CN116277858A - 一种近各向同性纤维增强聚芳醚酮挤出模具及挤出工艺 - Google Patents
一种近各向同性纤维增强聚芳醚酮挤出模具及挤出工艺 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种近各向同性纤维增强聚芳醚酮挤出模具及挤出工艺，该模具包括用于与挤出机连接的连接部及与连接部依次连接的熔体预冷却区、分流体、第一热处理夹套、第二热处理夹套和分流锥；连接部中设有用于与分流体连通的熔体主流道；分流体中设有依次贯穿第一热处理夹套和第二热处理夹套的熔体流道；分流锥设于熔体流道中；分流锥包括锥形件和固定盘；锥形件设于固定盘中，固定盘上设有分流孔；分流锥用于打破熔体在熔体流道中的螺旋式流动前进方式；分流锥表面设有超疏水涂层。本发明设计的分流锥结能够破坏熔体的螺旋式挤出，打破纤维类无机物在沿着熔体螺旋式流动的前进方式，使得纤维类无机物在挤出时可以各方向分布，进而出现各向同性。
Description
技术领域
本发明涉及特种工程塑料技术领域，具体涉及一种近各向同性纤维增强聚芳醚酮挤出模具及挤出工艺。
背景技术
聚芳醚酮是耐高温、耐磨损、高强度特种工程塑料中的一类，由醚键、酮键重复单元构成。聚芳醚酮综合性能优良，其中聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮(PEK)、聚醚酮酮(PEKK)的熔点均在330℃以上，玻璃化转变温度在140℃以上，长期使用温度可达260℃以上，可在200℃水蒸汽中使用；聚芳醚酮材料其韧性好，冲击性能和伸长率优异；强度高、模量高，尺寸稳定性和抗蠕变性能优异；耐腐蚀，耐辐射，燃烧时具有自熄性且发烟量很少；具有优异的耐化学药品性和电性能。因此，PEEK已广泛应用于航空航天工业、原子能工业、武器装备、医疗卫生及其他高端领域中。
中国实用新型专利CN205614970U公开了一种PEEK棒材挤出机头，其属于挤出机技术领域，具体涉及一种PEEK棒材挤出机头，PEEK原料依次经过螺杆腔头、出浇板、口模板和定形模具被挤出成型，口模板和定性模具之间设有法兰，螺杆腔头、出浇板、口模板、定形模具和法兰的内部设有PEEK原料通过的挤出通道。本实用新型的PEEK棒材挤出机头，大大缩短了PEEK材料的出浇流程，减少了装卸时间，有效的避免了PEEK材料因长时间停留在出浇口的而被降解问题。但是，该方式仅为解决PEEK材料挤出成型，无法解决挤出纤维增强聚芳醚酮型材的纤维取向。
中国专利CN216658845U公开了一种耐高温PEEK型材的挤出成型装置，当挤出完成后可通过外部高压泵连接在输气管上，利用高压泵通过输气管向密封壳内注入气体，气体推动安装杆向上移动，当推板抬升到挤出通孔内时，在高压气体的压力下向挤出通孔的两端移动，从而将挤出通孔内残余的原料通过两端的开口和溢出管排出挤出头，避免下次注塑前清堵，方便后续使用，降低操作人员的劳动强度。但该方式解决的是PEEK材料挤出的快速清理方式，无法解决挤出纤维增强聚芳醚酮型材的纤维取向。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题，而提供一种近各向同性纤维增强聚芳醚酮挤出模具及挤出工艺，本发明提供的技术方案简单，适合工业化的批量性生产。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种近各向同性纤维增强聚芳醚酮挤出模具，其特征在于，所述的挤出模具包括：用于与挤出机进行连接的连接部、以及与所述连接部依次连接的熔体预冷却区、分流体、第一热处理夹套、第二热处理夹套和若干分流锥；所述的连接部中设置有用于与所述分流体连通的熔体主流道，且所述的熔体主流道贯穿所述熔体预冷却区；所述的分流体中设置有若干熔体流道，若干所述的熔体流道依次贯穿所述第一热处理夹套和第二热处理夹套；所述的分流锥设置于所述熔体流道中；所述的分流锥包括：锥形件和固定盘；所述的锥形件设置于所述固定盘中，所述的固定盘上还设置有若干分流孔；所述的分流锥用于打破熔体在所述熔体流道中的螺旋式流动前进方式；所述分流锥的表面设置有超疏水涂层。
