CN107000336B - 用于生产单向纤维增强塑料材料的方法和用于进行所述方法的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于连续生产纤维含量在10到70体积％范围内的单向纤维增强塑料材料的方法，其中至少一个纤维股(6)被引导经过具有在0.1到5.0mm范围内的敞开式通道高度的流道(10)，并且通过扩散元件(9.1、9.2、9.3)扩散，并且利用粘度范围介于10³mPa s和10⁸mPa s之间的熔融热塑性塑料浸渍。在所述浸渍期间，将振动施加到所述至少一个纤维股，并且施加到所述流道中的所述塑料熔融物。本发明进一步涉及一种用于进行所述方法的装置。

Description

用于生产单向纤维增强塑料材料的方法和用于进行所述方法 的装置

技术领域

本发明涉及一种用于连续生产纤维含量在10到70体积％范围内的单向纤维增强塑料材料的方法，其中至少一个纤维股被引导经过具有在0.1到5.0mm范围内的敞开式通道高度的流道，并且通过扩散元件扩散，并且利用粘度范围介于10³mPa·s和10⁸mPa·s之间的熔融热塑性塑料浸渍。

此外，本发明涉及一种用于连续浸渍纤维材料的装置，所述装置包含具有加热元件的外壳、用于进料熔融物的挤压机连接件和用于将至少一个纤维股递送到流道中的至少一个开口，所述流道具有至少一个用于纤维股的扩散元件并且具有在其中进行所述纤维股浸渍的在0.1到5.0mm范围内的敞开式通道高度，并且包含用于排放所述至少一个经浸渍纤维股的出口喷嘴。

背景技术

US 4,439,387和US 5,277,566公开用于将纤维股浸渍塑料的通用方法和装置，其中以不同方式重新定向所述纤维股，在所述纤维上产生张力，并且使所述纤维股扩散开以使聚合物接近所述纤维之间的中间空间。装置具有可分离的浸渍插入件，所述可分离的浸渍插入件具有相反扩散元件，其处于闭合状态时形成具有低通道高度和间隙宽度的聚合物流道并且其中所递送的纤维股被扩散并且被所注射的聚合物渗透。然而，所述方法的缺点是敏感性纤维暴露于大量机械和热应力。在纤维上聚合材料的均一分布仅有可能与极高应力相关而极其大量扩散，由此对纤维造成损坏或最不利的情况由于纤维撕裂而造成生产中断。此外，塑料熔融物的粘度应尽可能保持较低，但塑料需要在高温下工作。结果，然而塑料有时受到损坏或由于塑料所暴露的温度/时间经历增加而至少其特性改变。

发明内容

因此，本发明的目标是研发一种方法，所述方法使得纤维股，甚至相对较厚的纤维股能够在较低机械和热负荷下利用热塑性塑料浸渍，并且所述方法仍然可以经济地并且以较高的生产速度在连续操作下进行。此外，本发明的目标是提供一种用于进行所述方法的相应装置。

具体实施方式

关于所述方法，上文提及的目标根据本发明通过上文所提及类型的方法获得，其中在浸渍期间，将振动施加到至少一个纤维股并且施加到流道中的塑料熔融物。

在根据本发明的方法中，一个或多个纤维股经过具有低通道高度的窄流道，其中浸渍利用热塑性塑料熔融物进行。扩散纤维股并且利用熔融热塑性塑料包围纤维股的扩散元件位于流道中。根据本发明，在浸渍期间，使纤维股和塑料熔融物振动。

