CN112976405B - 一种长纤维增强热塑性树脂产品的在线成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种长纤维增强热塑性树脂产品的在线成型方法，属于塑料制品复合材料技术领域。为了解决现有的需二次重熔和产品强度降低的问题，提供一种长纤维增强热塑性树脂产品的在线成型方法，包括将若干束的连续纤维束放卷拉出进入预热和分散处理；将热塑性树脂进行塑化熔融挤出并与处理后的连续纤维束共同进入浸渍工序，浸润后使包覆热塑性树脂的连续纤维束保温下通过牵引进入切断工序，切断后形成长纤维增强热塑性树脂浆料；保温下将长纤维增强热塑性树脂浆料输送到保温储料容器内进行储料，再输送到成型模具内进行成型，得到相应的产品。本发明能够有效的实现连续化生产，且避免了二次重熔的过程，简化成型加工的操作，产品强度高的效果。

Description

一种长纤维增强热塑性树脂产品的在线成型方法

技术领域

本发明涉及一种长纤维增强热塑性树脂产品的在线成型方法，属于塑料制品复合材料技术领域。

背景技术

纤维增强热塑性复合材料广泛应用在航天、国防、汽车(保险杆和车体等部位)、安全防护用品、自行车架、建筑支模架系统、齿轮、管件配套系统等领域，特别是在纤维增强热塑性树脂之中含有纤维较长(10mm以上)的长纤维增强热塑性树脂(LFRT)，由于在耐冲击性和刚性的性能表现上均较优异而得到大量的应用。而长纤维增强热塑性塑脂产品的纤维含量一般在20％-80％，如何确保所需纤维长度且使其均匀分散在复合材料中的连续高效生产也是至关重要的。目前长纤维增强热塑性树脂主要有两种途径成型制造产品。

一、通过先加工成长纤维热塑性树脂粒子后再制造产品的LFT-G工艺。LFT-G工艺是先加工成长纤维增强树脂粒料，再重新熔融加工成相应的产品，如现有相关报道中公开的对于浸渍在熔融的热塑性树脂浴中的多个增强纤维束，从熔融的热塑性树脂浴中进行抽丝，形成在增强纤维的周围包覆热塑性树脂的线束，经过冷却后，切断成规定的长度，得到相应的母料长纤维增强热塑性树脂颗粒。再重熔加工成相应的产品，然而，在重熔的过程中，相当于是对热塑性树脂进行二次加工，这样会造成热塑性树脂的性能下降至少10％，导致最终产品强度下降；同时，在二次加工时，通过熔融挤出的过程还会造成纤维破坏或断裂而影响性能。且先加工成颗粒，再重熔加工成相应的产品，存在加工过程长的缺陷，使成本增加30％-40％。

二、在线一次成型LFT-D工艺

LFT-D工艺，通过螺杆带动纤维束进入并绞断，与热熔后的树脂进行混合，纤维没有经过预热分散处理，纤维进入后没有经过充分浸润，只是纤维进入后与热熔树脂简单融合后定量切块，保温状态下再由机械手抓到模压模具中制作产品，无法让纤维分散，也无法让纤维很好的浸渍，只能是电缆包覆式的简单包覆浸润。所以，最终会影响到产品的力学性能。

发明内容

本发明针对以上现有技术中存在的问题，提供一种长纤维增强热塑性树脂产品的在线成型方法，解决的问题是如何实现简化成型过程，同时实现连续生产且产品强度高。

本发明的目的是通过以下技术方案得以实现的，一种长纤维增强热塑性树脂产品的在线成型方法，该方法包括以下步骤：

A、将若干束的连续纤维束从纤维架上放卷拉出进入预热和分散处理；

B、将热塑性树脂在熔融挤出装置中进行塑化熔融挤出并与步骤A中处理后的连续纤维束共同进入浸渍工序进行浸润，浸润后使包覆热塑性树脂的连续纤维束保温下通过拉出工序牵引拉出并进入切断工序进行切断，形成相应的长纤维增强热塑性树脂浆料；

