CN113942158A - 单聚合物复合材料制品过冷膜过热丝成型方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单聚合物复合材料制品过冷膜过热丝成型方法及装置，属于聚合物复合材料成型加工技术领域。所述方法是制备同种聚合物的膜片和连续纤维，通过约束牵引使连续纤维处于过热状态，将熔融的膜片快速冷却至过冷状态，然后将纤维丝放置于膜片中间，通过合模将纤维和膜片复合，最终冷却固化得到单聚合物复合材料制品。所述装置由模具、纤维缠绕框架、合模系统和温控系统组成。所述方法及装置用于制备密度小、回收利用率高、界面粘结性好的单聚合物复合材料制品，可建立比传统制备方法更宽的加工温度窗口，可得到接近理论机械强度的制品。

Description

单聚合物复合材料制品过冷膜过热丝成型方法及装置

技术领域

本发明涉及一种单聚合物复合材料制品过冷膜过热丝成型方法及装置，属于聚合物复合材料成型加工技术领域。

背景技术

近年来，纤维增强聚合物复合材料得到了广泛应用和快速发展，特别满足了汽车轻量化发展的迫切需求。随着人们对节能环保的不断关注，提高纤维增强聚合物复合材料的回收性能成为相关行业技术的研究热点。传统纤维增强聚合物复合材料由基体和增强体组成，通常以聚合物为基体，以玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维等为增强体。聚合物基体主要包括热固性聚合物和热塑性聚合物两种类型，与加热时不能软化和反复塑制的热固性聚合物相比，热塑性聚合物具有可重复利用的优点，在提高纤维增强聚合物复合材料的回收性能方面具有巨大优势。然而，由于增强体的存在，给纤维增强热塑性聚合物复合材料的回收再利用增加了难度，特别是无法将与热塑性聚合物基体不同材质的纤维增强体分离。因此，开发易回收的热塑性聚合物复合材料成为迫切需求。单聚合物复合材料是以热塑性聚合物为基体，以同种热塑性聚合物纤维为增强体的复合材料。聚丙烯单聚合物复合材料就是一种以聚丙烯为基体、聚丙烯纤维为增强体的单聚合物复合材料。因为其基体和增强体均来自于同种热塑性聚合物，回收再利用的效率高、成本低，在资源循环再生和节能减排方面具有极大优势。其次，由于热塑性聚合物纤维比玻璃纤维、碳纤维等传统纤维增强体的密度均低，单聚合物复合材料还具有更低的密度，可以进一步减轻重量。再者，来自同种热塑性聚合物的基体和增强体相容性好，可获得较优的界面粘结性能，进而具有较好的机械强度，特别是抗冲击性能；另外，在耐低温、抗蠕变等方面具有独特的优势。目前，已开发的单聚合物复合材料的热塑性聚合物主要包括聚丙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺、聚乳酸、聚醚醚酮等，在国外已开发的单聚合物复合材料制品应用于汽车、箱包、体育、军事等领域。我国仍缺乏相关材料制备和结构成型相关的关键技术及设备。

因为单聚合物复合材料的基体和增强体为同种热塑性聚合物，具有相同相近的熔融温度(熔点)，在传统纤维增强热塑性聚合物复合材料的成型技术条件下，特别是在高的加热温度条件下，纤维增强体将发生融化而失去增强效果。因此，传统热塑性纤维增强热塑性聚合物复合材料的成型技术无法实现单聚合物复合材料的制备。建立属于同种热塑性聚合物的基体和纤维间的熔融温度差是制备单聚合物复合材料及其制品的关键。现有的单聚合物复合材料的成型方法主要基于热压法实现，主要包括纤维直接热压法、膜层热压法和共挤出皮芯纤维缠绕热压法。纤维直接热压法是直接将聚合物连续纤维丝或纤维布直接铺设在热压模具中，通过高温使聚合物纤维表面熔融而中间不熔融，然后通过高压将熔融的聚合物纤维丝表面部分压制形成基体，未熔融的聚合物纤维丝中间部分作为增强体保留其增强效果，最终冷却固化成型单聚合物复合材料制品。这种方法对温度极为敏感，热压温度通常在聚合物纤维熔点左右1至2℃范围内；对热压温度的控制精度要求极高，如果热压温度过高，聚合物纤维可能全部熔化导致最终制品失去增强效果；如果热压温度过低，聚合物纤维丝束之间得不到有效粘结，也不能实现高的机械强度。膜层热压法是以聚合物连续纤维丝或纤维布作为增强体，以聚合物膜片作为基体，通过纤维丝束层和膜片层交互叠加的形式铺放在热压模具中；因为聚合物纤维在制备过程中经过了高倍牵引和拉伸，因此具有比聚合物膜片更高的熔点；热压温度设定在聚合物膜片熔点与聚合物纤维熔点制件的温度，热压过程中时膜片熔化而纤维保持不熔化，然后通过高压压制和冷却固化成型单聚合物复合材料制品。这种方法的热压温度控制窗口较纤维直接热压法的更宽，可利用有些聚合物均聚和共聚、不同结晶形态和不同分子量形成的熔点差，进而形成更宽的热压温度窗口。但是也存在不同结晶特性聚合物产生的强度减弱问题。共挤出皮芯纤维缠绕热压法利用了聚合物均聚和共聚能够形成不同熔点差的特点，通过两台挤出机分别挤出均聚聚合物和共聚聚合物，再通过共挤出模具形成皮芯结构的纤维丝或纤维条，缠绕在框架上，然后铺放在热压模具中，热压温度设定在共聚聚合物熔点与均聚聚合物熔点之间，使共聚聚合物熔融作为基体，使均聚聚合物保持纤维形态作为增强体，最终高压压制和冷却固化成型单聚合物复合材料制品。这种方法主要局限于原材料的选择范围小，目前适用的聚合物只有聚丙烯具有共聚和均聚的特点。而共聚聚丙烯的机械强度比均聚聚丙烯的要弱，这也减弱了单聚合物复合材料的整体理论强度。

