CN115122676A - 纤维复合材料成型装置及工艺 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种纤维复合材料成型装置及工艺，属于复合材料技术领域。成型装置和成型工艺中，首先，提供包括交错分布并相互粘连的增强纤维和热塑性树脂纤维的纤维原料；然后，将纤维原料中的热塑性树脂纤维加热熔融成流体状的热塑性树脂，并将包裹有流体状的热塑性树脂的增强纤维通过浸渍段实现加压力浸润；然后，将包裹有流体状的热塑性树脂的增强纤维通过成型冷却通道约束成型，并使得流体状的热塑性树脂被冷却固化。本申请的成型装置和成型工艺，原料和工艺成本较低，而且能够保证热塑性树脂对增强纤维具有较好的浸润效果。

Description

纤维复合材料成型装置及工艺

技术领域

本申请涉及复合材料技术领域，具体而言，涉及一种纤维复合材料成型装置及工艺。

背景技术

复合材料的拉挤成型工艺通常是将浸渍树脂胶液的连续玻璃纤维，在牵引力的作用下通过挤压模具成型、固化，连续不断地生产长度不限的玻璃钢型材。目前复合材料拉挤成型工艺主要使用的是热固性树脂，如双酚A环氧、酚醛环氧、环氧乙烯基树脂、不饱和聚酯树脂，聚氨酯树脂等，存在不可回收、环境不友好等缺点。

为了解决上述问题，目前的一些技术方案中提出了使用热塑性树脂，但是，在目前的工艺中，热塑性树脂对增强纤维的浸润效果以及原料工艺成本控制两方面通常难以兼顾，一些工艺中热塑性树脂对增强纤维的浸润效果较差，另一些工艺中原料及工艺的成本较高。

发明内容

本申请的目的在于提供一种纤维复合材料成型装置及工艺，原料和工艺成本较低，而且能够保证热塑性树脂对增强纤维具有较好的浸润效果。

本申请的实施例是这样实现的：

第一方面，本申请实施例提供一种纤维复合材料成型装置，用于成型纤维复合材料，纤维复合材料包括增强纤维及包裹增强纤维的热塑性树脂，成型装置包括原料供应单元以及成型单元；原料供应单元被配置为向下游供应纤维原料，纤维原料包括交错分布并相互粘连的增强纤维和热塑性树脂纤维；成型单元位于原料供应单元的下游，包括依次设置的熔融浸渍部分和成型冷却部分，其中，熔融浸渍部分设有熔融浸渍通道及熔融浸渍加热结构；熔融浸渍通道被配置为供纤维原料通过；熔融浸渍加热结构被配置为将热塑性树脂纤维加热熔融成流体状的热塑性树脂；熔融浸渍通道的下游设有浸渍段，浸渍段的内壁从上游到下游逐渐收缩；成型冷却部分设有成型冷却通道及成型冷却结构；成型冷却通道的形状大小与目标产品的形状大小匹配，用于供包裹有流体状的热塑性树脂的增强纤维通过并约束成型；成型冷却结构被配置为将流体状的热塑性树脂冷却固化。

上述技术方案中，提供交错分布并相互粘连的增强纤维和热塑性树脂纤维，使得增强纤维和热塑性树脂纤维均匀分散；进一步地，在熔融浸渍部分将热塑性树脂纤维加热熔融成流体状的热塑性树脂后，能够得到均匀包裹有流体状的热塑性树脂的增强纤维；在此基础上，通过配置内壁从上游到下游逐渐收缩的浸渍段，逐渐收缩的浸渍段能够对多余的流体状的热塑性树脂产生一定的压力，使得热塑性树脂对增强纤维处于加压力浸润的状态，有利于均匀包裹有流体状的热塑性树脂更好地浸润包裹增强纤维。因此，采用该成型装置的成型工艺中，原料无特别要求，操作简单，适用于连续生产，使得原料和工艺成本较低，而且，能够保证热塑性树脂对增强纤维具有较好的浸润效果。

在一些可能的实施方案中，熔融浸渍部分包括依次设置的熔融区和浸渍区，熔融浸渍通道包括熔融段和浸渍段，熔融浸渍加热结构包括熔融加热组和浸渍加热组；其中，熔融段和熔融加热组设于熔融区，熔融加热组被配置为将熔融段内的热塑性树脂纤维加热至接近熔融状态；浸渍段和浸渍加热组设于浸渍区，浸渍加热组被配置为将浸渍段内的热塑性树脂纤维加热熔融成流体状的热塑性树脂。

上述技术方案中，在熔融浸渍部分配置熔融区和浸渍区，通过熔融区将熔融段内的热塑性树脂纤维加热至接近熔融状态，一方面，使得纤维原料进入浸渍段后热塑性树脂纤维能够快速地转变为流体状的热塑性树脂，另一方面，使得熔融得到的流体状的热塑性树脂基本都容纳在浸渍段内，有利于流体状的热塑性树脂在浸渍段内对增强纤维进行更充分的浸润。

