CN202507459U - 一种单聚合物复合材料制品注塑成型设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种单聚合物复合材料制品注塑成型设备，属于聚合物复合材料成型加工技术领域。所述注塑成型设备由注塑机和模具组成，采用了常规的注塑机，模具同常规设计相比，只需在成型部件上增加固定机构并设计合理的浇注系统；通过所属注塑成型设备将基体塑化熔融，将增强材料制成预制件放入型腔中固定，合模，将熔融塑化好的基体注入型腔内浸渍预制件，保压冷却得到一种单聚合物复合材料制品；基体和增强材料为同种聚合物。所述设备结构简单、操作容易，可注塑成型得到单聚合物复合材料制品，具备制品强度高、易于再回收利用、形状复杂、成型周期短、可批量生产、生产效率高等优点。

Description

一种单聚合物复合材料制品注塑成型设备

技术领域

本实用新型涉及一种单聚合物复合材料制品注塑成型设备，属于聚合物复合材料成型加工技术领域。

背景技术

随着近代科学技术尤其是航空航天等尖端技术领域的迅速发展，人们对材料提出了越来越多的技术要求，如提高强度、减轻质量、结构功能一体化、降低成本等，传统的金属、高分子或陶瓷等单一材料已远远不能满足这些要求。因此，材料的复合化应运而生。复合材料是由两种或两种以上不同材料通过复合工艺组合而成的材料，它既保持了原组分材料的特性，又通过复合效应获得原组分所没有的新性能，极大地弥补了单一材料在物理性能、化学性能等方面的不足，具有质量轻、比强度和比模量高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀等特点，广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑等诸多领域。

复合材料的组成分为两大部分：基体与增强材料。基体是指构成复合材料连续相的单一材料，主要有金属、合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨和碳等；增强材料是指复合材料中不构成连续相的材料，主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。纤维增强树脂基复合材料属于一种最常见的复合材料，主要以合成树脂为基体，纤维为增强材料，利用纤维的高比强度和比模量来承担载荷作用。合成树脂是由人工合成的一类高分子聚合物，种类繁多，其中聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚丙烯(PP)和ABS树脂为五大通用树脂，是应用最为广泛的合成树脂材料。

传统的纤维增强树脂基复合材料，基体和增强材料使用的材料不同，严重限制了材料的回收再利用，导致了废弃物的增加。随着自然资源的日益枯竭和环境的严重污染，全球能源回收和再利用意识不断提高，新型复合材料的设计必须考虑回收再利用的问题。此外，复合材料的基体和增强材料的粘接性直接影响基体与增强材料的微观状态和界面性能，界面性能又影响应力传递，必将影响其宏观力学性质。基体和增强材料的界面粘结强度对复合材料的机械性能起着决定性作用。由于传统纤维增强树脂基复合材料的基体和增强材料是不同的物质，两者之间必定存在界面，基体难以与增强材料发生良好的结合，当承受大的应变时，界面就会发生剥离现象。如何获得坚固、稳定的界面是复合材料的经典问题。因此，研究力学和界面性能良好、回收利用率高的复合材料成为复合材料发展的迫切需求。

单聚合物复合材料是一种基体和增强材料来自同种高分子聚合物的复合材料，是把两种化学组分相同物理性质不同的聚合物复合在一起形成的。如聚丙烯单聚合物复合材料就是以聚丙烯为基体，以聚丙烯纤维为增强材料组成的复合材料。与传统的纤维增强树脂基复合材料相比，单聚合物复合材料的力学性能以及基体与增强材料间的界面结合强度都能得到提高。另外，单聚合物复合材料还具有回收再利用简单方便的极大优点，是一种新型环保材料。

但是，由于单聚合物复合材料的基体和增强材料来自同一种聚合物，其熔点相同或接近，在聚合物熔融加工条件下，极易造成增强材料的熔融，无法保持原物理形态而无法起到增强效果。因此，单聚合物复合材料及其制品的加工方法不同于常规的聚合物加工方法。