综上所述，目前单聚合物复合材料制品的成型主要是通过热压成型方法实现的，技术关键是建立宽的热压温度窗口即建立聚合物基体与增强体间的熔融温度差。现有的单聚合物复合材料的热压成型方法一方面受到较窄温度窗口的限制，另一方面增强体强度在成型过程中发生减弱而最终单聚合物复合材料制品强度距离理论强度存在较大差距，不能获得发挥理论强度值的最大强度。单聚合物复合材料的理论强度主要取决于增强体的体积分数、基体和增强体的强度、增强体的取向，增强体的强度主要取决于聚合物微观形态结构中高分子链的取向。在热压过程中一定体积分数的增强体强度会在受热受冷过程中减弱，主要是增强体内部高分子链扩散移动取向减弱导致的。因此，为了使单聚合物复合材料制品的机械强度更接近这种结构复合材料的理论强度，需要进一步拓宽加工温度窗口即基体与增强体间的熔融温度差，保证增强体强度在成型过程中不会减弱或仅发生微量减弱。另外，热压成型方法存在周期长和不能连续化生产等缺点，需要一种可连续高效规模化生产单聚合物复合材料制品的方法及装置。

本发明通过国家知识产权局官网检索服务系统和中国知网进行了详细检索，得到了如下现有技术，现对这些现有技术做简单介绍，以便更好的了解本发明的发明构思，展现本发明的技术优势和技术特点。

现有技术1：CN103358516B公开了一种单聚合物复合材料制品熔融包覆辊压成型方法及设备，但该现有技术是本发明的发明人之前的发明，实现熔融包覆后材料的牵引相关设备造价较高，而且应用场合较为狭窄。

现有技术2：CN105128277A公开了一种单聚合物复合材料模内自增强共注塑成型方法，但该现有技术仅适用于特定的注射成型制品，应用场合极为狭窄，而且强度的提高极为有限。

现有技术3：CN108372667A公开了一种纤维增强复合材料缠压成型工艺及装置，但该现有技术并未针对单聚合物复合材料，且工艺仍然较为繁琐，且应用场合仍然较为狭窄。

现有技术4：CN108724525A公开了一种连续纤维增强热塑性复合材料单向预浸带制备设备和方法，但该现有技术并未针对单聚合物复合材料，且工艺仍然较为繁琐，且应用场合仍然较为狭窄。

现有技术5：CN109732867A公开了一种通过挤出连续制备聚丙烯同质复合材料的方法，该现有技术与现有技术1(CN103358516B)相近，工艺仍然较为繁琐，且应用场合仍然较为狭窄。

现有技术6：US8465684B1公开了一种由回收的热塑性聚合物制成的“自增强复合材料”，其制造方法和设备包括(a)包含第一回收热塑性聚合物并具有至少约500MPa的杨氏模量的纤维和(b)包含第二回收热塑性聚合物的基质，但该现有技术的工艺针对回收的热塑性聚合物作为原料，且工艺仍然较为繁琐，且应用场合仍然较为狭窄。

现有技术7：US2002034610A1公开了一种具有微原纤化表面的薄膜及其制造方法，但该现有技术的制品限于一种薄膜，且工艺仍然较为繁琐，且应用场合仍然较为狭窄。

现有技术8：US2019338097A1公开了一种聚合物材料，其包含热塑性组合物，所述热塑性组合物包含连续相，所述连续相包含基体聚合物和硅氧烷组分。硅氧烷组分包含超高分子量硅氧烷聚合物，其以离散畴的形式分散在连续相中。在所述热塑性组合物内限定多孔网络，所述多孔网络包括多个纳米孔。但该现有技术针对的并不是单聚合物复合材料，且工艺仍然较为繁琐，应用场合仍然较为狭窄。

现有技术9：《单聚合物复合材料制备研究进展》，作者赵增华，介绍了生物降解高分子材料及其分类，综述了聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚酯类等不同单聚合物复合材料的制备研究进展和制备过程中存在的问题，但对实际生产装置及设备的阐述不够详尽。

现有技术10：《高密度聚乙烯单聚合物复合材料的制备及性能》，通讯作者是本发明的发明人，采用热压纤维法和膜层堆叠法制备了高密度聚乙烯单聚合物复合材料；比较分析了热压温度、样品的微观结构及力学性能。所描述的相关方法是前面论述过的单聚合物复合材料的常规制备方法，而且论文对实际生产装置及设备的阐述也不够详尽。

现有技术11：《聚丙烯单聚合物复合材料嵌件式注射成型过程的数值模拟》，通讯作者是本发明的发明人，但该论文主要论述的是聚丙烯单聚合物复合材料嵌件式注射成型，偏重理论研究，对实际生产设备的阐述不够详尽。