由于通过振动引起的定向激发，熔融塑料流过扩散的纤维股被简化，并且塑料黏附到每一个别纤维的表面大体上经加速。这还要求较高纤维内含物和较大纱线厚度，因为由于振动，聚合物熔融物有可能不仅从上方和下方而且从侧面渗透到纤维股中。可以通过根据本发明的方法显著降低根据用于扩散纤维股和获得均一浸渍的常规方法(无振动)所必需的高压。同时，在较低温度下纤维股被熔融塑料渗透是有可能的，因为注射到流道中的塑料熔融物的剪应力通过振动增强。因此，可以没问题地使用甚至相对较高粘性熔融物，确保根据本发明的方法可以宽范围地选择热塑性塑料。在根据本发明的方法中没问题地使用的熔融热塑性塑料的粘度范围介于10³mPa·s和10⁸mPa·s之间。此外，在浸渍期间，通过因振动引起的额外能量输入，在流道中的滞留时间减少。这种优势是仅使热塑性塑料熔融物相对简单地达到升高的温度，并且因此不存在因破裂工艺导致熔融物中温度相关改变的风险。

通过实际上流道仅具有在0.1mm到5.0mm范围内的较低的大体上恒定的通道高度，使得浸渍仅需要小体积的塑料熔融物，并且由于狭窄的流道，对于塑料熔融物几乎没有死体积(dead volume)，从而进一步对根据本发明的方法的经济功效作出贡献。通道高度仅理解为流道的净高。用于递送纤维股的开口和用于将塑料熔融物注射到流道中的开口(还称为闸门)以及用于经浸渍纤维股的出口开口可具有与这不同的通道宽度和高度。流道的取向通常是水平的，但流道还可能垂直或倾斜取向，其中流向(纤维股和塑料熔融物的通道)可以朝上或朝下进行。

通过根据本发明的方法使用振动实现以较高的生产速度利用塑料浸渍纤维上的很大改良，另外使得尤其仔细地操作纤维股，由此生产可靠性增加并且由因撕裂引起的生产中断减少到零。

纤维股宜在具有沿流向的波状结构的流道中引导，其中波状结构的波状起伏充当用于纤维股的扩散元件。波状结构应理解为波状的横截面轮廓，其具有两个平行、大体上正弦轮廓，其中一个轮廓形成流道的基底，并且另一轮廓与基底以形成通道高度的间距平行布置。当纤维股穿过流道时，纤维股与波状起伏接触，使得波状起伏扩散纤维股。因此，流道的波状结构的波状起伏充当扩散元件。

如果纤维股在具有销插入件和/或圆杆作为扩散元件的流道中引导，那么提供本发明的另一特征。所述销插入件或圆杆还在流道中扩散纤维股。此外，它们可以嵌入流道的波状结构中，而且还可以在无波状结构的流道中或在无波状结构的流道部分中作为单一扩散元件提供。

为了纤维增强塑料材料还能利用不同的几何结构从具有低纱线厚度的纤维股或呈轮廓形式的纤维增强塑料材料经济地生产，已证实值得将多个经浸渍纤维股合并到经浸渍纤维束中。纤维束还可以提供为纤维条带。对于所述要求，就根据本发明得装置而言，在流道末端，出口喷嘴具有出口开口，其中多个经浸渍纤维股合并到经浸渍纤维束中。

根据本发明，所用的纤维是由玻璃、碳、钢铁或塑料或矿物或纤维素制成的连续纤维，所述连续纤维的直径在5到50μm范围内，合并到纱线厚度是200到9600特克斯(tex)的纤维股中并且宜卷绕、不缠绕在卷盘上。多个纤维股还可以不缠绕地卷绕在一起，也就是说这些纱存在于堆叠卷盘上。塑料可以包含抗高温塑料，如聚酰胺、聚酯或芳族聚酰胺。应理解包括矿物纤维(如玄武岩和纤维素纤维)，应理解包括亚麻纤维、大麻纤维或剑麻纤维的天然纤维也适用于根据本发明的方法。

所有常规热塑性塑料，如聚乙烯、聚丙烯或所有乙烯-丙烯共聚物都适用作热塑性塑料来浸渍纤维股。此外，根据本发明，可以宜使用聚酯和聚合物的变体，而且可以根据本发明使用高性能塑料，如聚甲醛、聚苯醚、聚苯硫醚、聚氨基甲酸酯、聚碳酸酯、丙烯腈丁二烯苯乙烯三元共聚物、聚醚酮或此外可生物降解塑料，如聚乳酸或聚羟基烷酸酯。

