CN202037882U - 连续/长纤维增强热塑性复合材料的浸渍模具 - Google Patents

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孙海青
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Abstract

本实用新型涉及一种连续/长纤维增强热塑性复合材料的浸渍模具，属于连续/长纤维增强热塑性复合材料制备装置领域，包括机体，其技术要点在于机体内设置有纤维浸渍流道，纤维浸渍流道的上部连接导丝块，导丝块上设置有分丝孔，分丝孔与纤维浸渍流道相连通，机体侧部设有浸渍熔体进料口，浸渍熔体进料口与纤维浸渍流道相通。连续纤维经导丝块上的分丝孔进入到浸渍模具与熔融的热塑性树脂接触，经环状波纹回转体芯轴及与之外表面形状相同的机体腔体内壁之间的环形、波纹状浸渍流道，纤维束被强制展开、分散，实现树脂对纤维的浸渍。本实用新型浸渍效率高，浸渍过程中较好地实现了纤维的分散。

Description

连续/长纤维增强热塑性复合材料的浸渍模具
技术领域
本实用新型涉及一种连续/长纤维增强热塑性的浸渍模具，属于连续/长纤维增强热塑性复合材料制备装置领域。
背景技术
连续/长纤维增强热塑性复合材料是一种增强纤维单向排列且长度与复合材料粒料相同的复合材料。
连续纤维经浸渍切粒后得到长纤维增强热塑性复合材料(LFT)，具体指长度超过8mm的增强纤维(如玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等)和热塑性聚合物进行熔融复合形成的塑料粒料或制品。LFT具有高强度、高刚度、尺寸稳定、低翘曲度、抗疲劳、耐蠕变等优点，可大幅度提高材料的力学性能，在通用塑料、工程塑料及特种工程塑料的力学性能改进方面具有广阔的应用前景。连续/长纤维增强技术是实现通用塑料、工程塑料高性能化的重要工程技术之一，近年来受到国内外科研部门和工业界的普遍重视。LFT的力学性能不但与热塑性聚合物的性能、增强纤维的性能、含量(通常质量分数为20％～40％，最高可达到60％)有关，还与增强纤维、热塑性聚合物之间形成的界面形态密切相关。此外，LFT的力学性能还与增强纤维保留长度有着密切的对应关系。与SFT注塑制品中所保留的最小纤维长度相比，LFT注塑制品中所保留的最小纤维长度大，因此LFT的刚性、强度、抗冲击性能及能量吸收率都得到很大提高。
由于LFT拥有力学性能、加工性能、尺寸稳定性、成本等优势，而被广泛应用于汽车、机械、建筑、航天航空及高新技术领域，特别是在汽车中的应用日渐增多。目前已广泛应用于汽车中的制品有前端组件、保险杠、挡泥板、仪表盘、行李仓底板、车门模块等。
在欧洲和北美，许多汽车零配件生产厂家都用LFT技术代替了原来的玻璃纤维毡增强热塑性塑料(GMT)技术，已经成为塑料市场中发展最快的技术。
LFT与GMT相比具有以下优良的性能：
(1)制品的力学性能高，特别是冲击强度提高显著；
(2)制品刚性与质量比高、变形小，特别有利于LFT在汽车中的应用；
(3)制品韧性提高；
(4)制品抗蠕变性能好，尺寸稳定；
(5)材料耐疲劳性能优良；
(6)材料加工性能好，可用于成型形状、结构复杂的制品，GMT只能用于模压成型，因而LFT设计自由度比GMT更高。
连续/长纤维增强热塑性复合材料的制备过程中最关键的问题就是纤维的浸渍和分散问题。目前已经公布了一些连续/长纤维增强热塑性复合材料的浸渍设备及浸渍工艺，但是有些专利依然没有很好地解决纤维的浸渍和分散问题，在模具设计方面还存在很多缺陷。