为此，如何拓宽加工温度窗口即基体与增强体间的熔融温度差，保证增强体强度在成型过程中不会减弱或仅发生微量减弱，使单聚合物复合材料制品的机械强度更接近这种结构复合材料的理论强度，进而实现可连续高效规模化生产单聚合物复合材料制品，是急需解决的问题。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。

本发明的目的在于提供一种单聚合物复合材料制品过冷膜过热丝成型方法及装置，可实现更宽的加工温度窗口即建立较大的基体与增强体间的熔融温度差，可用于批量连续生产尺寸形状多样、密度小、回收利用率高、界面粘结性好、机械强度更高的单聚合物复合材料制品。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种单聚合物复合材料制品过冷膜过热丝成型装置，包括模具，所述模具包括凸模和凹模，其特征在于，所述单聚合物复合材料制品过冷膜过热丝成型装置还包括纤维缠绕框架，所述纤维缠绕框架在使用时缠绕有聚合物连续纤维，并对所缠绕的聚合物连续纤维施加预紧力；

进一步地，所述纤维缠绕框架设置在所述凸模和凹模之间；

进一步地，所述纤维缠绕框架包括外框、撑架，所述撑架设在所述外框的外侧，所述撑架能够沿着外框的长度方向和/或宽度方向移动；

进一步地，所述纤维缠绕框架包括若干导杆、若干弹簧和若干调距螺杆，所述撑架个数为2个，其中一个撑架平行设在外框的宽边的外侧，另一个撑架平行设在外框的长边的外侧，每个撑架与所述外框的宽边或长边之间设有导杆，所述导杆上套设有弹簧，所述调距螺杆转动连接所述撑架与所述外框，旋扭所述调距螺杆能够调节所述撑架和所述外框之间的距离；

进一步地，缠绕聚合物连续纤维前，通过调距螺杆将撑架与外框的距离调小，弹簧被压短；缠绕聚合物连续纤维完成后，通过调距螺杆将撑架与外框的距离调大，弹簧弹力作用在聚合物连续纤维上，通过弹簧长度变化可确定聚合物连续纤维所受到的约束牵引比，进而确定纤维所受到的预紧力；

进一步地，所述单聚合物复合材料制品过冷膜过热丝成型装置，还包括合模系统、温控系统，其特征在于：所述模具型腔形状按照制品形状设计，模具安装在合模系统上；所述温控系统控制模具型腔位置处的预制膜片的温度和模具的温度；所述纤维缠绕框架在使用时缠绕有聚合物连续纤维缠绕，并对所缠绕的聚合物连续纤维施加预紧力，在制品成型时放置在模具的凸模和凹模之间，与预制膜片在合模系统和温控系统作用下复合成型制品。

一种单聚合物复合材料制品过冷膜过热丝成型方法，具体步骤如下：

通过熔融纺丝制备聚合物连续纤维；对聚合物连续纤维施加预紧力形成过热丝；采用同种聚合物原料制备聚合物膜片，快速冷却膜片到过冷温度，形成过冷膜；将过热丝放置于过冷膜中间，对应合模位置，快速合模；成型时间到后冷却开模，得到单聚合物复合材料制品；所述的过热丝是聚合物连续纤维经过预紧力作用形成的，作为所述单聚合物复合材料的增强体；所述的过冷膜是聚合物膜片经过熔融成型后快速冷却到过冷温度形成的，作为所述单聚合物复合材料的基体；所述的过冷温度是低于聚合物纤维的熔点高于聚合物原料的结晶温度；所述聚合物连续纤维和聚合物膜片均由同种聚合物原料制备得到。

其中，过热是指聚合物在约束牵引条件下熔点提高的一种物理现象，过冷是指聚合物在熔融后再冷却至其熔点以下的温度时不发生结晶固化而继续保持可流动性的一种物理现象。

使用本发明所述单聚合物复合材料制品过冷膜过热丝成型装置的过冷膜过热丝成型方法如下：

1)通过熔融纺丝制备聚合物连续纤维；

2)采用同种聚合物原料制备聚合物膜片；

3)将聚合物膜片置于合模位置，通过温控系统使聚合物膜片快速冷却达到过冷温度；

4)将聚合物连续纤维缠绕在纤维缠绕框架上，在缠绕过程中和/或缠绕后，对所缠绕的聚合物连续纤维施加预紧力；

5)将缠绕有聚合物连续纤维的纤维缠绕框架置于合模位置；

6)通过温控系统控制模具温度为过冷温度，通过合模系统快速合模，将聚合物连续纤维和膜片复合压制成型；

7)压制时间到后，通过温控系统实施冷却，冷却时间到后开模，取出制品；

8)去除制品形状以外的多余材料，得到最终制品。

进一步地，所述的单聚合物复合材料制品过冷膜过热丝成型装置还包括挤出机、机头、牵引装置，所述挤出机主要由料斗、螺杆、机筒、加热系统I组成，机头主要由机头体、分流板、口模、加热系统II组成，牵引装置主要由牵引辊组成；所述纤维缠绕框架主要包括外框、撑架、导杆、弹簧和调距螺杆；所述温控系统包括膜片温度控制系统和模具温度控制系统，膜片温度控制系统主要包括非接触温度传感器、加热器、风扇和支架，模具温度控制系统主要包括加热丝、冷却器、热电偶和控制器；所述机筒前端同机头体后端固定连接，分流板设置在机头体内部，口模设置在机头体前端，机头体的外壁或/和壁中设有加热系统II；膜片温度控制系统设置在机头与合模系统之间，非接触温度传感器、加热器和风扇安装在支架上，支架与机头相连接；合模系统设置在机头下方、牵引装置上方，膜片挤出牵引过程中，模具处于开模状态；模具安装在合模系统上，凹模和凸模上设置有加热丝孔道、冷却水道和热电偶安装孔，加热丝设置在加热丝孔道中，冷却水道通过管接头和水管跟冷却器连接，热电偶设置在热电偶安装孔中；牵引装置设置在合模系统下方，牵引辊的数量根据挤出的膜片数量确定，用于控制多层膜片的间距和最终收卷。