在一些可能的实施方案中，浸渍段包括依次分布的浸渍上游段和浸渍下游段，浸渍加热组包括第一浸渍加热件和第二浸渍加热件，第一浸渍加热件对应浸渍上游段设置，第二浸渍加热件对应浸渍下游段设置，第一浸渍加热件的加热温度接近热塑性树脂纤维的熔融温度，第二浸渍加热件的加热温度高于第一浸渍加热件的加热温度。

可选地，第二浸渍加热件的加热温度-热塑性树脂纤维的熔融温度＝10℃～20℃。

上述技术方案中，将浸渍段划分为浸渍上游段和浸渍下游段，在浸渍上游段以接近热塑性树脂纤维的熔融温度进行加热，使得热塑性树脂纤维能够快速地熔融；由于浸渍段呈逐渐收缩的状态，浸渍下游段的通道较窄，基于此，在浸渍下游段下游以相对更高的温度进行加热，使得熔融的热塑性树脂能够保持更好的流动性能，从而有利于热塑性树脂对增强纤维进行更充分的浸润。

在一些可能的实施方案中，浸渍段的内壁为平直倾斜面。

可选地，浸渍段的内壁的朝向轴线倾斜的角度为2℃～10°。

可选地，浸渍段的下游出口的形状大小与目标产品的形状大小匹配。

上述技术方案中，浸渍段的内壁配置为平直倾斜面，使得浸渍段的内壁逐渐平滑地过渡收缩；进一步地，控制浸渍段的内壁的倾斜程度和下游出口的形状大小，使得浸渍段的内壁具有合适的收缩速度。基于上述设计，使得浸渍段内具有合适的浸润压力，有利于热塑性树脂对增强纤维进行可靠的浸润。

在一些可能的实施方案中，原料供应单元被配置为将纤维原料预成型为至少两组预成型料，每组预成型料均包括交错分布并相互粘连的增强纤维和热塑性树脂纤维；熔融段内设有至少一个从上游延伸至下游的分隔件，用于将熔融段分隔为至少两个熔融通道，每个熔融通道被配置为供一组预成型料通过；熔融加热组包括第一熔融加热件和第二熔融加热件，第一熔融加热件围设于熔融段外，第二熔融加热件设于分隔件。

可选地，熔融通道的上游开口的尺寸小于主体的尺寸，且熔融通道的上游开口与主体的中部对应。

上述技术方案中，在熔融前将纤维原料预成型为至少两组预成型料，熔融段内提供与预成型料一一对应的熔融通道，有利于对纤维原料更充分均匀地进行加热，使得纤维原料进入浸渍段后热塑性树脂纤维能够被更快速均匀地熔融。

进一步地，熔融通道的上游开口较小且与主体的中部对应，便于将纤维原料限位在与主体的中部对应的位置，有利于避免被加热后的纤维原料与熔融通道的主体的内壁发生粘连。

在一些可能的实施方案中，原料供应单元包括依次设置的放卷部分、分配部分、预热部分以及预成型部分；其中，放卷部分被配置为向下游供应混合纤维，混合纤维包括按比例交错分布的增强纤维和热塑性树脂纤维；分配部分被配置为供混合纤维通过并将混合纤维分隔为多束混合纤维束；预热部分被配置为对将混合纤维束加热软化；预成型部分被配置为将多束软化后的混合纤维束成型为预成型料。

可选地，热塑性树脂纤维的熔融温度-预热部分的加热温度＝10℃～15℃。

可选地，预成型部分包括依次设置的多个成型区，多个成型区的设计成型尺寸从上游到下游逐渐增大。

可选地，预成型部分的下游的成型区的设计成型形状与目标产品的形状匹配。

上述技术方案中，在原料供应单元中，将原料放卷后依次进行交错分布、加热软化和预成型；进一步地，预热部分中控制合适的预热温度，预成型部分配置多个成型区逐级合拢成型，基于上述设计，能够方便地制备得到纤维原料，且保证纤维原料中的增强纤维和热塑性树脂纤维较好地交错分布并相互粘连。

另外，控制预成型部分的下游的成型区的设计成型形状与目标产品的形状匹配，使得预成型料的形状与目标产品的形状匹配，在进一步熔融和成型的阶段，有利于更好地浸润并成型得到预设形状的产品。

在一些可能的实施方案中，成型冷却部分包括依次设置的成型区和冷却区，成型冷却通道包括成型段和冷却段；其中，成型段设于成型区，成型区的顶部设有与成型段连通的溢流管路，溢流管路远离成型区的一端与浸渍段连通；冷却段设于冷却区，成型冷却结构设于冷却区。

可选地，溢流管路远离成型区的一端从浸渍段的下游侧壁与浸渍段连通。

可选地，溢流管路设有保温结构。

上述技术方案中，在成型冷却部分配置成型区和冷却区，溢流管路用于将成型段内多余的流体状的热塑性树脂流回浸渍段，一方面，有利于成型段更好地对通过的材料的形状大小进行约束成型，同时能够使得热塑性树脂材料得到更充分的利用。

进一步地，将溢流管路从浸渍段的下游侧壁与浸渍段连通，有利于更好地实现加压力浸润；而在溢流管路配置保温结构，则有利于保证更高效顺畅地将多余的流体状的热塑性树脂流回浸渍段。

