CN109514889A - 一种积木式可组装的纤维浸渍模具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种积木式可组装的纤维浸渍模具，包括进料端模块、出料端模块及在二者间通过对定机构拼装且可拆卸的S型通道模块；所有S型通道模块内的S型流道在拼接处对接成连续布置的波形流道，波形流道的进口端与进料端模块上的纤维进料口对接，出口端与出料模块上的纤维出口对接；S型通道模块包括上模与下模，下模设有位于S型流道波谷处的熔体通道；上模与下模均包括两侧板部及夹于两侧板部之间的夹芯部，夹芯部朝向S型流道的表面为S型曲面，上、下模的侧板部对接并将上下两S型曲面间支撑形成预设间距。本发明的纤维浸渍模具，可对纤维浸渍流道的总长度与张力大小进行调整，保证纤维快速分散并充分浸渍，减少生产中的毛羽、断纤等现象。

Description

一种积木式可组装的纤维浸渍模具

技术领域

本发明涉及模具领域，具体涉及一种积木式可组装的纤维浸渍模具。

背景技术

根据纤维保留长度的不同，热塑性复合材料分为短纤维增强、长纤维增强(LFRT)与连续纤维增强复合材料(CFRT)。研究表明，纤维增强材料受到外部载荷时，长度小于临界长度Lo的纤维会被拔出，纤维自身的强度就不能得到充分发挥。不同材料的纤维临界长度不一样，如玻纤增强聚丙烯，其Lo为3.1mm。短玻纤增强聚丙烯生产时，由于纤维在螺杆中受到严重的破坏，最后保留的纤维长度只有0.2～0.6mm，低于Lo，性能较差。长玻纤增强聚丙烯复合材料成型制品中的纤维长度远高于双螺杆挤塑工艺生产的短纤维增强制品。生产过程中的粒子中的纤维长度可根据切粒长度变化，一般为11mm左右，通过优化的注射成型工艺，可保持制品中的纤维长度为3～5mm，而且这些长纤维还能在制品内部形成交叉的三维网络结构，使制品具有更长的使用寿命。连续玻纤增强聚丙烯复合材料中的纤维只有在压制制品的时候才会进行裁剪，理论上其纤维长度可以达到制品上最长的尺寸，因此能够承受更大的外部载荷。

由于长纤维增强热塑性复合材料和连续纤维增强热塑性复合材料具有强度高、可设计性强、可回收利用等优势，近些年，在汽车轻量化、家电、管道等领域的应用量剧增。据相关部门的市场研究，全球2017年至2021年之间LFRT的复合年增长率为8.5％，CFRT的复合年增长率为9.5％。相比之下，到2021年短纤维增强热塑性塑料的复合年增长率只有4.5％。

长纤维增强热塑性复合材料和连续纤维增强热塑性复合材料一般采用溶液浸渍法、悬浮液浸渍法、干法粉末浸渍法、纤维混编法、熔融浸渍法等工艺生产。由于溶液浸渍法、悬浮液浸渍法需要去除溶剂媒介，易造成环境污染；粉末浸渍法使用的超细粉末原材料制造成本高；纤维混编法较难实现不同纤维之间的分散。而熔体浸渍法的制造原理是将热塑性树脂熔融成熔体，同时在模具中分散浸渍纤维，并使纤维与树脂形成良好的界面结合。熔体浸渍法仍然是目前最常用的热塑性复合材料制造工艺。

而在熔体浸渍法中，模具是最关键的技术。如授权公告号为CN103847042B的中国专利文献中公开了一种用于浸渍连续纤维的专用模具，该模具包括纤维浸渍模具和树脂供应机构，纤维浸渍模具包括上模和下模，上模和下模配合的空腔沿连续纤维运动方向包括三个区，分别为送料区、浸渍区、调整区，送料区的间隙为3-10mm，具有三个波谷与二个波峰；波谷与波峰形成的角度为120-150度；浸渍区的间隙为1-3mm，具有三个波谷与二个波峰；波谷与波峰形成的角度为100-120度；调整区的间隙为0.3-1mm，整体为“V”字形，“V”字形的两条斜边形成的角度为80-110度；树脂供应机构内部具有通入热熔性树脂的树脂通道，该树脂通道与送料区前方的连续纤维输送通道相垂直。

