CN1087684C

CN1087684C - 连续纤维增强的挤出材料的结构及其制造方法

Info

Publication number: CN1087684C
Application number: CN97114543A
Authority: CN
Inventors: 林进益; 李世阳; 陈俊钦; 童天送
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 1997-07-09
Filing date: 1997-07-09
Publication date: 2002-07-17
Anticipated expiration: 2017-07-09
Also published as: CN1204572A

Abstract

本发明是提供连续纤维增强的挤出材料的结构及其制备工艺，它使用挤出机中所配的十字模头，可将多层预浸树脂的连续纤维覆盖于塑料基材的表面或基材内以增加其抗弯强度及弯曲模量，而达到增强的效果。

Description

连续纤维增强的挤出材料的结构及其制造方法

本发明是关于增强材料的结构及其制造方法，且特别是关于以连续纤维增强的挤出塑料材料的结构及其制造方法。

已知几种制造增强材料的方法，说明如下：

已知技术一：

其制造增强材料的程序是先以拉挤成型技术(pultrusion)完成第一轮廓形材(first profile)，然后再使用挤出机将热塑性材料挤出包覆在第一型材上，形成第二轮廓形材。然而该技术必须在包覆过程中良好控制温度以得到最佳的接合质量，且该方法所构成的增强材料，其第一轮廓形材是以热固性树脂浸渍的连续纤维，它无法再加热进行二次加工，且它无发泡方式，无法进行刨、钉、熔接等二次加工。

已知技术二：

它结合挤出机使连续纤维增强材料能在浸渍器上充分浸渍而制成纤维增强塑料物品；浸渍器由分割管线(split casing)及展开单元(spreader unit)组合成一弯曲路径的模穴，以利用纤维丝经过模穴内时能充分用树脂浸渗，而树脂的供料以挤出机与该浸渍器接合，而挤出熔融树脂到模穴内，而与纤维浸渍在一起。然而无定型聚合物(amorphous polymer)无法在该制备过程中充分浸渗树脂，在弯曲路径内纤维受到的阻力大，易产生断纤，无法制造宽厚平板。且该结构无发泡，比重较大；除此之外，纤维只能单一方向排列。

已知技术三：

它是在一特殊模头中设计了多个纤维丝侧边入口，当该模头接到挤出机上后，穿入纤维丝便可挤出内含纤维丝增强的材料的热塑性圆棒材料。然而该发明的增强材料纤维的含量无法提高，增强效果有限，纤维多数弯角过大容易产生断纤，纤维排列方向单一且松散，无法发挥其应有的弯曲模量与抗弯强度，且无发泡比重大。

已知技术四：

它是将纤维丝增强材料拉穿经过挤出机的十字模头内，利用挤出树脂的高压与纤维丝能充分浸渗，浸渗后的共挤出品冷却后形成一纤维增强热塑性物品。然而此无定型聚合物无法在该制备过程中充分浸渗树脂，纤维入十字模可能产生回吐现象，只适合单一方向的增强材料。

因此，为改善已知增强材料的缺点，本发明提出一种以连续纤维增强的挤出塑料的增强材料结构及其制造方法，其中挤出塑料可采用发泡式或是非发泡式；增强纤维可采取单一方向、编织布型态或是非织布编织型态的纤维席，使增强材料的设计更具有弹性，使其在预浸器中先用热塑性或热固性树脂充分浸渗，形成浸渗有树脂的纤维预浸材料，使它在与挤出材料挤出成型时，以其所含有的树脂充当界面的粘着剂。当挤出材料的塑料使用发泡形式时，连续纤维增强材料更具可钻、刨、钉及锯等特性；而且所有塑料及增强连续纤维都可采用热塑性材料，可经二次加热成型加工及可粉碎回收再利用。

根据本发明的连续纤维增强挤出材料，其结构包括：一塑料层；两预浸有树脂的增强连接纤维，形成至少由一塑料层及两预浸有树脂的连续纤维所构成的增强挤出材料。其中该增强连续纤维是对称的位于该塑料层内；或对称接合在该塑料层的上、下两表面，形成一三明治状结构，且该塑料内还包括至少一增强连续纤维；或者是由多个上述三种纤维增强结构中之一的组合而形成的纤维增强结构。配合挤出模头的设计，可制造出具有平板状、L型或棒状等特定形状的挤出增强材料。