在一些可能的实施方案中，满足以下条件(1)～(4)中的至少一项；(1)成型段的上游开口的尺寸＝(102％～104％)×目标产品的尺寸；(2)冷却段远离成型段的一端向下倾斜；(3)成型冷却结构与冷却区的上游的最小距离为0.2m～0.3m；(4)冷却区的长度≥0.8m。

上述技术方案中，成型段的上游开口的尺寸与目标产品满足特定的比例，有利于约束成型得到形状尺寸更准确的产品。将冷却段倾斜设置，方便将产品往外拉伸牵引。控制成型冷却结构在冷却区的分布范围，并控制冷却区的长度，有利于较好地实现对热塑性树脂的冷却固化。

第二方面，本申请实施例提供一种纤维复合材料成型工艺，采用上述实施例的成型装置进行，成型工艺包括：提供纤维原料；将纤维原料中的热塑性树脂纤维加热熔融成流体状的热塑性树脂，并将包裹有流体状的热塑性树脂的增强纤维通过浸渍段实现加压力浸润；然后，将包裹有流体状的热塑性树脂的增强纤维通过成型冷却通道约束成型，并使得流体状的热塑性树脂被冷却固化。

上述技术方案中，采用上述实施例的成型装置进行，原料无特别要求，操作简单，适用于连续生产，使得原料和工艺成本较低，而且，能够保证热塑性树脂对增强纤维具有较好的浸润效果。

在一些可能的实施方案中，满足以下条件(1)～(5)中的至少一项；(1)热塑性树脂纤维为具有自润滑性能的纤维；(2)热塑性树脂纤维的熔融温度为120℃～230℃；(3)单根热塑性树脂纤维的直径≤30μm；(4)单根增强纤维的直径≤30μm；(5)纤维原料中，热塑性树脂纤维和增强纤维的横截面积之比为55:45～35:65。

上述技术方案中，热塑性树脂纤维选择具有自润滑性能的纤维，有利于降低脱模阻力。热塑性树脂纤维的熔融温度控制在120℃～230℃，便于热塑性树脂的熔融和冷却固化。热塑性树脂纤维和增强纤维的直径控制在合适的尺寸以下，便于热塑性树脂纤维和增强纤维较均匀地交错分布。控制热塑性树脂纤维和增强纤维具有合适的横截面积之比，保证能够热塑性树脂纤维和增强纤维具有合适的比例，有利于塑性树脂纤维充分地浸润包裹增强纤维，并得到增强纤维体积分数在50％～70％的纤维复合材料。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种纤维复合材料成型装置的结构框架图；

图2为本申请实施例提供的一种成型单元的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种熔融浸渍部分的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的一种成型冷却部分的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的一种成型单元的结构框架图。

图标：100-纤维复合材料成型装置；1000-原料供应单元；1100-放卷部分；1200-分配部分；1300-预热部分；1400-预成型部分；2000-成型单元；2100-熔融浸渍部分；2101-熔融区；2102-浸渍区；2110-熔融浸渍通道；2111-熔融段；2111a-分隔件；2111b-熔融通道；2112-浸渍段；2112a-浸渍上游段；2112b-浸渍下游段；2120-熔融浸渍加热结构；2121-熔融加热组；2121a-第一熔融加热件；2121b-第二熔融加热件；2122-浸渍加热组；2122a-第一浸渍加热件；2122b-第二浸渍加热件；2200-成型冷却部分；2201-成型区；2201a-溢流管路；2202-冷却区；2210-成型冷却通道；2211-成型段；2212-冷却段；2220-成型冷却结构。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“垂直”、“平行”等并不表示要求部件绝对垂直或平行，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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申请中的具体含义。

发明人研究发现，在目前使用热塑性树脂的拉挤成型工艺中，通常采用以下两种工艺方式：第一种，将增强纤维粗纱浸润在熔融的热塑性树脂中，再通过拉挤模具冷却凝固成目标产品；第二种，将热塑性树脂与增强纤维制作成预浸料，通过模具时加热熔融，浸渍充分后定型冷却制成。

在第一种工艺方式中，由于熔融的树脂粘度很大，熔融的树脂在开放胶槽中很难浸渍增强纤维，容易出现树脂对增强纤维浸润不良而使产品存在干纤维(未被树脂浸润包裹的增强纤维)，从而影响影响产品的性能。

在第二种工艺方式中，由于需要制备预浸料，原材料要求较高、成本高；并且，制作成预浸料成本高。

发明人经过进一步的深入研究发现，在使用热塑性树脂的拉挤成型工艺中，将增强纤维和热塑性树脂纤维预先交错分布并相互粘连，进一步地将增强纤维和热塑性树脂纤维组成的纤维原料加热使热塑性树脂纤维熔融，能够得到均匀包裹有流体状的热塑性树脂的增强纤维。在此基础上，进一步地将包裹有流体状的热塑性树脂的增强纤维经过一个逐渐收缩的通道进行浸润，逐渐收缩的通道能够对多余的流体状的热塑性树脂产生一定的压力，使得热塑性树脂对增强纤维处于加压力浸润的状态，有利于均匀包裹有流体状的热塑性树脂更好地浸润包裹增强纤维。该工艺方式中，原料无特别要求，操作简单，适用于连续生产，使得原料和工艺成本较低，而且，能够保证热塑性树脂对增强纤维具有较好的浸润效果。

