤束半径；
当采用矩形截面的长纤导入孔时，长纤束等效半径为与展开成矩形截面的长纤束截面积相同的圆形的半径；
由于长纤导入孔为开放状态，与大气接触，所以我们在计算过程中假定长纤导入孔入口压力为零；
其中，入口压力以大气压强为聚合物熔体相对压力零点。
4.根据权利要求1所述的一种长纤复合材料的造粒生产线，其特征在于：
步骤三中所述式(1)中的长纤导入孔内流体平均流速Vm应大于零，且Vm的方向应与长纤牵引方向一致。
5.根据权利要求1所述的一种长纤复合材料的造粒生产线，其特征在于：步骤A计算中可使用四面体网格进行计算区域离散；在聚合物熔体入口施加熔体流量边界条件和指定温度的温度条件；长纤导入孔给定法向力和切向力均为零的边界条件和指定回流温度的温度条件；挤出模孔出口给定法向力和切向力均为零的边界条件和指定回流温度的温度条件；其它与挤出浸润模具接触的表面给定法向速度和切向速度均为零的速度条件和给定温度的温度条件；计算中还需根据聚合物的流变特性给出本构方程和特征参数。
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