具体的，本发明中设置的熔体预冷却区用于将流经过该冷却区的熔体初步冷却，使熔体的外表面初步固化，但依旧可以保持流动。
进一步的，一种近各向同性纤维增强聚芳醚酮挤出模具：所述的挤出模具还包括连接法兰；所述的连接法兰设置于所述连接部上，所述的连接法兰用于将该挤出模具与所述挤出机进行连接。
进一步的，一种近各向同性纤维增强聚芳醚酮挤出模具：所述的分流孔环绕所述锥形件的周向设置。
进一步的，一种近各向同性纤维增强聚芳醚酮挤出模具：分流锥表面的超疏水涂层的制备工艺为：
a)对所述分流锥的表面进行喷砂处理，在所述分流锥的表面形成微纳米结构；
b)喷砂处理后对所述分流锥再进行聚四氟乙烯喷涂处理；
c)完成上述喷涂处理后进行烧结，在所述分流锥的表面构筑所述超疏水涂层。
进一步的，一种近各向同性纤维增强聚芳醚酮挤出模具：所述喷砂处理采用的材质为三氧化二铝。
进一步的，一种近各向同性纤维增强聚芳醚酮挤出模具：所述三氧化二铝的粒径为50-800nm。
一种近各向同性纤维增强聚芳醚酮挤出工艺，其特征在于，该工艺采用了上述的挤出模具，该工艺包括如下具体步骤：
S1、通过所述连接部将所述挤出模具与所述挤出机连接；
S2、将原料投加到所述挤出机的料筒中，将原料干燥；
S3、通过挤出机料筒和挤出螺杆的共同作用，将原料熔融，形成熔体；
S4、将熔体从挤出机中挤出，并接引至所述熔体主流道中，熔体经所述熔体预冷却区初步冷却后流入所述分流体中，再经分流体分流后流入各熔体流道中，然后再依次流过第一热处理夹套和第二热处理夹套进行冷却成型；
S5、在所述第一热处理夹套和第二热处理夹套的末端设置牵引机，用于将冷却成型后的材料牵引出挤出模具；即完成了该挤出工艺。
进一步的，一种近各向同性纤维增强聚芳醚酮挤出工艺：步骤S2中所述的干燥温度为150-180℃。
进一步的，一种近各向同性纤维增强聚芳醚酮挤出工艺：步骤S3中所述挤出机的料筒分五个温度区；其中：一区温度210-230℃、二至五区温度为350-380℃；挤出螺杆转速为10-15rpm。
进一步的，一种近各向同性纤维增强聚芳醚酮挤出工艺：步骤S4、将熔体从挤出机中挤出，且熔体压力为3.0-4.0MPa，挤出速度为100-300mm/h；所述分流体的温度设置为340-370；所述第一热处理夹套的温度设置为170-190℃；所述第二热处理夹套的温度设置为70-90℃。
本发明的有益效果：
(1)由于使用单螺杆挤出机进行型材的生产，其纤维类物质，例如玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维会随着熔体流动的方式螺旋形分布，则呈现的纤维分布趋势是垂直于长度方向的截面方向(径向面)，同时其纤维方向在长度方向上的分布减少，如图1所示；针对此问题本发明设计了特殊结构的分流锥，本发明通过多孔的分流锥结构设计，并将其用于挤出模具中，其能够破坏熔体的螺旋式挤出，打破纤维类无机物在沿着熔体螺旋式流动的前进方式，使得纤维类无机物在挤出时可以各方向分布，进而出现各向同性。
(2)由于原材料颗粒料为碳纤维、玻璃纤维或其他纤维类增强PEEK，其含有的纤维类在熔体流动在通过分流锥时会出现一定的卡滞，因此本发明还在分流锥上形成了超疏水涂层，本发明在多孔分流锥上进行涂层设计，使用喷砂处理，构筑出微纳米结构，再进行喷涂聚四氟乙烯降低表面极性，最终实现具有“荷叶效应”的超疏水涂层结构，其能够使得纤维类无机物和PEEK树脂能够顺畅的通过分流锥处不会出现紊流。