根据本发明施加到纤维股进行扩散的电压在20到1000N，优选20到500N范围内。浸渍工艺所需的电压根据塑料熔融物的粘度和适当地针对材料和纤维股的特性设定。

在根据本发明的方法中在浸渍工艺期间膨胀纤维股和熔融塑料所暴露的振动在50Hz到100kHz，优选50到2000Hz的较宽频率范围内。在这种情况下，优选地将幅度，亦即弹簧挠度设定在0.1到5mm范围内。

在根据本发明的方法中，生产速度在5到100m/min范围内。这些速度使得能够低成本生产纤维增强塑料材料。

此外，视扩散元件的位置和作用于流道的振动的强度而定，有可能将浸渍方法划分为预浸渍阶段和后浸渍阶段。举例而言，预浸渍纤维股可以藉助于连续扩散元件被后浸渍，其中其它熔融塑料可以从一个或多个流道中被吸收。由于振动作用，浸渍品质得到另一改良。

除了生产方法以外，本发明还关于一种用于利用挤压热塑性塑料连续浸渍纤维股的装置。对于装置，根据本发明获得从上文陈述的目标介绍中提及的所属类型的浸渍装置开始，在所述浸渍装置中用于产生作用于流道的振动的单元安装于外壳上。

本发明的目标是使得纤维股，甚至相对较厚纤维股或在高纤维含量的情况下能够在较低机械和热负荷下以高生产速度在低成本和连续操作下利用热塑性塑料进行浸渍。与此相关，对于根据本发明的装置至关重要的是作用于装置的流道的单元适用于产生振动。通过振动实现对以高生产速度利用塑料浸渍个别纤维上的很大改良，另外使得尤其仔细地操作纤维股，由此生产可靠性增加并且由因撕裂引起的生产中断减少到零。

在所属权利要求书中公开根据本发明的装置的有利实施例。就如所属权利要求书中陈述的装置的实施例再现关于根据本发明的方法的所属权利要求书中提及的程序来说，对上文有关相应方法权利要求项的陈述作出补充说明参考。

关于本发明，如果用于产生振动的单元包含旋转不平衡或行波电动机或滑块曲柄或电磁或压电振动发生器或超声波发生器或这些的组合，那么已经证明是有利的。所谓的不平衡电动机还指定为具有旋转不平衡的振动发生器。

用于产生振动的单元宜包含两个振动发生器，当以相反方向操作时，其产生方向性振动。因此，可以发生圆形或方向性或间歇性或前进动作。

根据本发明，可以进行振动的产生，其中安装于轴末端处两侧上的不平衡重块随着它们旋转产生圆形振动，因此经由电动机基座将振动施加于连接的流道上。

示例性实施例

以下参考示范性实施例更详细地解释本发明。

在示意图中：

图1展示从上方倾斜地视角根据本发明的装置；

图2a展示浸渍插入件的横截面，其中流道具有波状结构并且纤维股流经所述流道；

图2b展示根据图2a的纤维股流经的流道的放大视图；

图3a展示浸渍插入件，其中流道具有销插入件；

图3b展示根据图3a的纤维股流经的流道的放大视图；

图4展示浸渍插入件，其中流道具有圆杆状插入件；

图5展示用于产生振动的不平衡驱动器的工作模式；

图6展示用于产生振动的滑块-曲柄机构的工作模式；

图7展示用于产生振动的电磁振动发生器的工作模式；

图8展示用于产生振动的压电振动发生器的工作模式。

图1中，用于进行根据本发明的方法的浸渍装置在透视图中说明。装置具有带有加热元件或加热杆2的可分离外壳1。此外，外壳1具有用于递送熔融物的挤压机连接件3，并且还具有可分离浸渍(这里未展示)，其中流道具有波状结构或/和销插入件和/或圆插入件。用于产生振动的单元4，例如不平衡电动机或超声波发生器可以在图1中的外壳侧面上看到。纤维股6经由这里不可见的入口开口侧向地进入浸渍插入件。最终的单向纤维增强塑料材料7在优选地可更换的出口喷嘴5处侧向地离开。