基于上述研究发现，参见图1，第一方面，本申请实施例提供一种纤维复合材料成型装置100，成型装置包括原料供应单元1000以及成型单元2000，用于成型纤维复合材料，纤维复合材料包括增强纤维及包裹增强纤维的热塑性树脂。

原料供应单元1000被配置为向下游供应纤维原料，纤维原料包括交错分布并相互粘连的增强纤维和热塑性树脂纤维。

也就是说，原料供应单元1000能够实现将增强纤维和热塑性树脂纤维交错分布并相互粘连，其可以通过常规的放卷和预成型实现，其实现形式可以不作具体限定。关于放卷，例如可以配置立体纱架等供应部分，立体纱架配置多个放卷部位，从而通过交错放卷增强纤维和热塑性树脂纤维实现将增强纤维和热塑性树脂纤维交错分布。关于预成型，例如可以配置挤压成型模具，挤压成型模具内部配置预成型腔，用于将多根交错分布的增强纤维辊和热塑性树脂纤维挤压粘连在一起。

参见图2～图4，成型单元2000位于原料供应单元1000的下游，包括依次设置的熔融浸渍部分2100和成型冷却部分2200。需要说明的是，在本申请的实施例中，除特别限定的情况以外，依次设置的顺序都是依照生产路线的上游到下游的方向而言的，下文中涉及相关的描述将不再重复解释。例如此处的描述是指成型单元2000沿从上游到下游依次设置有熔融浸渍部分2100和成型冷却部分2200，也就是说，熔融浸渍部分2100位于原料供应单元1000下游，成型冷却部分2200位于熔融浸渍部分2100的下游。

参见图2和图3，熔融浸渍部分2100设有熔融浸渍通道2110及熔融浸渍加热结构2120。熔融浸渍通道2110被配置为供纤维原料通过；也就是说，熔融浸渍通道2110的空间大小按照能够允许纤维原料通过的标准配置。熔融浸渍加热结构2120被配置为将热塑性树脂纤维加热熔融成流体状的热塑性树脂，也就是说，一方面，熔融浸渍加热结构2120设置在熔融浸渍部分2100的本体中与熔融浸渍通道2110对应的位置，能够实现对熔融浸渍通道2110内的纤维原料进行加热，另一方面，熔融浸渍加热结构2120的加热能力按照能够将热塑性树脂纤维加热熔融成流体状的热塑性树脂的标准配置。熔融浸渍通道2110的下游设有浸渍段2112，浸渍段2112的内壁从上游到下游逐渐收缩，也就是说，浸渍段2112的横截面积从上游到下游逐渐变小。

参见图2和图4，成型冷却部分2200设有成型冷却通道2210及成型冷却结构2220。成型冷却通道2210的形状大小与目标产品的形状大小匹配，用于供包裹有流体状的热塑性树脂的增强纤维通过并约束成型，也就是说，成型冷却通道2210的形状与目标产品的形状基本相同，成型冷却通道2210的形状与目标产品的大小略大于目标产品的大小。成型冷却结构2220被配置为将流体状的热塑性树脂冷却固化，也就是说，一方面，成型冷却结构2220设置在成型冷却部分2200的本体中与成型冷却通道2210对应的位置，能够实现对成型冷却通道2210内的热塑性树脂进行冷却，另一方面，成型冷却结构2220的冷却能力按照能够将流体状的热塑性树脂冷却到固化的标准配置。

本申请提供的纤维复合材料成型装置100，工作原理如下：

通过原料供应单元1000提供交错分布并相互粘连的增强纤维和热塑性树脂纤维，使得增强纤维和热塑性树脂纤维均匀分散；进一步地，在熔融浸渍部分2100将热塑性树脂纤维加热熔融成流体状的热塑性树脂后，能够得到均匀包裹有流体状的热塑性树脂的增强纤维；在此基础上，通过配置内壁从上游到下游逐渐收缩的浸渍段2112，逐渐收缩的浸渍段2112能够对多余的流体状的热塑性树脂产生一定的压力，使得热塑性树脂对增强纤维处于加压力浸润的状态，有利于均匀包裹有流体状的热塑性树脂更好地浸润包裹增强纤维。因此，在采用该成型装置的成型工艺中，原料无特别要求，操作简单，适用于连续生产，使得原料和工艺成本较低，而且，能够保证热塑性树脂对增强纤维具有较好的浸润效果。

参见图2和图3，在一些可能的实施方案中，熔融浸渍部分2100包括依次设置的熔融区2101和浸渍区2102，熔融浸渍通道2110包括熔融段2111和浸渍段2112，熔融浸渍加热结构2120包括熔融加热组2121和浸渍加热组2122。