C、保温下将长纤维增强热塑性树脂浆料输送到保温储料容器内进行储料，储料完成后保温下输送到成型模具内进行成型，得到相应的产品。

本发明通过使连续纤维束先进入预热和分散处理，经过预热并分散进入熔融的热塑性树脂中进行浸润包覆，能够使熔融的热塑性树脂与预热后的连续纤维束之间实现很好的融合以达到充分浸润的效果，避免连续纤维束直接以常温下进入与熔融的热塑性树脂之间存在的冷热差异导致的不易融合的问题；再在浸渍工序中充分浸润后以一大束的连续纤维束(当需要对含量进行调节时，可对纤维含量进行调节)在牵引力的作用下拉出，直接保温下进入切断工序，按一定的纤维长度需求进行切断形成长纤维增强热塑性树脂浆料，无需进行冷却造粒，直接在保温下输送到保温储料工序进行保温储料到一定量后，保温下输送进入成型模具内进行成型，成型模具可以是采用注塑成型或模压成型的方式均可。这样能够有效的避免二次重熔的过程，简化成型的加工工艺；同时也实现了在线连续化生产的优点，更利于自动化加工。由于无需进行造粒和二次重熔挤出的过程，能够有效的避免热塑性树脂的二次重熔加工导致产品性能下降的缺陷，更好的保持树脂的性能，且能够避免二次重熔加工挤出时造成长纤维断裂的问题，使成型的产品保持长纤维增强的强度性能，且本方法能够使加工费用节省30％-40％，更有利于工业化生产。

在上述长纤维增强热塑性树脂产品的在线成型方法中，作为优选，步骤B中所述浸渍工序中对经过的纤维束进行反复挤压处理。相当于在浸渍的过程中使纤维束进行连续的多次挤压，这样能够使熔融的热塑性树脂充分的浸润每束进入浸渍工序的纤维束的内部，实现更充分的浸润，有利于提高整体的强度性能。作为进一步的优选，所述反复挤压处理具体为：在浸渍工序中通过采用多组压力辊进行上下两面多次施压，使纤维束进行充分浸润。也可以通过采用多组压力辊前后错位，以张紧的方式进行施压，也可达到对进入的纤维束上下两面施压的过程，也能够达到更好的浸润效果。

在上述长纤维增强热塑性树脂产品的在线成型方法中，作为优选，步骤B中长纤维增强热塑性树脂浆料中长纤维的含量为10％-80％。使具有较好的纤维增强效果，保证成型产品的强度性能。作为更进一步的优选，所述长纤维增强热塑性树脂浆料中长纤维的含量为30％-50％。

在上述长纤维增强热塑性树脂产品的在线成型方法中，作为优选，步骤A中所述纤维束选自碳纤维束、玻璃纤维束和玄武岩纤维束中的一种或几种。这些长纤维具有较好的增强性能，能够很好的与热塑性树脂融合，提高整体强度性能。

在上述长纤维增强热塑性树脂产品的在线成型方法中，作为优选，步骤B中所述热塑性树脂选自PP、PA、PPO、PE、PEEK、PVC、PC和PS中的一种或几种混合。具有较好的成型加工性能，更易于实现产品的加工，保证加工的流动性。上述的热塑性树脂中还可包括其它辅料和助剂等进行混合。

在上述长纤维增强热塑性树脂产品的在线成型方法中，作为优选，步骤B中所述包覆热塑性树脂的连续纤维束具体为：所有的连续纤维束经过浸渍后包覆热塑性树脂形成一整束线束从浸渍工序的出口经纤维含量调节装置调节后拉出。采用较大的一个出口，以保证生产加工的流畅性，能够有效的解决堵塞的问题，使更易于操作；避免了LFT-G工艺中每束的连续纤维分别从小孔中拉出导致纤维断裂而堵塞的问题。

在上述长纤维增强热塑性树脂产品的在线成型方法中，作为优选，步骤A中所述连续纤维束为10-1000束纤维束同步从纤维架上放卷拉出进入预热和分散处理。更好的保证热塑性树脂中长纤维的含量，具有较好的强度性能。

在上述长纤维增强热塑性树脂产品的在线成型方法中，作为优选，步骤C中所述长纤维增强热塑性树脂浆料是通过将长纤维增强热塑性树脂浆料搅拌后推送到保温储料工序进行储料。通过搅拌混合后推送能使长纤维热塑性树脂浆料更好的均匀混合；同时，通过搅拌后推送也能够更好的保持长纤维的长度，避免输送过程中造成纤维的破坏或断裂。

在上述长纤维增强热塑性树脂产品的在线成型方法中，作为优选，步骤B中所述长纤维增强热塑性树脂浆料中长纤维的长度为10-50mm。实现具有较长的纤维长度，更好保证产品的强度性能效果。

