CN111093928B - 含纤维增强热塑性树脂的模制制品的模制方法和模制设备 - Google Patents

Abstract

本发明解决提供当通过压缩模制从纤维增强热塑性树脂获得模制制品时能够模制具有优良强度的模制制品并通过缩短模制周期而减少制造成本的模制方法的问题。本发明涉及通过揉捏热塑性树脂和增强纤维(14)而获得纤维增强热塑性树脂并通过压缩模制从纤维增强热塑性树脂获得模制制品的模制方法。根据本发明的包括纤维增强热塑性树脂的模制制品的模制方法包括：用于通过模制模具(4)从预定量的纤维增强热塑性树脂获得一次模制制品的模制步骤；用于打开模制模具(4)、取出一次模制制品并将一次模制制品插入冷却模具(5)中的运入步骤；和用于通过经由冷却模具(5)压缩一次模制制品而冷却一次模制制品的压缩冷却步骤。

Description

含纤维增强热塑性树脂的模制制品的模制方法和模制设备

技术领域

本发明涉及一种用于由纤维增强热塑性树脂模制模制制品的模制方法和一种用于模制由纤维增强热塑性树脂制成的模制制品的模制设备，在所述纤维增强热塑性树脂中，诸如碳纤维和玻璃纤维的增强纤维以预定比例混合。

背景技术

由包含增强纤维(诸如碳纤维和玻璃纤维)和树脂的复合材料制成的模制制品具有高强度并且被用在各种领域中。例如，在小型船只的船体、贮水器的水箱等中所使用的所谓的FRP(玻璃纤维增强塑料)由增强纤维片材和热固性树脂模制，并且通过加热而固化。FRP具有能够模制相对较大的模制制品的优良的优点，但是也存在生产率的问题。FRP能够通过各种方法来模制，例如通过获得浸渍有热固性树脂的增强纤维片材(即预浸料)并然后模制模制制品的具有相对高的生产率的方法，但是通常，模制所需的时间长并且生产成本高。相比之下，当由通过将作为基材的热塑性树脂和增强纤维混合而获得的纤维增强热塑性树脂来模制模制制品时，例如，通过注射模制或挤压模制来进行模制，却存在能够在短时间内进行模制并且生产成本低的优点。

用于通过挤出器从纤维增强热塑性树脂模制模制制品的方法在各种文献(诸如专利文献1)中有所描述并且是众所周知的。将对此进行简要描述。热塑性树脂由单螺杆挤出器或双螺杆挤出器熔化。增强纤维在挤出器的筒体的预定位置处被进给到筒体中，并且被混合以形成纤维增强热塑性树脂。该纤维增强热塑性树脂被从模挤出，以获得具有预定尺寸的大型模制产品，该模制产品被运送到模具。通过压缩并且模制该大型模制产品而获得模制制品。用于通过注射模制机由纤维增强热塑性树脂模制模制制品的方法也是众所周知的。首先，通过熔化增强纤维填充的粒料来称量纤维增强热塑性树脂。可替代地，热塑性树脂和增强纤维被分开地供应，并且在注射模制机中熔化并混合，以获得纤维增强热塑性树脂。纤维增强热塑性树脂被注射到被夹压的模具中。可替代地，纤维增强热塑性树脂被注射到以预定量打开的模具中，并且通过由模具夹压进行压缩模制来获得模制制品。

引用列表

专利文献

专利文献1：JP-A-2016-64607

发明内容

技术问题

在热塑性树脂和增强纤维在挤出器或注射模制机中被揉捏以获得纤维增强热塑性树脂并且该纤维增强热塑性树脂由模具模制的情形中，存在能够在相对较短的时间中获得模制制品并且生产成本低的优点。然而，也观察到了待解决的问题。首先，特别是当通过压缩模制进行模制时存在问题。如果在压缩模制中模具夹压力增加，则纤维彼此触碰并且增强纤维被切断，这影响了模制制品的强度。如果在相对较低的模具温度进行从纤维增强热塑性树脂的压缩模制，则树脂的粘度增加并且剪切力增加，并且不可避免地需要施加大的模具夹压力，从而发生所述问题。如果模具在高温下以确保树脂的流动性，则能够在一定程度上防止增强纤维的这种切断。也就是说，能够使压缩模制中的模具夹压力相对较小，并且能够减少增强纤维的切断。如果不进行压缩模制，即，在注射到被夹压的模具中的模制方法中，优选的是使模具处于高温，因为能够确保树脂的流动性。然而，当模具如上所述地处于高温时，需要时间来冷却模制制品，并且存在模制周期长并且生产成本高的问题。当为了缩短模制周期而在高温状态中取出模制制品时，还存在发生翘曲的问题。

