CN109263085B - 一种热塑性复合材料挤出装置及模压成型工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热塑性复合材料挤出装置及模压成型工艺，包括螺杆挤出机以及铺料装置，铺料装置与螺杆挤出机的出口连通，所述的铺料装置包括机架以及至少一根铺料管；所述机架底部具有横向轨道，机架横向可移动安装于横向轨道上，机架上部设置有铺料台，铺料台纵向移动设置于机架上；所述的铺料管上设置有集料缸，集料缸内设置有挤料螺杆，挤料螺杆由电机驱动，集料缸与外部供料装置连通。本发明所述的提供了一种热塑性复合材料挤出装置及模压成型工艺，使用灵活且能够使材料的性能得到充分的发挥，保证纤维的有效长度、通过自动铺料装置实现纤维排布多方向可设计性，从而产生较好的力学性能。

Description

一种热塑性复合材料挤出装置及模压成型工艺
技术领域
本发明涉及热塑性复合材料领域，尤其是一种热塑性复合材料挤出装置及模压成型工艺。
背景技术
纤维增强热塑性复合材料在工业领域的应用日益广泛，传统的成型工艺主要包括注塑成型和模压成型。其中，模压成型可以保持较大的纤维尺度，经常应用于对于力学性能要求较高的产品。
传统的模压成型是先制作长纤维增强的颗粒料，然后再实施热塑性模压工艺，这种做法的成本较高，生产效率较低。近年来发展起来的纤维增强热塑性复合材料的在线模压工艺较好地克服了成本高效率低的问题。这种在线模压工艺主要包括以下几种：
1.两台螺杆挤出机挤出工艺
DLFT最早由美国复合材料公司-CPI在1989年开始研究，并与1991年开始投入商业运营。该工艺采用两台螺杆挤出机，一台挤出机用于将树脂和添加剂熔融混合，然后送入第二台低剪切作用的挤出机使之与预热的玻璃纤维混合，的挤出机使之与预热的玻璃纤维混合/玻璃纤维混合模塑料。CPI公司将此技术改进，直接把挤出机和压模机通过注射筒连接在一起，通过活塞的挤压把熔体输送到压模机上，省略了用人工或机械手输送熔体。
2.一台螺杆挤出机挤出工艺
1996年johnson控制系统公司接到了第一笔DLFT模压工艺订单，为BenzC型轿车制作仪表盘支架，两年后johnson公司自行开发研制了DLFT模压工艺生产线,命名为“Fibropress”，该工艺采用均聚的PP粉末以及5mm长的短切玻纤，通过重力加料至往复式的螺杆挤出机中浸渍复合，挤出带状的模塑料。华东理工大学采用单螺杆实现DLFT工艺，预热的连续纤维从料筒上特殊设计的喂料口进入，通过优化的螺杆的结构，使纤维在被熔体牵引入螺杆中的同时，被切断和分散，制得的模塑料中纤维分散均匀、浸渍效果良好、纤维可保持较长的长度。
3.两台双螺杆挤出机挤出工艺
迪芬巴赫Dieffenbacher公司采用了两台双螺杆挤出工艺，用一台长径比（L/D）大的双螺杆挤出机对PP和添加剂进行熔融，混合后喂入L/D较小的双螺杆挤出机，连续纤维经预热后被牵引至L/D较小的双螺杆中与熔融树脂混合，由于L/D较小的挤出机螺杆中特殊的螺杆元件设计，使得最终挤出的复合使得最终挤出的复合17mm到70mm之间。
上述技术的主要问题有3点：
由于原料在挤出机内的单向流动，原料从挤出机挤出以后，增强纤维会呈现沿挤出流动方向单向排布的趋势，模压后的产品内部，增强纤维也会有较强的单向排布趋势，无法实现复合材料的准各向同性，对产品的力学性能有较大的影响。
由于采用整块投料的方式，而模压过程中对于这些高粘度的纤维热塑性复合材料很难实现长距离流动并且得到薄壁产品。