熔融段2111和熔融加热组2121设于熔融区2101，熔融加热组2121被配置为将熔融段2111内的热塑性树脂纤维加热至接近熔融状态，也就是说，例如熔融段2111的路径长度、熔融加热组2121的加热能力等按照能够实现上述过程的标准设计。需要说明的是，熔融加热组2121将熔融段2111内的热塑性树脂纤维加热至接近熔融状态是指：热塑性树脂纤维在熔融段2111出口或者熔融段2111出口的上下游附近达到转变为流体状的临界状态；也就是说，热塑性树脂纤维在熔融段2111内被逐渐加热软化，并基本保持在转变为流体前的半固体形态。

浸渍段2112和浸渍加热组2122设于浸渍区2102，浸渍加热组2122被配置为将浸渍段2112内的热塑性树脂纤维加热熔融成流体状的热塑性树脂，也就是说，例如浸渍段2112的路径长度、浸渍加热组2122的加热能力等按照能够实现上述过程的标准设计。

上述技术方案中，在熔融浸渍部分2100配置熔融区2101和浸渍区2102，通过熔融区2101将熔融段2111内的热塑性树脂纤维加热至接近熔融状态，一方面，使得纤维原料进入浸渍段2112后热塑性树脂纤维能够快速地转变为流体状的热塑性树脂，另一方面，使得熔融得到的流体状的热塑性树脂基本都容纳在浸渍段2112内，有利于流体状的热塑性树脂在浸渍段2112内对增强纤维进行更充分的浸润。

参见图2和图3，在一些可能的实施方案中，浸渍段2112包括依次分布的浸渍上游段2112a和浸渍下游段2112b，浸渍加热组2122包括第一浸渍加热件2122a和第二浸渍加热件2122b。

第一浸渍加热件2122a对应浸渍上游段2112a设置，第二浸渍加热件2122b对应浸渍下游段2112b设置，该第一浸渍加热件2122a和第二浸渍加热件2122b例如分别配置为连接在浸渍区2102外壁的加热板。

第一浸渍加热件2122a的加热温度接近热塑性树脂纤维的熔融温度，例如第一浸渍加热件2122a的加热温度等于热塑性树脂纤维的熔融温度；第二浸渍加热件2122b的加热温度高于第一浸渍加热件2122a的加热温度，可选地，第二浸渍加热件2122b的加热温度-热塑性树脂纤维的熔融温度＝10℃～20℃。

上述技术方案中，将浸渍段2112划分为浸渍上游段2112a和浸渍下游段2112b，在浸渍上游段2112a以接近热塑性树脂纤维的熔融温度进行加热，使得热塑性树脂纤维能够快速地熔融；由于浸渍段2112呈逐渐收缩的状态，浸渍下游段2112b的通道较窄，基于此，在浸渍下游段2112b下游以相对更高的温度进行加热，使得熔融的热塑性树脂能够保持更好的流动性能，从而有利于热塑性树脂对增强纤维进行更充分的浸润。

在一些可能的实施方案中，浸渍段2112的内壁为平直倾斜面，浸渍段2112的内壁配置为平直倾斜面，也就是说浸渍段2112呈锥形的收缩形式，使得浸渍段2112的内壁逐渐平滑地过渡收缩。

作为示例，当目标产品的截面为圆形时，浸渍段2112的内壁的横截面为圆形，浸渍段2112的内壁为圆锥面。

作为示例，当目标产品的截面为矩形时，浸渍段2112的内壁的横截面为矩形，浸渍段2112的上下两个内壁为倾斜平面。

在一些可能的实施方案中，浸渍段2112的内壁的朝向轴线倾斜的角度为2℃～10°，使得浸渍段2112的内壁具有合适的收缩速度。

在一些可能的实施方案中，浸渍段2112的下游出口的形状大小与目标产品的形状大小匹配，使得浸渍段2112的内壁具有合适的收缩速度。

在一些可能的实施方案中，原料供应单元1000被配置为将纤维原料预成型为至少两组预成型料，每组预成型料均包括交错分布并相互粘连的增强纤维和热塑性树脂纤维。也就是说，多组预成型料共同组成形成目标产品的原料，在经过熔融浸渍部分2100汇集后在成型冷却部分2200合并组成目标产品。

参见图2和图3，熔融段2111内设有至少一个从上游延伸至下游的分隔件2111a，用于将熔融段2111分隔为至少两个熔融通道2111b，每个熔融通道2111b被配置为供一组预成型料通过。作为示例，对于板状的目标产品，熔融段2111内设有至少两个分隔件2111a，用于将熔融段2111分隔为至少三个熔融通道2111b。

熔融加热组2121包括第一熔融加热件2121a和第二熔融加热件2121b。第一熔融加热件2121a围设于熔融段2111外，其例如为连接在熔融区2101的外壁的加热板；第二熔融加热件2121b设于分隔件2111a，其例如为开设在分隔件2111a的导热油通道。

上述技术方案中，在熔融前将纤维原料预成型为至少两组预成型料，熔融段2111内提供与预成型料一一对应的熔融通道2111b，有利于对纤维原料更充分均匀地进行加热，使得纤维原料进入浸渍段2112后热塑性树脂纤维能够被更快速均匀地熔融。