图2a展示具有波状结构的浸渍插入件的横截面，其中可以看到纤维股6在入口开口8处进入并且呈经浸渍纤维股形式的经浸渍塑料材料7在出口喷嘴5处离开。图2a的流道10的详情展示于图2b中。波状流道10是由两个具有波状结构的相对板9(简单地称为波状板)形成，其处于闭合状态形成3mm净通道高度的均一间隙。将纤维股6(或多个未浸渍的纤维股6)在入口开口8处引入流道10中，其中纤维股6从卷盘(未更详细地展示)连续并且不缠绕地递送。当纤维股6引入入口开口8中时，纤维股6优选地已经预加热、先张并且加宽到特定尺寸。如图2b中更详细地展示，在流道10中，纤维股6与波状板9的波状起伏接触，所述波状板配置为在上面进行扩散的扩散元件9.1。

塑料熔融物的递送经由具有连接系统用于熔融物分配的挤压机连接件3进行。多位置或还有分支闸门几何结构是可能的；同样有可能利用不同注射角度操作。聚丙烯呈热塑性塑料熔融物形式递送到流道10，其中其渗透扩散纤维股6并且润湿并且浸渍每一个别纤维。浸渍通过从纤维股6和流道10排出气相进行。所释放气体可易于经由用于纤维股6的入口开口8逸出。流道10同时用熔融塑料填充。经受剪切的塑料熔融物具有在10³到10⁸mPa·s范围内的粘度。在聚丙烯的情况下，粘度值是大约60Pa·s。浸渍工艺通过振动进行优化，用于产生振动的单元4作用于流道10和位于其中的塑料熔融物中的纤维股6，并且经浸渍纤维股7呈纤维增强塑料材料形式获得。由于聚合物和纤维股6的频率依赖性激发，所以在不使用高扩散力或张力的情况下实现对两种媒质的深度渗透。可使用不平衡电动机，例如振动发生器。

无波状板的浸渍插入件的其它可能组态展示于图3a、图3b和图4中。图3a和图3b展示在流道10中，一系列被配置为具有圆头的扩散元件和偏转元件的销插入件9.2。这些销插入件9.2能够可代替地或固定地装配在插入件中，或可直接机器加工为碾磨轮廓到浸渍插入件中。如图4中展示，在流道10中的圆杆9.3充当扩散和偏转元件。在这种情况下同样至关重要的是流道10具有较低的敞开式通道宽度。在这种情况下敞开式通道宽度是4mm。

在流道10的另一变异体(图中未示)中，可以将波状扩散元件9.1与销插入件9.2或/和圆杆9.3或与经不同成形的偏转元件组合。

可以配置为波状扩散元件9.1，如销插入件9.2或如圆杆9.3的扩散元件具有横截面尺寸，所述横截面尺寸以使得设定预定(并非最大)程度的加宽(扩散)纤维性结构的方式。设定扩散元件9.1、9.2、9.3相对于彼此的相对位置使得被引导经过流道10的纤维股6仅稍微偏转出其线性路径并且保持熔融塑料的体积越小越好。

在任何情况下，位于流道10以及扩散纤维6中的熔融塑料的激发借助频率控制振动进行，使得实现利用塑料浸渍纤维上的很大改良，同时能够极其温和地操作纤维。

在图5中示意性地展示根据本发明的装置的另一实施例。在这种情况下，使外壳1和具有波状板9的浸渍插入件振动。附图展示如何通过旋转不平衡圆盘12的离心力，平衡质量驱动器11产生振动，所述振动借助连接元件13传输到外壳1和位于其中的纤维股6，所述纤维股在波状结构9的波状扩散元件9.1上扩散，使得经浸渍纤维股7经引导离开外壳1。

图6展示本发明的另一实施例，其中使外壳1和具有扩散元件9.1的浸渍插入件借助于滑块-曲柄机构振动。附图展示激发力是如何通过与外壳1分离安装的偏心轴14生成并且如何经由驱动杆15直接传输到外壳1和具有波状结构9的浸渍插入件中的塑料熔融物中的纤维股6。