专利CN 1037679公开了一种连续纤维增强热塑性复合材料的浸渍模具，其特征是利用一类似正弦曲线的弯曲浸渍流道对纤维进行浸渍。塑化好的树脂熔体从模口注入浸渍流道，纤维在张力牵引下穿过浸渍流道，在弯曲流道的波峰和波谷，纤维受到张力而向两边扩展，实现熔体对纤维的浸渍。这种流道虽然能够浸渍纤维，但纤维在流道中实际上是沿弯曲的带状凸起面进行浸渍，并不能很好的使纤维得到分散。专利CN 1827671A公开了一种改进的弯曲流道浸渍模具，其特征是弯曲流道中的波峰高度从熔体入口到出口递减，但依然存在的问题是浸渍过程中不能很好的使纤维得到分散。专利CN 101913255A公开了一种连续纤维增强热塑性复合材料的浸渍模具，其特征是在其所述的调整轴上的安装圆盘展开器，纤维在圆盘展开器的作用下被分散张开，从而实现纤维的浸渍，但浸渍过程中热塑性树脂会在圆盘与圆盘之间的空隙中滞留，必须定期清理，影响其连续化生产。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有的热塑性树脂浸渍连续/长纤维技术存在的不足，提供一种简单、高效、纤维分散均匀、浸渍效果好的连续/长纤维增强热塑性复合材料的浸渍模具。
本实用新型的目的通过以下技术方案实现：
本实用新型连续/长纤维增强热塑性复合材料的浸渍模具，包括机体，其技术要点在于机体内设置有纤维浸渍流道，纤维浸渍流道的上部连接导丝块，导丝块上设置有分丝孔，分丝孔与纤维浸渍流道相连通，机体侧部设有浸渍熔体进料口，浸渍熔体进料口与纤维浸渍流道相通。
所述的导丝块外部连接芯套，芯套外部套有套管，芯套和套管之间形成环形狭缝，浸渍熔体进料口通过环形狭缝与纤维浸渍流道相通。
所述的套管下方有一个与机体进料口尺寸一样的孔，孔两侧的下端部分沿斜面切去，保留孔正下方的部分和孔对面的部分，芯套和套管切去的部位之间形成的狭缝与纤维浸渍流道相通。
所述的纤维浸渍流道由浸渍芯轴与浸渍芯套形成，浸渍芯轴为纵向波浪回转体芯轴，浸渍芯套与浸渍芯轴相配合，使纤维浸渍流道呈波浪状流道，浸渍芯轴的纵向波浪形凸面数量为1～30个，波浪状流道可以保证流道面的光滑度。
所述的纤维浸渍流道下部外固定有口模，口模出料口与纤维浸渍流道出口相通。口模放置在锁母上的口模槽上，锁母与机体下部固定连接。
所述的连续/长纤维增强热塑性复合材料的浸渍模具的使用方法，包括以下步骤：
将塑化好的热塑性树脂熔体从机体的浸渍熔体进料口进入纤维浸渍流道，同时，纤维由导丝块的分丝孔进入到纤维浸渍流道，树脂熔体和纤维在纤维浸渍流道的入口处相遇后一同沿纤维浸渍流道前进，进行浸渍。
在纤维浸渍流道下部外固定有口模，口模出料口与纤维浸渍流道出口相通，纤维经浸渍后由口模成型，经牵出、冷却后，切成所需长度的纤维增强热塑性复合材料粒料或浸渍带。
模具制作按装过程及工作原理如下：
在套管上设置一个与机体的浸渍熔体进料口尺寸相同的孔，孔两侧的下端部分沿斜面切去，保留孔正下方的部分和孔对面的部分。与芯套套在一起后，套管和芯套之间的环形狭缝就是热塑性树脂熔体的入口流道。
导丝块上均匀分布着分丝孔，生产时，纤维由这些分丝孔进入到浸渍模具中。导丝块下部和浸渍芯轴螺纹连接，导丝块外部与芯套螺纹连接，将芯套套在套管里，再将浸渍芯套套在浸渍芯轴上，浸渍芯套和浸渍芯轴之间构成的环形、波纹状狭缝为热塑性树脂熔体浸渍纤维的纤维浸渍流道，各部件组装好后一并放入到机体内腔中，并用螺栓固定在机体上；锁母中设置有口模槽，口模放入口模槽后，与浸渍芯套下部对紧，将锁母与机体螺纹连接固定，连接处各自的内外径尺寸一致，口模内表面光滑。热塑性树脂浸渍的连续纤维由口模成型，口模的内表面光滑可以使制品表面避免因摩擦而产生的玻璃纤维毛刺，从而保证制品的表面质量。
纤维在浸渍过程中，经环形凸起部分，承受除与上述弯曲的带状凸起面轴向(Fz)、径向作用力外(Fx)，还有纵向波浪回转体凸起部分特有的周向力(Fy)的作用，这是其浸渍效果好的主要原因。
