CN1730270A - 一种热塑性复合材料的拉挤成型方法及其成型模 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热塑性复合材料的拉挤成型方法，使用增强纤维和基体纤维作原料，包括如下步骤：A.将基体纤维和增强纤维按95～20∶5～80的重量比放置于纱架上；B.按最终型材所要求的纤维比例将增强纤维和基体纤维通过导纱钩、导纱板送入预热室进行预热；C.将经预热的混合纤维束送入预成型模，使纤维束形状接近成型模的入口形状；D.将已预成型的混合纤维送入成型模。当然也可以将预成型模和成型模合二为一，在一个模具上分成预成型段和成型段；E.从成型模出来的型材经冷却定型后即制得成品。本发明克服高分子量聚合物浸渍的困难，提高了热塑性复合材料的浸渍效果，使热塑性复合材料的力学性能有了显著提高。

Description

一种热塑性复合材料的拉挤成型方法及其成型模

所属技术领域

本发明涉及复合材料的拉挤成型工艺，具体说涉及一种热塑性复合材料的拉挤成型方法及其成型模。

背景技术

拉挤成型是一种常用的材料成型方法。拉挤成型的方法主要使用于热固性树脂基复合材料。专利CN1385296A(公开号)介绍了玻璃钢管拉挤成型工艺方法，这个专利中提出了一种适合大直径玻璃钢管的拉挤成型工艺方法，该工艺也是热固性树脂拉挤常用的方法。目前，热塑性塑料拉挤工艺工业化生产较少，国内外热塑性塑料拉挤工艺多采用玻璃纤维粗纱在浸渍了热塑性树脂以后，再通过拉挤模具拉制成制品，由于热塑性树脂粘度较大，与玻璃纤维粗纱充分浸渍很难。

专利ZL88100835提出了用拉挤工艺制造连续长纤维增强热塑性聚合物型材的方法。它是将浸渍了热塑性树脂的粗纱压紧，以形成坯布，在纤维上浸渍上熔融态的热塑性树脂，然后通过矩形的加热平口模头，以便压紧粗纱，强行把熔融的树脂渗入纤维之间，形成坯布。但由于热塑性树脂粘度较大，这种方法工业生产中可操作性困难。

发明内容

本发明要解决的技术问题就是上述现有技术存在的不足之处，提供一种采用混合纤维法通过拉挤技术制作热塑性增强复合材料的方法及其成型模。

本发明所述之热塑性复合材料的拉挤成型方法包括如下步骤：

A.将基体纤维和增强纤维按95～20∶5～80的重量比。放置于纱架上；

B.按最终型材所要求的纤维比例将增强纤维和基体纤维通过导纱钩、导纱板送入预热室进行预热；

C.将经预热的混合纤维束送入预成型模，使纤维束形状接近成型模的入口形状；

D.将已预成型的混合纤维送入成型模。当然也可以将预成型模和成型模合二为一，在一个模具上分成预成型段和成型段；

E.从成型模出来的型材经冷却定型后即制得成品。成品可以切割成需要的长度或绕成卷。

前述基体纤维和增强纤维放置于纱架上，其特征在于有如下的几种方法：

A、在基体纤维和增强纤维生产场地离拉挤生产场地近，便于运输的情况下，可将较细纱支的基体纤维和增强纤维(俗称原丝筒)按所需比例分别交替放于纱架上，再通过导纱钩或导纱板等类似方法调整纤维的比例、分布；

B、在纤维生产场地离拉挤生产场地远，运输不方便时，可将基体纤维和增强纤维按所需比例先络成纱支较粗的纱团，然后再运至拉挤生产现场。这也就是行业内熟知的混纤纱的方法；