图7展示本发明的另一实施例，其中使用电磁振动器。示意图展示电磁驱动外壳1固定地连接到电磁体17的衔铁16，并且连接到自由质量18，所述自由质量借助抵靠着外壳1作为第二质量的先张卷材或片簧19支撑。激发力通过两个以镜像配置的电磁体(并未都在附图中展示)施加，并且通过连接到交流电源(图中未示)产生脉动拉伸力和剪切力。电磁体固定地连接到抗振动框架20，在上面外壳1还借助弹簧21支撑。这个实施例的优势是电磁体17的频率可以根据需要借助未在附图中展示的频率控制装置设定。

图8展示本发明的另一实施例，其中振动借助压电驱动器生成。附图展示呈压电换能器形式的主动弯曲元件22在不同情况下固定地连接到外壳1，其中塑料熔融物中的纤维股6位于具有扩散元件9.1的浸渍插入件中，并且连接到具有可能的额外重块24的支撑板23。弯曲元件22是压电陶瓷弹簧，其由附图中未展示的支撑板、弹性材料和由其上安装的压电陶瓷材料制成的板组成。弯曲元件22连接到交流电电压(附图中未展示)，并且然后由于反压电效应，它们开始随着交流电电压的频率振动，振动由具有元件符号25的箭头表示。这种振动经由安装板26直接传输到外壳1并且传输到具有位于其中的波状结构9的浸渍插入件。

产生附图中未展示但是从图1中调适的振动的另一可能性是借助使用产生运动的压电效应的行波电动机(超声波电动机)进行振动。在这种情况下，运动通过高频率振动生成，其频率在听不见的超声波范围内。

由于调节振动具有较大弹性，所以根据本发明的方法使得能够加工对热极其敏感的聚合塑料和纤维，并且下文参考另一实例进行解释。

实例1(根据本发明)

根据本发明的方法，将平均直径是17μm的光纤利用具有5重量％乙烯比重的乙烯/丙烯共聚物浸渍。这种聚合物熔融物在240℃的加工温度下的粘度和在这种情况下出现的剪切速率大约是60Pa·s。振动通过不平衡电动机生成并且在3000rpm下的频率是50Hz并且弹簧挠度是0.3mm。

实例2(比较实例)

以相同的生产速度重复实例1，但是不受振动影响。为了获得具有相同组成(相同纤维含量)和大致相同浸渍品质的产物，然而，必须增加扩散张力并且必须提高熔融塑料的温度以便将熔融物的粘度设定到大约40Pa·s。在下表中概述结果。

表格

从所提供得示例性实施例显而易见，与根据常规方法的浸渍相比，根据本发明的方法可以利用大体上更低的扩散张力(其在纤维上更轻柔)和更低的温度进行，其中生产速度保持大致相同。

参考符号清单

外壳 1

加热杆 2

挤压机连接件 3

振动产生单元 4

出口喷嘴 5

未浸渍纤维股 6

经浸渍纤维股 7

入口开口 8

波状结构，波状板 9

波状扩散元件 9.1

销插入件 9.2

圆杆 9.3

流道 10

平衡质量驱动器 11

不平衡圆盘 12

连接元件 13

偏心轴 14

驱动杆 15

衔铁 16

电磁体 17

自由质量 18

片簧 19

抗振动框架 20

弹簧 21

弯曲元件 22

支撑板 23

额外重块 24

箭头 25

安装板 26

Claims (18)