根据本发明的连续纤维增强挤出材料，其制造方法之一主要是：备有一挤出机，使该挤出机配合模头设计挤出一种具特定形状的塑料层；另备有一卷以上预浸有热塑性或热固性树脂的片状增强纤维，使该增强纤维受热而与该挤出机模头挤出的塑料层接合在一起，经由定型模定型、冷却后形成一连续纤维增强挤出材料。另一制造方法是将预浸有热塑性或热固性树脂的增强纤维以粘贴方式附着在挤出塑料上，以形成一连续纤维增强挤出材料。以上两种方法可按需要而在增强挤出表面覆盖一厚度为0.2-1.0mm的表层，以增加增强材料的抗弯强度、弯曲模量及增加美观性。

为使本发明上述的和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下：

附图的简单说明：

图1是根据本发明的纤维增强挤出材料的立体图。

图2是根据本发明的纤维增强挤出材料的侧视放大图。

图3是根据本发明的第一实施例的装置图。

图4是根据本发明的第二实施例的装置图。

图5是根据本发明的第三实施例的装置图。

图6是根据本发明的第四实施例的装置图。

图7是根据本发明的第五实施例的装置图。

图8是根据本发明的第六实施例的装置图。

参照图1和2，本发明是将增强纤维例如玻璃纤维、碳纤维、有机纤维，用热塑性或热固性树脂在浸渍器中充分预浸，形成含有树脂的增强纤维，使其在挤出机加热后可紧密粘贴在挤出塑料上。在本实施例中是利用至少两卷宽度例如约50cm、厚约0.5mm且浸渗有热塑性聚苯乙烯系树脂的连续增强纤维由供料架同时进入挤出机的十字模头内，使其对称熔接在挤出机挤出的具有特定形状的热塑性塑料例如聚苯乙烯树脂，其厚度例如约为6.5mm，而形成一种上下两面纤维增强材料(12a，12b)而将具有特定形状的塑料(10)包裹于其中的三明治状构造。其中增强纤维可为玻璃纤维、碳纤维或是有机纤维，其纤维型态可采取单一方向排列、编织布型态连续纤维或是长纤维不织布型态的纤维席；而热塑性塑料可按需要采用发泡或非发泡型态；而发泡型态的塑料可减少增强式挤出材料的比重，使其更具有弹性。该连续纤维增强挤出材料的表面可再以表层(13a，13b)包覆，以增加其弯曲模量及美观性：例如可用厚度约为0.25mm的热塑性表层例如聚苯乙烯覆盖在纤维增强挤出材料的外面，以增加结构的弯曲模量及美观性。经定型模冷却定型后，形成一宽约50mm，厚约8mm且具有特定形状的连续纤维增强挤出材料。

以上述原理为基准，配合不同的挤出机装置及各工艺，以达到具有不同模量的纤维增强材料；其制造方法用下列实施例说明。

实施例一

参照图3，提出一挤出机100，然后由增强纤维供应器112将一卷以上的其上预浸有热塑性或热固性树脂的胶卷114的片状纤维116拉穿在挤出机100的十字模头110内，预浸有树脂的增强纤维在模头内受热与挤出机挤出的可塑性塑料接合在一起，形成一上、下两表面被增强纤维包覆的结构118。然后再经定型模128冷却定型，形成一连续纤维增强挤出材料130。该方法可按需要调整增强纤维在塑料的内埋位置及其内埋的层数，且塑料也可采取发泡或不发泡两种型态，以增加结构的可塑性，而且纤维增强挤出材料可在其表面增加一层表层，以增加结构的弯曲模量及美观性，且可配合挤出模头的设计，制造出具有平板状、L型或圆棒状等特定形状的挤出增强材料。

实施例二

参照图4，提出一挤出机100，然后由增强纤维供应器112将一卷以上的其上预浸有热塑性或热固性树脂的胶卷114的片状纤维116拉穿于挤出机100的十字模头110内，预浸有树脂的增强纤维在模头内受热与挤出机挤出的可塑性塑料接合在一起，形成一种上下两表面被增强纤维包覆的结构118；接着，经由另一挤出机120上的表层模头122在结构表面贴上一层表层，形成一具有表层的纤维增强结构124。其中，表层模头可与塑料挤出模头合而为一，于模头形成纤维增强结构124时立即包覆表层于其表面。然后具有表层的纤维增强结构124再经定型模128冷却定型，形成一具有表层的连续纤维增强挤出材料132。该方法可按需要调整增强纤维在塑料的内埋位置及其内埋的层数，塑料亦可采取发泡或不发泡两种型态，以增加结构的可塑性，且可配合挤出模头的设计，制造出具有平板状、L型或圆棒状等特定形状的挤出增强材料。