该技术方案中公开的专用模具可以使连续纤维表面上的树脂分布均匀，但该模具与大多数此类公开的专利一样，存在腔体结构固化的问题，即一旦成型，几乎不能对内部结构进行再次调整，特别是腔体的总容积、浸润的路径长度等影响浸润品质的关键参数，没有办法再变化。导致一套模具只能适应某一种或某几种具备类似流变特性树脂的生产，若要开发新产品，必须重新设计模具；此外，该模具的树脂供应通道只设置在纤维进口附近，树脂熔体进入模腔后，只能依靠纤维行进进行分散，可能导致局部区域缺乏树脂熔体而导致浸润质量不良的问题。

发明内容

针对上述技术问题，本发明公开一种积木式可组装的纤维浸渍模具，可对纤维浸渍流道的总长度与张力大小进行调整，保证纤维快速分散并充分浸渍，并减少生产过程中的毛羽、断纤等现象。

具体技术方案如下：

一种积木式可组装的纤维浸渍模具，包括进料端模块、出料端模块及在二者间通过对定机构拼装且可拆卸的S型通道模块；所述S型通道模块为至少两块；

相邻两S型通道模块之间通过对定机构拼接或拆卸，且所有S型通道模块内的S型流道在拼接处对接成连续布置的波形流道，所述波形流道的进口端与所述进料端模块上的纤维进料口对接，出口端与所述出料模块上的纤维出口对接；

所述S型通道模块包括上模与下模，所述下模设有熔体通道，所述熔体通道的出口位于所述S型流道的波谷处；

上模与下模均包括两侧板部及夹于所述两侧板部之间的夹芯部，所述夹芯部朝向所述S型流道的表面为S型曲面，上、下模的侧板部对接而将上下两S型曲面间支撑形成预设间距。

所述进料端模块与出料端模块分别为纤维进、出模具的通道，进料端模块与出料端模块上分别设有若干纤维进料孔，根据待制备的复合材料的类型要求采用不同孔数或形状的口模，并通过出料口孔径尺寸控制复合材料中的纤维含量。

所述对定机构起到即可以定位又可以固定的双重功能。优选地，所述对定机构为榫槽结构。通过所述榫槽结构既可以实现S型通道模块分别与进料端模块、出料端模块间的定位与固定，又可以实现相邻S型通道模块间的定位与固定。

进一步优选，每个S型通道模块的一端形成有榫，另一端形成有与前榫相配合的槽。

所述S型通道模块采用上模与下模的设计，通过将上模与下模合模后即可在上模与下模间形成一S型流道。所述S型流道可分为沿长度与沿宽度两个方向，其中，沿长度方向即为纤维行进的方向，沿宽度方向即为垂直于纤维行进的方向。

优选地，所述熔体通道沿竖向布置，正位于S型流道的波谷处。所述熔体通道的入口直接与挤出机连接，入口处还设有流量控制阀，根据实际生产情况，可控制熔体进口全部打开或者是部分打开或者关闭，以控制熔体的流量。

优选地，所述熔体通道连通衣架式流道，所述衣架式流道的出口端为沿宽度方向上分布的矩型流道。通过衣架式流道结构可确保熔体流入腔体时在宽度方向上均匀分布。当纤维通过S型流道时，在上模的波谷以及下模的波峰位置被施加张力，从而实现分散与浸渍，而熔体供应正对着下模的波谷位置，可实时喷淋已分散充分的纤维，增强浸润效果。

所述S型通道模块，通过上、下模的侧板部对接，防止熔体在压力作用下从上、下模的间隙流出，并将上下两S型曲面间支撑形成预设间距。

优选地，在所述下模中，两侧板部的顶侧面高于其S型曲面的波峰或与之持平，以防止熔体在压力作用下从上、下模的间隙流出；进一步优选，两侧板部的顶侧面高于其S型曲面的波峰。