其中，加热系统I可采用风冷和电加热组合控制，在机筒外壁或/和壁中设置冷却流道和加热器；加热系统II可采用电加热控制或风冷和电加热组合控制，在机头体外壁或/和壁中设置冷却流道和加热器；非接触式温度传感器可采用红外测温仪；机头为本领域常规挤出成型设备机头，可根据膜片厚度和数量等进行设计；优选牵引装置采用电机驱动自动牵引，控制牵引力和牵引速度；在模具周围可配备切割装置，在合模的同时将模具周围的膜片切断；为纤维缠绕框架配置自动缠绕装置，用于适应连续纤维丝束的自动缠绕；配置有机械臂，可用于纤维缠绕框架的自动定位和放置。

进一步地，使用本发明所述单聚合物复合材料制品过冷膜过热丝成型装置的过冷膜过热丝成型方法如下：

1)测定聚合物原料的熔点和结晶温度，通过熔融纺丝制备聚合物连续纤维，进一步测定聚合物纤维的熔点；

2)将聚合物连续纤维缠绕在纤维缠绕框架上；缠绕前，通过调距螺杆将撑架与外框的距离调小，弹簧被压短；缠绕完成后，通过调距螺杆将撑架与外框的距离调大，弹簧弹力作用在聚合物纤维上，通过弹簧长度变化可确定纤维所受到的约束牵引比，进而确定纤维所受到的预紧力；

3)采用同种聚合物原料通过料斗加入到机筒中，聚合物原料经加热系统I和螺杆作用达到熔融状态，同时在螺杆挤出压力作用下连续向前输送至机头；在机头体中，熔融状态的聚合物在加热系统II和螺杆挤出压力作用下继续向前输送，并经分流板分流为两层或多层；通过控制挤出机螺杆转速、加热系统I温度和加热系统II温度熔融挤出多层聚合物膜片，将膜片牵引至牵引装置的牵引辊中，启动牵引辊牵引膜片，控制牵引辊速度，实现膜片的连续成型；

4)通过膜片温度控制系统的非接触温度传感器实施测定合模位置处膜片的温度，调整挤出机螺杆转速、加热系统I温度和加热系统II温度，调整牵引辊转速，调整膜片温度控制系统的加热器功率和风扇开关，使合模位置处的膜片快速冷却到过冷温度；

5)将缠绕有聚合物连续纤维的纤维缠绕框架置于两层或多层膜片的中间，对应合模位置；

6)通过模具温度控制系统控制模具温度为过冷温度，停止挤出机螺杆和牵引辊的转动，同时通过合模系统快速合模，将聚合物连续纤维和膜片复合压制成型；

7)压制时间到后，通过模具温度控制系统实施冷却，冷却时间到后开模，取出制品；

8)去除制品形状以外的多余材料，得到最终制品；

其中，所述步骤1)中的加热系统I靠近机头端的设定温度和加热系统II的设定温度均高于聚合物原料的熔点；步骤4)中的设定的合模位置处膜片的过冷温度的冷却速度＞聚合物原料结晶温度对应的冷却速度；膜片温度控制系统设定的温度均＞聚合物原料的结晶温度并且＜聚合物纤维的熔点。

有益效果

1.本发明提供的单聚合物复合材料制品过冷膜过热丝成型方法及装置，利用单聚合物复合材料的基体和增强体属于同种聚合物材料，可连续生产出具有密度小、回收利用率高、界面粘结性好的单聚合物复合材料制品；

2.本发明提供的单聚合物复合材料制品过冷膜过热丝成型方法及装置，所述方法通过纤维缠绕框架可调整所缠绕纤维丝的约束牵引比形成预紧力，利用了聚合物过热的特性可实现纤维增强体的“过热”，“过热丝”纤维具有更高的熔点；通过挤出机挤出温度、螺杆转速、机头温度、牵引辊转速和膜片温度控制系统的控制可实现挤出膜片快速冷却至过冷温度，膜片基体形成“过冷膜”；因此，所述方法建立的单聚合物复合材料的加工温度窗口得到了加宽，加工温度范围为“过热丝”聚合物纤维增强体的熔点和“过冷膜”聚合物膜片的结晶温度之间的温度差；

3.本发明提供的单聚合物复合材料制品过冷膜过热丝成型方法及装置，所述方法形成的“过热丝”聚合物纤维增强体不会在过冷温度条件下发生熔融，其内部的高分子链取向不会受到太大影响，可完全保持增强结构，因此最终形成的单聚合物复合材料制品可具有或接近结构复合材料的理论强度；