实施例三

参照图5，提出一挤出机100，将两卷其上预浸有热塑性或热固性树脂的胶卷114的片状纤维116拉穿于挤出机100的非十字模头111内，预浸有树脂的增强纤维在模头内受热与挤出机挤出的可塑性塑料接合在一起，形成一上下表面都被增强纤维包覆的结构117，然后再经定型模128冷却定型，形成一连续纤维增强挤出材料134。该方法的塑料也可采取发泡或不发泡两种型态，以增加结构的可塑性，但增强纤维仅能粘贴于结构的表面，且可配合挤出模头的设计，制造出具有平板状、L型或圆棒状等特定形状的挤出增强材料。

实施例四

参照图6，提出一挤出机100，将两卷其上预浸有热塑性或热固性树脂的胶卷114的片状纤维116拉穿于挤出机100的非十字模头111内，预浸有树脂的增强纤维在模头内受热与挤出机挤出的可塑性塑料接合在一起，形成一种上下两表面被增强纤维包覆的结构117；接着，经由另一挤出机120上的表层模头122在结构表面贴上一层表层，形成一种具有表层的纤维增强结构125。其中，表层模头可与塑料挤出模头合而为一，于模头形成纤维增强结构117时立即包覆表层于其表面。然后具有表层的纤维增强结构125，再经定型模128冷却定型，形成一连续纤维增强挤出材料136。该方法的塑料也可采取发泡或不发泡两种型态，以增加结构的可塑性，但增强纤维仅能粘贴于结构的表面，且可配合挤出模头的设计，制造出具有平板状、L型或圆棒状等特定形状的挤出增强材料。

实施例五

参照图7，提出一挤出机100，将热塑性塑料挤出模头110外，再将两卷其上预浸有热塑性或热固性树脂的胶卷114的片状纤维116粘贴于挤出物料113上，形成一纤维增强结构126；然后再将纤维增强结构126拉穿进入定型模128，经冷却定型后形成一连续纤维增强挤出材料138。该方法的塑料也可采取发泡或不发泡两种型态，以增加结构的可塑性，但增强纤维仅能粘贴于结构的表面，且可配合挤出模头的设计，制造出具有平板状、L型或圆棒状等特定形状的挤出增强材料。

实施例六

参照图8，提出一挤出机100，将热塑性塑料挤出模头110外，再将两卷胶卷114上预浸有热塑性或热固性树脂的片状纤维116粘贴于挤出物料113上，形成一纤维增强结构126；接着，经由另一挤出机120上的外层模头122在结构126表面贴上一层表层，形成一具有表层的纤维增强结构127。其中，表层模头可与塑料挤出模头合而为一，于模头形成纤维增强结构126时立即包覆表层于其表面。然后具有表层的纤维增强结构127。之后，再经定型模128冷却定型，形成一连续纤维增强挤出材料140。该方法的塑料也可采取发泡或不发泡两种型态，以增加结构的可塑性，但增强纤维仅能粘贴于结构的表面，且可配合挤出模头的设计，制造出具有平板状、L型或圆棒状等特定形状的挤出增强材料。

除此之外，上述的连续纤维增强材料的结构，也可将浸渗有热塑性或是热固性树脂的增强纤维以粘贴方式附着在具有特定形状的挤出塑料上，而形成以连续纤维增强材料的结构；且其同样可按需要而在增强材料的表面覆以一表层，以增加增强材料的弯曲刚性、弯曲强度及增加其美观性。

根据本发明的原理，调整其纤维增强的位置、增强的层数，及搭配一表层于增强纤维的外面，所构成的纤维增强挤出材料结构，与未增强的挤出材料及几种木材性质进行比较，并列于表一中。其中，样品A是未增强挤出材料；样品B是以两对称的增强纤维内埋在塑料中；样品C是以两对称的增强纤维粘贴于塑料上、下两表层；样品D是将样品C的表面再粘贴一外层；样品E是在塑料的中心及上、下表层都以纤维增强所构成的挤出材料。