附带提到，如将稍后描述地，本发明人已经发现了当以与不含任何增强纤维的普通模制制品相同的方式从纤维增强热塑性树脂获得模制制品时未获得足够的强度的现象。在使用不含任何增强纤维的普通树脂作为材料的注射模制和压缩模制的情形中，将模制制品在相对较高温状态中从模具取出。这是为了缩短模制周期并且降低生产成本。例如，当从尼龙6获得模制制品时，可以当模制制品在模具中被冷却到约140℃时取出模制制品。然而，本发明人已经发现了当在相同温度从模具取出由纤维增强热塑性树脂制成的模制制品时在模制制品中未获得足够的强度的现象。也就是说，存在即使从纤维增强热塑性树脂获得模制制品也未获得足够的强度的问题。

因此，本发明的一个目的在于提供一种模制方法，当通过压缩模制从纤维增强热塑性树脂获得模制制品时，该模制方法能够模制具有高强度的模制制品，但通过缩短模制周期能够减少生产成本。本发明的另一个目的在于提供一种能够进行所述模制方法的用于模制由纤维增强热塑性树脂制成的模制制品的模制设备。

问题的解决方案

本发明涉及一种模制方法，所述模制方法通过揉捏热塑性树脂和增强纤维而获得纤维增强热塑性树脂，并且所述模制方法从所述纤维增强热塑性树脂获得模制制品。本发明的模制方法包括：通过模制模具从预定量的所述纤维增强热塑性树脂模制以获得所述模制制品的模制步骤；打开模制模具、取出模制制品并将模制制品插入到冷却模具中的运送步骤；和通过冷却模具压缩并冷却模制制品的压缩冷却步骤。

即，本发明包括以下(1)至(4)的构造。

(1)一种由纤维增强热塑性树脂制成的模制制品的模制方法，所述模制方法通过揉捏热塑性树脂和增强纤维而获得所述纤维增强热塑性树脂，并且所述模制方法从所述纤维增强热塑性树脂获得所述模制制品，所述模制方法包括：模制步骤，所述模制步骤包括通过模制模具从预定量的所述纤维增强热塑性树脂获得一次模制制品；运送步骤，所述运送步骤包括打开所述模制模具、取出所述一次模制制品并且将所述一次模制制品插入到冷却模具中；和压缩冷却步骤，所述压缩冷却步骤包括通过所述冷却模具压缩并冷却所述一次模制制品。

(2)根据以上(1)的由纤维增强热塑性树脂制成的模制制品的模制方法，其中在所述模制步骤中，在打开所述模制模具的同时注射所述纤维增强热塑性树脂，或者在打开所述模制模具的同时插入预定量的所述纤维增强热塑性树脂，并且此后通过压缩模制来进行模制。

(3)一种用于从纤维增强热塑性树脂模制模制制品的模制设备，在所述模制设备中，揉捏热塑性树脂和增强纤维，所述模制设备包括：塑化装置，所述塑化装置包括挤出器或注射模制机，所述挤出器或所述注射模制机被构造成揉捏所述热塑性树脂和所述增强纤维，以获得所述纤维增强热塑性树脂；模制模具，所述模制模具从预定量的所述纤维增强热塑性树脂模制一次模制制品；运送装置；和冷却模具，其中所述模制模具中模制的所述一次模制制品由所述运送装置取出并被运送到所述冷却模具，并且在所述冷却模具中被压缩并冷却。