1.一种用于连续生产纤维含量在10到70体积％范围内的单向纤维增强塑料材料的方法，其中至少一个纤维股(6)被引导通过具有在0.1到5.0mm范围内的敞开式通道高度的流道(10)，并且通过扩散元件(9.1、9.2、9.3)在那里扩散，并且利用粘度范围介于10³mPa·s和10⁸mPa·s之间的熔融热塑性塑料浸渍，所述方法的特征在于在所述浸渍期间，将振动施加到所述至少一个纤维股(6)并且施加到所述流道(10)中的所述塑料熔融物，并且其中当所述纤维股(6)在所述浸渍期间扩散时，设定在20到500N范围内的机械张力。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述纤维股(6)在具有沿流向的波状结构(9)的流道(10)中被引导，其中所述波状结构(9)的波状起伏充当用于所述纤维股(6)的扩散元件(9.1)。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述纤维股(6)在具有销插入件(9.2)和/或圆杆(9.3)作为扩散元件的流道(10)中被引导。

4.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的方法，其特征在于多个经浸渍纤维股(7)被合并到经浸渍纤维束中。

5.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的方法，其特征在于使用连续纤维，所述连续纤维是由玻璃或钢铁或碳或塑料或矿物或纤维素制成，所述连续纤维具有在5到50μm范围内的直径并且被合并到纱线厚度是200到9600特克斯的纤维股(6)中。

6.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的方法，其特征在于聚乙烯或聚丙烯或乙烯-丙烯共聚物或者聚酰胺或聚酯的变体用作热塑性塑料以用于浸渍所述纤维股(6)。

7.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的方法，其特征在于包括聚甲醛或聚苯醚或聚苯硫醚或聚氨基甲酸酯或聚碳酸酯或丙烯腈丁二烯苯乙烯三元共聚物或聚醚酮的高性能塑料用作热塑性塑料以用于浸渍所述纤维股(6)。

8.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的方法，其特征在于可生物降解塑料用作热塑性塑料以用于浸渍所述纤维股(6)。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于所述可生物降解塑料是聚乳酸或聚羟基烷酸酯。

10.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的方法，其特征在于在所述浸渍期间在所述流道(10)中暴露于经扩散的纤维股(6)和所述熔融塑料的所述振动被设定在0.05到100kHz范围内。

11.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的方法，其特征在于在所述浸渍期间在所述流道(10)中暴露于经扩散的纤维股(6)和所述熔融塑料的所述振动被设定在0.05到20kHz范围内。

12.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的方法，其特征在于所述方法以在5m/min到100m/min范围内的生产速度进行。

13.一种使用根据权利要求1到9中任一权利要求所述的方法来实施利用挤压热塑性塑料连续浸渍纤维股(6)的装置，所述装置包含具有加热元件(2)的外壳(1)、用于递送熔融物的挤压机连接件(3)和用于将至少一个纤维股(6)递送到流道(10)中的至少一个开口(8)，所述流道具有用于所述纤维股(6)的至少一个扩散元件(9.1；9.2；9.3)并且具有在0.1到5.0mm范围内的敞开式通道高度，在所述流道中进行对所述纤维股(6)的浸渍，并且所述装置包含用于排放所述至少一个经浸渍纤维股(7)的出口喷嘴(5)，其特征在于作用于所述流道(10)的用于产生振动的单元(4)安装于外壳(1)上，其中用于产生振动的所述单元(4)包含当沿相反方向操作时产生方向性振动的两个振动发生器，并且当所述纤维股(6)在所述浸渍期间扩散时，设定在20到500N范围内的机械张力。

14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于所述流道(10)具有沿所述流向的波状结构(9)，其波状起伏被形成为用于所述纤维股(6)的扩散元件(9.1)。

15.根据权利要求13或14所述的装置，其特征在于所述流道(10)具有销插入件(9.2)和/或圆杆(9.3)作为扩散元件。

16.根据权利要求13或14所述的装置，其特征在于在所述流道(10)末端处，所述出口喷嘴(5)具有出口开口，在所述出口开口中多个经浸渍纤维股(7)被合并到经浸渍纤维束中。

17.根据权利要求13或14所述的装置，其特征在于所述单元(4)包含不平衡电动机或行波电动机或滑块曲柄机构或电磁或压电振动发生器或超声波发生器以用于产生振动。

18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于安装于轴末端处两侧上的不平衡重块中产生的所述振动随着所述不平衡重块旋转产生圆形振动，因此经由电动机基座将振动施加于经连接的流道上。

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