CN109562581A - 用天然纤维增强的拉挤成型梁、拉挤成型系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于拉挤梁的系统，所述梁例如为天然纤维的拉挤成型梁，包括拉动机构，其在包括热塑性基质和纤维的纱线的预制件上连续地拉动，拉动机构在系统的下游。顺序部件在系统中提供，并具有预热模块以预热预制件。第一模具具有锥形通道部分，其加热成使得预制件达到热塑性基质中的树脂所需的低粘度温度，以浸渍纤维。真空模块具有真空腔，以从离开第一模具的预制件中除去空气。第二模具具有锥形通道部分，其被加热成使得预制件处于热塑性基质中的树脂所需的低粘度温度，以进一步浸渍纤维。冷却模块用于在梁到达拉动机构之前冷却梁。还提供了一种用于拉挤梁的系统。

Description

用天然纤维增强的拉挤成型梁、拉挤成型系统及其方法
关联申请的交叉引用
本申请要求2016年6月23日提交的美国专利申请序列号No.62/353,873的优先权并通过引用并入本文。
技术领域
本申请涉及使用天然纤维或合成纤维拉挤梁的拉挤成型系统和方法，以及由天然纤维或合成纤维增强的所得的拉挤成型梁。
背景技术
在使用天然纤维和/或生物来源的基质的拉挤成型上的研究已经证明生物复合材料部件对于它们的机械性能、价格和环境益处具有很高的价值。在拉挤成型中，增强纤维的纱线从筒子架进给到系统中。使用树脂浴增加热固性。热塑性塑料平行于增强纤维进给到系统中或作为熔融的粒料被注入。当它们平行于增强纤维进给到系统中时，它们可以是平行纱线、混合纤维、粉末浸渍纤维或预浸渍带的形式。纤维和树脂通过特定横截面形状的加热模具。对于热塑性塑料，使用锥形模具入口和树脂过度填充来确保用于浸渍的压力积累。增加冷却系统以防止分解。通过控制过程速度的机构来拉梁。
拉挤成型是一种产生复杂的横截面轮廓的可扩展且连续的过程。因此，它的大规模生产的经济优势合计达到了生物复合材料的经济优势。由于当使用高粘度热塑性塑料时难以浸渍纤维，因此热固性聚合物通常用于拉挤成型。然而，因为它们的高韧性、耐化学性、可回收性和它们的后成型能力，向热塑性基质的转变是有希望的。
虽然天然纤维和热塑性塑料对拉挤成型具有吸引力，但它们各自的使用面临困难。高于200℃，天然纤维可逐渐地开始热降解。这可以防止使用高过程温度的可能性。由于热塑性塑料的粘度是良好浸渍质量的主要障碍，因此可能需要增加过程温度以降低给定热塑性塑料的粘度，这与在较高温度下降解的天然纤维相冲突。因此，虽然在拉挤成型中使用天然纤维或热塑性基质可能是困难的，两者都使用甚至存在更多挑战。因此，在拉挤热塑性生物复合材料的已知尝试中，研究报道了高空隙含量(高于10％)、未浸渍区域的存在或未熔融的树脂区。
发明内容
本申请的一个目的是提供一种使用天然或合成纤维拉挤成型梁的方法，其解决了与现有技术相关的问题。
本发明的另一个目的是提供一种新颖的天然纤维的拉挤成型梁。
因此，根据本发明的第一实施例，提供了一种拉挤成型梁，其包括用浸渍有热塑性塑料的天然纤维增强的热塑性基质，该拉挤成型梁的空隙率低于拉挤成型梁的总体积的10％，并且进一步地，其中天然纤维构成拉挤成型梁的总体积的40％和60％之间。
此外，根据第一实施例，热塑性基质是例如聚乳酸基质。
更进一步根据第一实施例，热塑性基质是例如聚丙烯基质。
更进一步根据第一实施例，天然纤维是例如亚麻纤维。
根据本发明的第二实施例，提供了一种拉挤成型梁，其包括用浸渍有热塑性塑料的合成纤维增强的热塑性基质，该拉挤成型梁的空隙率低于拉挤成型梁的总体积的10％，并且进一步地，其中合成纤维构成拉挤成型梁的总体积的40％和60％之间。
进一步根据第二实施例，热塑性基质是例如聚乳酸基质。
更进一步根据第二实施例，热塑性基质是例如聚丙烯基质。
更进一步根据第二实施例，合成纤维是例如玻璃纤维和碳纤维中的至少一种。