表1：挤出材料及木材的特性分析

由表一的材料特性表明，在几乎相近的发泡密度下，有连续纤维增强的挤出材料结构其抗弯强度为未增强挤出材料结构的2～4倍，且其弯曲模量为未增强挤出材料的3～9倍；且其弯曲模量及抗弯强度可配合连续纤维在挤出材料的增强位置及增强的层数来调整，根据本发明的连续纤维增强挤出材料结构其特性可与木材相当或甚至超过，可经钻、刨、钉、锯等二次加工，且其利用可塑性材料，可加热再二次成型，且更可粉碎再回收利用，并具有工业利用价值以及环保上的考虑。

虽然本发明已以一较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟知该技术的，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当以所附的权利要求书中所限定的范围为准。

Claims

1.一种连续纤维增强挤出材料结构，它包括一塑料层；以及至少二增强连续纤维；其中该增强连续纤维对称位于该塑料层内或对称接合在该塑料层的上、下表面；当增强连续纤维对称接合在该塑料层的上、下表面上形成一三明治状结构时，该塑料层内还包括至少一增强连续纤维。

2.按权利要求1所述的结构，其中该塑料层是热塑性。

3.按权利要求1所述的结构，其中该塑料层是发泡型态。

4.按权利要求1所述的结构，其中该塑料层是不发泡型态。

5.按权利要求1所述的结构，其中该增强连续纤维是预浸有树脂的纤维。

6.按权利要求1所述的结构，其中该增强连续纤维是选自玻璃纤维、碳纤维或其他耐高温有机纤维材料。

7.按权利要求5所述的结构，其中该增强连续纤维的预浸树脂是选自热固性树脂或热塑性树脂。

8.按权利要求1所述的结构，其中该增强纤维的纤维型态是单一方向。

9.按权利要求1所述的结构，其中该增强纤维的纤维型态是编织布连续纤维。

10.按权利要求1所述的结构，其中该增强纤维的纤维型态是长纤维不织布型态的纤维席。

11.按权利要求1所述结构，它还包括一表层，它位于该增强挤出材料的外面。

12.按权利要求11所述的结构，其中该表层的厚度约为0.2～1.0nm。

13.一种制造纤维增强挤出材料结构的方法，其步骤包括：

备有一挤出机，使该挤出机配有模头设计以挤出塑料层；

将一卷以上的该片状增强纤维拉穿于该挤出机的十字模头内，该片状增强纤维在模头内受热与该挤出的塑料接合在一起，经由定型、冷却后形成一连续纤维增强挤出材料。

14.权利要求13所述的方法，将一卷以上的该片状增强纤维拉穿于一挤出机的十字模头内，该片状增强纤维在模头内受热与该挤出的塑料接合在一起，离模头的增强挤出材料再经另一挤出机的十字模头内，而包覆一层表层，再经定型模冷却定型后形成一连续纤维增强挤出材料。

15.权利要求14所述的方法，其中包覆表层的该模头可与挤出机的该十字模头合而为一，在该增强纤维结构形成时立即包覆一表层于其表面。

16.按权利要求13所述的方法，其中可将两卷片状增强纤维以上下形式拉穿于一挤出机模头的非十字模头内，该片状增强纤维在该模头内受热与挤出的该塑料接合在一起，离该模头的增强塑料经定型模冷却定型成一连续纤维增强挤出材料。

17.按权利要求13的方法，其中可使用该挤出机将塑料压出模头外，而两卷增强连续纤维经导轮定位以上下两面粘贴在挤出的塑料上，再将该增强连续纤维和挤出的塑料同时进入另一挤出机的十字模头内，以包覆一表层，再经定型模冷却定型后，形成一连续纤维增强挤出材料。

18.按权利要求13-17之一的方法，该塑料层是热塑性。

19.按权利要求13-17之一的方法，该塑料层是发泡型态。

20.按权利要求13-17之一的方法，该塑料层是不发泡型态。

21.按权利要求13-17之一的方法，其中该增强连续纤维是预浸有树脂的纤维。

22.按权利要求13-17之一的方法，其中该增强连续纤维是选自玻璃纤维、碳纤维或其他耐高温有机纤维材料。

23.按权利要求21的方法，其中该增强连续纤维的预浸树脂是选自热固性树脂或热塑性树脂。

24.按权利要求13-17之一的方法，其中该增强纤维的纤维型态是单一方向。

25.按权利要求13-17之一的方法，其中该增强纤维的纤维型态是编织布连续纤维。

26.按权利要求13-17之一的方法，其中该增强纤维的纤维型态是长纤维不织布型态的纤维席。

27.按权利要求14-17之一的方法，其中该表层是选自热塑性树脂系，且其厚度约为0.2～1.0mm。