CN111619141A - 一种热塑性复合纱拉挤型材成型模具 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种热塑性复合纱拉挤型材模具，所述模具包括同一轴线上设置的熔融段Ⅰ、压紧段及冷却段Ⅳ，且各段的内腔均相互连通，从熔融段开始至冷却段，沿着纤维行进方向的模腔截面积逐步变小。本发明所述的热塑性复合纱拉挤型材模，通过设置的沿着纤维行进方向的截面积逐步变小模腔，将纤维与树脂进行挤压结合，采用两级压缩的方式，使得纤维与树脂结合更为紧密，能够有效的排除制品中的孔隙，增强压缩段的长度，从而得到结构密实的制品，本发明所述的热塑性复合纱拉挤型材模结构简单、便于操作，能够实现产线连续生产。

Description

一种热塑性复合纱拉挤型材成型模具

技术领域

本发明涉及热塑性复合材料生产技术领域，特别涉及一种热塑性复合纱拉挤型材模具。

背景技术

相比于传统的热固性复合材料，连续纤维增强热塑性复合材料具有较强的柔韧性能及抗冲击性能，且具有可补塑、制品可回收重复利用、成型速度快的优点，但迄今仍然未获得广泛的商业应用。

分析其可能的原因在于：一方面，热塑性复合材料在成型过程中，熔融的热塑性树脂粘度很大，在这种情况下树脂对玻纤的浸润难以完全浸透，从而导致产品的均匀性和稳定性难以保证；另一方面，在熔融浸渍的过程中，熔体和纤维需要受到高温高压作用，对设备加热及冷却温度控制精准度要求高，从而造成生产成本高。

近年来，随着环境问题的日渐突出，热塑性拉挤复合材料的加工越来越多的受到人们的关注。为了解决热塑性树脂熔体和玻璃纤维浸渍困难的问题，以玻璃纤维与热塑性纤维两者按照一定的比例复合制成热塑性复合纱，采用通过拉挤、模压等方式可得到热塑性复合材料。

申请号为200510041290.5的专利申请公开了一种热塑性复合材料的拉挤成型方法及其成型模，参见附图1，成型模用一般的模具材料制成，如45钢、40Cr等，由两个加热段、微波发生器、冷却段构成。第一个加热端的内腔从入口处逐渐变细，横截面随之缩小，导致模具里产生压力，这样促使树脂与纤维结合。冷却段通过用于盛纳冷却介质的冷却腔进行冷却，冷却段内腔从出口处逐渐变细，出口角度为0～10度。成型模加热的温度根据加工型材的复杂程度以及混合纤维纱中的基体纤维而有所不同，一般温度在150～500℃之间。混合纤维纱最后在成型模冷却段的冷却腔中的冷却介质的作用下对混合纤维纱加工的型材进行冷却，从而使成型模内由基体纤维熔融而成的基体塑料冷却，形成具有一定横截面的型材。采用该方案中多段成型模的压力下熔融的基体纤维能够对增强纤维充分地浸渍，排除多余的孔隙，得到密实的复合材料，但是该技术方案中成型模具不能太长，否则的话，会增加阻力，在牵引力的作用下熔体会拉断，该方案中的成型模长度为5毫米至50毫米。但是如果成型模长度太短的话，在成型模的压力下熔融的混合纤维束浸渍、挤压并不充分，同样会导致形成的复合材料性能较差。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种热塑性复合纱拉挤型材模具，通过该模具实现了连续纤维与热塑性纤维的拉挤成型，并得到纤维与热塑性树脂密实结合、性能优异的型材。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种热塑性复合纱拉挤型材模具，所述模具包括同一轴线上设置的熔融段Ⅰ、压紧段及冷却段Ⅳ，且各段的内腔均相互连通，从熔融段开始至冷却段，沿着纤维行进方向的模腔截面积逐步变小。

进一步的，所述压紧段包括两个部分，第一压紧段Ⅱ和第二压紧段Ⅲ，第一压紧段Ⅱ中腔壁与轴线之间的夹角θ1，第二压紧段Ⅲ中腔壁与轴线之间的夹角θ2，θ1≥θ2，压紧段的长度不小于200mm。