原料从挤出机模口流出到进入模压模具进行压制成型，其间经历了较长的路程和时间，原料的温度会显著下降，尤其原料表面温度会显著下降，从而影响了产品的压制效果和力学性能。原料表面温度下降形成的结皮在产品内部会留下大量的界面缺陷，这将显著降低产品的力学性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了克服上述中存在的问题，提供了一种热塑性复合材料挤出装置及模压成型工艺，使用灵活且能够使材料的性能得到充分的发挥，保证纤维的有效长度、通过自动铺料装置实现纤维排布多方向可设计性，从而产生较好的力学性能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种热塑性复合材料挤出装置，包括螺杆挤出机、铺料装置，铺料装置与螺杆挤出机的出口连通，所述的铺料装置包括机架以及至少一根铺料管；所述机架底部具有横向轨道，机架横向可移动安装于横向轨道上，机架上部设置有铺料台，铺料台纵向移动设置于机架上；所述的铺料管上设置有集料缸，集料缸内设置有挤料螺杆，挤料螺杆由电机驱动，集料缸与外部供料装置连通；所述的挤料螺杆正转往集料缸内部吸料，挤料螺杆反转将集料缸内部的料由铺料管挤出；所述的机架内设置有用于驱动机架及铺料台移动的驱动电机。
作为优选，所述的集料缸上部设置有入料管，入料管与螺杆挤出机的出口连通。
作为优选，多个所述入料管相互连通形成一个总入料口。
作为优选，所述的挤料螺杆分别由不同的电机驱动。
作为优选，所述的铺料管设置有开关阀装置；所述的入料管分别设置有开关阀装置。
作为优选，所述的集料缸外部设置有电加热板。并且铺料管与入料外部也设置有电加热板。
本发明还提供了一种热塑性复合材料模压成型工艺，包括以下步骤：步骤1：向螺杆挤出机投入热塑性材料，将预定比例的热塑性材料的原料投入螺杆挤出机，进行螺杆熔融搅拌；
步骤2：将纤维切割到预定长度，通过螺杆挤出机的投料口投入螺杆内；通过螺杆转动使得熔融后的热塑性材料与纤维进行充分的浸润糅合；
步骤3：挤出，将混合好的熔融状态热塑性长纤维复合材料通过管道输送到自动铺料装置；
步骤4：自动铺料机将材料按产品形状铺入模具中；
步骤5：液压机压制材料成型；
步骤6：保压冷却出模；
步骤7：修边，用定形工装定形；
步骤8：检查、整理、包装。
进一步地，所述的热塑性材料为PP、PET、PA、PE、PC中的任意一种与填料、助剂的混合物。
进一步地，所述步骤2中，采用短切玻纤机将纤维切到25-50mm 长。
进一步地，所述玻纤为玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维中的任意一种。
本发明的有益效果是： 1.螺杆的独特设计---在挤出机中部下纤维：这时候加热后的热塑性材料已经处于熔融状态容易与纤维结合，并且避免两种材料在常温下硬对硬挤压已经把部分纤维挤断；对纤维进行预热（一般150-200°C）避免常温纤维与熔融的热塑性材料结合把熔融的热塑性材料快速冷却影响浸润和流动；纤维进入螺杆后采取揉的方法使纤维与熔融热塑性材料均匀混合，避免剪切把纤维切断，使得纤维大部分维持在25-50mm之间。
2. 通过管道输送混合好熔融状态的热塑性长纤维复合材料---尽量缩短熔融状态热塑性长纤维复合材料暴露空气中放置时间容易造成表面硬化，影响产品品质，采用管道输送就能避免加热材料在运送过程暴露在空气中。
3. 自动多方向铺料---由于纤维材料在流体中经过一段距离的运动，纤维都会形成一定的同方向性，从而造成产品力学性能纵横方向差异很大，采用自动多方向铺料就能很好根据产品纵横方向力学的性能需要而设计。
4.由多个铺料管进行分散铺料，采用分散投料的方式使模压过程中料与料之间的流动距离减少，其铺料装置能够控制纤维走向的排布，可设计的纤维的排布使得材料的性能得到充分的发挥，提高了热塑性纤维材料30-50%的力学性能，其挤料螺杆由电机驱动正转往缸体里吸料，料吸满后电机自动停止，XY轴向驱动电机按照行走路线程序设定走到原点，同时电机按照设定的速度反转将缸体里的料推出，XY轴电机驱动设备按铺料路线行走进行铺料；其使用灵活，满足模压模具不同位置的不同厚度需求，能够适应工作需求。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明所述的一种热塑性复合材料挤出装置的铺料装置的整体结构示意图；
图2是本发明所述的一种热塑性复合材料模压成型工艺的工艺流程图；