优选地，在所述上模中，两侧板部的底侧面高于其S型曲面的波谷，使得在上下模合模时，上模中的夹芯部可以插入下模的两侧板部之间，便于合模时的准确定位。

优选地，所述S型通道模块具有一个波峰与一个波谷，其长度L为30～300mm，波峰高度H为3～100mm。所述S型流道的高度，即预设间距W为5～40mm。

本发明公开的纤维浸渍模具，可以通过选用不同组合来适应不同基体的生产。

当生产耐温稍差的极性材料，如PA6、PA66等，S型通道模块的参数建议选用L：30～150mm；H：3～50mm；W：5～25mm。

当生产极性差的材料，如PP、PE等，S型通道模块的参数建议选用L：40～300mm；H：5～100mm；W：5～40mm。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明公开了一种积木式可组装的纤维浸渍模具，通过将两块以上的S型通道模块进行简单组合，即可切换生产不同纤维、不同树脂基体的LFT或CFRT产品。具体地：通过改变S型通道模块的设计参数(包括长度、波峰高度以及预设间距)可以控制纤维在流道内的张力；通过改变S型通道模块的数量，可以控制纤维在流道内的行走距离；通过调整S型通道模块的熔体流量，可精确控制流道内各段的树脂供应量，确保纤维分散浸润时有丰富的树脂熔体量，以及足够的熔体压力；再通过将熔体通道连通衣架式流道，并将熔体通道(即衣架式流道)的出口端设置成宽度方向上分布的矩型流道，熔体流经衣架式流道后再进入S型流道，可以确保熔体流入S型流道时在宽度方向上均匀分布，使得纤维在分散浸润时更为均匀。将其应用于实际生产中，通过优化组合，不但可以提升产品质量，而且可以使用最少的设备投入生产更多类型的产品，具有显著的经济效益。

附图说明

图1为本发明的积木式可组装的纤维浸渍模具的结构图；

图2为S型通道模块的整体图(a)以及上模(b)与下模(c)的结构图；

图3为S型通道模块的剖面图；

图中：1-进料端模块，2-S型通道模块，3-出料端模块；

21-上模，22-下模；

211-上模侧板部，212-上模夹芯部，221-下模侧板部，222-下模夹芯部，223-熔体通道，224-熔体通道的出口。

具体实施方式

参见附图1～3，本发明的纤维浸渍模具包括进料端模块1、若干S型通道模块2以及出料端模块3。

该进料端模块1的整体呈矩形，一侧为平面，该平面上设有若干纤维进料孔，另一侧设有燕尾槽。出料端模块3的整体呈矩形，一侧为平面，该平面上设有若干纤维出料孔，另一侧设有榫结构。该进料端模块1与出料端模块3分别为纤维进、出模具的通道。

该S型通道模块2为若干个，具体数量根据待加工的树脂基体与纤维的种类进行调整。每个S型通道模块2的一端形成有榫，另一端形成有与前榫相配合的燕尾槽，通过该榫槽结构即可实现与进料端模块1、出料端模块3的定位与固定，也可实现相邻S型通道模块2间的定位与固定。若干S型通道模块2内的S型流道在拼接处光滑对接成连续布置的波形流道，该波形流道即为纤维在模具中的运行通道，该波形流道的进口端与进料端模块1上的纤维进料口对接，出口端与出料端模块3上的纤维出口对接。

该S型通道模块2整体为矩形，由上模21与下模22组成，当合模后形成供纤维行进的S型流道，该S型流道具有一个波峰与一个波谷，其长度L、高度W以及波峰高度H可根据具体生产要求进行调整。

该上模21包括两个上模侧板部211与夹于两者之间的上模夹芯部212，上模夹芯部212朝向S型流道的表面为S型曲面，该上模侧板部211的底侧面高于其S型曲面的波谷，保证在合模时，上模夹芯部212可以插入下模侧板部221之间，实现准确定位。

该下模22包括两个下模侧板部221与夹于两者之间的下模夹芯部222，以及沿竖向布置在下模夹芯部222底部的熔体通道223，下模夹芯部222朝向S型流道的表面亦为S型曲面，该熔体通道223的入口与挤出机连接，且入口设有流量控制阀，可根据生产情况来调控熔体的流量；熔体通道223再连通衣架式流道，该衣架式流道的出口端(也即熔体通道的出口224)为沿宽度方向上分布的矩型流道。熔体经由衣架式流道后在宽度方向(即垂直于纤维行进的方向)上均匀分布，并从波谷处的矩形出口进入S型流道，可以确保熔体流入S型流道时在宽度方向上均匀分布，而每个出口均位于波谷位置，又可实时喷淋分散充分的纤维，进一步增强浸润效果。

当上模21与下模22合模后，上、下模的侧板部对接并将上下两S型曲面间支撑形成预设间距(即高度W)的S型流道。

采用上述结构组装而成的纤维浸渍模具，其工作过程为：

纤维经进料端模块1中的进料孔进入模具，经由若干S型通道模块2对接而成连续布置的波形流道，与经由若干熔体进口223进入的树脂熔体充分浸润后，最后从出料端模块3中的若干纤维出料孔离开模具，从而制备得到最终的复合材料。

以下结合上述模具装置，针对不同的复合材料配方进行详细说明。

实施例1长玻璃纤维增强PP复合材料

纤维浸渍模具具体参数如下：

进料端模块1中纤维进料孔数目＝10；

出料端模块3中纤维出料孔数目＝10；

S型通道模块2共5套，流道参数相同，均为L＝100mm，H＝30mm，W＝15mm。

熔体从挤出机流出后经由主管分流入5个熔体通道的入口，再经由衣架式流道沿宽度方向均匀分布后流入S型流道中。实际生产时，当5套S型通道模块的全部熔体入口100％开启时发现，模具一侧的数根料条明显较细，说明该处树脂熔体供应量不足。