综上所述，与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.在长纤维束输送进入浸渍工序之前进行预热处理能够使熔融的热塑性树脂与预热后的长纤维之间实现很好的融合以达到充分浸润的效果，提高成型产品的强度性能。

2.通过调整浸润后纤维的出口方式，即将LFT-G工艺中的分散小出口调整为一个整束合成的大出口，这样就避免了小出口堵塞问题，能够更好的确保生产连续性与稳定性。

3.通过在切断后搅拌均匀树脂浆料后，再直接在保温下输送到保温储料工序并储料到一定量后再保温下高压推送到成型模具内进行成型，能够避免二次重熔的过程，保证树脂性脂和保证长纤维的特点使具有更好的产品强度性能，且简化了成型加工的操作，能够实现在线连续化生产的优点。

附图说明

图1是本长纤维增强热塑性树脂产品的在线成型方法的流程示意图。

图2是本长纤维增强热塑性树脂产品的在线成型中采用的浸渍模具中压力辊的设置示意图。

图3是本长纤维增强热塑性树脂产品的在线成型中采用的浸渍模具中压力辊的另一种压紧方式示意图。

图中，1、纤维架；2、熔融挤出装置；3、分散和预热处理装置；4、浸渍模具；41、压力辊；5、纤维含量调节装置；6、保温牵引装置；7、保温切断装置；8、搅拌推送装置；9、止回阀；10、储料推送装置；11、成型模具。

具体实施方式

下面通过具体实施例和附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明，但是本发明并不限于这些实施例。

实施例一

结合图1所示，本长纤维增强热塑性树脂产品的在线成型方法具体如下：

将选用的若干束的连续纤维束从纤维架1上的线卷中放卷拉出，在牵引力的作用下连续经过纤维束的分散和预热处理装置3进行预热和分散处理的工序，最好使在放卷拉出过程中经转动调正后进入分散和预热处理装置3中；使所有的经预热和分散后连续纤维束进入浸渍工序的浸渍模具4内；这里的连续纤维束最好采用碳纤维束、玻璃纤维束或玄武岩纤维束中的一种或几种，具有较好的增强性能。

可以同步的将热塑性树脂(可包括辅料、助剂等添加剂)在热塑性树脂的熔融挤出装置2(采用螺杆挤出机)中进行塑化熔融，将塑化熔融后的树脂通过螺杆挤出并与上述处理的预热分散后的连续纤维束共同或同步进入浸渍工序的浸渍模具4中进行浸润，在浸渍模具4的出口处通过纤维含量调节装置5对纤维含量进行调节后集合为一大束浸渍充分的连续纤维束，也就是说，使所有的连续纤维束经过浸渍后包覆热塑性树脂形成一整束线束从浸渍工序的浸渍模具4的一个大出口拉出。上述的热塑性树脂最好采用PP(聚丙烯树脂)、PA(聚酰胺树脂)、PPO(聚苯醚树脂)、PE、PVC或PEEK(聚醚醚酮)等中的一种或几种的混合。

使上述纤维束连续经过浸渍工序的充分浸渍后，使浸润后包覆热塑性树脂的连续纤维束从浸渍工序的浸渍模具4的出口处在保温下经过拉出工序的保温牵引装置6的牵引下连续拉出，并进入切断工序的保温切断装置7进行切断，形成相应的长纤维增强热塑性树脂浆料，可根据所需长度，切断成定长的包覆热塑性树脂的长纤维，最好使切断后的长纤维的长度在10-50mm，更好的是使切断后的长纤维的长度在20-35mm；上述长纤维增强热塑性树脂浆料中长纤维的含量在10％-80％之间，最好长纤维含量在30％-50％。