图3是本发明所述的一种热塑性复合材料模压成型工艺的单螺杆挤出机结构示意图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
实施例1
如图1、2所示的一种热塑性复合材料挤出装置，包括螺杆挤出机以及铺料装置，铺料装置与螺杆挤出机的出口连通，所述的铺料装置包括机架1以及至少一根铺料管3；所述机架1底部具有横向轨道11，机架1横向可移动安装于横向轨道11上，机架1上部设置有铺料台2，铺料台2纵向移动设置于机架1上；机架1上部具有纵向轨道，驱动铺料台2纵向移动；所述的铺料管3上设置有集料缸4，集料缸4内设置有挤料螺杆5，挤料螺杆5由电机驱动，集料缸4与外部供料装置连通；所述的挤料螺杆5正转往集料缸4内部吸料，挤料螺杆5反转将集料缸4内部的料由铺料管3挤出；其中，集料缸4固定安装于铺料台2上；所述的机架1内设置有用于驱动机架1及铺料台2移动的驱动电机。
其中，机架1上的横向轨道11及铺料台2使得铺料管3能够纵横运动，即XY轴向进行移动；
所述的机架1内设置有用于驱动机架1及铺料台2移动的驱动电机。其中，驱动电机由智能控制电路进行控制。
所述的集料缸4上部设置有入料管41，入料管41与外部供料装置连通。入料管41位于上部，与外部的输送原料管道或者螺杆出料口连接。
多个所述入料管41相互连通形成一个总入料口42。
本实施例中，所述的铺料管3为四个。
本实施例中，所述的铺料管3设置有开关阀装置。
本实施例中，所述的入料管41分别设置有开关阀装置。
其中的开关阀装置采用电磁开关或者手动开关阀门。
本实施例中，所述的集料缸4、铺料管3、入料管41外部分别设置有电加热板。电加热板由外部控制电路进行。
所述的挤料螺杆5分别由不同的电机驱动。由不同的电机驱动，能够分别调节挤料螺杆5的转动速度，调节出料的速度及出料量，从而满足模压模具不同位置的不同厚度需求。
本发明所述的热塑性复合材料挤出装置，其铺料装置由多个铺料管进行分散铺料，采用分散投料的方式使模压过程中料与料之间的流动距离减少，其铺料装置能够控制纤维走向的排布，可设计的纤维的排布使得材料的性能得到充分的发挥，提高了热塑性纤维材料30-50%的力学性能，其挤料螺杆由电机驱动正转往缸体里吸料，料吸满后电机自动停止，XY轴向驱动电机按照行走路线程序设定走到原点，同时电机按照设定的速度反转将缸体里的料推出，XY轴电机驱动设备按铺料路线行走进行铺料；其使用灵活，满足模压模具不同位置的不同厚度需求，能够适应工作需求。
实施例2
如图2，一种热塑性复合材料模压成型工艺，包括以下步骤：步骤1：向螺杆挤出机投入热塑性材料，将预定比例的热塑性材料的原料投入螺杆挤出机，进行螺杆熔融搅拌；其螺杆挤出机为单螺杆挤出机；
步骤2：将纤维切割到预定长度，通过螺杆挤出机的投料口投入螺杆内；通过螺杆转动使得熔融后的热塑性材料与纤维进行充分的浸润糅合；
步骤3：挤出，将混合好的熔融状态热塑性长纤维复合材料通过管道输送到自动铺料装置；
步骤4：自动铺料机将材料按产品形状铺入模具中；
步骤5：液压机压制材料成型；
步骤6：保压冷却出模；
步骤7：修边，用定形工装定形；
步骤8：检查、整理、包装。
所述的热塑性材料为PP、PET、PA、PE、PC中的任意一种与填料、助剂的混合物。
所述步骤2中，采用短切玻纤机将纤维切到25-50mm 长。
所述玻纤为玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维中的任意一种。
螺杆挤出机在螺杆中间段加入纤维（节省能耗、保证纤维的有效界面结合）、螺杆后部采取独特设计保证纤维的有效长度---通过管道输送混合好的热塑性材料（尽量提高材料的稳定性）---自动多方向铺料（由于无论通过挤出机或者管道出来的料中的纤维都有很强的方向性，通过自动多方向铺料就可以很好满足产品的不同部位纵横向的力学性能要求）---模压成型。