根据本发明的第三实施例，提供了一种用于拉挤梁的方法，包括：连续拉动包括热塑性基质和纤维的纱线的预制件；在连续拉动的同时，依次地预热预制件，使预制件通过第一模具，该第一模具具有锥形通道部分，其被加热成使得预制件达到热塑性基质中的树脂所需的低粘度温度，以浸渍纤维，使预制件通过真空腔以从中除去空气，使预制件通过至少第二模具，该第二模具具有锥形通道部分，其被加热成使得预制件处于热塑性基质中的树脂所需的低粘度温度，以进一步浸渍纤维，以输出梁，以及冷却梁。
进一步根据第三实施例，连续拉动纱线的预制件包括：例如在冷却之后拉动梁，以引起纱线的预制件的连续拉动。
更进一步根据第三实施例，拉动梁包括：例如使梁通过在梁的相反侧上的至少一对辊。
更进一步根据第三实施例，预热预制件包括：例如使预制件在非接触式加热器中通过。
更进一步根据第三实施例，预热预制件包括：例如使预制件通过接触式加热器，预制件在其中接触至少一个加热元件。
更进一步根据第三实施例，使预制件通过接触式加热器，预制件在其中接触至少一个加热元件包括：例如使预制件滑动抵靠圆柱形加热元件。
更进一步根据第三实施例，使预制件通过第一模具和第二模具中的至少一者包括：例如使预制件通过锥形通道部分，该锥形通道部分与模具的中心轴线在2°至6°的范围内成锥形。
更进一步根据第三实施例，使预制件通过第一模具和第二模具中的至少一者包括：例如使预制件通过在锥形通道部分下游的直通道部分。
更进一步根据第三实施例，使预制件通过第一模具并通过第二模具包括：例如使预制件通过在第二模具中的比第一模具中的更小的通道。
更进一步根据第三实施例，对于纤维而言，该方法例如使用天然纤维进行。
更进一步根据第三实施例，对于纤维而言，该方法例如使用合成纤维进行。
更进一步根据第三实施例，该方法例如使用聚乳酸基质和聚丙烯基质中的一种作为热塑性基质进行。
根据本发明的第四实施例，提供了一种用于拉挤梁的系统，包括：拉动机构，其连续地拉动包括热塑性基质和纤维的纱线的预制件，拉动机构在系统的下游；和如下一系列的装置：用于预热预制件的预热模块；具有锥形通道部分的第一模具，所述锥形通道部分被加热成使得预制件达到热塑性基质中的树脂所需的低粘度温度，以浸渍纤维；具有真空腔的真空模块，以从离开第一模具的预制件中除去空气；具有锥形通道部分的至少第二模具，所述锥形通道部分被加热成使得预制件处于热塑性基质中的树脂所需的低粘度温度下，以进一步浸渍纤维，和在梁到达拉动机构之前冷却梁的冷却模块。
进一步根据第四实施例，拉动机构包括例如在梁的相反侧上的至少一对辊。
更进一步根据第四实施例，预热模块包括例如非接触式加热器。
更进一步根据第四实施例，预热模块包括例如接触式加热器，预制件在其中接触至少一个加热元件。
更进一步根据第四实施例，接触式加热器具有例如圆柱形加热元件，预制件抵靠该加热元件进行接触。
更进一步根据第四实施例，第一模具和第二模具中的至少一者例如具有与锥形通道部分的中心轴线成2°至6°范围的锥度。
更进一步根据第四实施例，第一模具和第二模具中的至少一者包括例如在锥形通道部分下游的直通道部分。
更进一步根据第四实施例，该系统具有例如在第二模具中比在第一模具中横截面更小的通道。
更进一步根据第四实施例，第一模具的下游部分和第二模具的上游部分例如与真空模块密封接合，以密封真空腔。
更进一步根据第四实施例，该系统包括例如用于N-1个真空模块的N个模具，其中N＝至少两个。
进一步根据第四实施例，纤维的纱线是例如在系统中，纤维是天然纤维。
根据本发明的第五实施例，存在如上所述的系统的一种用途，用于将包括热塑性基质和纤维的纱线的预制件拉挤成拉挤成型梁。
附图说明
图1是操作根据本发明的方法的拉挤成型系统的示意图；
图2是图1的拉挤成型系统的一部分的示意性侧视图；
图3是图1的拉挤成型系统的预热器模块的非接触式加热器的端视图；
图4是图1的拉挤成型系统的预热器模块的接触式加热器的壳体的透视图；
图5是图1的拉挤成型系统的拉挤成型模具的透视图；
图6是图5的拉挤成型模具的基部的透视图；
图7是图5的拉挤成型模具的盖的透视图；
图8是图1的拉挤成型系统的真空模具的基部的透视图；
图9是图1的拉挤成型系统的真空模具的盖子的透视图；
图10是图1的拉挤成型系统的冷却模具的透视图；和
图11是图10的冷却模具的基部的透视图。