4.本发明提供的单聚合物复合材料制品过冷膜过热丝成型方法及装置，所述装置可通过机头设计控制膜片的一次性挤出数量及每股膜片的厚度，进一步通过挤出机挤出温度、螺杆转速、机头温度、牵引辊转速和膜片温度控制系统控制其在合模位置处膜片的厚度，进而控制基体在单聚合物复合材料制品中的含量及增强结构；

5.本发明提供的单聚合物复合材料制品过冷膜过热丝成型方法及装置，所述装置的合模系统可采用吹塑机或注塑机合模机构，配合模温机实现单聚合物复合材料制品的快速成型；

6.本发明提供的单聚合物复合材料制品过冷膜过热丝成型方法及装置，所述装置可制备得到不同尺寸形状制品、可连续化批量生产、生产效率高、自动化程度高等优点；

7.本发明提供的单聚合物复合材料制品过冷膜过热丝成型方法及装置，可适用于多种类的聚合物原料，包括聚丙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺、聚乳酸、聚醚醚酮等，加工工艺可通过测定聚合物原料及纤维的熔点和结晶温度进行调整；

8.本发明提供的单聚合物复合材料制品过冷膜过热丝成型方法及装置，制备得到的单聚合物复合材料应用领域广，可取代木材金属合金和玻纤复合材料，广泛应用于航空航天、船舶、汽车、通信电子、建材、医疗器械和健身器材等领域，可推动新材料技术和加工行业的发展。

附图说明

图1是实施例1的示意图；

图2是实施例2的主视图；

图3是实施例2的侧视图；

图4是图2中A的局部放大图；

图5是图3中B的局部放大图。

图中：1—模具，2—合模系统，3—纤维缠绕框架，4—膜片，5—纤维，6—挤出机，7—机头，8—牵引装置，9—膜片温度控制系统，10—模具温度控制系统，11—切割装置，1-1—凸模，1-2—凹模，1-3—加热丝孔道，1-4—冷却水道，1-5—热电偶安装孔，3-1—外框，3-2—撑架，3-3—导杆，3-4—弹簧，3-5—调距螺杆，6-1—料斗，6-2—螺杆，6-3—机筒，6-4—加热系统I，7-1—机头体，7-2—分流板，7-3—口模，7-4—加热系统II，9-1—非接触温度传感器，9-2—加热器，9-3—风扇，9-4—支架，10-1—加热丝，10-2—热电偶

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施方式作进一步详细说明。

实施例1

一种单聚合物复合材料制品过冷膜过热丝成型装置，由模具(1)、合模系统(2)、温控系统和纤维缠绕框架(3)组成，其特征在于：所述模具(1)由凸模(1-1)和凹模(1-2)组成，型腔形状按照制品形状设计，模具(1)安装在合模系统(2)上；所述温控系统控制模具型腔位置处的预制膜片(4)的温度和模具(1)的温度；所述纤维缠绕框架(3)在使用时缠绕有聚合物连续纤维(5)缠绕，并对所缠绕的聚合物连续纤维(5)施加预紧力，在制品成型时放置在模具(1)的凸模(1-1)和凹模(1-2)之间，与预制膜片(4)在合模系统(2)和温控系统作用下复合成型制品。

使用本实施例1所述单聚合物复合材料制品过冷膜过热丝成型装置的过冷膜过热丝成型方法如下：

1)通过熔融纺丝制备聚合物连续纤维(5)；

2)采用同种聚合物原料制备聚合物膜片(4)；

3)将聚合物膜片(4)置于合模位置，通过温控系统使聚合物膜片(4)快速冷却达到过冷温度；

4)将聚合物连续纤维(5)缠绕在纤维缠绕框架(3)上，在缠绕过程中和/或缠绕后，对所缠绕的聚合物连续纤维(5)施加预紧力；

5)将缠绕有聚合物连续纤维(5)的纤维缠绕框架(3)置于合模位置；

6)通过温控系统控制模具温度为过冷温度，通过合模系统(2)快速合模，将聚合物连续纤维(5)和膜片(4)复合压制成型；

7)压制时间到后，通过温控系统实施冷却，冷却时间到后开模，取出制品；

8)去除制品形状以外的多余材料，得到最终制品。

实施例2

一种单聚合物复合材料制品过冷膜过热丝成型装置，由模具(1)、合模系统(2)、温控系统、纤维缠绕框架(3)、挤出机(6)、机头(7)和牵引装置(8)组成，所述模具(1)由凸模(1-1)和凹模(1-2)组成，型腔形状按照制品形状设计；挤出机(6)主要由料斗(6-1)、螺杆(6-2)、机筒(6-3)、加热系统I(6-4)组成，机头(7)主要由机头体(7-1)、分流板(7-2)、口模(7-3)、加热系统II(7-4)组成，牵引装置(8)主要由牵引辊组成；所述纤维缠绕框架(3)主要包括外框(3-1)、撑架(3-2)、导杆(3-3)、弹簧(3-4)和调距螺杆(3-5)；所述温控系统包括膜片温度控制系统(9)和模具温度控制系统(10)，膜片温度控制系统(9)主要包括非接触温度传感器(9-1)、加热器(9-2)、风扇(9-3)和支架(9-4)，模具温度控制系统(10)主要包括加热丝(10-1)、冷却器、热电偶(10-2)和控制器；所述机筒(6-3)前端同机头体(7-1)后端固定连接，分流板(7-2)设置在机头体(7-1)内部，口模(7-3)设置在机头体(7-1)前端，机头体(7-1)的外壁或/和壁中设有加热系统II(7-4)；膜片温度控制系统(9)设置在机头(7)与合模系统(2)之间，非接触温度传感器(9-1)、加热器(9-2)和风扇(9-3)安装在支架(9-4)上，支架(9-4)与机头(7)相连接；合模系统(2)设置在机头(7)下方、牵引装置(8)上方，膜片(4)挤出牵引过程中，模具(1)处于开模状态；模具(1)安装在合模系统(2)上，凹模(1-2)和凸模(1-1)上设置有加热丝孔道(1-3)、冷却水道(1-4)和热电偶安装孔(1-5)，加热丝(10-1)设置在加热丝孔道(1-3)中，冷却水道(1-4)通过管接头和水管跟冷却器连接，热电偶(10-2)设置在热电偶安装孔(1-5)中；牵引装置(8)设置在合模系统(2)下方，牵引辊的数量根据挤出的膜片(4)数量确定，用于控制多层膜片(4)的间距和最终收卷。