目前，制备单聚合物复合材料制品的方法主要为热压法，包括纤维热压法、溶液浸渍热压法、夹层热压法以及纤维缠绕热压法等。虽然单聚合物复合材料制备的研究对象已涉及到聚烃类、聚酯类等多种材料，但大多尚停留在实验室阶段，仅有热压法制备的单聚合物复合材料实现了工业化生产。但热压法存在成型周期长、产品尺寸小、形状简单等缺点。因此，需要一种可实现高效地批量化生产具有大尺寸或复杂形状的单聚合物复合材料制品的方法。

注塑成型是聚合物加工领域中用途十分广泛的成型方法，是应用最广泛、自动化程度最高的工业化生产技术。在聚合物制品中，有1/3是通过注塑成型设备生产的。注塑成型可以加工各种形状、满足众多要求的聚合物制品，其品种与样式之多是其他成型方法无可比拟的。相对于其它聚合物制品成型方法，注塑成型具有如下突出的特点：①成型周期短，能一次成型外形复杂、尺寸准确、带有金属或非金属嵌件的聚合物制品。②对成型各种聚合物的适应性强，几乎所有的热塑性聚合物都可以用此方法成型，某些热固性聚合物也可以采用注塑成型。③生产效率高，易于实现自动化生产。④注塑成型所需设备昂贵，模具结构比较复杂，制造成本高，所以注塑成型特别适合大批量生产。⑤具有加工一次成型、成型制品样式多、尺寸复杂、精确度高、表面光滑、基本不需要进行机械修整和抛光、批量生产制造成本低等优点。

注塑成型工艺由合模、注射、保压、冷却、开模、制品取出六个步骤组成，其具体过程是：将粒状或粉状聚合物从注塑机的料斗送入加热的机筒中，经加热塑化使加入的聚合物成熔融状态，由螺杆或柱塞施加压力射入具有制品相应尺寸和形状的型腔中，保压冷却固化，使物料保持型腔所赋予的形状，开模，取出最终制品，在操作上完成了一个周期。上述工艺过程反复进行即可连续批量生产制品。

注塑成型设备主要包括注塑机和模具两部分。各部分的构成和功能可以概述如下：

(1)注塑机

注塑机是注塑成型技术中的重要设备，主要包括注射系统、合模系统、传动系统、加热冷却系统和控制系统五个部分：①注射系统：一般有柱塞式、螺杆式、螺杆预塑柱塞注射组合式三种形式，目前应用最广泛的是螺杆式。螺杆式注射系统主要由料斗、机筒、螺杆、喷嘴组成。注射系统的作用是在注塑成型一个循环中，将一定量的聚合物加热塑化后，在一定的压力和速度下，通过螺杆将熔融聚合物注入型腔中。注射结束后，对注射到型腔中的聚合物熔体保持定型。②合模系统：主要由合模装置、调模机构、顶出机构、前后固定模板、移动模板组成。作用是保证模具闭合、开启及顶出制品，同时在模具闭合后供给模具足够的锁模力，以抵抗聚合物熔体进入型腔产生的型腔压力，防止模具开缝，造成制品的不良现状。③传动系统：有全液压、液压电动和全电动三种形式，作用是实现注塑机按工艺过程所要求的各种动作提供动力，并满足注塑机各部分所需压力、速度、温度等的要求。④加热冷却系统：加热系统是用来加热机筒及喷嘴，注塑机的机筒一般采用电热圈作为加热装置，安装在机筒的外部，并用热电偶分段检测。热量通过机筒壁导热为聚合物塑化提供热源；冷却系统主要是用来冷却油温，油温过高会引起多种故障出现所以油温必须加以控制。⑤控制系统：主要由电器元件、仪表、传感器等组成。与传动系统合理配合，可实现注塑工艺过程要求，调节压力、温度、速度、时间等。

(2)模具

其结构通常由成型部件、浇注系统、导向部件、推出机构、调温系统、排气系统、支撑部件等部分组成。模具设计和制造与聚合物加工有密切关系。聚合物制品加工的成败，很大程度上取决于模具设计效果和模具制造质量，而模具设计又以正确的聚合物制品设计为基础。