具体实施方式
本发明描述了通过对常规拉挤成型系统设置的数次改变后的提高了浸渍质量的热塑性生物复合材料拉挤成型部件。首先，使用真空室除去股线内的残余空气。其次，无论真空室使用如何，都考虑使用第二拉挤成型模具来进一步浸渍纤维。
参考附图，更具体地参考图1和2，示出了拉挤成型系统10，其用于操作根据本发明的用于拉挤包括天然纤维的梁B的方法。因此，该方法使用纱线A的预制件，纱线A包括形成梁的基质的热塑性树脂以及用作增强件的天然纤维。然而，虽然该方法适合于添加天然纤维，也可考虑使用合成纤维。作为一个示例，该方法和系统10可以使用聚乳酸(PLA)基质作为其中一种纱线A，并且使用亚麻纱线作为其中另一种纱线A。例如，PLA纱线可以是经由Applied Polymer Innovations(应用聚合物创新)的三叶形180tex(特克斯)纺丝(来自4032D，NatureWorksLLC)。这是可以使用的一种可能的热塑性塑料，作为其它的热塑性塑料，例如聚丙烯，也可以被使用，用于其它天然纤维。亚麻是一种天然纤维，其非常适合作为现有拉挤成型梁的一部分，因为其高的纤维素含量且木质素含量相对较低，从而能够实现较高的加工温度。也可以使用的其它天然纤维包括大麻纤维和黄麻纤维，或天然纤维的混合物。也可以使用合成纤维，例如玻璃纤维，碳等，以及天然和合成纤维的混合物。纱线A的数量由40％的标称纤维体积含量确定。可用于纱线A的其它材料包括碳纤维和聚酰胺纤维(Dualon，Karijene Inc.，日本；Lexter，Mitsubishi Gas Chemical Inc.，日本)的混合纱线。
可以使用不同类型的纱线前体，例如其中增强纤维填充有聚合物粉末的粉末浸渍纱线。另一种类型的前体是预浸渍带，其中固定量的增强纤维被聚合物浸渍。可以使用其中增强纤维与聚合物混合的其它种类的纱线。考虑各种布置以将纱线供给到系统10，例如让聚合物纱线和增强纱线在不同的线轴上，或者作为平行的混合纱线的一部分。作为另一个实施例，也可以使用聚合物和增强纤维的混合纱线。作为另一个实施例，增强纤维可以是涂覆有聚合物外皮的护套。作为另一个实施例，聚合物纤维可以是微编织纱线的一部分。
在一个实施例中，纱线A从筒子架进给到系统10中。环C可用于确保所有纱线在进入系统10之前被对齐。纱线前体被缠绕在多个线轴上并放置在筒子架上。通过调节线轴和筒子架之间的摩擦来拉紧纱线。该拉紧使纱线在它们进入系统10的拉挤成型模块之前保持笔直。
拉挤成型系统10可以具有预热模块20、浸渍模块30、冷却模块40和在冷却模块40的出口处的拉动机构50，以对从冷却模块40出来的拉挤成型梁施加拉力作用。系统10的模块20、30和40的各部件可以以模块化方式布置，例如沿着轨道布置，以便于它们的处理和相对定位和对准。
预热模块20用于逐渐且均匀地预热进入系统10的纱线A，以避免由于突然的温度升高而使预制件退化。
浸渍模块30用于浸渍热塑性塑料中的天然纤维或合成纤维，以形成热的固结的拉挤成型梁。
冷却模块40在浸渍模块30的出口处冷却热的拉挤成型梁。
拉动机构50位于冷却模块40的出口处，以在从冷却模块40排出的纱线A上施加拉动作用，成为拉挤成型梁B。
参见图2-4，预热模块20可以具有两个子模块。上游子模块是非接触式预热器21，如图2和3所示。非接触式预热器21位于系统10的入口处，因此接收预制件形状的纱线A(图1)。非接触式预热器21具有壳体22，其与盖子22A同时地限定内腔22B。例如，壳体22可以是在两端开口的300mm长的室。内腔22B包括加热元件23，加热元件23位于壳体22的腔22B的顶部，以便位于在壳体22中循环的纱线A的上方。加热元件23可以是任何适当类型的加热器。在一个实施例中，加热元件23是带翅片的带状加热器。带翅片的带状加热器可以提供辐射加热，并且可以在供电可能性的情况下被供电。根据一个实施例，带翅片的带状加热器在120V的供电下可以具有高达725W/m2的辐射通量，能够加热高达595℃。这被提供作为用于预热预制件的合适容量的非接触式加热器的一个非穷举示例。