D、也可使用基体纤维、增强纤维在拉丝阶段就均匀混合的复合纱。

本发明推荐使用的方法是方法A。该方法可以按需要方便地调整纤维品种和比例，省去了络纱工序，经济、灵活，纤维少受了磨擦、损伤。

从材料性能的角度出发，基体纤维和增强纤维优选的比例是60～40∶40～60，当需要材料有良好的外观时，可以选择基体纤维高的比例。

构成基体纤维的是这类的热塑性塑料纤维：聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、尼龙纤维、聚醚醚酮纤维、聚酮酮醚纤维、聚苯硫醚纤维、聚酰亚胺纤维、聚酯纤维、ABS纤维、维尼纶纤维、聚碳酸酯纤维、聚丙烯腈纤维、聚苯乙烯纤维；其中含有1～10％的可吸收微波的成份(可吸收微波的成份作为热塑性纤维的原料在生产热塑性纤维时加入，不同的热塑性纤维的加入方式一致)；最常用、优选的是聚丙烯纤维。

构成增强纤维的是这类的纤维：玻璃纤维、碳纤维、金属纤维、天然纤维、芳纶纤维、热塑性塑料纤维(熔点高于所用的基体纤维20℃以上)。最常用、优选的是玻璃纤维。

本发明中基体纤维的单丝直径在4微米至1毫米之间。优选范围是10微米至0.1毫米之间。过粗对材料性能不利，过细不经济，也会影响使用。

本发明中增强纤维的单丝直径在4微米至0.1毫米之间。优选范围是8微米至25微米之间，过粗对材料性能不利，过细不经济，也会影响使用。

由基体纤维和增强纤维形成的混合纤维是通过膨化或网络或退并方式复合而成的。

基体纤维中可含有可吸收微波的成份如碳黑，其重量比为热塑性纤维含量的1％～10％。

预热室的加热方式可采用电或油、蒸汽、微波、电磁感应、超声波方式，预热的温度为100～400℃。

成型模包括加热段21、微波发生器22，加热段至少有两段，一般为2～5段，每段长度根据拉挤型材的形状和大小作相应改变，第一个加热段内腔23从入口处逐渐变细，横截面随之缩小，入口角度为1～10°；每两个加热段之间设置微波发生器，采用微波的方式对混合纤维进行加热，温度在150～500℃之间(根据基体纤维的熔点进行相应调整)。用微波加热的优点是型材的内部可以得到更充分的加热，这样在多段成型模的压力下熔融的基体纤维能够对增强纤维充分地浸渍，排除多余的孔隙，得到密实的复合材料。微波发生器内设有使两邻两加热段内腔相通的通道。

作为热塑性复合材料的拉挤成型方法的冷却定型，可以使用冷却模，在对型材的表面要求不高时也可以不用冷却模，而采用冷却介质直接冷却。在使用冷却模时，本发明所述的成型模就还包括冷却段，其冷却腔加热段内腔相通，且从出口处逐渐变细，出口角度为0～10°，冷却腔内盛纳有冷却介质。冷却段可以单独设置，也可和加热段连为一体。

这样，成型模的加热段21与微波加热器22相结合组成成型模的加热区，冷却段24和冷却腔25相给合形成成型模的冷却区。混合纤维纱在模体的内腔中经过在微波发生器22作用下加热至一定温度下经过模体21，然后在冷却腔25中冷却介质的冷却下经过冷却模24后得到热塑性拉挤成型制品。将成型模分成两段以上可以有效的挤压出料中的气体，压使挤出物更加密实。因为基体纤维加热后熔融而失去强度，熔体的强度低，成型模长度太长的话会增加阻力，在牵引力的作用下熔体会拉断，所以成型模不能长。本发明要求成型模长度5毫米至50毫米。

模腔的形状与大小根据生产制品的形状设计成相应的截面形状与大小。整个模具的外观尺寸可根据截面形状与大小做相应的改变。

本发明由于采用混纤方法制作热塑性增强复合材料，热塑性基体塑料以纤维的形式在熔融前就与增强纤维混合，进行拉挤之前就解决了浸渍问题，在拉挤过程中热塑性基体塑料加热熔融后就可与增强纤维充分浸渍，且在浸渍后迅速冷却。从而使热塑性基体塑料与增强纤维达到良好的界面结合，拉挤出性能优良的热塑性复合材料型材。本发明克服高分子量聚合物浸渍的困难；两相纤维的比率能够精确控制，容易调节增强纤维和基体的比例。与以往热塑性拉挤手段相比，本发明提高了热塑性复合材料的浸渍效果，使热塑性复合材料的力学性能有了显著提高。使用本发明拉挤热塑性复合材料制品操作简便、快捷，节省了时间，提高了生产效率。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