目前对于单聚合物复合材料制品的注塑成型加工设备，国内外还未见报道。

发明内容

针对现有单聚合物复合材料制品的制备方法存在成型周期长、产品形状单一和难以实现批量生产的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种单聚合物复合材料制品的注塑成型设备，所述注塑成型设备结构简单、操作容易，通过所述注塑成型设备可以使单聚合物复合材料制品通过注塑成型的加工方法制备得到，具备制品强度高、易于再回收利用、形状复杂、成型周期短、可批量生产、生产效率高等优点。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的。

一种单聚合物复合材料制品注塑成型设备，由注塑机和模具组成，注塑机采用常规注塑机，主要由注射系统、合模系统、传动系统、加热冷却系统和控制系统组成，注射系统主要由料斗、机筒、螺杆和喷嘴组成，模具主要由成型部件、浇注系统、导向部件、调温系统、排气系统、支撑部件和固定机构组成，特征在于注塑机的机筒外壁或/和壁中设有加热冷却系统的电热圈作为加热装置，机筒上设有料斗，内部设有螺杆，前端与喷嘴连接，模具的固定机构设置在成型部件上，固定机构的位置根据预制件的位置设计确定。

所述设备中机筒、螺杆和加热冷却系统相当于基体的塑化装置，用于塑化熔融基体；成型部件用于构成型腔，浇注系统用于引导基体进入型腔，导向部件用于引导模具的开合，调温系统用于模具温度的调节控制，排气系统用于在基体充满型腔时引导型腔中气体的排出，支撑部件用于支撑模具在注塑机合模系统中的安装固定；固定机构用于预制件的固定，在基体注入型腔时使预制件保持形态，从而保证最终制品的形状和性能。

其中，固定机构可采用螺钉、垫圈结合的形式，也可设计其他快装快卸的结构形式，手动完成预制件放入和制品取出的工序，结构简单；或配合机械手完成预制件放入和制品取出的工序，则自动化程度高，方便快捷，无需人力，但会提高设备成本。浇注系统的浇口设置在预制件的一端，也可设计以预制件为对称面的两个对称浇口，使基体从预制件的两个侧面进入型腔，在基体注入充满型腔过程中，基体从预制件的两个侧面将其完全浸透。浇注系统的浇道的长短要考虑基体进入及经过后压力和温度的变化，浇道在保证制品成型的前提下越短越好，从而减小基体进入型腔的压力损失，还可在不控制模具温度时减小基体的温度损失。

使用本实用新型所述单聚合物复合材料制品注塑成型设备的注塑成型方法如下：

1)将固态基体通过料斗加入到机筒中，在电热圈的加热和螺杆旋转塑化作用下使基体塑化熔融。

2)将增强材料按制品形状制成预制件，放入模具型腔中的设定位置，通过固定机构固定，再驱动合模系统合模。

3)驱动螺杆将熔融塑化好的基体在注射压力作用下注入型腔内，再保压使基体完全充满型腔并浸渍预制件。

4)冷却使其固化成型，驱动合模系统开模，打开固定机构，取出成型件，修剪毛边，得到一种单聚合物复合材料制品。

其中，所述基体和增强材料为同种聚合物；增强材料是纤维织物形式和/或长纤维。纤维织物有纤维布、无纺布等形式。增强材料的增强性能随纤维性能、排布方向、排布密度、粗细、长短和编制结构的不同而不同。

所述步骤1)中接近喷嘴段的机筒前端温度高于基体的熔点，优选高于基体熔点20～50℃。喷嘴温度大于等于基体的熔点，当增强材料的熔点比基体高时，优选喷嘴温度低于增强材料的熔点高于基体的熔点，则基体在浸透预制件过程中处于流动状态，浸透方便，而增强材料不会熔融，保证了增强材料物理形态不会被破坏，较好地保留增强性能。

步骤2)中预制件包括制品部分和毛边，需要根据聚合物的性质和制品形状来预先设计制作，制品部分的形状优选同制品中型面相似，毛边是预制件放入型腔中时通过固定机构固定压紧的部分，在制品取出后需要修剪去除。预制件放置位置根据最终制品要求确定，优选预制件位置在制品中型面处。为保证基体能够完全渗透预制件，预制件的厚度要适当，若预制件设置位置在制品中型面处，可厚一些；若预制件设置在型腔底面处，则要薄一些。这些措施保证了最终制品的质量。