1.向单螺杆挤出机加入热塑性材料（PP、PET、PA、PE、PC等），加热温度根据不同材料进行适当的调整，然后在螺杆中部加入预热后的纤维（玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维等），然后通过螺杆转动使得熔融后的热塑性材料与纤维进行充分的浸润糅合。
2.将混合好的熔融状态热塑性长纤维复合材料通过管道输送到自动铺料装置（管道加热温度根据不同材料而定）。
3.通过自动铺料装置在模具中进行投料。
4.通过压机模压冷却成型产品。
如图3所示，图示标号对应为：1、螺杆，2、热塑性材料投入口，3、螺杆中端投料口，4、螺杆熔融搅拌段，5、挤出段。
本发明的有益效果：
1.螺杆的独特设计---在挤出机中部下纤维：这时候加热后的热塑性材料已经处于熔融状态容易与纤维结合，并且避免两种材料在常温下硬对硬挤压已经把部分纤维挤断；对纤维进行预热（一般150-200°C）避免常温纤维与熔融的热塑性材料结合把熔融的热塑性材料快速冷却影响浸润和流动；纤维进入螺杆后采取揉的方法使纤维与熔融热塑性材料均匀混合，避免剪切把纤维切断，使得纤维大部分维持在25-50mm之间。
2. 通过管道输送混合好熔融状态的热塑性长纤维复合材料---尽量缩短熔融状态热塑性长纤维复合材料暴露空气中放置时间容易造成表面硬化，影响产品品质，采用管道输送就能避免加热材料在运送过程暴露在空气中。
3. 自动多方向铺料---由于纤维材料在流体中经过一段距离的运动，纤维都会形成一定的同方向性，从而造成产品力学性能纵横方向差异很大，采用自动多方向铺料就能很好根据产品纵横方向力学的性能需要而设计。以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (8)

1.一种热塑性复合材料挤出装置，其特征在于：包括螺杆挤出机以及铺料装置，铺料装置与螺杆挤出机的出口连通，所述的铺料装置包括机架以及至少一根铺料管；所述机架底部具有横向轨道，机架横向可移动安装于横向轨道上，机架上部设置有铺料台，铺料台纵向移动设置于机架上；所述的铺料管上设置有集料缸，集料缸内设置有挤料螺杆，挤料螺杆由电机驱动，集料缸与外部供料装置连通；所述的挤料螺杆正转往集料缸内部吸料，挤料螺杆反转将集料缸内部的料由铺料管挤出；所述的机架内设置有用于驱动机架及铺料台移动的驱动电机；所述螺杆挤出机上设置有螺杆中端投料口；
采用该挤出装置的模压成型工艺包括以下步骤：
步骤1：向螺杆挤出机投入热塑性材料，将预定比例的热塑性材料的原料投入螺杆挤出机，进行螺杆熔融搅拌；
步骤2：将纤维切割到预定长度，通过螺杆挤出机的中端投料口投入螺杆内；通过螺杆转动使得熔融后的热塑性材料与纤维进行充分的浸润糅合；
步骤3：挤出，将混合好的熔融状态热塑性长纤维复合材料通过管道输送到自动铺料装置；
步骤4：自动铺料机将材料按产品形状铺入模具中；
步骤5：液压机压制材料成型；
步骤6：保压冷却出模；
步骤7：修边，用定形工装定形；
步骤8：检查、整理、包装。
2.根据权利要求1所述的一种热塑性复合材料挤出装置，其特征在于，所述的集料缸上部设置有入料管，入料管与螺杆挤出机的出口连通。
3.根据权利要求2所述的一种热塑性复合材料挤出装置，其特征在于，多个所述入料管相互连通形成一个总入料口。
4.根据权利要求1所述的一种热塑性复合材料挤出装置，其特征在于，所述的挤料螺杆分别由不同的电机驱动。
5.根据权利要求2所述的一种热塑性复合材料挤出装置，其特征在于，所述的铺料管设置有开关阀装置；所述的入料管分别设置有开关阀装置。
6.根据权利要求1所述的一种热塑性复合材料挤出装置，其特征在于，所述的集料缸外部设置有电加热板。
7.根据权利要求1所述的一种热塑性复合材料挤出装置，其特征在于，所述的热塑性材料为PP、PET、PA、PE、PC中的任意一种与填料、助剂的混合物。
8.根据权利要求1所述的一种热塑性复合材料挤出装置，其特征在于，所述步骤2中，采用短切玻纤机将纤维切到25-50mm 长。
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