(3)本发明通过控制熔体压力和控制挤出速度实现了控制纤维分布的方向性，其熔体压力3.0-4.0MPa，挤出速度为100-300mm/h。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，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附图。
图1为正常挤出纤维增强PEEK材料型材纤维分布；其中：图1包括(a)和(b)；
图2为本发明提供的一种近各向同性纤维增强聚芳醚酮挤出模具的结构示意图；
图3为本发明中分流锥的侧视图；
图4为本发明中分流锥的俯视图。
图中标记：1连接部、2熔体预冷却区、3分流体、4第一热处理夹套、5第二热处理夹套、6分流锥、7熔体主流道、8熔体流道、9连接法兰、6-1锥形件、6-2固定盘、6-3分流孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
如图2-4所示，提供一种近各向同性纤维增强聚芳醚酮挤出模具，其特征在于，所述的挤出模具包括：用于与挤出机进行连接的连接部1、以及与所述连接部1依次连接的熔体预冷却区2、分流体3、第一热处理夹套4、第二热处理夹套5和若干分流锥6；所述的连接部1上还设置有用于将该挤出模具与所述挤出机进行连接的连接法兰9；
所述的连接部1中设置有用于与所述分流体3连通的熔体主流道7，且所述的熔体主流道7贯穿所述熔体预冷却区2；通过熔体预冷却区2对熔体主流道7中的熔体进行初步冷却；
所述的分流体3中设置有若干熔体流道8，若干所述的熔体流道8依次贯穿所述第一热处理夹套4和第二热处理夹套5；所述的分流锥6设置于所述熔体流道8中；
所述的分流锥6包括：锥形件6-1和固定盘6-2；所述的锥形件6-1设置于所述固定盘6-2的中部，所述的固定盘6-2上还设置有若干分流孔6-3，且所述的分流孔6-3环绕所述锥形件6-1的周向设置；
所述的分流锥6用于打破熔体在所述熔体流道8中的螺旋式流动前进方式；所述分流锥6的表面设置有超疏水涂层。
具体的，上述锥形件6-1的直径为10-40mm，长度为15-40mm；分流孔的直径为3-10mm。
具体的，上述的分流锥6表面的超疏水涂层的制备工艺为：
a)采用粒径为50-800nm的三氧化二铝对所述分流锥6的表面进行喷砂处理，通过喷砂处理在所述分流锥6的表面形成微纳米结构；
b)喷砂处理后对所述分流锥6再进行聚四氟乙烯喷涂处理；
c)完成上述喷涂处理后进行烧结，在所述分流锥6的表面构筑超疏水涂层。
实施例1
如图2-4所示，提供一种近各向同性纤维增强聚芳醚酮挤出模具，该挤出模具的具体结构如上所示，且该挤出模具中分流锥6中的锥形件6-1直径设置为10mm，整体的长度为15mm；分流孔6-3内径为3mm；在所述分流锥6的表面采用粒径50mm的三氧化二铝进行喷砂。
提供一种近各向同性纤维增强聚芳醚酮挤出工艺，其特征在于，该工艺采用了上述的挤出模具，该工艺包括如下具体步骤：
S1、通过所述连接部1将所述挤出模具与所述挤出机连接；具体是通过连接部1上设置的连接法兰9将该挤出模具与挤出机进行连接，且连接法兰9的温度为370℃；
S2、将原料投加到所述挤出机的料筒中，将原料在180℃下干燥；这里所用的原料为PEEK5600CF30(即添加30％碳纤维增强PEEK)；
S3、通过挤出机料筒和挤出螺杆的共同作用，将原料熔融，形成熔体；其中：挤出机的料筒分五个温度区，一区温度220℃、二至五区温度为360℃；挤出螺杆的转速为12rpm；
S4、将熔体从挤出机中挤出，并接引至所述熔体主流道7中，熔体经所述熔体预冷却区2初步冷却后流入所述分流体3中，再经分流体3分流后流入各熔体流道8中，然后再依次流过第一热处理夹套4和第二热处理夹套5进行冷却成型；该步骤中熔体主流道7的温度为370℃，分流体3的温度为370℃，第一热处理夹套4的温度为180℃，第二热处理夹套5的温度为90℃；熔体挤出压力为3.0MPa；