加热元件23可以通过高度调节机构23A(例如，螺栓上的螺母)安装到壳体22。高度调节机构23A允许加热元件23调节到更接近或更远离穿过壳体22的内腔22B的预制件。热电偶24也可以设置在壳体22的内腔22B中，以便测量非接触式预热器21中的操作温度，以帮助保持导致预制件的均匀和逐渐预热的条件。根据一个实施例，热电偶24位于内腔22B的底部，但是可以考虑其它位置。热电偶可朝向预制件向下弯曲，以获取靠近纤维的空气的温度。另一个热电偶可以位于两个加热器元件23之间并用作控制热电偶。
预热模块20的上游子模块可以是接触式预热器25，如图2和4所示。如图4所示，接触式预热器25具有壳体26，其与盖子26A同时地限定内腔26B。孔26C限定在壳体26的侧壁中(图4)，以便支撑接触式加热元件。根据一个实施例，接触式预热器25具有三个加热的缸体27。加热的缸体27可以被通电，以提供例如高达400W的热量(例如，直径为19mm)。缸体27可以布置成形成一个弯道，预制件的两侧将通过该弯道与加热的缸体27接触，同时通过拉动机构50的作用被压靠在缸体27上。其它几何形状是可能的，包括使得缸体27与在缸体27之间曲折的预制件处于共同的平面中。如图2所示，预成型纱线位于接触式预热器25的第一缸体27下方、第二缸体27上方和第三缸体27下方，以在该过程中被预热时，实现纤维和缸体27之间的良好接触。该布置使得预制件可以45°接触第一缸体27和第三缸体27，而位于中心的第二缸体27可以90°接触预制件。缸体27可以固定到壳体26上，以便不旋转。为此目的，孔26C可以具有用于锁定缸体27的槽。缸体27可以是具有合适的传热性能(例如，金属)的空心筒，在其中容纳有加热元件或加热流体。这种缸体也可以旋转，并且也可以具有不同的形状，例如椭圆形的雪茄状形状。
因此，在预热模块20的出口处，预制件被加热到热塑性树脂处于接近液体状态的点，具有足够高的粘度以使预制件保持整体性，而没有来自预制件的树脂的明显滴落，没有浸渍增强纤维的明显的流动。因此，预制件进入浸渍模块30以进一步被加热并固结成拉挤成型梁。
参见图2和5-7，浸渍模块30示出为具有一对拉挤成型模具，其间具有真空模具，但是可以为系统10提供单个拉挤成型模具31。此外，作为对图2和6-7的该布置的补充，浸渍模块可以具有由N-1个真空模具35(例如，N＝3或更多)隔开的级联的N个拉挤成型模具31。拉挤成型模具可以具有类似的结构，因此两者都显示为31。为简单起见，同时描述了拉挤成型模具31，上游拉挤成型模具和下游拉挤成型模具之间的区别在存在时会在本文中描述。
如图5-7所示，拉挤成型模具31可以包括基部31A和盖31B，同时形成锥形通道32。基部31A形成锥形通道32的凹形部分，而盖31B形成锥形通道32的凸形部分(凹形部分和凸形部分的通道部分是彼此的镜像，以便不妨碍纤维的移动)。然而，反向布置也是可能的。此外，考虑另一种配置，其中没有配合接合，通道半部简单地是彼此的镜像。然而，考虑到由拉动机构50施加到拉挤成型模具31上的压力(图1)以及压靠锥形通道32的表面的预制件，配合构造很好地适合于拉挤成型应用。因此，合适的锁定装置31C可用于将盖31B夹持到基部31A上，从而在拉挤成型过程中防止或限制它们之间的任何相对运动。
在一个实施例中，锥形通道32具有圆形截面，使得拉挤成型梁是杆。因此，锥形通道32可以具有截头圆锥形的通道部分32A或类似的锥形通道部分，随后是在截头圆锥形的通道部分32A下游的直通道部分32B。锥形通道部分32A比直通道部分32B长，因为逐渐变细以产生预制件的截面尺寸的变化。例如，锥形通道部分32A的逐渐变细是在2°和6°之间，锥形通道部分32A构成锥形通道32的总长度的大约80％，直通道部分32B占据长度的剩余20％。2°-6°的范围表示锥形壁相对于锥形通道部分32A的中心轴线的角度。仅提供在2°和6°之间的范围作为在该范围下拉挤成型方法可适当地包含天然纤维的一个示例。然而，可以存在更大的角度，例如高达45°，并且可以使用不同的形状(除锥体之外)，例如可能是椭圆体的、圆形的聚合物、圆锥体。类似模具31之间的一个区别是在拉挤成型工艺的下游方向上锥形通道32的尺寸较小。根据一个实施例，在下游模具31中，直径尺寸较小，是2.5％。例如，上游拉挤成型模具31比下游拉挤成型模具31的最终直径大5mm，以使额外的树脂流入下游拉挤成型模具31中，用于过度填充的目的。