保温下将长纤维增强热塑性树脂浆料可通过搅拌推送装置8将切断后的浆料直接搅拌混合后推送到储料推送装置10内进行储料，能够储存一定料的浆料并能将储存的浆料推送到用于相应产品成型的成型模具11内，相当于是储料完成后保温下将储存的浆料高压推送到成型模具11内进行成型，这里的高压推送可采用一般的油缸压料装置进行输送即可，最好还在搅拌推送装置8与储料推送装置10之间的通道上设置止回阀9，能够更好的避免树脂浆料回流，更利于成型加工，得到相应的产品。上述通过中间储料过程目的是为了储存一定量的浆料，实现一次性将浆料注入成型模具11内加工成型相应的产品，对于具体的产品可根据需要选用不同的成型模具11进行成型加工，如可通过注塑成型齿轮、水管接头、汽车配件等产品；也可通过模压成型相应的产品。采用本成型方法得到的成型产品的性能相比于采用同样树脂材料先加工成相应的母粒，再重熔母粒在成型模具中加工同样的产品的性能要更优，采用本发明的方法得到的成品强度性能至少提高10％以上，成本节省30％-40％。与LFT-D工艺相比，产品性能提高10％-20％。

实施例二

结合图1所示，本长纤维增强热塑性树脂产品的在线成型齿轮的方法具体如下：

将选用的70束玻璃纤维的连续纤维束从纤维架1上的线卷中同步放卷调正拉出进入分散和预热处理装置3进行预热和分散处理的工序，这里的预热温度是120℃-150℃，使所有70束的连续纤维束经预热和分散后进入浸渍工序的浸渍模具4内，结合图2，这里使浸渍模具4内有多组压力辊41对进入的连续纤维束进行辊压，最好采用6-8组压力辊41上下夹紧的方式设置在浸渍模具4内，使所有纤维束都能够得到上下两面多次的挤压浸润。也可采用其它方式对纤维束进行反复挤压的方式，只要保证纤维束在浸渍模具4内充分浸润均可。

同步的将热塑性树脂(采用PP树脂及辅料助剂)在热塑性树脂的熔融挤出装置2(螺杆挤出机)中进行塑化熔融，将塑化熔融后的树脂通过螺杆挤出并与上述处理的预热分散后的连续纤维束共同同步进入浸渍工序的浸渍模具4中进行浸润，在浸渍模具4的出口处可通过纤维含量调节装置5调整纤维含量后集合为一大束浸渍充分的连续纤维束，也就是说，使所有的连续纤维束经过浸渍后包覆热塑性树脂形成一整束从浸渍工序的一个大出口拉出，并可通过控制长纤维束的牵引速度和熔融的热塑性树脂的进料速度与后续的切断速度协调统一，连续经过浸渍工序的充分浸渍后；

无需冷却，直接在保温状态下进入切断工序，即浸润后使包覆热塑性树脂的连续纤维束从浸渍工序的浸渍模具4的出口处经纤维含量调节装置5的调整后在保温下经过拉出工序的保温牵引装置6牵引下连续拉出，并进入切断工序的保温切断装置7进行切断，形成相应的长纤维增强热塑性树脂浆料，可根据需求切断成定长的包覆热塑性树脂的长纤维束的长度，切断后的长纤维束的长度在10-25mm；长纤维增强热塑性树脂浆料中长纤维的含量在40％。

切断后保温下将长纤维增强热塑性树脂浆料通过搅拌推送装置8将切断后的浆料直接搅拌混合后推送的方式输送到储料推送装置10内进行储料，储存一定浆料后，将储料完成后保温下在储料推送装置10的高压推送下输送到用于水管接头成型的成型模具11内进行成型，得到相应的水管接头产品。这里的高压推送可采用一般的油缸压料装置进行输送，且在搅拌推送装置8与储料推送装置10之间的通道上设置止回阀9，防止树脂浆料回流。

通过测试表明，得到的水管接头产品拉伸强度达160MPa，抗弯强度达240MPa。相比于采用同样树脂材料先加工成相应的母粒，再重熔母粒在成型模具中加工同样产品的性能，具有更优的强度性能。

实施例三

结合图1所示，本长纤维增强热塑性树脂产品的在线成型齿轮的方法具体如下：

将选用的100束碳纤维的连续纤维束从纤维架1上的线卷中同步放卷拉出进入分散和预热处理装置3进行预热和分散处理的工序，这里的预热温度是120℃左右，使所有100束的连续纤维束经预热和分散后进入浸渍工序中的浸渍模具4内，结合图3，这里使浸渍模具4内有多组压力辊41对进入的连续纤维束进行辊压，最好是采用6-8组压力辊41前后间隔上下错位设置在浸渍模具4内，相当于在浸渍模具4内使纤维束呈张紧的前后压紧状态经过。