所述的口模可以根据实际生产需要进行选择，可以选用漏斗形、扁平型等不同形状和多种型号的口模。
本实用新型的有益效果如下：
与现有技术相比，在浸渍过程中，纤维因为与浸渍芯轴和浸渍芯套的圆弧形凸面接触，受到轴向、径向和周向三种张力作用，很好的实现了纤维沿圆弧面的均匀分散展开，同时热塑性树脂也不会在浸渍模具内滞留，既保证了纤维浸渍分散的效果，又保证了产品浸渍的质量。
附图说明
图1是本实用新型连续/长纤维增强热塑性复合材料的浸渍模具的结构示意图。
图2是2mm漏斗形口模的结构示意图。
图3是3mm漏斗形口模的结构示意图。
图4是4mm漏斗形口模的结构示意图。
图5是9mm×1.5mm扁平形口模的结构示意图。
图6是图5的A向结构示意图。
图7是纤维浸渍时受力情况示意图。
图中：1、浸渍熔体进料口；2、分丝孔；3、环形狭缝；4、机体；5、纤维；6、芯套；7、套管；8、导丝块；9、浸渍芯轴；10、浸渍芯套；11、纤维浸渍流道；12、锁母；13、口模。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本实用新型作进一步的说明。
如图1所示，本实用新型连续/长纤维增强热塑性复合材料的浸渍模具，包括机体4，其技术要点在于机体4内设置有纤维浸渍流道11，纤维浸渍流道11的上部连接导丝块8，导丝块8上设置有分丝孔2，分丝孔2与纤维浸渍流道11相连通，机体4侧部设有浸渍熔体进料口1，浸渍熔体进料口1与纤维浸渍流道11相通。
所述的导丝块8外部连接芯套6，芯套6外部套有套管7，芯套6和套管7之间形成环形狭缝3，浸渍熔体进料口1通过环形狭缝3与纤维浸渍流道11相通。
所述的套管7下方有一个与机体4的浸渍熔体进料口1尺寸一样的孔，孔两侧的下端部分沿斜面切去，保留孔正下方的部分和孔对面的部分。
所述的纤维浸渍流道11由浸渍芯轴9与浸渍芯套10形成。
所述的浸渍芯轴9为纵向波浪回转体芯轴，浸渍芯套10与浸渍芯轴9相配合，使纤维浸渍流道11呈波浪状流道，浸渍芯轴9的凸面与浸渍芯套10的凹面相切。
所述的浸渍芯轴9的纵向波浪形凸面数量为3个，波浪状流道可以保证流道面的光滑度。
所述的纤维浸渍流道11下部外固定有口模13，口模13出料口与纤维浸渍流道11出口相通，口模13放置在锁母12上的口模槽中，锁母12与机体4下部用螺纹固定连接。
所述的连续/长纤维增强热塑性复合材料的浸渍模具的使用方法，包括以下步骤：
将塑化好的热塑性树脂熔体从机体4的浸渍熔体进料口1进入纤维浸渍流道11，同时，纤维5由导丝块8的分丝孔2进入到纤维浸渍流道11，树脂熔体和纤维5在纤维浸渍流道11的入口处相遇后一同沿纤维浸渍流道11前进，进行浸渍。在纤维浸渍流道11下部外固定有口模13，口模13出料口与纤维浸渍流道11出口相通，纤维5经浸渍后由口模13成型，经牵出、冷却后，切成所需长度的纤维增强热塑性复合材料粒料或浸渍带。
模具制作按装过程及工作原理如下：
在套管7上设置一个与机体4的浸渍熔体进料口1尺寸相同的孔，孔两侧的下端部分沿斜面切去，保留孔正下方的部分和孔对面的部分。与芯套6套在一起后，套管和芯套之间的环形狭缝3就是热塑性树脂熔体的入口流道。
导丝块8上均匀分布着分丝孔2，生产时，纤维5由这些分丝孔2进入到浸渍模具中。导丝块8下部和浸渍芯轴9螺纹连接，导丝块8外部与芯套6螺纹连接，将芯套6套在套管7里，再将浸渍芯套10套在浸渍芯轴9上，浸渍芯套10和浸渍芯轴9之间构成的环形、波纹状狭缝为热塑性树脂熔体浸渍纤维的纤维浸渍流道11，各部件组装好后一并放入到机体4内腔中，并用螺栓固定在机体4上；锁母12中设置有口模槽，口模13放入口模槽后，与浸渍芯套10下部对紧，将锁母12与机体4螺纹连接固定，连接处各自的内外径尺寸一致，口模13内表面光滑。热塑性树脂浸渍的连续纤维由口模13成型，口模13的内表面光滑可以使制品表面避免因摩擦而产生的玻璃纤维毛刺，从而保证制品的表面质量。