在单聚合物复合材料注塑成型过程中，在不使用调温系统控制模具温度的情况下，模具为常温，注入型腔的基体遇到型腔壁面后，紧贴壁面的一层熔体的温度可迅速降至基体熔点以下，此时基体依然能够保持流动状态，在压力作用下渗入增强材料的纤维中并与之粘结；与增强材料接触的基体部分在冷壁面作用下也可快速冷却，这进一步保护了增强材料不熔融或仅表面熔融，减少了增强材料物理形态的破坏，较好地保留了增强性能。

优选模具温度可控，模具温度通过调温系统控制，调温系统可采用快变模温技术；步骤3)中，模具温度控制在低于增强材料开始熔融的温度高于基体开始结晶的温度；能够保证基体在浸透预制件过程中处于流动状态，浸透方便，而增强材料不会熔融，保证了增强材料物理形态不会被破坏，较好地保留增强性能。步骤3)之外的模具温度可使用由聚合物的生产厂家提供的值，也可通过查阅相关聚合物手册获得。

步骤3)中注入型腔的基体体积根据螺杆位置控制，注射时间越短越好，可保证基体在流动状态快速充满型腔浸透预制件；注射压力优选在保证不影响制品质量的前提下越大越好，保压压力优选为注射压力的80％以上，以提供足够的压力使基体充分浸润增强材料，保证了基体与增强材料的结合，同时大的压力可提供物理抑制作用使增强材料过热(把物质加热到通常发生相变的温度以上而仍不出现相变的现象)，从而抑制增强材料的熔融。但过大的注射压力和保压压力易导致制品产生飞边或脱模困难，影响制品的表面质量，还会引起制品产生较大的内应力，甚至成为废品，同时还会影响注塑机的使用寿命。因此在选用注射压力时，可通过几次试模，选取不影响制品质量的注塑机能够达到的最大注射压力。

有益效果

1.本实用新型提供一种单聚合物复合材料制品注塑成型设备，采用了常规的注塑机，只需改变注塑机的工艺参数设置，模具部分同常规设计相比，只需在成型部件上增加固定机构并设计合理的浇注系统，因此，所述设备结构简单、操作容易；

2.本实用新型提供一种单聚合物复合材料制品注塑成型设备，通过所述设备可以使单聚合物复合材料制品通过注塑成型的加工方法制备得到，具备制品强度高、易于再回收利用、形状复杂、成型周期短、可批量生产、生产效率高等优点；

3.本实用新型提供一种单聚合物复合材料制品注塑成型设备，通过对基体和增强材料性质(熔点、开始熔融温度、开始结晶温度)、设备结构(固定机构位置、浇道长短、浇口位置、预制件位置及厚度)和工艺条件(机筒前端温度、喷嘴温度、模具温度、注射时间、注射压力、保压压力)等方面相应的限定，可以保证最终单聚合物复合材料制品的各方面质量和性能。

4.本实用新型提供一种单聚合物复合材料制品注塑成型设备，所述设备利用单聚合物复合材料的基体和增强材料属于同种聚合物材料，制备得到的制品具有良好的界面粘结性能和优越的回收再利用性能，应用领域广，可取代木材金属合金和玻纤复合材料，广泛应用于航空航天、船舶、汽车、通信电子、建材、医疗器械和健身器材等领域，可推动新材料技术和加工行业的发展。

附图说明

图1为实施例1一种单聚合物复合材料注塑成型设备的示意图。图2为实施例1所选用模具的剖视图。图3为图2的局部A的放大图。图4为实施例1所选用型腔的主视图。图5为实施例1中预制件的主视图。

图中：1-合模系统，2-模具，3-型腔，4-喷嘴，5-螺杆，6-机筒，7-电热圈，8-料斗，9-控制系统，10-调温系统，11-支撑部件，12-导向部件，13-成型部件，14-固定机构，15-浇注系统，16-浇道，17-浇口，18-预制件，19-螺钉，20-垫圈，21-制品部分，22-毛边。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的优选实施方式作进一步详细说明。

