CN114434670A - 浸渍模具、浸渍方法及包括浸渍模具的制造系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种浸渍模具、浸渍方法及包括浸渍模具的制造系统，涉及热塑性复合材料加工技术领域，用于调整流道的弯曲方式和长度从而提高生产的连续性和生产效率。本发明的组合式浸渍模具包括熔融浸渍模头，述熔融浸渍模头包括依次连接的第一模块、中间模块和第二模块，由于每个模块的内部都有一定弯曲的流道(即第一模块流道、中间模块流道和第二模块流道)，因此通过熔融浸渍模头模块化，那么当浸渍要求条件更改时，可以将数量的中间模块与第一模块和第二模块组合形成具有预定的组合流道的熔融浸渍模，因此无需重新制作模头，从而提高了生产的连续性以及生产效率，也节省了额外开模的成本。

Description

浸渍模具、浸渍方法及包括浸渍模具的制造系统

技术领域

本发明涉及热塑性复合材料加工技术领域，特别地涉及一种组合式浸渍模具、纤维增强热塑性复合材料制造系统及方法。

背景技术

长玻纤增强热塑性材料作为一种具有优异机械性能、耐疲劳等特性的新型材料，其广泛的应用在汽车、化工环保以及航天通讯等各个领域。目前熔融浸渍是生产长玻纤增强热塑性材料的常用方法，而熔融浸渍模头是生产长玻纤增强热塑性材料的重要设备。弯曲流道浸渍模头在生产过程中应用十分广泛，但是弯曲流道浸渍模头成型后流道弯曲方式以及流道的长度不可调整；如果浸渍技术参数改变，需要重新制作模头，不利于生产的连续性也增加了生产成本。如专利CN203371794U所公开的多根长玻纤浸渍包覆专用模具，其模具本体为固定的箱体结构，无法根据需要改变流道的弯曲方式和改变流道的长度，因此当长玻纤所需浸渍条件改变时，需要重新制作新的模具，从而降低了生产效率以及生产的连续性。

发明内容

本发明提供一种组合式浸渍模具、纤维增强热塑性复合材料制造系统及方法，用于调整流道的弯曲方式和长度从而提高生产的连续性和生产效率。

根据本发明的第一个方面，本发明提供一种组合式浸渍模具，所述熔融浸渍模头包括依次连接的第一模块、中间模块和第二模块，

所述第一模块上设置有连续纤维入口和第一模块流道，所述第二模块上设置有连续纤维出口和第二模块流道，所述中间模块中设置有中间模块流道，

所述第一模块、所述中间模块和所述第二模块依次连接后，所述第一模块流道、所述中间模块流道和所述第二模块流道相连通以形成用于使连续纤维经过的组合流道；

其中，所述中间模块的数量至少为一个。

在一个实施方式中，所述第一模块流道的下游端、所述第二模块流道的上游端以及所述中间模块流道的两端均位于同一平面内且均设置有标准化接头；优选地，相邻的所述标准化结构关于其接触平面对称设置。

在一个实施方式中，所述标准化接头的横截面为梯形、圆形、矩形、椭圆形、三角形、子弹头形或喇叭形。

在一个实施方式中，所述标准化接头的横截面为梯形；优选地，所述标准化接头的其中一端的高度为1-14mm；更优选地，所述标准化接头的其中一端的高度为2-12mm。

在一个实施方式中，所述第一模块流道、所述中间模块流道和所述第二模块流道均构造为弯曲的流道，且所述第一模块流道、所述中间模块流道和所述第二模块流道均包括至少一个波峰或波谷。