根据上述问题，可对每个熔体通道的开度加以控制，具体可采用将与进料端模块1连接的两块S型通道模块的熔体通道的开度调整至80％(相对于熔体通道全部打开为100％为基准进行熔体流量调整)，其余3个熔体通道的开度仍100％开启，相对增加纤维行走后端的树脂供应量，解决料条粗细的均匀度问题。

实施例2长碳纤维增强PA复合材料

纤维浸渍模具具体参数如下：

进料端模块1中纤维进料孔数目＝20；

出料端模块3中纤维出料孔数目＝20；

S型通道模块2共4套，流道参数相同，均为L＝100mm，H＝30mm，W＝15mm。

4套S型通道模块的全部熔体通道100％开启，发现容易出现起毛断条现象。

实施例3长碳纤维增强PA复合材料

纤维浸渍模具具体参数如下：

进料端模块1中纤维进料孔数目＝20；

出料端模块3中纤维出料孔数目＝20；

S型通道模块2共4套，其中靠近进料端模块1一侧的两套S型通道模块采用的流道参数相同，L＝100mm，H＝30mm，W＝15mm；靠近出料端模块3一侧的两套S型通道模块采用的流道参数也相同，L＝50mm，H＝35mm，W＝15mm。4套S型通道模块的全部熔体通道100％开启。

相较于实施例2中的模具组合，本实施例中波形流道的总长度缩减为300mm，解决了起毛问题，且拉条的线速度提升20％。

实施例4连续玻璃纤维增强PP复合材料

纤维浸渍模具具体参数如下：

进料端模块1中纤维进料孔为500mm*3mm矩形孔；

出料端模块3中纤维出料孔为500mm*0.35mm矩形孔；

S型通道模块2共4套，流道参数相同，均为L＝80mm，H＝20mm，W＝5mm。

4套S型通道模块的全部熔体通道100％开启，此时制备的CFRT带材的厚度为0.3mm。

实施例5连续玻璃纤维增强PP复合材料

纤维浸渍模具具体参数与实施例3中完全相同，区别仅在于，将靠近出料端模块3的两套S型通道模块的熔体通道的开度调整为70％，此时制备的CFRT带材的厚度为0.2mm，且连续带材的各区域浸润良好。

Claims (9)

1.一种积木式可组装的纤维浸渍模具，其特征在于，包括进料端模块、出料端模块及在二者间通过对定机构拼装且可拆卸的S型通道模块，所述S型通道模块为至少两块；

相邻两S型通道模块之间通过对定机构拼接或拆卸，且所有S型通道模块内的S型流道在拼接处对接成连续布置的波形流道，所述波形流道的进口端与所述进料端模块上的纤维进料口对接，出口端与所述出料端模块上的纤维出口对接；

所述S型通道模块包括上模与下模，所述下模设有熔体通道，所述熔体通道的出口位于所述S型流道的波谷处；

所述上模与所述下模均包括两侧板部及夹于所述两侧板部之间的夹芯部，所述夹芯部朝向所述S型流道的表面为S型曲面，上、下模的侧板部对接并将上下两S型曲面间支撑形成预设间距。

2.根据权利要求1所述的积木式可组装的纤维浸渍模具，其特征在于，所述对定机构为榫槽结构。

3.根据权利要求1所述的积木式可组装的纤维浸渍模具，其特征在于，所述S型流道具有一个波峰与一个波谷。

4.根据权利要求3所述的积木式可组装的纤维浸渍模具，其特征在于，所述S型通道模块的长度L为30～300mm，波峰高度H为3～100mm。

5.根据权利要求1所述的积木式可组装的纤维浸渍模具，其特征在于，在所述下模中，两侧板部的顶侧面高于其S型曲面的波峰或与之持平。

6.根据权利要求5所述的积木式可组装的纤维浸渍模具，其特征在于，在所述上模中，两侧板部的底侧面高于其S型曲面的波谷。

7.根据权利要求1所述的积木式可组装的纤维浸渍模具，其特征在于，所述预设间距W为5～40mm。

8.根据权利要求1所述的积木式可组装的纤维浸渍模具，其特征在于，所述熔体通道沿竖向布置。

9.根据权利要求8所述的积木式可组装的纤维浸渍模具，其特征在于，所述熔体通道连通衣架式流道，所述衣架式流道的出口端为沿宽度方向上分布的矩型流道。