(4)根据以上(3)的用于从纤维增强热塑性树脂模制模制制品的模制设备，其中所述模制模具包括用于压缩模制的模具，并且其中在打开所述模制模具的同时，注射或插入预定量的所述纤维增强热塑性树脂，并且此后由所述模制模具压缩所述预定量的所述纤维增强热塑性树脂。

本发明的有利效果

如上所述，本发明涉及一种模制方法，该模制方法通过揉捏热塑性树脂和增强纤维而获得纤维增强热塑性树脂并且从纤维增强热塑性树脂获得模制制品。也就是说，本发明涉及一种具有短模制周期和低生产成本的模制方法。本发明的模制方法包括：模制步骤，该模制步骤通过模制模具从预定量的纤维增强热塑性树脂获得一次模制制品；运送步骤，该运送步骤打开模制模具、取出模制制品并且将模制制品插入冷却模具中；和压缩冷却步骤，该压缩冷却步骤通过冷却模具压缩并冷却模制制品。在由纤维增强热塑性树脂模制一次模制制品的情形中，存在如果在相对较高的温度从模制模具取出模制制品则未获得作为最终产品的模制制品的强度的问题。在本发明中，一次模制制品由冷却模具压缩并冷却。由此，如稍后关于由本发明人进行的实验详细描述地，能够增加模制制品的强度。如果一次模制制品只是被冷却，则考虑到模制是通过用于模制一次模制制品的模制模具进行的。然而，在此情形中，模制周期相当长并且生产成本增加。因为在本发明的模制方法中，冷却模具与模制模具分开地提供，所以能够缩短模制周期并且能够降低生产成本。如通过实验所发现地，冷却模具中的模具夹压力可以小于模制模具要求的模具夹压力，例如，约1/10的模具夹压力是足够的。因此，即使通过相对较小的模具夹压装置，也能够夹压冷却模具，并且能够降低整个模制设备的成本。此外，能够说，本发明的模制方法在能量效率方面也是有利的。如果模制仅仅通过模制模具来进行，则需要在模制时使模具处于高温并且在冷却时强制地冷却模具。也就是说，需要进行加热和冷却。因此，需要大量的能量。然而，在本发明的模制方法中，模制模具可以被维持在相对较高的温度并且冷却模具可以被维持在低温下，并且因为不需要大程度地改变模具的温度，所以能量效率高。

根据其它发明，模制步骤被构造成在打开模制模具的同时注射纤维增强热塑性树脂或者在打开模具的同时插入预定量的纤维增强热塑性树脂，并且此后通过压缩模制来模制制品。在压缩模制中，特别地，维持模制模具的温度处于高温是重要的，因为在压缩期间增强纤维彼此触碰并且容易被切断，将冷却模具与模制模具分开地提供以进行压缩冷却步骤的本发明能够节约冷却所需的时间，能量效率高，并且能够降低生产成本。

附图说明

图1是示出根据本发明的实施例的模制设备的前视图。

具体实施方式

在下文中，将描述本发明的实施例。如在图1中所示，根据本实施例的模制设备1包括：塑化装置2，该塑化装置2被构造成塑化热塑性树脂并且将其与增强纤维混合，以获得纤维增强热塑性树脂；模制模具4，该模制模具4被构造成从预定量的纤维增强热塑性树脂进行压缩模制，以获得一次模制制品；冷却模具5，该冷却模具5被构造成在压缩的同时冷却所模制的一次模制制品；和运送装置6，该运送装置6被构造成将一次模制制品从模制模具4取出并将一次模制制品运送到冷却模具5。