在一个实施方式中，所述第一模块流道、所述中间模块流道和所述第二模块流道的曲率相同；或者

所述第一模块流道、所述中间模块流道和所述第二模块流道的曲率不同。

在一个实施方式中，所述第一模块流道、所述中间模块流道和所述第二模块流道的曲率由所述连续纤维入口至所述连续纤维出口呈缩小的趋势。

在一个实施方式中，所述第一模块上还设置有熔融体流道，所述熔融体流道与所述组合流道相连通；

所述熔融体流道与所述连续纤维入口位于同一平面内且二者之间具有夹角。

本发明上述的组合式浸渍模具可应用于任何现有的连续纤维增强热塑性复合材料制造系统和制备技术中。

根据本发明的第二个方面，本发明提供一种纤维增强热塑性复合材料制造系统，其包括上述的组合式浸渍模具。

在一个实施方式中，所述纤维增强热塑性复合材料制造系统还包括：设置在所述可调节浸渍模具上游且依次相连的纤维架及导纤装置和纤维预处理装置以及设置在可调节浸渍模具下游且依次相连的成型模具、冷却水槽、干燥机、牵引机、切粒机和收集箱；

其中，所述可调节浸渍模具和所述成型模具分别与同一熔融塑化供料装置相连，或分别与不同的熔融塑化供料装置相连；

所述牵引机、所述切粒机和所述熔融塑化供料装置均与电控系统相连。根据本发明的第三个方面，本发明提供一种采用上述的组合式浸渍模具对连续纤维进行浸渍的方法，其包括以下步骤：

根据要求选择相应数量的中间模块；

将第一模块、中间模块以及第二模块以及进行连接，以形成具有预定的组合流道的熔融浸渍模头；

使连续纤维从连续纤维入口进入组合流道，并使熔融体从熔融体流道进入组合流道；

使连续纤维在组合流道内与熔融体进行浸渍，并使浸渍后的连续纤维从连续纤维出口牵出。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明的熔融浸渍模头包括第一模块、中间模块和第二模块等多个模块，由于每个模块的内部都有一定弯曲的流道(即第一模块流道、中间模块流道和第二模块流道)，因此通过熔融浸渍模头模块化，那么当浸渍要求条件更改时，可以将数量的中间模块与第一模块和第二模块组合形成具有预定的组合流道的熔融浸渍模，因此无需重新制作模头，从而提高了生产的连续性以及生产效率，也节省了额外开模的成本。

(2)通过上述各模块之间的组合，能够根据需要改变组合流道的弯曲方式和形状，进而改变连续纤维和熔融体的流动路径，以使连续纤维在模具不同工位中浸渍角度和纤维张力改变，并达到最终调整和优化连续纤维整个浸渍过程的目的，同时还能提高熔融浸渍模头对不同树脂基体和纤维的适应性。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。

图1是本发明的实施例中组合式浸渍模具的截面剖视图；

图2是本发明的一个实施例中纤维增强热塑性复合材料制造系统的结构示意图；

图3是本发明的另一个实施例中纤维增强热塑性复合材料制造系统的结构示意图；

图4为本发明的一个实施方式中成型模具结构示意图；

图5为本发明的另一个实施方式中成型模具主视图；

图6为图5所示的实施方式中成型模具左视图。

附图标记：

100-熔融浸渍模头；

1-连续纤维入口；2-熔融体流道；3-第一模块；31-第一模块流道31；4-组合流道；5-标准化接头；

6-中间模块；61-中间模块流道；7-第二模块；71-第二模块流道；8-连续纤维出口8；

11-纤维架及导纤装置；12-纤维预处理装置；13-熔融塑化供料装置；14-成型模具；15-冷却水槽；16-干燥机；17-牵引机；18-切粒机；19-收集箱；

141-芯部；142-外套；143-外套口模板；144-机头；145-接驳。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

根据本发明的第一个方面，如图1所示，本发明提供一种组合式浸渍模具，包括熔融浸渍模头100，熔融浸渍模头100包括依次连接的第一模块3、中间模块6和第二模块7。其中，第一模块3上设置有连续纤维入口1和第一模块流道31，第二模块7上设置有连续纤维出口8和第二模块流道71，中间模块6中设置有中间模块流道61。