可选地，熔融通道2111b的上游开口的尺寸小于主体的尺寸，且熔融通道2111b的上游开口与主体的中部对应，也就是说熔融通道2111b的上游开口较小、主体通道尺寸稍大，其实现方式例如在位于熔融通道2111b的上游开口的两侧的壁面均设有凸起结构。

进一步的上述设计中，熔融通道2111b的上游开口较小且与主体的中部对应，便于将纤维原料限位在与主体的中部对应的位置，有利于避免被加热后的纤维原料中半固态的热固性树脂纤维与熔融通道2111b的主体的内壁发生粘连。

参见图5，在一些可能的实施方案中，原料供应单元1000包括依次设置的放卷部分1100、分配部分1200、预热部分1300以及预成型部分1400。

放卷部分1100被配置为向下游供应混合纤维，混合纤维包括按比例交错分布的增强纤维和热塑性树脂纤维。作为示例，该放卷部分1100配置为立体纱架，立体纱架配置多个放卷部位，用于交错放置增强纤维外抽纱和热塑性树脂纤维外抽纱。

分配部分1200被配置为供混合纤维通过并将混合纤维分隔为多束混合纤维束，其中，每束混合纤维束包括按比例交错分布的增强纤维和热塑性树脂纤维。作为示例，分配部分1200设置有分配板，分配板开设有多个圆孔，每个圆孔用于分别容纳一束混合纤维束。

预热部分1300被配置为对将混合纤维束加热软化。作为示例，预热部分1300为箱式预热部分1300。可选地，热塑性树脂纤维的熔融温度-预热部分1300的加热温度＝10℃～15℃。

预成型部分1400被配置为将多束软化后的混合纤维束成型为预成型料。预成型部分1400包括依次设置的多个成型区2201，多个成型区2201的设计成型尺寸从上游到下游逐渐增大。作为示例，每个成型区2201设置一个成型板，每个成型板设有成型腔，多个成型板的成型腔的大小从从上游到下游逐渐增大。以下示例用于对多个成型区2201的逐级合拢成型进行说明，以三级成型作为示例：1000n(n为大于等于2的整数)束混合纤维束经过第一级成型区2201合拢成型为100n束第一中间预成型料，100n束第一中间预成型料经过第二级成型区2201合拢成型为10n束第二中间预成型料，10n束第二中间预成型料经过第三级成型区2201合拢成型为n组预成型料。

上述技术方案中，在原料供应单元1000中，将原料放卷后依次进行交错分布、加热软化和预成型；能够方便地制备得到纤维原料，且保证纤维原料中的增强纤维和热塑性树脂纤维较好地交错分布并相互粘连。进一步地，预热部分1300中控制合适的预热温度，预成型部分1400配置多个成型区2201逐级合拢成型，基于上述设计，

可选地，预成型部分1400的下游的成型区2201的设计成型形状与目标产品的形状匹配。也就是说，预成型部分1400的下游的成型区2201形成的预成型料的形状与目标产品的形状接近。

上述设计中，控制预成型部分1400的下游的成型区2201的设计成型形状与目标产品的形状匹配，使得预成型料的形状与目标产品的形状匹配，在进一步熔融和成型的阶段，有利于更好地浸润并成型得到预设形状的产品。

参见图2和图4，在一些可能的实施方案中，成型冷却部分2200包括依次设置的成型区2201和冷却区2202，成型冷却通道2210包括成型段2211和冷却段2212。

成型段2211设于成型区2201，成型区2201的顶部设有与成型段2211连通的溢流管路2201a，该溢流管路2201a贯穿成型区2201的顶部外壁实现与成型段2211连通；溢流管路2201a远离成型区2201的一端与浸渍段2112连通，该溢流管路2201a贯穿浸渍区2102的外侧壁实现与浸渍段2112连通。作为示例，溢流管路2201a与成型段2211连通的开口处以及溢流管路2201a与浸渍段2112连通的开口处均进行圆角设置，避免对材料外表面造成损伤。

冷却段2212设于冷却区2202，成型冷却结构2220设于冷却区2202。作为示例，成型冷却结构2220为设于冷却区2202的水循环管路，其使用冷水机制冷，以软化水为媒介。

上述技术方案中，在成型冷却部分2200配置成型区2201和冷却区2202，溢流管路2201a用于将成型段2211内多余的流体状的热塑性树脂流回浸渍段2112，一方面，有利于成型段2211更好地对通过的材料的形状大小进行约束成型，同时能够使得热塑性树脂材料得到更充分的利用。

可选地，溢流管路2201a远离成型区2201的一端从浸渍段2112的下游侧壁与浸渍段2112连通，有利于更好地实现加压力浸润。作为示例，溢流管路2201a与浸渍段2112连通的位置距离浸渍段2112的下游开口的距离小于等于浸渍段2112全长的1/3，例如等于浸渍段2112全长的1/3。