S5、在所述第一热处理夹套4和第二热处理夹套5的末端设置牵引机，用于将冷却成型后的材料牵引出挤出模具；即完成了该挤出工艺；其中：牵引机速度为100mm/h。通过控制熔体压力和控制挤出速度(即牵引速度)实现了控制纤维分布的方向性。
实施例1的具体工艺参数如下表：
| 干燥料筒 | 料筒1区 | 料筒2-5区 | 法兰 | 螺杆转速 |
| 160℃ | 220℃ | 360℃ | 370℃ | 12r/min |
| 链接法兰 | 挤出流道 | 分流体 | 第一热处理夹套 | 第二热处理夹套 |
| 370℃ | 370℃ | 370℃ | 180℃ | 90℃ |
| 牵引速度 | 熔体压力 | |||
| 100mm/h | 3.0MPa |
实施例2
实施例2与上述实施例1的区别在于：实施例2所用的挤出模具中分流锥6中的锥形件6-1直径设置为15mm，整体的长度为20mm；分流孔6-3内径为5mm；在所述分流锥6的表面采用粒径100mm的三氧化二铝进行喷砂处理；实施例2的其余条件皆与实施例1相同。
实施例3
实施例3与上述实施例1的区别在于：实施例3所用的挤出模具中分流锥6中的锥形件6-1直径设置为30mm，整体的长度为30mm；分流孔6-3内径为10mm；在所述分流锥6的表面采用粒径300mm的三氧化二铝进行喷砂处理；实施例3的其余条件皆与实施例1相同。
实施例4
实施例4与上述实施例1的区别在于：实施例4所用的挤出模具中分流锥6中的锥形件6-1直径设置为30mm，整体的长度为30mm；分流孔6-3内径为10mm；在所述分流锥6的表面采用粒径800mm的三氧化二铝进行喷砂处理；实施例4的其余条件皆与实施例1相同。
实施例5
实施例5与上述实施例1的区别在于：实施例5所用的挤出模具中分流锥6中的锥形件6-1直径设置为30mm，整体的长度为30mm；分流孔6-3内径为10mm；在所述分流锥6的表面采用粒径800mm的三氧化二铝进行喷砂处理；
实施例5与实施例1的区别还在于：在实施例5的挤出工艺中熔体压力为3.8MPa，挤出速度为150mm/h；实施例5的其余条件皆与实施例1相同。
实施例6
实施例6与实施例5的区别在于：实施例6的挤出速度为300mm/h；实施例6的其余条件皆与实施例5相同。
对比例1
对比例1与实施例6的区别在于：对比例1所用的挤出模具中不设置所述分流锥，对比例1的的其余条件皆与实施例6相同。
测试：
对上述实施例1-6以及对比例1所得冷却成型后的材料进行力学性能测试，其测试结果如下表：
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 | 实施例6 | 对比例7 | |
| 纵向拉伸 | 134MPa | 136MPa | 129MPa | 108MPa | 107MPa | 105MPa | 92MPa |
| 横向拉伸 | 126MPa | 128MPa | 133MPa | 103MPa | 101MPa | 109MPa | 110MPa |
| 纵向弯曲 | 281MPa | 289MPa | 277MPa | 221MPa | 229MPa | 225MPa | 185MPa |
| 横向弯曲 | 287MPa | 278MPa | 284MPa | 215MPa | 222MPa | 228MPa | 245MPa |
从力学性能上看，实施例1-6所得材料纵向拉伸和横向拉伸，纵向弯曲和横向弯曲，其性能相差不大，表现为近各项同性；而对比例1的纵向拉伸和横向拉伸，纵向弯曲和横向弯曲，其性能相差较大，表现为近各项异性。
本发明通过多孔的分流锥结构设计，并将其用于挤出模具中，其能够破坏熔体的螺旋式挤出，打破纤维类无机物在沿着熔体螺旋式流动的前进方式，使得纤维类无机物在挤出时可以各方向分布，进而出现各向同性。