纤维在浸渍过程中，经环形凸起部分，承受除与上述弯曲的带状凸起面轴向(Fz)、径向作用力外(Fx)，还有纵向波浪回转体凸起部分特有的周向力(Fy)的作用，这是其浸渍效果好的主要原因，如图6所示。
所述的口模可以根据实际生产需要选用不同形状和多种型号，例如漏斗形(如图2、图3、图4)、扁平型(如图5)等。
将口径为2毫米的口模(如图2)安装于浸渍模具上，浸渍模具的热塑性树脂由挤出机加热塑化后注入到浸渍模具中，连续纤维在浸渍模具中被树脂熔体浸渍后由口模成型。经牵引机的牵出后，对其进行冷却、切割，得到直径为2mm，长度范围为8～20mm的长纤维增强的热塑性复合材料粒料。
将口径为3毫米的口模(如图3)安装于浸渍模具上，热塑性树脂由挤出机加热塑化后注入到浸渍模具中，连续纤维在浸渍模具中被树脂熔体浸渍后由口模成型。经牵引机的牵出后，对其进行冷却、切割，得到直径为3mm，长度范围为8～20mm的长纤维增强的热塑性复合材料粒料。
将口径为4毫米的口模(如图4)安装于浸渍模具上，热塑性树脂由挤出机加热塑化后注入到浸渍模具中，连续纤维在浸渍模具中被树脂熔体浸渍后由口模成型。经牵引机的牵出后，对其进行冷却、切割，得到直径为4mm，长度范围为8～20mm的长纤维增强的热塑性复合材料粒料。
将出料口为长9mm，宽1.5mm的扁平型的口模(如图5)安装于浸渍模具上，热塑性树脂由挤出机加热塑化后注入到浸渍模具中，连续纤维在浸渍模具中被树脂熔体浸渍后由口模成型。经牵引机的牵出后，冷却，得到宽9mm，厚1.5mm的长纤维增强的热塑性复合材料浸渍带。
纤维5在浸渍过程中因为与浸渍芯轴9和浸渍芯套10的圆弧形凸面接触，从而因张力作用很好地实现了纤维5沿圆弧面的均匀分散展开。同时，因为纤维浸渍流道11表面光滑，热塑性树脂也不会在浸渍模具内滞留，不会因为模具内滞留树脂的老化分解而影响制品的质量和整个加工过程的连续性，既保证了纤维浸渍分散的效果，又保证了纤维浸渍的质量。

Claims (6)

1.一种连续/长纤维增强热塑性复合材料的浸渍模具，包括机体(4)，其特征在于机体(4)内设置有纤维浸渍流道(11)，纤维浸渍流道(11)的上部连接导丝块(8)，导丝块(8)上设置有分丝孔(2)，分丝孔(2)与纤维浸渍流道(11)相连通，机体(4)侧部设有浸渍熔体进料口(1)，浸渍熔体进料口(1)与纤维浸渍流道(11)相通。
2.根据权利要求1所述的连续/长纤维增强热塑性复合材料的浸渍模具，其特征在于所述的导丝块(8)外部连接芯套(6)，芯套(6)外部套有套管(7)，芯套(6)和套管(7)之间形成环形狭缝(3)，浸渍熔体进料口(1)通过环形狭缝(3)与纤维浸渍流道(11)相通。
3.根据权利要求1所述的连续/长纤维增强热塑性复合材料的浸渍模具，其特征在于所述的纤维浸渍流道(11)由浸渍芯轴(9)与浸渍芯套(10)形成。
4.根据权利要求3所述的连续/长纤维增强热塑性复合材料的浸渍模具，其特征在于所述的浸渍芯轴(9)为纵向波浪回转体芯轴，浸渍芯套(10)与浸渍芯轴(9)相配合，使纤维浸渍流道(11)呈波浪状流道。
5.根据权利要求4所述的连续/长纤维增强热塑性复合材料的浸渍模具，其特征在于所述的浸渍芯轴(9)的纵向波浪形凸面数量为1～30个。
6.根据权利要求1所述的连续/长纤维增强热塑性复合材料的浸渍模具，其特征在于所述的纤维浸渍流道(11)下部外固定有口模(13)，口模(13)出料口与纤维浸渍流道(11)出口相通。
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