其中，加热系统I(6-4)采用风冷和电加热组合控制，在机筒外壁或/和壁中设置冷却风道和加热器。加热系统II(7-4)采用电加热控制，在机头体(7-1)外壁设置加热器。膜片温度控制系统(9)的非接触式温度传感器(9-1)采用红外测温仪。牵引装置(8)采用电机驱动自动牵引，控制牵引力和牵引速度。机头(7)为本领域常规挤出成型设备机头，可根据膜片(4)厚度和数量等进行设计。同时，在模具(1)周围配备切割装置(11)，在合模的同时将模具(1)周围的膜片(4)切断；为纤维缠绕框架(3)配置自动缠绕装置和机械臂以适应纤维丝束的自动缠绕和纤维缠绕框架(3)的自动定位和放置。本实施例2所述机头(7)的分流板(7-2)将机头体(7-1)的孔道分流为三个管孔，对接有三个衣架型腔体的口模(7-3)，口模(7-3)有三个厚1mm宽50mm的出口，可挤出三层膜片。

一种单聚合物复合材料制品过冷膜过热丝成型方法，所述方法使用本实施例2所提供的单聚合物复合材料制品过冷膜过热丝成型设备。所述方法采用的聚合物原料为聚丙烯粒料(美国Philips Sumika Polypropylene公司生产)，常温条件下密度为0.907g/cm³。使用本实施例2所提供的单聚合物复合材料制品过冷膜过热丝成型设备的单聚合物复合材料制品过冷膜过热丝成型方法的具体步骤如下：

1)测定聚丙烯粒料的熔点和结晶温度，经差式扫描量热仪(Q200，美国TA公司生产)测试确定聚丙烯基体的熔点为166℃；聚丙烯粒料的结晶温度与冷却速度有关，经差式量热扫描仪测试确定聚丙烯粒料的结晶温度与冷却速度的关系如下：1℃/min下的结晶温度为135℃、10℃/min下的结晶温度为123℃、20℃/min下的结晶温度为121℃、30℃/min下的结晶温度为119℃；

通过熔融纺丝制备聚丙烯连续纤维，制备工艺条件如下：挤出温度为180℃、挤出速度1m/min，两次牵引拉伸比分别为140℃条件下18和145条件下1.2；进一步经差式量热扫描仪测试确定聚丙烯纤维的熔点为170℃；

2)将聚丙烯连续纤维(5)缠绕在纤维缠绕框架(3)上；缠绕前，通过调距螺杆(3-5)将撑架(3-2)与外框(3-1)的距离调小，弹簧(3-4)被压短；缠绕完成后，通过调距螺杆(3-5)将撑架(3-2)与外框(3-1)的距离调大，弹簧(3-4)弹力作用在聚丙烯纤维(5)上，通过弹簧(3-4)长度变化可确定纤维(5)所受到的约束牵引比，进而确定纤维所受到的预紧力；经差式量热扫描仪测试确定在约束牵引作用下聚丙烯纤维的熔点增加为180℃；

3)采用同种聚丙烯粒料通过料斗(6-1)加入到机筒(6-3)中，聚丙烯经加热系统I(6-4)和螺杆(6-2)作用达到熔融状态，加热系统I(6-4)的温度设定为180℃；同时在螺杆(6-2)挤出压力作用下熔融的聚丙烯连续向前输送至机头(7)；在机头体(7-1)中，熔融状态的聚丙烯在加热系统II(7-4)和螺杆(6-2)挤出压力作用下继续向前输送，并经分流板(6-2)分流为三层；通过控制挤出机螺杆(6-2)转速、加热系统I(6-4)的温度和加热系统II(7-4)的温度熔融挤出三层聚丙烯膜片(4)，将膜片(4)牵引至牵引装置(8)的牵引辊中，启动牵引辊牵引膜片(4)，控制牵引辊速度，实现膜片(4)的连续成型；

4)通过膜片温度控制系统的非接触温度传感器(9-1)实施测定合模位置处膜片(4)的温度，调整挤出机螺杆(6-2)转速、加热系统I(6-4)的温度和加热系统II(7-4)的温度，调整牵引辊转速，调整膜片温度控制系统(9)的加热器(9-2)功率和风扇(9-3)开关，使合模位置处的膜片(4)快速冷却达到过冷温度即低于聚丙烯纤维的熔点高于聚丙烯原料的结晶温度；本实施例2的过冷温度设定为165℃；