进一步的，所述模具的熔融段Ⅰ设有至少两个加热区，分别为第一加热区A和第二加热区B，所述第二加热区B设置在熔融段Ⅰ上靠近压紧段的一侧，所述第一加热区A的加热温度低于所述第二加热区B的温度。

进一步的，所述模具的熔融段、压缩段的加热温度不同且不少于三个温度点，每个加热区之间间隔1～10mm。

进一步的，所述模具的熔融段与压紧段、压紧段与冷却段相接处设有弧形过渡。

进一步的，所述模具的第一加热区A的温度设置为热塑性纤维熔点以下20～30℃，第二加热区B的温度设置为热塑性纤维熔点以上10～20℃，压紧段的温度设置为热塑性纤维熔点以上20～30℃。

进一步的，所述θ1＞θ2，且所述θ1的取值范围为1～5°，θ2的取值范围为1～3°。

进一步的，所述冷却段Ⅳ中设有多个冷却管道，冷却腔中通有冷却介质，冷却介质以“S”循环由冷却段出口处注入，由起始处排出。

进一步的，所述冷却腔的长度不小于400mm，冷却腔内的冷却介质为水，冷却段的腔体温度为梯度渐变。

进一步的，所述模具采用上下分型结构进行可拆卸的固定连接。

相对于现有技术，本发明所述的热塑性复合纱拉挤型材模具具有以下优势：

(1)本发明所述的热塑性复合纱拉挤型材模，通过设置的沿着纤维行进方向的截面积逐步变小模腔，将纤维与树脂进行挤压结合，采用两级压缩的方式，使得纤维与树脂结合更为紧密，能够有效的排除制品中的孔隙，增强压缩段的长度，从而得到结构密实的制品。

(2)本发明所述的热塑性复合纱拉挤型材模，根据热塑性纤维在不同温度下的流动状态，对熔融段、压紧段设置分段加热，这样的加热方式使得每个阶段的温度能够被更准确的控制，且不会影响到其他区域成型的温度。

(3)本发明所述的热塑性复合纱拉挤型材模，冷却段的冷却水经过“S”形的循环在冷却腔体中行进，通入冷却介质后根据接触到冷却段腔壁的冷却介质量不同，起到逐步冷却的效果。

(4)本发明所述的热塑性复合纱拉挤型材模，冷却段的腔体温度呈梯度渐变状设置，使得压紧后的制品在冷却段中金属传热和冷却腔体冷却的共同作用下缓慢冷却，防止出现骤冷或冷却不足而引起尺寸收缩变形。

(5)本发明所述的热塑性复合纱拉挤型材模结构简单、便于操作，能够实现产线连续生产。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为现有技术中所述热塑性复合纱拉挤型材模具的结构示意图；

图2为本发明实施例所述热塑性复合纱拉挤型材模具的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的技术手段，达到目的与功效易于理解，下面结合具体图示对本发明的实施例进行详细说明。

需要说明，本发明中所有进行方向性和位置性指示的术语，诸如：“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“顶”、“低”、“横向”、“纵向”、“中心”等，仅用于解释在某一特定状态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、连接情况等，仅为了便于描述本发明，而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

实施例1，如图2所示，本发明公开了一种热塑性复合纱拉挤型材模具，所述模具包括同一轴线上设置的熔融段Ⅰ、压紧段及冷却段Ⅳ，且各段的内腔均相互连通，从熔融段开始至冷却段，沿着纤维行进方向的模腔截面积逐步变小。

优选的，所述压紧段包括两个部分，第一压紧段Ⅱ和第二压紧段Ⅲ，第一压紧段Ⅱ中腔壁与轴线之间的夹角θ1，第二压紧段Ⅲ中腔壁与轴线之间的夹角θ2，θ1≥θ2，压紧段的长度不小于200mm。