基部31A和盖31B由具有合适的传热性质的材料(例如，金属)制成，因为它们必须将热量传递到在锥形通道32中通过的预制件。根据一个实施例，基部31A和盖31B在其侧壁中具有孔33A和33B，以形成延伸通过拉挤成型模具31的连续孔，以在其中接收加热元件34(图2)，或通过形成包括孔33A和33B的流体回路的加热流体。孔33A和33B中的加热元件34或加热流体将加热基部31A和盖31B，使得锥形通道32中的预制件被锥形通道32的表面加热。其它孔也可以用于热电偶34B，以监测模块中的温度。在图2中，存在以水平方向定位的加热元件34。还考虑将加热元件34竖直地定位，或以任何其它适当的方向定位，以加热锥形通道32中的预制件。在一个实施例中，使用120V或240V的电加热筒，例如能够产生350W/m2。在另一实施例中，外部加热板可以用在盖31B和基部31A之上和之下。通过模具31的加热允许热塑性基质达到足够低的粘度。为此目的，达到的温度可高于热塑性塑料的熔融温度。
在一个实施例中，系统10具有单模具浸渍模块30，其具有单个拉挤成型模具31。例如，单个拉挤成型模具31可以是76mm长，锥形通道部分32A中具有5°锥度，接着是直通道部分32B，其例如是20mm长，具有4.78mm的恒定直径。
同时参考图2、8和9，真空模具总体以35表示。真空模具35位于上游和下游拉挤成型模具31之间。根据一个实施例，真空模具35密封地连接到拉挤成型模具31，以便为从上游拉挤成型模具31到下游拉挤成型模具31过渡的预制件形成真空室。真空模具35具有基部36A和盖子36B，它们密封地相互连接，同时形成足够大的真空室36C，以便不与预制件接触。真空模具35可以具有任何合适的长度以使预制件充分地暴露于真空效果，并且根据一个示例性实施例可以是100mm长。密封通道可以围绕真空室36C周围存在，例如密封通道37A和37B。密封通道37A和37B分别延伸到基部36A和盖子36B的端面，用于在其中密封，以密封地接触相邻的拉挤成型模具31的端面。考虑其它密封布置，在拉挤成型模具31上具有密封件，或者通过拉挤成型模具31和真空模具35之间的配合接合的方式。此外，在拉挤成型过程中，在上游拉挤成型模具31处存在热塑性基质的树脂的过度填充。该过度填充基本上用树脂堵塞了上游拉挤成型模具31中的材料入口，由此拉挤成型模具31和真空模具35的连通的内腔在组件的入口和出口处被预制件和梁密封。
如从图8和9中观察到的，一些孔36D可以设置在基部36A和盖子36B的侧壁上，用于接收加热元件36E或加热流体，因此加热真空模具35使其不会冷却通过该真空室36C的被加热的预制件。真空模具35实际上可以保持在高于熔融温度的温度。其它孔也可用于热电偶，以监测模块中的温度。根据一个实施例，加热元件是120V或240V电加热筒，例如能够产生350W/m2，以与拉挤成型模具31的加热筒相容，因此易于维护和库存管理。但是，也考虑其它加热部件。
如在图2和9同时所示，真空端口(一个或多个)38A限定在盖子36B中并连接到真空泵或类似的抽吸源，以便在密封的真空室36C中产生真空效果(负相对压力)。可以存在另一个端口，例如用于监测真空室36C中的压力的压力传感器。参照图8，基部36A可以具有排放构造，具有倾斜表面和排放孔39。排放孔39可以与可拆卸容器一起使用，以收集由于真空效应和/或液态下相对于树脂的温度而从预制件滴落的任何树脂。由排放孔39收集的树脂可以由在真空室35下游的模具处发生的回流引起。