可选地，溢流管路2201a设有保温结构，有利于保证更高效顺畅地将多余的流体状的热塑性树脂流回浸渍段2112。

为了更好地实现成型和冷却，本申请中还可以对成型冷却部分2200做出以下设计。

在一些可能的实施方案中，成型段2211的上游开口的尺寸＝(102％～104％)×目标产品的尺寸，有利于约束成型得到形状尺寸更准确的产品。

在一些可能的实施方案中，冷却段2212远离成型段2211的一端向下倾斜；其倾斜坡度李伟为0.5％，也就是说倾斜面的高度/倾斜面的水平长度＝0.5％，方便将产品往外拉伸牵引

在一些可能的实施方案中，成型冷却结构2220与冷却区2202的上游的最小距离为0.2m～0.3m。作为示例，成型冷却结构2220从距离冷却区2202的上游0.2m～0.3m处开始设置分布，直至冷却区2202的出口处结束分布，也就是说，成型冷却结构2220从距离冷却区2202的上游0.2m～0.3m处到冷却区2202的出口处之间的整个范围内均匀分布有成型冷却结构2220。

在一些可能的实施方案中，冷却区2202的长度≥0.8m。

上述设计中，通过控制成型冷却结构2220在冷却区2202的分布范围，并控制冷却区2202的长度，有利于较好地实现对热塑性树脂的冷却固化。

第二方面，本申请实施例提供一种纤维复合材料成型工艺，采用上述实施例的成型装置进行，成型工艺包括：提供纤维原料；将纤维原料中的热塑性树脂纤维加热熔融成流体状的热塑性树脂，并将包裹有流体状的热塑性树脂的增强纤维通过浸渍段2112实现加压力浸润；然后，将包裹有流体状的热塑性树脂的增强纤维通过成型冷却通道2210约束成型，并使得流体状的热塑性树脂被冷却固化。

上述技术方案中，采用上述实施例的成型装置进行，成型的材料经牵引设备拉挤前进，连续不断地生产固定截面的复合材料产品，然后根据所需长度进行截取切割。由于原料无特别要求，操作简单，适用于连续生产，使得原料和工艺成本较低，而且，能够保证热塑性树脂对增强纤维具有较好的浸润效果。

需要说明的是，本申请提供的成型工艺，其原料供应、预成型、熔融浸渍、成型冷却等各阶段的处理方式和处理温度等工艺细节，均可以参照上述成型装置对应的描述和限定，在此将不再赘述。

为了更好地在该连续工艺下制备得到浸润好的纤维复合材料，本申请中还可以对原料的选择和配比做出以下设计。

在一些可能的实施方案中，热塑性树脂纤维为具有自润滑性能的纤维，有利于降低脱模阻力。

在一些可能的实施方案中，热塑性树脂纤维的熔融温度为120℃～230℃，便于热塑性树脂的熔融和冷却固化。

基于上述材料选择的要求，作为示例，热塑性树脂纤维可以选择为PA、PET、PP、PBT等。对应地，在成型装置中，可以将各加热结构配置为加热温度为80℃～300℃的可调范围，可以将冷却结构配置为冷却温度在5℃～25℃的可调范围。

在一些可能的实施方案中，单根热塑性树脂纤维的直径≤30μm；和/或，单根增强纤维的直径≤30μm，将热塑性树脂纤维和增强纤维的直径控制在合适的尺寸以下，便于热塑性树脂纤维和增强纤维较均匀地交错分布。

在一些可能的实施方案中，纤维原料中，热塑性树脂纤维和增强纤维的横截面积之比为55:45～35:65，保证能够热塑性树脂纤维和增强纤维具有合适的比例，有利于塑性树脂纤维充分地浸润包裹增强纤维，并得到增强纤维体积分数在50％～70％的纤维复合材料。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种纤维复合材料成型装置，用于成型纤维复合材料，所述纤维复合材料包括增强纤维及包裹所述增强纤维的热塑性树脂，其特征在于，所述成型装置包括原料供应单元以及成型单元；

所述原料供应单元被配置为向下游供应纤维原料，所述纤维原料包括交错分布并相互粘连的所述增强纤维和热塑性树脂纤维；

所述成型单元位于所述原料供应单元的下游，包括依次设置的熔融浸渍部分和成型冷却部分，其中，

所述熔融浸渍部分设有熔融浸渍通道及熔融浸渍加热结构；所述熔融浸渍通道被配置为供所述纤维原料通过；所述熔融浸渍加热结构被配置为将所述热塑性树脂纤维加热熔融成流体状的所述热塑性树脂；所述熔融浸渍通道的下游设有浸渍段，所述浸渍段的内壁从上游到下游逐渐收缩；

所述成型冷却部分设有成型冷却通道及成型冷却结构；所述成型冷却通道的形状大小与目标产品的形状大小匹配，用于供包裹有流体状的所述热塑性树脂的所述增强纤维通过并约束成型；所述成型冷却结构被配置为将流体状的所述热塑性树脂冷却固化。

2.根据权利要求1所述的成型装置，其特征在于，所述熔融浸渍部分包括依次设置的熔融区和浸渍区，所述熔融浸渍通道包括熔融段和所述浸渍段，所述熔融浸渍加热结构包括熔融加热组和浸渍加热组；其中，