塑化装置2不是本发明中的特征装置，并且可以由相关的众所周知的注射模制机或挤出器的注射装置来构造。在本实施例中，塑化装置2由注射模制机的注射装置构造。注射装置包括加热筒8和螺杆9，该螺杆9在加热筒8中沿着旋转方向和轴向方向被驱动。注射装置设有料斗11，热塑性树脂被进给到该料斗11中，该料斗11被设置在加热筒8的后侧上，并且注射装置在加热筒8的前侧上设有用于增强纤维装料的增强纤维装料斜槽12。虽然在图1中螺杆9被示出为被形成为其螺棱横跨在轴向方向上的均匀的形状，但在增强纤维装料斜槽12的上游侧上，螺杆沟槽是浅的，以压缩树脂，并且在增强纤维装料斜槽12的附近，螺杆沟槽是深的，以减小树脂压力。因此，当增强纤维被供应到加热筒8中时，该供应不受树脂压力阻碍。以与增强纤维装料斜槽12对应的方式设置增强纤维(例如碳纤维)的供应装置。也就是说，设有：增强纤维辊14，在该增强纤维辊14处，增强纤维以预定数目被扭曲，以形成绳子形状，即，粗纱被缠绕成筒形形状；和切断装置15，该切断装置15被构造成以预定长度切断从增强纤维辊14拉出的增强纤维的粗纱。由切断装置15切断的增强纤维在被分散的同时从增强纤维装料斜槽12进给到加热筒8中。

在本实施例中，模制模具4是用于压缩模制的模具，在该模制模具4中，在模具打开的同时注射纤维增强热塑性树脂，并且此后，纤维增强热塑性树脂由此被压缩。模制模具4被设置在第一模具夹压装置17中。第一模具夹压装置17可以由肘节机构夹压，或者可以由模具夹压缸夹压。用于模制一次模制制品的空腔形成在模制模具4中，并且从设置在模制模具4的一侧上的浇口注射树脂。塑化装置1的喷嘴18抵接在浇口上。

运送装置6仅仅需要能够：抓持并取出模制模具4中所模制的一次模制制品；运送一次模制制品并将其插入冷却模具5中。运送装置6可以由机器人卡盘等构造。在本实施例中，运送装置6包括机器人臂，该机器人臂包括被构造成抓持一次模制制品的手20。

根据本实施例的冷却模具5是本发明中的特征构件。冷却模具5被设置在第二模具夹压装置22中，并且被设置在第一模具夹压装置17的附近并且与运送装置6相邻。用于冷却一次模制制品的空腔形成在冷却模具5中，并且其形状与在模制模具4中形成的空腔大致相同。冷却模具5由预定的制冷剂冷却，并且在本实施例中是水冷却型的。第二模具夹压装置22的模具夹压机构的类型不受特别限制，并且不要求大于第一模具夹压装置17的夹压力。因此，能够包括相对较小的模具夹压装置。

将描述用于通过根据本实施例的模制设备1由纤维增强热塑性树脂模制模制制品的方法。本实施例中的模制方法是通过揉捏热塑性树脂和增强纤维而获得纤维增强热塑性树脂并且从该纤维增强热塑性树脂获得模制制品的模制方法，其中该方法包括：通过模制模具从预定量的纤维增强热塑性树脂获得一次模制制品的模制步骤；打开模制模具、取出模制制品并且将模制制品插入冷却模具中的运送步骤；和通过冷却模具压缩并冷却模制制品的压缩冷却步骤。

首先，描述模制步骤。在塑化装置2(即注射装置)中，加热筒8由加热器(图中未示出)加热，螺杆9被旋转，并且将热塑性树脂的粒料从料斗11进给。粒料在加热筒8中熔化并且被向前递送。与此并行地，从增强纤维辊14拉出的增强纤维(诸如碳纤维)的粗纱由切断装置15切断并且被从增强纤维装料斜槽12进给。然后，树脂和增强纤维在加热筒8中被揉捏，以形成纤维增强热塑性树脂，该纤维增强热塑性树脂被从加热筒8向前递送以使螺杆9缩回。也就是说，进行了测量。驱动第一模具夹压装置17，以打开模制模具4。将螺杆9沿着轴向方向驱动，以进行注射。然后，如在图1中所示，纤维增强热塑性树脂以预定量被注射到模制模具4的空腔中。驱动第一模具夹压装置17，以进行压缩模制。模制模具4被维持在相对较高的温度。例如，如果待使用的热塑性树脂是尼龙6，则模具温度被设定为140℃。因此，纤维增强热塑性树脂在空腔中具有足够的流动性，并且防止了增强纤维在压缩模制中被剪切力切断。此外，因为流动性足够高，所以在第一模具夹压装置17中，压缩模制中的模具夹压力相对较小，并且一次模制制品的表面特性良好。