本发明公开的热塑性复合纱拉挤型材模具，通过设置的沿着纤维行进方向的截面积逐步变小模腔，将纤维与树脂进行挤压结合，复合纱在模具的前端集束后，经过熔融段Ⅰ的熔融，在压紧段达到最大粘度，纱束行进到第一压紧段Ⅱ时，腔壁与中心轴线的夹角θ1，在第一压紧段的热熔融作用和腔壁压力作用下，树脂变稀并开始流动，树脂与纤维发生紧密结合，并沿拉挤方向被不断收紧；来到第二压紧段Ⅲ时，由于压缩角度θ2变小，树脂与纤维的相对作用位置也随之变化，进一步增加树脂与纤维间的结合紧密度，填补孔隙。

该设置采用两级压缩的方式，使得纤维与树脂结合更为紧密，能够有效的排除制品中的孔隙，增强压缩段的长度，从而得到结构密实的制品。

进一步的，作为本发明的一个较佳实施例，所述模具的熔融段Ⅰ设有至少两个加热区，分别为第一加热区A和第二加热区B，所述第二加热区B设置在熔融段Ⅰ上靠近压紧段的一侧，所述第一加热区A的加热温度低于所述第二加热区B的温度。该设置使得复合纱集束后进入熔融段Ⅰ内熔融时，通过设置不同的加热温度，提高复合纱束的熔融效果，使得熔融后的复合纱束在压紧段达到最大粘度，并且避免了热力资源的浪费。

优选的，作为本发明的一个较佳实施例，所述模具的熔融段、压缩段的加热温度不同且不少于三个温度点，每个加热区之间间隔1～10mm。该设置根据热塑性纤维在不同温度下的流动状态，对熔融段、压紧段设置分段加热，这样的加热方式使得每个阶段的温度能够被更准确的控制，且不会影响到其他区域成型的温度，提高最终成型材料的品质。

优选的，作为本发明的一个较佳实施例，所述模具的熔融段与压紧段、压紧段与冷却段相接处设有弧形过渡。

进一步的，作为本发明的一个较佳实施例，所述模具的第一加热区A的温度设置为热塑性纤维熔点以下20～30℃，第二加热区B的温度设置为热塑性纤维熔点以上10～20℃，压紧段的温度设置为热塑性纤维熔点以上20～30℃。该设置公开了一种熔融段Ⅰ、压紧段的设置温度，其中，熔融段和压紧段的加热方式为电加热、导热油加热、红外加热中的一种，熔融段Ⅰ长度不小于60mm，优选为100～300mm。

优选的，作为本发明的一个较佳实施例，所述θ1＞θ2，且所述θ1的取值范围为1～5°，θ2的取值范围为1～3°。该设置通过第一压紧段Ⅱ和第二压紧段Ⅲ中腔壁与轴线之间夹角θ1与θ2的变化，使得复合纱束在经过第一压紧段Ⅱ挤压收紧后，来到第二压紧段Ⅲ时，经过压缩角度的变小，使得树脂与纤维的相对作用位置也随之变化，从而达到增强树脂与纤维之间结合紧密度的目的。

进一步的，作为本发明的一个较佳实施例，所述冷却段Ⅳ中设有多个冷却管道，冷却腔中通有冷却介质，冷却介质以“S”循环由冷却段出口处注入，由起始处排出。该设置公开了一种模具的冷却结构，冷却段的冷却水经过“S”形的循环在冷却腔体中行进，通入冷却介质后根据接触到冷却段腔壁的冷却介质量不同，可以起到逐步冷却的效果。

优选的，作为本发明的一个较佳实施例，所述冷却腔的长度不小于400mm，优选400～700mm。

进一步的，作为本发明的一个较佳实施例，所述冷却介质为水，冷却段的腔体温度为梯度渐变。该设置使得冷却段的温度程梯度下降，使得压紧后的制品在冷却段中金属传热和冷却腔体冷却的共同作用下缓慢冷却，防止出现骤冷或冷却不足而引起尺寸收缩变形。