5)通过机械臂将缠绕有聚丙烯连续纤维(5)的纤维缠绕框架(3)置于三层膜片(4)的中间，对应合模位置；

6)通过模具温度控制系统(10)控制模具温度为过冷温度，停止挤出机螺杆(6-2)和牵引辊的转动；同时通过合模系统(2)快速合模，将聚合物连续纤维(5)和膜片(4)复合压制成型；合模的同时，切割装置(11)将膜片(4)切断；

7)压制时间2分钟到后，通过模具温度控制系统(10)实施冷却，冷却时间15秒到后开模，通过机械臂将连带有膜片(4)、纤维(5)、纤维缠绕框架(3)和制品取出；

8)去除制品形状以外的多余材料，得到最终聚丙烯单聚合物复合材料制品；

9)重复以上步骤，继续膜片(4)的挤出和牵引工序，继续置放缠绕有聚丙烯连续纤维(5)的纤维缠绕框架(3)并开展合模成型的工序，连续批量制备聚丙烯单聚合物复合材料制品。

所述步骤1)中的加热系统I(6-4)靠近机头(7)端的设定温度和加热系统II(7-4)的设定温度均高于聚丙烯粒料的熔点，优选设定温度高于聚丙烯粒料熔点10～50℃。

步骤4)中的设定的合模位置处膜片(4)的过冷温度的冷却速度＞聚丙烯粒料结晶温度对应的冷却速度，为抑制聚丙烯粒料从熔融状态到过冷状态转变过程中发生结晶，在保证温度控制精度的基础上冷却速度越快越好。膜片温度控制系统(8)设定的温度均＞聚丙烯粒料的结晶温度并且≤聚丙烯纤维的熔点。

本发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明的精神和原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种单聚合物复合材料制品过冷膜过热丝成型装置，包括模具，所述模具包括凸模和凹模，其特征在于：所述单聚合物复合材料制品过冷膜过热丝成型装置还包括纤维缠绕框架，所述纤维缠绕框架在使用时缠绕有聚合物连续纤维，并对所缠绕的聚合物连续纤维施加预紧力。

2.如权利要求1所述的一种单聚合物复合材料制品过冷膜过热丝成型装置，其特征在于：所述纤维缠绕框架设置所述凸模和凹模之间。

3.如权利要求1或2所述的一种单聚合物复合材料制品过冷膜过热丝成型装置，其特征在于：所述纤维缠绕框架包括外框(3-1)和撑架(3-2)，所述撑架(3-2)设在所述外框(3-1)的外侧，所述撑架(3-2)能够沿着外框(3-1)的长度方向和/或宽度方向移动。

4.如权利要求3所述的一种单聚合物复合材料制品过冷膜过热丝成型装置，其特征在于：所述纤维缠绕框架包括若干导杆(3-3)、若干弹簧(3-4)和若干调距螺杆(3-5)，所述撑架(3-2)个数为2个，其中一个撑架(3-2)平行设在外框(3-1)的宽边的外侧，另一个撑架(3-2)平行设在外框(3-1)的长边的外侧，每个撑架(3-2)与所述外框(3-1)的宽边或长边之间设有导杆(3-3)，所述导杆(3-3)上套设有弹簧(3-4)，所述调距螺杆(3-5)转动连接所述撑架(3-2)与所述外框(3-1)，旋扭所述调距螺杆(3-5)能够调节所述撑架(3-2)和所述外框(3-1)之间的距离。

5.如权利要求4所述的一种单聚合物复合材料制品过冷膜过热丝成型装置，其特征在于：缠绕聚合物连续纤维前，通过调距螺杆(3-5)将撑架(3-2)与外框(3-1)的距离调小，弹簧(3-4)被压短；缠绕聚合物连续纤维完成后，通过调距螺杆(3-5)将撑架(3-2)与外框(3-1)的距离调大，弹簧(3-4)弹力作用在聚合物连续纤维上，通过弹簧(3-4)长度变化可确定聚合物连续纤维所受到的约束牵引比，进而确定纤维所受到的预紧力。

6.如权利要求5所述的一种单聚合物复合材料制品过冷膜过热丝成型装置，其特征在于：所述单聚合物复合材料制品过冷膜过热丝成型装置，还包括合模系统、温控系统，所述模具型腔形状按照制品形状设计，模具安装在合模系统上；所述温控系统控制模具型腔位置处的预制膜片的温度和模具的温度；所述纤维缠绕框架在使用时缠绕有聚合物连续纤维缠绕，并对所缠绕的聚合物连续纤维施加预紧力，在制品成型时放置在模具的凸模和凹模之间，与预制膜片在合模系统和温控系统作用下复合成型制品。

7.如权利要求6所述的单聚合物复合材料制品过冷膜过热丝成型装置，其特征在于：还包括挤出机、机头、牵引装置，所述挤出机包括料斗、螺杆、机筒、加热系统I，所述机头包括机头体、分流板、口模、加热系统II，所述牵引装置包括牵引辊；所述温控系统包括膜片温度控制系统和模具温度控制系统，膜片温度控制系统包括非接触温度传感器、加热器、风扇和支架，模具温度控制系统包括加热丝、冷却器、热电偶和控制器；所述机筒前端同机头体后端固定连接，分流板设置在机头体内部，口模设置在机头体前端，机头体的外壁或/和壁中设有加热系统II；膜片温度控制系统设置在机头与合模系统之间，非接触温度传感器、加热器和风扇安装在支架上，支架与机头相连接；合模系统设置在机头下方、牵引装置上方，膜片挤出牵引过程中，模具处于开模状态；模具安装在合模系统上，凹模和凸模上设置有加热丝孔道、冷却水道和热电偶安装孔，加热丝设置在加热丝孔道中，冷却水道通过管接头和水管跟冷却器连接，热电偶设置在热电偶安装孔中；牵引装置设置在合模系统下方。