在运送步骤中，在模制步骤中所获得的一次模制制品被输送到冷却模具中。一旦一次模制制品已经固化，就打开模制模具4而不是等待直至制品被充分地冷却。因为模制模具4被维持在相对较高的温度，所以一次模制制品处于相对较高的温度的状态中。运送装置6将一次模制制品取出并将其插入冷却模具5的空腔中。

在压缩冷却步骤中，驱动第二模具夹压装置22，以夹压冷却模具5。也就是说，对一次模制制品进行压缩。在通过冷却模具5进行模具夹压时的模具温度优选等于或低于模制步骤中的模具温度，并且更优选等于或低于待使用的热塑性树脂的玻璃转化温度。冷却模具5优选以例如优选在0.1MPa至20MPa、更优选在1MPa至5MPa的范围内的预定的模具夹压力来压缩。当模具夹压力在以上范围内时，能够防止纤维的回弹。一旦一次模制制品已经被充分地冷却，就打开模具，以取出作为最终产品的模制制品。

根据本实施例的模制设备1可以被以各种方式被变型。例如，如已经描述地，塑化装置2可以由挤出器替代。关于挤出器，可以通过包括单螺杆的单螺杆挤出器或者包括双螺杆的双螺杆挤出器进行挤出。在由挤出器进行挤出的情形中，纤维增强热塑性树脂以预定量被挤出并且被切断成大型模制产品，该模制产品被运送到模制模具4的空腔以进行压缩模制。塑化装置2还可以被变型为使用柱塞型注射装置。其它方面的变型也是可能的。例如，在本实施例中描述了通过压缩模制来模制模制制品。可替代地，可以通过使用注射模制机作为塑化装置2通过注射到被夹压的模制模具4中来进行模制。

其它变型也是可能的。例如，待供应的增强纤维也可以被变型。在本实施例中，当增强纤维被进给到增强纤维装料斜槽12中时，增强纤维在切断状态中进给，但是可以在不被切断的情况下进给。当增强纤维在不被切断的情况下进给时，通过由于螺杆9的旋转而引起的剪切力来在加热筒8中切断增强纤维。在根据本实施例的模制设备1中，冷却模具5也可以被变型。例如，虽然在本实施例中提供了仅仅一个冷却模具5，但也可以提供两个或更多个的多个冷却模具5。当提供多个冷却模具5时，由模制模具4模制的模制制品能够被运送到恰好空置的冷却模具5并被冷却，并且能够提高生产效率。

示例

进行了实验以确认根据本实施例的由纤维增强热塑性树脂制成的模制制品通过其模制方法而具有高的强度。

<实验方法>

在图1中所示的根据本实施例的模制设备1中，使用塑化装置2和第一模具夹压装置17来模制两个模制制品A和B。模制条件如下。模制制品的形状是300mm×300mm×3mm的平板。使用尼龙6作为热塑性树脂，并且使用碳纤维作为增强纤维。按照体积比例，所添加的增强纤维的比例被设定为30％，即，按照体积比例，增强纤维被设定为与热塑性树脂的比例为30比70。通过塑化装置2获得纤维增强热塑性树脂，并且将其注射到模制模具4中，以进行压缩模制。在注射时，纤维增强热塑性树脂的温度被设定为260℃，并且模制模具4的温度被调节为140℃。压缩模制中的夹压压力被设定为22MPa，并且模具夹压进行了20秒。在将模制模具4打开之后，关于模制制品A，一次模制制品由运送装置6运送到或插入到冷却模具5，并且冷却模具5被夹压并冷却。冷却模具5的夹压压力为1.2MPa，并且模具夹压进行了300秒。也就是说，通过根据本发明的实施例的模制方法来模制模制制品A。另一方面，关于模制制品B，在将模制模具4打开之后，将模制制品取出并留置。也就是说，通过相关技术的模制方法来模制模制制品B。