优选的，作为本发明的一个较佳实施例，所述成型模具的截面积为100～160mm²。

进一步的，作为本发明的一个较佳实施例，所述模具采用上下分型结构，通过沉头螺栓进行连接。

优选的，作为本发明的一个较佳实施例，所述模具腔应抛光并镀硬铬，模具材料硬度应达到RHC70，粗糙度RZ不大于0.4。

该实施例公开的热塑性复合纱拉挤型材模具，包括熔融段Ⅰ，第一压紧段Ⅱ和第二压紧段Ⅲ，以及冷却段Ⅳ。其中，熔融段和压紧段的加热方式为电加热、导热油加热、红外加热中的一种，熔融段Ⅰ长度为100～300mm。从加热段进入压紧段，模腔内截面积逐步减小，压紧段模腔内截面与模具中心轴的夹角分别为θ1、θ2，其中θ1为1～5°，θ2为1～3°；压缩段Ⅱ的长度为50～200mm，压缩段Ⅲ的长度为50～300mm，整个压紧段的长度不小于200mm。冷却段Ⅳ中设有多个冷却管道，冷却腔中通有冷却介质，冷却腔的长度为400～700mm，冷却介质从图示入口处通入，从出口处导出，冷却介质经过“S”形循环后对冷却腔壁内进行梯度冷却。

本发明提供的技术方案结构简单、便于操作，能够实现产线连续生产。

实施例2，所述的热塑性复合纱拉挤型材模具的加热段包括熔融段和压紧段，采用电加热装置在模具熔融段和压紧段进行加热。冷却水从冷却段的出口处通入，从入口处循环导出。根据复合纱中热塑性纤维的熔点来设定熔融段Ⅰ的加热温度为140℃～160℃，第一压紧段Ⅱ和第二压紧段Ⅲ的加热温度为180℃～220℃。复合纱集束后进入熔融段Ⅰ，热塑性纤维开始发生熔融，且在压紧段达到最大粘度，纱束行进到第一压紧段Ⅱ时，腔壁与中心轴线的夹角θ1是5°，在220℃的温度和腔壁压力作用下，树脂变稀并开始流动，树脂与纤维发生紧密结合，并沿拉挤方向被不断收紧；来到第二压紧段Ⅲ时，由于压缩角度θ2变为2°，树脂与纤维的相对作用位置也随之变化，进一步增加树脂与纤维间的结合紧密度，填补孔隙。在冷却段，在金属传热和冷却腔体冷却的共同作用下，冷却段的温度程梯度下降，使得制品缓慢冷却，防止出现骤冷或冷却不足而引起尺寸收缩变形，其它结构同时实施例1。

成型模具的压缩分为两级可以使得压缩得到的制品更加致密，冷却区经过梯度冷却使得制品的尺寸稳定性佳。

实施例3，所述的热塑性复合纱拉挤型材模具的加热段包括熔融段和压紧段，采用红外加热装置在模具熔融段和压紧段进行加热。冷却水从冷却段的出口处通入，从入口处循环导出。根据复合纱中热塑性纤维的熔点来设定熔融段Ⅰ的加热温度为180℃～220℃，第一压紧段Ⅱ和第二压紧段Ⅲ的加热温度为230℃～260℃。复合纱集束后进入熔融段Ⅰ，热塑性纤维开始发生熔融，且在压紧段达到最大粘度，纱束行进到第一压紧段Ⅱ时，腔壁与中心轴线的夹角θ1是3°，在280℃的温度和腔壁压力作用下，树脂变稀并开始流动，树脂与纤维发生紧密结合，并沿拉挤方向被不断收紧；来到第二压紧段Ⅲ时，由于压缩角度θ2变为1°，树脂与纤维的相对作用位置也随之变化，进一步增加树脂与纤维间的结合紧密度，填补孔隙。在冷却段，在金属传热和冷却腔体冷却的共同作用下，冷却段的温度程梯度下降，使得制品缓慢冷却，防止出现骤冷或冷却不足而引起尺寸收缩变形。