8.如权利要求1-7中任一项所述的单聚合物复合材料制品过冷膜过热丝成型装置，其特征在于：在模具周围配备切割装置；和/或配置有用于将连续纤维自动缠绕到纤维缠绕框架上的自动缠绕装置；和/或配置有用于纤维缠绕框架自动定位和放置的机械臂。

9.一种单聚合物复合材料制品过冷膜过热丝成型方法，其特征在于：所述方法在如权利要求1-8中任一项所述的单聚合物复合材料制品过冷膜过热丝成型装置上进行，所述方法包括如下步骤：

1)通过熔融纺丝制备聚合物连续纤维；

2)采用同种聚合物原料制备聚合物膜片；

3)将聚合物膜片置于合模位置，通过温控系统使聚合物膜片快速冷却达到过冷温度；

4)将聚合物连续纤维缠绕在纤维缠绕框架上，在缠绕过程中和/或缠绕后，对所缠绕的聚合物连续纤维施加预紧力；

5)将缠绕有聚合物连续纤维的纤维缠绕框架置于合模位置；

6)通过温控系统控制模具温度为过冷温度，通过合模系统快速合模，将聚合物连续纤维和膜片复合压制成型；

7)压制时间到后，通过温控系统实施冷却，冷却时间到后开模，取出制品；

8)去除制品形状以外的多余材料，得到最终制品。

10.一种单聚合物复合材料制品过冷膜过热丝成型方法，其特征在于：所述方法在如权利要求1-8中任一项所述的单聚合物复合材料制品过冷膜过热丝成型装置上进行，所述方法包括如下步骤：

1)测定聚合物原料的熔点和结晶温度，通过熔融纺丝制备聚合物连续纤维，进一步测定聚合物纤维的熔点；

2)将聚合物连续纤维缠绕在纤维缠绕框架上；缠绕前，通过调距螺杆将撑架与外框的距离调小，弹簧被压短；缠绕完成后，通过调距螺杆将撑架与外框的距离调大，弹簧弹力作用在聚合物纤维上，通过弹簧长度变化可确定纤维所受到的约束牵引比，进而确定纤维所受到的预紧力；

3)采用同种聚合物原料通过料斗加入到机筒中，聚合物原料经加热系统I和螺杆作用达到熔融状态，同时在螺杆挤出压力作用下连续向前输送至机头；在机头体中，熔融状态的聚合物在加热系统II和螺杆挤出压力作用下继续向前输送，并经分流板分流为两层或多层；通过控制挤出机螺杆转速、加热系统I温度和加热系统II温度熔融挤出多层聚合物膜片，将膜片牵引至牵引装置的牵引辊中，启动牵引辊牵引膜片，控制牵引辊速度，实现膜片的连续成型；

4)通过膜片温度控制系统的非接触温度传感器实施测定合模位置处膜片的温度，调整挤出机螺杆转速、加热系统I温度和加热系统II温度，调整牵引辊转速，调整膜片温度控制系统的加热器功率和风扇开关，使合模位置处的膜片快速冷却到过冷温度；

5)将缠绕有聚合物连续纤维的纤维缠绕框架置于两层或多层膜片的中间，对应合模位置；

6)通过模具温度控制系统控制模具温度为过冷温度，停止挤出机螺杆和牵引辊的转动，同时通过合模系统快速合模，将聚合物连续纤维和膜片复合压制成型；

7)压制时间到后，通过模具温度控制系统实施冷却，冷却时间到后开模，取出制品；

8)去除制品形状以外的多余材料，得到最终制品；

其中，所述步骤1)中的加热系统I靠近机头端的设定温度和加热系统II的设定温度均高于聚合物原料的熔点；步骤4)中的设定的合模位置处膜片的过冷温度的冷却速度＞聚合物原料结晶温度对应的冷却速度；膜片温度控制系统设定的温度均＞聚合物原料的结晶温度并且＜聚合物纤维的熔点。

11.一种生产单聚合物复合材料制品过冷膜过热丝成型方法，其特征在于：所述方法在如权利要求1-8中任一项所述的单聚合物复合材料制品过冷膜过热丝成型装置上进行，所述方法包括如下步骤：

通过熔融纺丝制备聚合物连续纤维；对聚合物连续纤维施加预紧力形成过热丝；采用同种聚合物原料制备聚合物膜片，快速冷却膜片到过冷温度，形成过冷膜；将过热丝放置于过冷膜中间，对应合模位置，快速合模；成型时间到后冷却开模，得到单聚合物复合材料制品；所述的过热丝是聚合物连续纤维经过预紧力作用形成的，作为所述单聚合物复合材料的增强体；所述的过冷膜是聚合物膜片经过熔融成型后快速冷却到过冷温度形成的，作为所述单聚合物复合材料的基体；所述的过冷温度是低于聚合物纤维的熔点高于聚合物原料的结晶温度；所述聚合物连续纤维和聚合物膜片均由同种聚合物原料制备得到。

Images