参见图10和11，冷却模块40示出为具有冷却模具41。冷却模具41可以具有与系统10的其它部件类似的结构，具有基部41A和盖41B，同时形成冷却通道42。基部41A形成冷却通道42的凹形部分，而盖41B形成冷却通道42的凸形部分(凹形部分和凸形部分的通道部分是彼此的镜像，以便不妨碍纤维的运动)-反向配置也是可能的。此外，考虑另一种配置，其中没有配合接合，通道半部简单地是彼此的镜像。合适的锁定装置41C用于将盖41B夹持到基部41A上，从而防止在拉挤成型过程中它们之间的任何相对运动。
在一个实施例中，冷却通道42具有圆形截面，与系统10的其它部件一样。同样，系统10的部件可以产生各种横截面的梁，包括正方形、矩形、多边形、椭圆形、U、I，仅作为示例。基部41A和盖41B由具有合适的传热性能的材料(例如，金属)制成，因为它们必须冷却在冷却通道42中通过的梁。根据一个实施例，基部41A和盖41B在其侧壁上具有孔43A和43B，以形成穿过冷却模具41延伸的孔，以在其中接收冷却元件44(图2)或冷却流体。其它孔也可用于热电偶，以监测模块中的温度。孔43A和43B中的冷却元件44(例如，用于冷却流体的流体线圈)将加热基部41A和盖41B，使得冷却通道42中的预制件被通道42的表面冷却。在一个实施例中，冷却元件44是120V或240V电加热筒，其被使用，例如能够产生450W/m2。虽然使用表述“冷却”，但是冷却模具41必须被加热到高于环境条件，因为拉挤成型梁的冷却在低于浸渍模块30中所涉及的温度下实现，但仍然高于环境温度。
尽管不同的尺寸是可能的，但冷却模具是具有4.78mm的恒定直径的140mm长的段，以与系统10的其它预制件通道的尺寸相匹配。
拉动机构50位于冷却模块40的出口处，以在纱线A上施加拉动作用。拉动机构50可具有任何适当的实施例。例如，拉动机构50可包括多对相对的辊(图1)，拉挤成型梁被挤压在相对的辊之间。上部辊可以由电动马达致动，下部辊可以是自由轮，反之亦然。旋转编码器可用于监测拉挤成型速度。负载单元也可以放置在系统10的拉动机构50和模块40之间，以测量梁上的拉力。
通过插入上述盲孔中的多个热电偶实现系统的温度控制。这些传感器通过数据采集模块连接到计算机。
在操作中，纱线A由拉动机构50连续地拉动，穿过系统10的各个模块。热塑性基质和天然纤维或合成纤维在预热模块20中逐渐地且均匀地被预热，以接近浸渍温度，在此温度下，热塑性基质的树脂的粘度将处于或接近其最小值。预热开始了浸渍并降低了预制件中的空隙含量。在浸渍模块30中，预制件达到该浸渍温度，同时被暴露于减小的直径。在树脂中产生固化压力，通过该固化压力树脂将浸渍天然纤维。天然纤维的浸渍是用树脂浸泡和浸透天然纤维，树脂在纤维丝之间渗透。观察到系统10允许浸渍而没有超过环境的空气压力。在拉挤成型模具31的直径的两次减小之间在真空模具35中使预制件处于真空中的中间步骤允许从被加热到低的或最小的粘度的树脂中除去空气，并且可能分解预制件。分解预制件具有空气排出通道，以便于从预制件中除去空气。在保持浸渍温度的同时去除空气并随后暴露于直径减小，允许梁达到期望的横截面直径，同时降低空气含量(小于10％)。所得到的梁的冷却允许其稳定成其最终的尺寸和形状。
换句话说，用于拉挤梁的方法包括连续拉动包括热塑性基质和天然纤维的纱线的预制件。在连续拉动的同时，预制件被顺序地预热；通过第一拉挤成型模具31，其具有锥形通道32，被加热成使得预制件达到热塑性基质中的树脂所需的低粘度温度，以浸渍天然纤维；在真空模具35的真空腔中通过，真空模具被加热到预制件的低粘度温度以从其中除去空气；通过第二拉挤成型模具31，其具有锥形通道32，所述锥形通道被加热到使得预制件处于热塑性基质中的树脂所需的低粘度温度下，以进一步浸渍天然纤维以输出梁。然后冷却梁。得到拉挤成型梁，其包括用天然纤维增强的热塑性基质，该拉挤成型梁的空隙率低于拉挤成型梁的总体积的10％，并且进一步地，其中天然纤维构成拉挤成型梁的总体积的40％至60％之间。
除了拉挤成型梁直接用作部件之外，拉挤成型梁的其它用途包括：用热塑性树脂包覆成型的拉挤成型插件，具有定向颗粒的注射前体，以及具有定向股线的压缩模塑前体，例如以形成包含随机定向的股线的板。
示例性实施例