将第一模块3、中间模块6和第二模块7依次连接后，第一模块流道31、中间模块流道61和第二模块流道71相连通以形成用于使连续纤维经过的组合流道4，其中，中间模块6的数量至少为一个。即第一模块3为首模块，第二模块7为尾模块，二者之间具有一个或多个中间模块6。需要说明的是，这些中间模块6也是依次相连。

也就是说，中间模块6的数量可以根据需要进行增加或者减少，从而在浸渍要求条件发生变化时，选择将不同的中间模块6进行组合以成组合式熔融浸渍模头100，由此可提高生产的连续性以及生产效率，也可节省额外开模的成本。

再者，通过选择不同的中间模块6，能够改变所形成的组合流道4的形状参数(例如曲率等)，从而使可使连续纤维(例如长玻纤增强热塑性材料或碳纤维等)和熔融体的流动路径发生改变，则可改变连续纤维在模具不同工位中浸渍角度和纤维张力，最终达到调整和优化纤维整个浸渍过程的目的，并提高了熔融浸渍模头100对不同树脂基体和纤维的适应性。

将上述第一模块3、中间模块6和第二模块7放入模架中，通过模架的约束作用使其相互紧密接触，从而保证所形成的组合流道4的密封性。

如图1所示，示出了具有2个中间模块6的实施例。在图1所示的实施例中，第一模块流道31的下游端与其中一个中间模块流道61的上游端相连，两个中间模块流道61彼此相连，并且另一个中间模块流道61的下游段与第二中间模块流道71的上游端相连，由此形成了一个从连续纤维入口1至连续纤维出口8延伸的组合流道4。

可以理解地，通过选择不同的中间模块6，可以获得不同的组合流道4。

如图1所示，第一模块流道31的下游端、第二模块流道71的上游端以及中间模块流道61的两端均位于同一平面内，且构造有标准化接头5。换言之，第一模块流道31、中间模块流道61以及第二模块71相互之间的连接处是通过标准化接头5进行连接的。由于标准化接头5均位于同一平面内，并且标准化接头5的形状和尺寸都相同，一因此便于不同模块之间的的组合连接。

实施例1

在该优选的实施例中，标准化接头5的横截面为梯形、圆形、矩形、椭圆形、三角形、子弹头形或喇叭形等各种便于加工的形状。

以标准化接头5的横截面为梯形，如图1所示，标准化接头5的其中一端(即截面较小的一端)的高度h为1-14mm；更优选地，上述高度h为2-12mm，例如5mm或8mm等。在实际实施过程中发现，具有梯形横截面的标准化接头5具有更好的浸渍效果。

进一步地，相邻的两个标准化接头5关于其接触平面对称设置。例如第一模块流道31的下游段的标准化接头5和其中一个中间模块流道61的上游端的标准化接头5关于其接触平面对称设置；另一个中间模块流道61的下游端的标准化接头5与第二模块流道71的上游端的标准化接头5关于其接触平面对称设置。如图1所示，相邻的两个标准化接头5对接后，其横截面构成一个正六边形，以利于其标准化生产和组合。

实施例2

在该可选的实施例中，标准化接头5包括公头和母头，公头和母头相互配合连接以保证连接处的密封性。具体来说，第一模块流道31的下游端可以设置公头(或母头)，则与之相连的中间模块流道61的其中一端为母头(或公头)，而中间模块流道61与第二模块流道71相连的另一端则为公头(或母头)，那么相应地，第二模块流道71的上游端则为母头(或公头)，由此可以通过插合、卡合等连接方式将各模块进行组合以形成组合流道4，并能够保证组合流道4的密封性。

在上述实施例的基础上，第一模块流道31、中间模块流道61和第二模块流道71均构造为弯曲的流道，且第一模块流道31、中间模块流道61和第二模块流道71均包括至少一个波峰或波谷。即第一模块流道31、中间模块流道61和第二模块流道71均为波状结构，并且其可以分别具有一个或多个波峰，也可以具有一个或多个波谷。通过设置波峰或波谷以及选择不同数量的波峰或波谷，能够改变连续纤维在不同位置时的浸渍角度和纤维张力，以达到调整和优化连续纤维的整个浸渍过程的目的，从而提高了熔融浸渍模头100对不同树脂基体和纤维的适应性。