图2为本发明成型模的结构示意图。

具体实施方式

下面先简介一下本发明的工艺过程：

参见图1，纤维(1)所述的基体纤维和增强纤维放置于纱架上，其特征在于有如下的几种方法：

A、在基体纤维和增强纤维生产场地离拉挤生产场地近，便于运输的情况下，可将较细纱支的基体纤维和增强纤维(俗称原丝筒)按所需比例分别交替放于纱架上，再通过导纱钩或导纱板等类似方法调整纤维的比例、分布；

B、在纤维生产场地离拉挤生产场地远，运输不方便时，可将基体纤维和增强纤维按所需比例通过如膨体或网络、退并等工艺先络成纱支较粗的纱团，然后再运至拉挤生产现场。这也就是行业内熟知的混合纤维纱的方法；

E、也可使用基体纤维、增强纤维在拉丝阶段就均匀混合的复合纱。

本发明推荐使用的方法是方法A。该方法可以按需要方便地调整纤维品种和比例，省去了络纱工序，经济、灵活，纤维少受了磨擦、损伤。

其中，基体纤维含有1～10％的碳黑之类的可吸收微波的材料。纱架2用于放置纤维纱筒，纤维1从纱架的一侧引出，经过导纱板3集束进入预热室4，根据所用混纤纱中热塑性基体的熔点来设定预热室4的温度，一般预热室4的温度为100～400℃，加热方式可采用电、导热油、蒸汽、微波、电磁感应、超声波等方式。纤维1从预热室4中出来后进入预成型模5，预成型模5的作用是使纱束形状接近成型模7的进口形状，预热的混纤纱从预成型模5出来后进入成型模7，成型模7模腔的形状与大小根据生产型材的形状设计成相应的截面形状与大小。纤维1通过成型模7时一次完成定型和固化。

参见图2，成型模7用一般的模具材料制成，如45钢、40Cr等，由两个加热段21、微波发生器22、冷却段24构成。第一个加热端的内腔23从入口处逐渐变细，横截面随之缩小，导致模具里产生压力，这样促使树脂与纤维结合。冷却段24通过的用于盛纳冷却介质的冷却腔25进行冷却，冷却段24内腔从出口处逐渐变细，出口角度为0～10度。成型模7加热的温度根据加工型材的复杂程度以及混合纤维纱中的基体纤维而有所不同，一般温度在150～500℃之间。混合纤维纱最后在成型模7冷却段24的冷却腔25中的冷却介质的作用下对混合纤维纱加工的型材进行冷却，从而使成型模7内由基体纤维熔融而成的基体塑料冷却，形成具有一定横截面的型材。最后在牵引装置8的作用下从模腔中出来形成热塑性拉挤制品，再由切割机9切成一定的长度。

实施例1

热塑性纤维选择申请人自制的2000dtex聚丙烯纤维，其中含有5％的碳黑，增强纤维选择200tex玻璃纤维，在纱架(2)上相间排列，按重量比1∶1直接通过退并后经过导纱器(3)合股集束进入预热室(4)，预热室(4)的温度为200℃，加热方式采用电加热。纤维从预热室(4)中出来后进入预成型模(5)，预热的混纤纱从预成型模(5)出来后进入成型模(7)，成型模选择直径φ5圆形模具，分为三段，其中加热段有两段，每段长度为0.03米，冷却段长度为0.3米。模具加热区的每一个加热段模具入口角度为5°，冷却区的冷却段出口角度为0°，即出口形状不变。成型模材料均为40Cr；三段之间通过微波发生器(6)采用微波的方式进行加热，加热的温度为220℃，混合纤维纱通过冷却段时完成定型和固化，最后在牵引装置(8)的作用下从模腔中出来形成热塑性拉挤制品，最后由切割机(9)切成6米段的长度。