执行如在系统10中的操作的上述方法，使用亚麻和聚丙烯的组合，以产生拉挤成型梁，其具有低于拉挤成型梁的总体积的10％的空隙率，天然纤维的含量在拉挤成型梁的总体积的40％和60％之间。作为非限制性示例，使用亚麻(例如，Safilin的ROVING TEX200Natural)产生拉挤成型梁。亚麻纤维为200tex短纤维纱线的形式，使用68根纱线。聚丙烯(PP)是来自Guangzhou Lanjing Chemical Fiber Co.Ltd.(广州兰晶化纤有限公司)的900D生白色普通韧性pp纱线。聚丙烯是多丝纱线的形式，具有72根丝和900旦尼尔(deniers)，使用90根纱线。预热温度为155℃，拉挤成型模具温度为200℃，以及冷却模具温度为35℃。拉挤成型速度为50毫米/分钟。

Claims (37)

1.一种拉挤成型梁，其包括用浸渍有热塑性塑料的天然纤维增强的热塑性基质，所述拉挤成型梁具有低于所述拉挤成型梁的总体积的10％的空隙率，并且进一步地，其中所述天然纤维构成所述拉挤成型梁的总体积的40％和60％之间。
2.根据权利要求1所述的拉挤成型梁，其特征在于，所述热塑性基质是聚乳酸基质。
3.根据权利要求1所述的拉挤成型梁，其特征在于，所述热塑性基质是聚丙烯基质。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的拉挤成型梁，其特征在于，所述天然纤维是亚麻纤维。
5.一种拉挤成型梁，其包括用浸渍有热塑性塑料的合成纤维增强的热塑性基质，所述拉挤成型梁具有低于所述拉挤成型梁的总体积的10％的空隙率，并且进一步地，其中所述合成纤维构成所述拉挤成型梁的总体积的40％和60％之间。
6.根据权利要求5所述的拉挤成型梁，其特征在于，所述热塑性基质是聚乳酸基质。
7.根据权利要求5所述的拉挤成型梁，其特征在于，所述热塑性基质是聚丙烯基质。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的拉挤成型梁，其特征在于，所述合成纤维是玻璃纤维和碳纤维中的至少一种。
9.一种用于拉挤梁的方法，包括：
在纱线的预制件上连续地拉动，其中，所述纱线包括热塑性基质和纤维；
连续地拉动的同时，顺序地
预热所述预制件，
使所述预制件通过具有锥形通道部分的第一模具，所述锥形通道部分被加热成使得所述热塑性基质中的树脂达到所需的低粘度温度，以浸渍所述纤维，
使所述预制件在真空腔中通过，以从中除去空气，
使所述预制件至少通过具有锥形通道部分的第二模具，所述锥形通道部分被加热成使得所述预制件处于所述热塑性基质中的树脂所需的低粘度温度，以进一步地浸渍所述纤维，以输出梁，以及
冷却所述梁。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述纱线的预制件上连续地拉动包括：在所述冷却之后在所述梁上拉动，以引起所述纱线的预制件的连续拉动。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在所述梁上拉动包括：使所述梁穿过在所述梁的相反侧上的至少一对辊。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其特征在于，预热所述预制件包括：使所述预制件在非接触式加热器中通过。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，其特征在于，预热所述预制件包括：使所述预制件通过接触式加热器且所述预制件在所述接触式加热器中接触至少一个加热元件。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，使所述预制件通过接触式加热器且所述预制件在所述接触式加热器中接触至少一个加热元件包括：使所述预制件滑动抵靠圆柱形加热元件。
15.根据权利要求9至14中任一项所述的方法，其特征在于，使所述预制件通过所述第一模具和所述第二模具中的至少一个包括：使所述预制件通过所述锥形通道部分，所述锥形通道部分相对于所述模具的中心轴线在2°至6°的范围内成锥形。