成型模具的压缩分为两级可以使得压缩得到的制品更加致密，冷却区经过梯度冷却使得制品的尺寸稳定性佳。

对比例1，模具的加热段包括熔融段和压紧段，采用导热油加热装置在模具熔融段和压紧段进行加热。冷却水从冷却段的出口处通入，从入口处循环导出。根据复合纱中热塑性纤维的熔点来设定熔融段Ⅰ的加热温度为180℃～200℃，第一压紧段Ⅱ和第二压紧段Ⅲ的加热温度为220℃～240℃。复合纱集束后进入熔融段Ⅰ，热塑性纤维开始发生熔融，纱束行进到第一压缩段Ⅱ和第二压缩段Ⅲ时，腔壁与中心轴线的θ1和θ2夹角均为0°。在冷却段，在金属传热和冷却腔体冷却的共同作用下，冷却段的温度程梯度下降，使得制品缓慢冷却，防止出现骤冷或冷却不足而引起尺寸收缩变形。

制品未经过成型模具的两级压缩作用，其内存在一定的气孔，尺寸稳定性较差。

经过上述对比可得知，将成型模具设置成两个温度的熔融区、两个压缩角度压紧段，从熔融段开始至冷却段，沿着纤维行进方向的模腔截面积逐步变小的结构设置，使得纤维与树脂结合更为紧密，能够有效的排除制品中的孔隙，从而得到结构密实的制品。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种热塑性复合纱拉挤型材模具，其特征在于，所述模具包括同一轴线上设置的熔融段Ⅰ、压紧段及冷却段Ⅳ，且各段的内腔均相互连通，从熔融段开始至冷却段，沿着纤维行进方向的模腔截面积逐步变小。

2.根据权利要求1所述的热塑性复合纱拉挤型材模具，其特征在于，所述压紧段包括两个部分，第一压紧段Ⅱ和第二压紧段Ⅲ，第一压紧段Ⅱ中腔壁与轴线之间的夹角θ1，第二压紧段Ⅲ中腔壁与轴线之间的夹角θ2，θ1≥θ2，压紧段的长度不小于200mm。

3.根据权利要求1或2所述的热塑性复合纱拉挤型材模具，其特征在于，所述模具的熔融段Ⅰ设有至少两个加热区，分别为第一加热区A和第二加热区B，所述第二加热区B设置在熔融段Ⅰ上靠近压紧段的一侧，所述第一加热区A的加热温度低于所述第二加热区B的温度。

4.根据权利要求3所述的热塑性复合纱拉挤型材模具，其特征在于，所述模具的熔融段、压缩段的加热温度不同且不少于三个温度点，每个加热区之间间隔1～10mm。

5.根据权利要求4所述的热塑性复合纱拉挤型材模具，其特征在于，所述模具的熔融段与压紧段、压紧段与冷却段相接处设有弧形过渡。

6.根据权利要求4或5所述的热塑性复合纱拉挤型材模具，其特征在于，所述模具的第一加热区A的温度设置为热塑性纤维熔点以下20～30℃，第二加热区B的温度设置为热塑性纤维熔点以上10～20℃，压紧段的温度设置为热塑性纤维熔点以上20～30℃。

7.根据权利要求2所述的热塑性复合纱拉挤型材模具，其特征在于，所述θ1＞θ2，且所述θ1的取值范围为1～5°，θ2的取值范围为1～3°。

8.根据权利要求1所述的热塑性复合纱拉挤型材模具，其特征在于，所述冷却段Ⅳ中设有多个冷却管道，冷却腔中通有冷却介质，冷却介质以“S”循环由冷却段出口处注入，由起始处排出。

9.根据权利要求8所述的热塑性复合纱拉挤型材模具，其特征在于，所述冷却腔的长度不小于400mm，冷却腔内的冷却介质为水，冷却段的腔体温度为梯度渐变。

10.根据权利要求1所述的热塑性复合纱拉挤型材模具，其特征在于，所述模具采用上下分型结构进行可拆卸的固定连接。

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