所得棒材的性能为：

拉伸强度：415MPa

拉伸弹性模量：33.46GPa

弯曲强度：335MPa

弯曲弹性模量：28.8GPa

实施例2

热塑性纤维选择申请人自制的1000dtex尼龙纤维，其中含有8％的碳黑，增强纤维选择48tex高强玻璃纤维，按重量比2∶3通过退并合股后形成混合纤维纱(1)后放在纱架上，混合纤维纱(1)从纱架的一例引出，经过导纱器(3)集束进入预热室(4)，预热室(4)的温度为270℃，加热方式采用导热油加热。纤维从预热室(4)中出来后进入预成型模(5)，预热的混纤纱从预成型模(5)出来后进入成型模(7)，成型模选择直径φ10圆棒模具，分为三段，其中加热段有5段，每段长度为0.03米，冷却段长度为0.3米。模具加热区的每一个加热段模具入口角度为2°，冷却区的冷却段出口角度为1°。成型模材料均为40Cr；5段之间通过微波发生器(6)采用微波的方式进行加热，加热的温度为290℃，混合纤维纱通过成型模(7)时一次完成定型和固化，最后在牵引装置(8)的作用下从模腔中出来形成拉挤制品，最后由切割机(9)切成5米段的长度。

所得棒材的性能为：

拉伸强度：515MPa

拉伸弹性模量：43.46GPa

弯曲强度：435MPa

弯曲弹性模量：48.8GPa

实施例3

热塑性纤维选择申请人自制的1000dtexPET纤维，其中含有10％的碳黑，增强纤维选择南京玻璃纤维研究设计院生产的48tex高强玻璃纤维，按重量比2∶3通过膨体机膨体后形成混合纤维纱(1)后放在纱架上，混合纤维纱(1)从纱架的一侧引出，经过导纱器(3)集束进入预热室(4)，预热室(4)的温度为280℃，加热方式可采用电加热。纤维从预热室(4)中出来后进入预成型模(5)，预热的混纤纱从预成型模(5)出来后进入成型模(7)，成型模选择直径25×25方形模具，芯棒为23×23，分为两段，每段长度为0.04米，冷却段长度为0.6米。模具加热区的加热段模具入口角度为8°，冷却区的冷却段出口角度为5°。成型模材料均为45钢；两段之间通过微波发生器(6)采用微波的方式进行加热，加热的温度为280℃，然后通过冷却段进行冷却，完成定型和固化，最后在牵引装置(8)的作用下从模腔中出来形成热塑性拉挤制品，最后由切割机(9)切成5米段的长度。

所得棒材的性能为：

拉伸强度：842MPa

拉伸弹性模量：40.46GPa

弯曲强度：750MPa

弯曲弹性模量：45.6GPa

实施例4

热塑性纤维选择申请人自制的1000dtexPET纤维，其中含有1％的碳黑，增强纤维选择南京玻璃纤维研究设计院生产的48tex高强玻璃纤维，按重量比2∶3通过膨体机的网络喷嘴后形成混合纤维纱(1)后放在纱架上，混合纤维纱(1)从纱架的一侧引出，经过导纱器(3)集束进入预热室(4)，预热室(4)的温度为280℃，加热方式采用微波加热。纤维从预热室(4)中出来后进入预成型模(5)，预热的混合纤维纱从预成型模(5)出来后进入成型模(7)，成型模选择直径60×25矩形管模具，芯棒为52×20，模具的长度为1.2米，分为三段，其中加热段有4段，每段长度为0.03米，冷却段长度为0.3米。模具加热区的每一个加热段模具入口角度为3°，冷却区的冷却段出口角度为2°。成型模材料均为40Cr；4段之间通过微波发生器(6)采用微波的方式进行加热，加热的温度为280℃，然后通过冷却段进行冷却，完成定型和固化，最后在牵引装置(8)的作用下从模腔中出来形成热塑性拉挤制品，最后由切割机(9)切成5米段的长度。

所得棒材的性能为：

拉伸强度：830MPa

拉伸弹性模量：38.46GPa

弯曲强度：730MPa

弯曲弹性模量：42.6GPa

Claims (12)