16.根据权利要求9至14中任一项所述的方法，其特征在于，使所述预制件通过所述第一模具和所述第二模具中的至少一个包括：使所述预制件通过在所述锥形通道部分下游的直通道部分。
17.根据权利要求9至15中任一项所述的方法，其特征在于，使所述预制件通过所述第一模具并通过所述第二模具包括：使所述预制件通过在所述第二模具中的比在所述第一模具中的通道更小的通道。
18.根据权利要求9至17中任一项所述的方法，其特征在于，对于纤维而言，使用天然纤维进行所述方法。
19.根据权利要求9至17中任一项所述的方法，其特征在于，对于纤维而言，使用合成纤维进行所述方法。
20.根据权利要求9至19中任一项所述的方法，其特征在于，使用聚乳酸基质和聚丙烯基质中的一种作为热塑性基质进行所述方法。
21.一种用于拉挤梁的系统，包括：
拉动机构，连续地拉动纱线的预制件，所述纱线包括热塑性基质和纤维，所述拉动机构位于所述系统的下游；和
一系列的
预热模块，以预热所述预制件，
第一模具，具有锥形通道部分，所述锥形通道部分被加热成使得所述预制件达到所述热塑性基质中的树脂所需的低粘度温度，以浸渍所述纤维，
真空模块，具有真空腔，以从离开所述第一模具的所述预制件中去除空气，
至少第二模具，具有锥形通道部分，所述锥形通道部分被加热成使得所述预制件处于所述热塑性基质中的树脂所需的低粘度温度，以进一步浸渍所述纤维，和
冷却模块，以在所述梁到达所述拉动机构之前冷却所述梁。
22.根据权利要求21所述的系统，其特征在于，所述拉动机构包括在所述梁的相反侧上的至少一对辊。
23.根据权利要求21至22中任一项所述的系统，其特征在于，所述预热模块包括非接触式加热器。
24.根据权利要求21至23中任一项所述的系统，其特征在于，所述预热模块包括接触式加热器，所述预制件在所述接触式加热器中接触至少一个加热元件。
25.根据权利要求24所述的系统，其特征在于，所述接触式加热器具有圆柱形加热元件，所述预制件接触抵靠所述圆柱形加热元件。
26.根据权利要求21至25中任一项所述的系统，其特征在于，所述第一模具和所述第二模具中的至少一者具有相对于所述锥形通道部分的中心轴线成2°至6°范围的锥度。
27.根据权利要求21至26中任一项所述的系统，其特征在于，所述第一模具和所述第二模具中的至少一者包括在所述锥形通道部分下游的直通道部分。
28.根据权利要求21至26中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统具有在所述第二模具中比在所述第一模具中横截面更小的通道。
29.根据权利要求21至27中任一项所述的系统，其特征在于，所述第一模具的下游部分和所述第二模具的上游部分与所述真空模块密封接合，以密封所述真空腔。
30.根据权利要求21至28中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统包括用于N-1个所述真空模块的N个模具，其中N＝至少两个。
31.根据权利要求21至29中任一项所述的系统，其特征在于，还包括纤维的纱线，所述纤维是天然纤维。
32.一种权利要求21至30中任一项所述的系统的用途，用于将包括热塑性基质和纤维的纱线的预制件拉挤成拉挤成型梁。
33.根据权利要求31所述的用途，其特征在于，所述纤维是天然纤维。
34.根据权利要求32所述的用途，其特征在于，所述拉挤成型梁具有用浸渍有所述热塑性塑料的天然纤维增强的热塑性基质，所述拉挤成型梁具有低于所述拉挤成型梁的总体积的10％的空隙率，并且进一步地，其中所述自然纤维构成所述拉挤成型梁的总体积的40％至60％之间。
35.根据权利要求32至33中任一项所述的用途，其特征在于，所述天然纤维是亚麻纤维。
36.根据权利要求31至34中任一项所述的用途，其特征在于，所述热塑性基质是聚乳酸基质。
37.根据权利要求31至34中任一项所述的用途，其特征在于，所述热塑性基质是聚丙烯基质。
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