如图1所示的优选实施例中，第一模块流道31具有一个波峰，与之相邻的中间模块流道61具有一个波谷，另一个中间模块流道61具有一个波峰，第二模块流道71则具有一个波谷。换言之，图1所形成的组合流道4具有波峰-波谷交替出现的结构。

可以理解地，组合流道4可以根据需要设置波峰连续出现，或者波谷连续出现等结构，本发明在此不再赘述。

第一模块流道31、中间模块流道61和第二模块流道71的曲率相同；或者第一模块流道31、中间模块流道61和第二模块流道71的曲率不同。可以理解地，上述流道的曲率可以根据需要进行选择。

本发明给出了一种优选的实施方式，即第一模块流道31、中间模块流道61和第二模块流道71的曲率由连续纤维入口1至连续纤维出口8呈缩小的趋势，能够利于连续纤维的流动。因为在越靠近连续纤维出口8处的连续纤维已经进行了充分的浸渍，因此靠近连续纤维出口8处的流道可以更平缓。

一般地，如图1所示，第一模块流道31的上游端的倾斜角度为α1，与其具有相同波峰的其中一个中间模块流道61的上游端的倾斜角为α2，则α1＞α2；同样地，另一个中间模块流道61的上游端的倾斜角为β1，与其具有相同波谷的第二模块流道71的上游端的倾斜角为β2，则β1＞β2。

第一模块3的上部还设置有熔融体流道2，熔融体流道2与组合流道4相连通；熔融体流道2与第一模块3前端的连续纤维入口1位于同一平面内且二者之间具有夹角。该夹角可以是大于0°且小于180°的任意角度。

如图1所示，连续纤维入口1沿水平方向延伸，熔融体流道2倾斜设置。可以理解地，熔融体流道2倾斜设置是为了便于使其与组合流道4(即第一模块流道31)相连。

此外，在熔融浸渍模头100的模腔内壁上可以设置多个测温点，并且这些测温点的内部均安装有由温度控制系统根据流体温度自动控制通断的加热器。

需要说明的是，上述第一模块3、中间模块6和第二模块7均可采用凹凸模的方式，以便于其中流道的加工。

需要说明的是，本发明上述的组合式浸渍模具可应用于任何现有的连续纤维增强热塑性复合材料制造系统和制备技术中。根据本发明的第二个方面，本发明提供一种纤维增强热塑性复合材料制造系统，其包括上述的组合式浸渍模具。

在一个示例性的实施例中，如图2和3所示，本发明的纤维增强热塑性复合材料制造系统包括依次相连的纤维架及导纤装置11、纤维预处理装置12、熔融浸渍模头100、熔融塑化供料装置13、成型模具14、冷却水槽15、干燥机16、牵引机17、切粒机18、收集箱19以及电控系统(未示出)。

其中，纤维依次经过纤维架及导纤装置11和纤维预处理装置12后进入熔融浸渍模头100进行浸渍处理。其中，纤维架及导纤装置11用于纤维的导出和解捻，该装置装有自动控制解捻装置，其与牵引机17联动，且二者分别与电控系统(例如PLC控制装置)电连接。

纤维预处理装置12由数组可加热的张力辊或者由数组可加热的张力辊和热烘道组合的方式组成，用于对纤维的预分散和预加热，预加热温度范围140-300℃。热烘道采用电加热、红外加热、微波加热方式的一种或几种组合的加热方法，但并不局限于以上某种加热方式。