1、一种热塑性复合材料的拉挤成型方法，其特征在于使用增强纤维和基体纤维作原料，包括如下步骤：

A.将基体纤维和增强纤维按95～20∶5～80的重量比放置于纱架上；

B.按最终型材所要求的纤维比例将增强纤维和基体纤维通过导纱钩、导纱板送入预热室进行预热；

C.将经预热的混合纤维束送入预成型模，使纤维束形状接近成型模的入口形状；

D.将已预成型的混合纤维送入成型模，当然也可以将预成型模和成型模合二为一，在一个模具上分成预成型段和成型段；

E.从成型模出来的型材经冷却定型后即制得成品。

2、如权利要求1所述的热塑性复合材料的拉挤成型方法，其特征在于基体纤维和增强纤维放置于纱架上有如下的几种方法：

A、在基体纤维和增强纤维生产场地离拉挤生产场地近，便于运输的情况下，可将较细纱支的基体纤维和增强纤维按所需比例分别交替放于纱架上，再通过导纱钩或导纱板等类似方法调整纤维的比例、分布；

B、在纤维生产场地离拉挤生产场地远，运输不方便时，可将基体纤维和增强纤维按所需比例先络成纱支较粗的纱团，然后再运至拉挤生产现场。

C、也可使用基体纤维、增强纤维在拉丝阶段就均匀混合的复合纱。

3、如权利要求1或2所述的热塑性复合材料的拉挤成型方法，其特征在于：混合纤维可由基体纤维和增强纤维按95～20∶5～80的重量比通过膨化或网络或退并复合而成。

4、如权利要求1或2所述的纤维增强热塑性复合材料的拉挤成型制备方法，其特征在于：基体纤维和增强纤维优选的比例是60～40∶40～60。

5、如权利要求1或2所述的热塑性复合材料的拉挤成型方法，其特征在于：

A、构成基体纤维的是这类的热塑性塑料纤维：聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、尼龙纤维、聚醚醚酮纤维、聚酮酮醚纤维、聚苯硫醚纤维、聚酰亚胺纤维、聚酯纤维、ABS纤维、维尼纶纤维、聚碳酸酯纤维、聚丙烯腈纤维、聚苯乙烯纤维。最常用、优选的是聚丙烯纤维。

B、构成增强纤维的是这类的纤维：玻璃纤维、碳纤维、金属纤维、天然纤维、芳纶纤维、热塑性塑料纤维，所选用的增强纤维的熔点高于所用的基体纤维20℃以上。

6、如权利要求1或2所述热塑性复合材料的拉挤成型方法，其特征在于所述的基体纤维单丝直径在4微米至1毫米之间，所述增强纤维单丝直径在4微米至0.1毫米之间。

7、如权利要求6所述热塑性复合材料的拉挤成型方法，其特征在于所述的基体纤维单丝优选范围是10微米至0.1毫米之间，所述增强纤维单丝直径优选范围是8微米至25微米之间。

8、如权利要求1或2所述的热塑性复合材料的拉挤成型方法，其特征在于所述的基体纤维含有可吸收微波的成份，其重量比为热塑性纤维含量的1％～10％。

9、如权利要求1或2所述热塑性复合材料的拉挤成型方法，其特征在于预热室的加热方式可采用电或导热油、蒸汽、微波、电磁感应、超声波方式，预热的温度为100～400℃。

10、一种用于如权利要求1-9任意一项所述的热塑性复合材料的拉挤成型方法的成型模，其特征在于包括加热段21、微波发生器22，加热段至少有两段，第一个加热段内腔23从入口处逐渐变细，横截面随之缩小，入口角度为1～10°；每两个加热段之间设置微波发生器。

11、如权利要求10所述的成型模，其特征在于还包括冷却段24，其冷却腔与加热段内腔要通，且从出口处逐渐变细，出口角度为0～10°，其内盛纳有冷却介质。

12、如权利要求10或11所述的成型模，其特征在于加热段采用微波的方式进行加热的温度在150～500℃之间。

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