同步的将热塑性树脂(采用PA66聚酰胺树脂及辅料助剂等)在热塑性树脂的熔融挤出装置2(螺杆挤出机)中进行塑化熔融，将塑化熔融后的树脂通过螺杆挤出并与上述处理的预热分散后的连续纤维束共同同步进入浸渍工序的浸渍模具4中进行浸润，在浸渍模具4的出口处通过纤维含量调节装置5调整纤维含量后集合为一大束浸渍充分的连续纤维束，也就是说，使所有的连续纤维束经过浸渍后包覆热塑性树脂形成一整束从浸渍工序的一个大出口拉出，可通过调整长纤维束的牵引速度和熔融的热塑性树脂的进料速度以及后续保温切断装置7的切断速度相协调，以确保装置的连续顺利生产。

无需冷却，直接在保温状态下进入切断工序，即浸润后使包覆热塑性树脂的连续纤维束从浸渍工序的浸渍模具4的出口处经纤维含量调节装置5的调整后在保温下经过拉出工序的保温牵引装置6牵引下连续拉出，并进入切断工序的保温切断装置7进行切断，形成相应的长纤维增强热塑性树脂浆料，最好使切断后的浆料中的长纤维的长度在10-25mm；长纤维增强热塑性树脂浆料中长纤维的含量在50％。

切断后保温下将长纤维增强热塑性树脂浆料通过搅拌推送装置8将切断后的浆料搅拌混合均匀后推送到储料推送装置10内进行储料，在搅拌推送装置8与储料推送装置10之间的通道上设置止回阀9，用于防止树脂浆料回流，储存一定浆料后，将储料完成后在保温下高压推送到用于齿轮成型的成型模具11内进行注塑成型，得到相应的齿轮产品。

通过测试表明，得到的产品拉伸强度达300MPa，抗弯强度达450MPa。相比于采用同样树脂材料先加工成相应的母粒(LFT-G工艺)，再重熔母粒在成型模具中加工同样的产品的性能，及相比于LFT-D工艺得到的产品均具有更优的性能。

本发明中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。

Claims (8)

1.一种长纤维增强热塑性树脂产品的在线成型方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

A、将若干束的连续纤维束从纤维架(1)上放卷拉出进入分散和预热处理；

B、将热塑性树脂在熔融挤出装置(2)中进行塑化熔融挤出并与上述步骤A处理后的连续纤维束共同进入浸渍工序进行浸润，所有的连续纤维束经过浸渍后包覆热塑性树脂形成一整束线束在保温下通过拉出工序的保温牵引装置(6)牵引从浸渍工序的一个出口拉出，并进入切断工序进行切断形成相应的长纤维增强热塑性树脂浆料；

C、保温下将长纤维增强热塑性树脂浆料搅拌混合后推送到储料工序进行储料，储料完成后将储存的浆料保温下高压推送到成型模具(11)内进行成型，得到相应的产品。

2.根据权利要求1所述长纤维增强热塑性树脂产品的在线成型方法，其特征在于，步骤B中所述浸渍工序中对经过的连续纤维束进行反复挤压处理。

3.根据权利要求2所述长纤维增强热塑性树脂产品的在线成型方法，其特征在于，所述反复挤压处理具体是在浸渍工序中通过采用多组压力辊(41)进行上下两面压紧经过的连续纤维束进行施压浸润。

4.根据权利要求1所述长纤维增强热塑性树脂产品的在线成型方法，其特征在于，步骤B中所述长纤维增强热塑性树脂浆料中长纤维的含量为10％-80％。

5.根据权利要求1-4任意一项所述长纤维增强热塑性树脂产品的在线成型方法，其特征在于，步骤A中所述纤维束选自碳纤维束、玻璃纤维束和玄武岩纤维束的一种或几种。

6.根据权利要求1-4任意一项所述长纤维增强热塑性树脂产品的在线成型方法，其特征在于，步骤B中所述热塑性树脂选自PP、PA、PPO、PE、PC、PVC、PS和PEEK中的一种或几种混合。

7.根据权利要求1-4任意一项所述长纤维增强热塑性树脂产品的在线成型方法，其特征在于，步骤A所述连续纤维束为10-1000束纤维束同步从纤维架(1)上放卷拉出进入预热和分散处理。

8.根据权利要求1-4任意一项所述长纤维增强热塑性树脂产品的在线成型方法，其特征在于，步骤B中所述长纤维增强热塑性树脂浆料中长纤维的长度为10-50mm。

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