张力辊和热烘道组合的这种组合方式使得纤维在进入热烘道时所受到的张力得到一定的释放，从而适应不同强度的纤维，避免自身强度较小的纤维在进入浸渍模头前断丝。纤维预处理装置12中的张力辊表面需进行表面镀陶瓷处理，以提高表面粗糙度，以减小对纤维的摩擦。

优选地，纤维预处理装置12中的张力辊表面需做表面处理，以提高表面粗糙度，减小对纤维的摩擦，如表面抛光、表面镀陶瓷等方式，可提高金属表面粗糙度的表面处理方式均可，但并不局限于以上两种表面处理方式。

经过熔融浸渍模头100进行浸渍处理后的材料进入成型模具14中进行成型处理。

下面对成型模具14进行详细地说明。

成型模具14用于内外层复合结构复合材料的成型。

在一种可选的实施例中，如图4所示，成型模具14由芯部141、外套142、外套口模板143组成。芯部141位于外套142内部，与外套142形成型腔，树脂混合物可以从外套142底部或顶部或两个侧面进入型腔。芯部141在外套142中可以前后移动，通过调整形成的型腔空间大小决定型腔中熔体的压力。也可通过芯部141与外套142间的夹角大小来调整型腔中熔体的压力。该成型模具14的工作原理为：经过浸渍模具3后形成内层浸渍材料的料条，从芯部141中间的孔中导向穿过，然后，在芯部141与外套142形成的充满混合熔体的型腔中实现内外层材料复合结构的成型，最后通过外套口模板143导出。

外套口模板143，用来调整控制外层熔体的流量。外套口模板143是多孔板结构，外套口模板143为3-6mm的锥形通孔。

在另一种可选的实施例中，如图5和6所示，成型模具14由接驳145和机头144组成。机头144是两半模的结构，其内部空腔形成型腔。熔体流可以通过接驳145从机头144底部、顶部和两个侧面进入型腔。两半模内壁具有凸起和凹陷的阻尼结构，用于分配熔体和改变型腔中熔体的压力。该成型模具14的工作原理为：经过浸渍模具3后形成内层浸渍材料的料条，从机头144入口的孔中导向穿过，然后，在机头144两半模的充满混合熔体的型腔中实现内外层材料复合结构的成型，最后通过出口导出。

下面对熔融塑化供料装置13进行详细地说明。

熔融塑化供料装置13分别与熔融浸渍模头100和成型模具14相连。

在一些可选的实施例中，如图2所示，熔融塑化供料装置13为双螺杆挤出机，其用于熔融塑化物料。双螺杆挤出机为同向双螺杆挤出机，螺杆直径为214mm-1414mm，长径比为36:1-44:1。

通过熔体分配器将挤出机中熔融塑化的熔体进行分流，分别进入到熔融浸渍模头100和成型模具14中，并利用熔体流量控制阀控制各自的流量。

在另一些可选的实施例中，如图3所示，熔融塑化供料装置13包括第一挤出机131和第二挤出机132。其中，第一挤出机131与成型模具14相连，第二挤出机132与熔融浸渍模头100和相连。通过第一挤出机131和第二挤出机132分别将其各自熔融塑化的熔体输入至成型模具14和熔融浸渍模头100中。

此外，第一挤出机131和第二挤出机132可加入相同或不同的物料，因此可制备内层和外层相同或不同材料的复合材料。

此外，冷却水槽15、干燥机16、牵引机17、切粒机18、收集箱19是本领域技术人员所知晓的常规设备或装置，在此不再赘述。

根据本发明的第三个方面，本发明提供一种采用上述的组合式浸渍模具对连续纤维进行浸渍的方法，包括以下步骤：

第一步，根据要求选择相应数量的中间模块6，并确定中间模块6的波峰或者波谷的出现位置。

第二步，将第一模块3、中间模块6以及第二模块7以及进行连接，以形成具有预定的组合流道4的熔融浸渍模头100。

第三步，使连续纤维从连续纤维入口1进入组合流道4，并使熔融体从熔融体流道2进入组合流道4。

第四步，使连续纤维在组合流道4内与熔融体进行浸渍，并使浸渍后的连续纤维从连续纤维出口8牵出而形成具有预定形状的连续纤维增强热塑性材料。

第五步，将具有预定形状的连续纤维增强热塑性材料进行冷却、牵引、切粒等操作以形成一定长度的连续长纤维增强热塑性树脂颗粒。

需要说明的是，上文所述的上游和下游是针对连续纤维的流动路径而言。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (11)