上述为本发明的较佳实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。凡由本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种近各向同性纤维增强聚芳醚酮挤出模具，其特征在于，所述的挤出模具包括：用于与挤出机进行连接的连接部(1)、以及与所述连接部(1)依次连接的熔体预冷却区(2)、分流体(3)、第一热处理夹套(4)、第二热处理夹套(5)和若干分流锥(6)；
所述的连接部(1)中设置有用于与所述分流体(3)连通的熔体主流道(7)，且所述的熔体主流道(7)贯穿所述熔体预冷却区(2)；
所述的分流体(3)中设置有若干熔体流道(8)，若干所述的熔体流道(8)依次贯穿所述第一热处理夹套(4)和第二热处理夹套(5)；所述的分流锥(6)设置于所述熔体流道(8)中；
所述的分流锥(6)包括：锥形件(6-1)和固定盘(6-2)；所述的锥形件(6-1)设置于所述固定盘(6-2)中，所述的固定盘(6-2)上还设置有若干分流孔(6-3)；
所述的分流锥(6)用于打破熔体在所述熔体流道(8)中的螺旋式流动前进方式；所述分流锥(6)的表面设置有超疏水涂层。
2.根据权利要求1所述的一种近各向同性纤维增强聚芳醚酮挤出模具，其特征在于，所述的挤出模具还包括连接法兰(9)；所述的连接法兰(9)设置于所述连接部(1)上，所述的连接法兰(9)用于将该挤出模具与所述挤出机进行连接。
3.根据权利要求1所述的一种近各向同性纤维增强聚芳醚酮挤出模具，其特征在于，所述的分流孔(6-3)环绕所述锥形件(6-1)的周向设置。
4.根据权利要求1所述的一种近各向同性纤维增强聚芳醚酮挤出模具，其特征在于，分流锥(6)表面的超疏水涂层的制备工艺为：
a)对所述分流锥(6)的表面进行喷砂处理，在所述分流锥(6)的表面形成微纳米结构；
b)喷砂处理后对所述分流锥(6)再进行聚四氟乙烯喷涂处理；
c)完成上述喷涂处理后进行烧结，在所述分流锥(6)的表面构筑所述超疏水涂层。
5.根据权利要求4所述的一种近各向同性纤维增强聚芳醚酮挤出模具，其特征在于，所述喷砂处理采用的材质为三氧化二铝。
6.根据权利要求5所述的一种近各向同性纤维增强聚芳醚酮挤出模具，其特征在于，所述三氧化二铝的粒径为50-800nm。
7.一种近各向同性纤维增强聚芳醚酮挤出工艺，其特征在于，该工艺采用了权利要求1-6任一项所述的挤出模具，该工艺包括如下具体步骤：
S1、通过所述连接部(1)将所述挤出模具与所述挤出机连接；
S2、将原料投加到所述挤出机的料筒中，将原料干燥；
S3、通过挤出机料筒和挤出螺杆的共同作用，将原料熔融，形成熔体；
S4、将熔体从挤出机中挤出，并接引至所述熔体主流道(7)中，熔体经所述熔体预冷却区(2)初步冷却后流入所述分流体(3)中，再经分流体(3)分流后流入各熔体流道(8)中，然后再依次流过第一热处理夹套(4)和第二热处理夹套(5)进行冷却成型；
S5、在所述第一热处理夹套(4)和第二热处理夹套(5)的末端设置牵引机，用于将冷却成型后的材料牵引出挤出模具；即完成了该挤出工艺。
8.根据权利要求7所述的一种近各向同性纤维增强聚芳醚酮挤出工艺，其特征在于，步骤S2中所述的干燥温度为150-180℃。
9.根据权利要求7所述的一种近各向同性纤维增强聚芳醚酮挤出工艺，其特征在于，步骤S3中所述挤出机的料筒分五个温度区；其中：一区温度210-230℃、二至五区温度为350-380℃；挤出螺杆转速为10-15rpm。
10.根据权利要求7所述的一种近各向同性纤维增强聚芳醚酮挤出工艺，其特征在于，步骤S4、将熔体从挤出机中挤出，且熔体压力为3.0-4.0MPa，挤出速度为100-300mm/h；所述分流体(3)的温度设置为340-370；所述第一热处理夹套(4)的温度设置为170-190℃；所述第二热处理夹套(5)的温度设置为70-90℃。
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