所述熔融段和所述熔融加热组设于所述熔融区，所述熔融加热组被配置为将所述熔融段内的所述热塑性树脂纤维加热至接近熔融状态；

所述浸渍段和所述浸渍加热组设于所述浸渍区，所述浸渍加热组被配置为将所述浸渍段内的所述热塑性树脂纤维加热熔融成流体状的所述热塑性树脂。

3.根据权利要求2所述的成型装置，其特征在于，所述浸渍段包括依次分布的浸渍上游段和浸渍下游段，所述浸渍加热组包括第一浸渍加热件和第二浸渍加热件，所述第一浸渍加热件对应所述浸渍上游段设置，所述第二浸渍加热件对应所述浸渍下游段设置，所述第一浸渍加热件的加热温度接近所述热塑性树脂纤维的熔融温度，所述第二浸渍加热件的加热温度高于所述第一浸渍加热件的加热温度；

可选地，所述第二浸渍加热件的加热温度-所述热塑性树脂纤维的熔融温度＝10℃～20℃。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的成型装置，其特征在于，所述浸渍段的内壁为平直倾斜面；

可选地，所述浸渍段的内壁的朝向轴线倾斜的角度为2℃～10°；

可选地，所述浸渍段的下游出口的形状大小与所述目标产品的形状大小匹配。

5.根据权利要求2或3所述的成型装置，其特征在于，所述原料供应单元被配置为将所述纤维原料预成型为至少两组预成型料，每组所述预成型料均包括交错分布并相互粘连的所述增强纤维和所述热塑性树脂纤维；

所述熔融段内设有至少一个从上游延伸至下游的分隔件，用于将所述熔融段分隔为至少两个熔融通道，每个熔融通道被配置为供一组所述预成型料通过；

所述熔融加热组包括第一熔融加热件和第二熔融加热件，所述第一熔融加热件围设于所述熔融段外，所述第二熔融加热件设于所述分隔件；

可选地，所述熔融通道的上游开口的尺寸小于主体的尺寸，且所述熔融通道的上游开口与主体的中部对应。

6.根据权利要求5所述的成型装置，其特征在于，所述原料供应单元包括依次设置的放卷部分、分配部分、预热部分以及预成型部分；其中，

所述放卷部分被配置为向下游供应混合纤维，所述混合纤维包括交错分布的所述增强纤维和热塑性所述树脂纤维；

所述分配部分被配置为供所述混合纤维通过并将所述混合纤维分隔为多束混合纤维束；

所述预热部分被配置为对所述将所述混合纤维束加热软化；

所述预成型部分被配置为将多束软化后的所述混合纤维束成型为所述预成型料；

可选地，所述热塑性树脂纤维的熔融温度-所述预热部分的加热温度＝10℃～15℃；

可选地，所述预成型部分包括依次设置的多个成型区，多个所述成型区的设计成型尺寸从上游到下游逐渐增大；

可选地，所述预成型部分的下游的所述成型区的设计成型形状与所述目标产品的形状匹配。

7.根据权利要求1～3中任一项所述的成型装置，其特征在于，所述成型冷却部分包括依次设置的成型区和冷却区，所述成型冷却通道包括成型段和冷却段；其中，

所述成型段设于所述成型区，所述成型区的顶部设有与所述成型段连通的溢流管路，所述溢流管路远离所述成型区的一端与所述浸渍段连通；

所述冷却段设于所述冷却区，所述成型冷却结构设于所述冷却区；

可选地，所述溢流管路远离所述成型区的一端从所述浸渍段的下游侧壁与所述浸渍段连通；

可选地，所述溢流管路设有保温结构。

8.根据权利要求7所述的成型装置，其特征在于，满足以下条件(1)～(4)中的至少一项；

(1)所述成型段的上游开口的尺寸＝(102％～104％)×所述目标产品的尺寸；

(2)所述冷却段远离所述成型段的一端向下倾斜；

(3)所述成型冷却结构与所述冷却区的上游的最小距离为0.2m～0.3m；

(4)所述冷却区的长度≥0.8m。

9.一种纤维复合材料成型工艺，采用如权利要求1～8中任一项所述的成型装置进行，其特征在于，所述成型工艺包括：

提供所述纤维原料；

将所述纤维原料中的所述热塑性树脂纤维加热熔融成流体状的所述热塑性树脂，并将包裹有流体状的所述热塑性树脂的所述增强纤维通过所述浸渍段实现加压力浸润；然后，将包裹有流体状的所述热塑性树脂的所述增强纤维通过所述成型冷却通道约束成型，并使得流体状的所述热塑性树脂被冷却固化。

10.根据权利要求9所述的成型工艺，其特征在于，满足以下条件(1)～(5)中的至少一项；

(1)所述热塑性树脂纤维为具有自润滑性能的纤维；

(2)所述热塑性树脂纤维的熔融温度为120℃～230℃；

(3)单根所述热塑性树脂纤维的直径≤30μm；

(4)单根所述增强纤维的直径≤30μm；

(5)所述纤维原料中，所述热塑性树脂纤维和所述增强纤维的横截面积之比为55:45～35:65。

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