1.一种组合式浸渍模具，包括熔融浸渍模头，其特征在于，所述熔融浸渍模头包括依次连接的第一模块、中间模块和第二模块，

所述第一模块上设置有连续纤维入口和第一模块流道，所述第二模块上设置有连续纤维出口和第二模块流道，所述中间模块中设置有中间模块流道，

所述第一模块、所述中间模块和所述第二模块依次连接后，所述第一模块流道、所述中间模块流道和所述第二模块流道相连通以形成用于使连续纤维经过的组合流道；

其中，所述中间模块的数量至少为一个。

2.根据权利要求1所述的组合式浸渍模具，其特征在于，所述第一模块流道的下游端、所述第二模块流道的上游端以及所述中间模块流道的两端均位于同一平面内且均设置有标准化接头；优选地，相邻的所述标准化结构关于其接触平面对称设置。

3.根据权利要求2所述的组合式浸渍模具，其特征在于，所述标准化接头的横截面为梯形、圆形、矩形、椭圆形、三角形、子弹头形或喇叭形。

4.根据权利要求2所述的组合式浸渍模具，其特征在于，所述标准化接头的横截面为梯形；优选地，所述标准化接头的其中一端的高度为1-14mm；更优选地，所述标准化接头的其中一端的高度为2-12mm。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的组合式浸渍模具，其特征在于，所述第一模块流道、所述中间模块流道和所述第二模块流道均构造为弯曲的流道，且所述第一模块流道、所述中间模块流道和所述第二模块流道均包括至少一个波峰或波谷。

6.根据权利要求5所述的组合式浸渍模具，其特征在于，所述第一模块流道、所述中间模块流道和所述第二模块流道的曲率相同；或者

所述第一模块流道、所述中间模块流道和所述第二模块流道的曲率不同。

7.根据权利要求5所述的组合式浸渍模具，其特征在于，所述第一模块流道、所述中间模块流道和所述第二模块流道的曲率由所述连续纤维入口至所述连续纤维出口呈缩小的趋势。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的组合式浸渍模具，其特征在于，所述第一模块上还设置有熔融体流道，所述熔融体流道与所述组合流道相连通；

所述熔融体流道与所述连续纤维入口位于同一平面内且二者之间具有夹角。

9.一种纤维增强热塑性复合材料制造系统，其特征在于，包括如权利要求1-8中任一项所述的组合式浸渍模具。

10.根据权利要求9所述的纤维增强热塑性复合材料制造系统，其特征在于，还包括：设置在所述可调节浸渍模具上游且依次相连的纤维架及导纤装置和纤维预处理装置以及设置在可调节浸渍模具下游且依次相连的成型模具、冷却水槽、干燥机、牵引机、切粒机和收集箱；

其中，所述可调节浸渍模具和所述成型模具分别与同一熔融塑化供料装置相连，或分别与不同的熔融塑化供料装置相连；

所述牵引机、所述切粒机和所述熔融塑化供料装置均与电控系统相连。

11.一种采用权利要求1-8中任一项所述的组合式浸渍模具对连续纤维进行浸渍的方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据要求选择相应数量的中间模块；

将第一模块、中间模块以及第二模块以及进行连接，以形成具有预定的组合流道的熔融浸渍模头；

使连续纤维从连续纤维入口进入组合流道，并使熔融体从熔融体流道进入组合流道；

使连续纤维在组合流道内与熔融体进行浸渍，并使浸渍后的连续纤维从连续纤维出口牵出。

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