<实验结果>

对模制制品A和模制制品B进行弯曲测试，以获得挠曲模量和挠曲强度。模制制品A具有21.2GPa的挠曲模量和384Mpa的挠曲强度。另一方面，模制制品B具有14.8GPa的挠曲模量和304MPa的挠曲强度。

<讨论>

当由纤维增强热塑性树脂模制模制制品时，已经发现，当进行根据本实施例的模制方法时，与相关模制方法相比，强度在挠曲模量方面增加了约43％并且在挠曲强度方面增加了约26％。虽然还未知强度增加的准确的原因，但当通过相关模制方法进行模制时，分散在树脂中的增强纤维回弹，并且树脂与增强纤维的浸渍程度降低。另一方面，当通过根据本发明的实施例的模制方法进行模制时，可以防止回弹。然而，虽然当回弹程度大时，模制制品的尺寸应会受到影响，但测量了模制制品A和模制制品B的板厚度，板厚度却无任何差异。即使回弹程度小，对强度的影响也可能是大的。

虽然已经参考具体实施例详细描述了本发明，但对于本领域技术人员而言明显的是，能够在不偏离本发明的精神和范围的情况下作出各种改变和变型。本申请基于在2017年9月21日提交的日本专利申请特愿2017-180833，其内容作为参考被并入本文中。

附图标记列表

1 模制设备

2 塑化装置

4 模制模具

5 冷却模具

6 运送装置

8 加热筒

9 螺杆

11 料斗

12 增强纤维装料斜槽

14 增强纤维辊

15 切断装置

17 第一模具夹压装置

18 喷嘴

20 手

22 第二模具夹压装置

Claims (4)

1.一种由纤维增强热塑性树脂制成的模制制品的模制方法，所述模制方法包括：

通过使用包括加热筒的塑化装置，通过在所述加热筒中熔化热塑性树脂并揉捏所述热塑性树脂和增强纤维，获得所述纤维增强热塑性树脂；

模制步骤，所述模制步骤包括通过具有比注射的所述纤维增强热塑性树脂的温度低的温度的模制模具对从所述塑化装置注射的预定量的所述纤维增强热塑性树脂进行模制以获得一次模制制品；

运送步骤，所述运送步骤包括打开所述模制模具、取出所述一次模制制品并且将所述一次模制制品插入到冷却模具中，所述冷却模具具有比所述模制模具的温度低的温度；和

压缩冷却步骤，所述压缩冷却步骤包括通过所述冷却模具压缩并冷却所述一次模制制品以获得所述模制制品。

2.根据权利要求1所述的由纤维增强热塑性树脂制成的模制制品的模制方法，其中在所述模制步骤中，在打开所述模制模具的同时注射所述纤维增强热塑性树脂，或者在打开所述模制模具的同时插入预定量的所述纤维增强热塑性树脂，并且此后通过压缩模制来进行模制。

3.一种用于从纤维增强热塑性树脂模制模制制品的模制设备，所述模制设备包括：

塑化装置，所述塑化装置包括挤出器或注射模制机，所述挤出器或所述注射模制机包括加热筒，并且所述挤出器或所述注射模制机被构造成在所述加热筒中熔化热塑性树脂并揉捏所述热塑性树脂和增强纤维，以获得所述纤维增强热塑性树脂；

模制模具，所述模制模具从预定量的所述纤维增强热塑性树脂模制一次模制制品；

运送装置；和

冷却模具，

其中通过具有比注射的所述纤维增强热塑性树脂的温度低的温度的所述模制模具对从所述塑化装置注射的预定量的所述纤维增强热塑性树脂进行模制以获得所述一次模制制品，并且

其中所述模制模具中模制的所述一次模制制品由所述运送装置取出并被运送到所述冷却模具，并且在所述冷却模具中被压缩并冷却以获得所述模制制品，所述冷却模具具有比所述模制模具的温度低的温度。

4.根据权利要求3所述的用于从纤维增强热塑性树脂模制模制制品的模制设备，

其中所述模制模具包括用于压缩模制的模具，并且

其中在打开所述模制模具的同时，注射或插入预定量的所述纤维增强热塑性树脂，并且此后由所述模制模具压缩所述预定量的所述纤维增强热塑性树脂。

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