实施例1

一种单聚合物复合材料制品注塑成型设备，所述注塑成型设备由注塑机和模具2组成，其中注塑机采用常规注塑机(AE80-32H，广州数控设备有限公司)，主要由注射系统、合模系统1、传动系统、加热冷却系统和控制系统9组成，注射系统主要由料斗8、机筒6、螺杆5和喷嘴4组成，模具2主要由成型部件13、浇注系统15、导向部件12、调温系统10、排气系统、支撑部件11和固定机构14组成，机筒6外壁设有加热冷却系统的电热圈7作为加热装置，机筒6上设有料斗8，内部设有螺杆5，前端与喷嘴4连接，模具2的固定机构14设置在成型部件13上，固定机构14采用螺钉19、垫圈20结合的形式，手动完成预制件18的放入和制品取出的工序；浇注系统15的浇道16的总长度约100mm，为方便引流采用了n字形及其分支结构。浇口17的直径为4mm。

本实施例所选用的基体为聚丙烯粒料(K8303，中国石油化工股份有限公司北京燕山分公司生产)，选用的增强材料为聚丙烯纤维布(美国Innegrity公司生产)，总厚度为1mm，平纹结构，纤维布中每根纤维直径为48μm。经差示扫描量热仪(DSC-60，日本岛津公司生产)测试确定聚丙烯粒料熔点为167℃，开始结晶的温度为126℃，聚丙烯纤维布熔点为172℃，开始熔融的温度为150℃。模具温度通过调温系统10控制，调温系统10采用了机械手辅助感应加热的快变模温技术，模具温度在合模前可快速升温至130℃，此温度介于增强材料开始熔融的温度150℃和基体开始结晶的温度126℃之间；其余阶段模具温度控制在55℃(通常聚丙烯注塑成型工艺中的模具温度设置范围在55～65℃)。

本实施例注塑成型设备的注塑成型方法具体步骤如下：

1)根据差示扫描量热仪的测试数据，设定从料斗8到喷嘴4前端的机筒温度分别为50、195、220和210℃，喷嘴温度为170℃。将聚丙烯粒料通过料斗8加入到机筒6中，在电热圈7的加热和螺杆5旋转塑化作用下使基体塑化熔融。

2)将聚丙烯纤维布按制品形状制成预制件18，预制件18包括制品部分21和毛边22，毛边22有四个钩状结构，从上往下可方便快捷的放在固定机构14的固定位置；预制件18设定位置是制品或型腔3的中型面处；通过固定机构14将预制件18固定，即用螺钉19和垫圈20分别将毛边22的四个钩状结构固定住即可；然后驱动合模系统1合模。

3)在1s的注射时间内，驱动螺杆5以注射压力140MPa将熔融塑化好的170℃的基体注入型腔3内，再以保压压力120MPa使基体完全充满型腔3并浸渍预制件18。注射压力在145MPa时的制品会有飞边产生，因此选择了140MPa作为注射压力。浇口17直径为4mm，在预制件18的最上端。基体经过浇道16到达浇口17后，被1mm厚的预制件18隔开，从预制件18的两个侧面充满型腔3的同时将预制件18完全浸透。螺杆5初始位置约为20mm，最终位置约为2mm，以此控制注入型腔3的基体体积。

4)冷却10s，使其固化成型，驱动合模系统1开模，松开螺钉19和垫圈20，取出成型件，修剪毛边，即将预制件18的毛边22剪除，最终得到长63.5mm、宽12.7mm、高6.3mm的聚丙烯单聚合物复合材料弯曲试验样条，即本实用新型所述的一种单聚合物复合材料制品。

本实用新型包括但不限于以上实施例，凡是在本实用新型的精神和原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种单聚合物复合材料制品注塑成型设备，所述注塑成型设备由注塑机和模具组成，注塑机主要由注射系统、合模系统(1)、传动系统、加热冷却系统和控制系统(9)组成，注射系统主要由料斗(8)、机筒(6)、螺杆(5)和喷嘴(4)组成，模具(2)主要由成型部件(13)、浇注系统(15)、导向部件(12)、调温系统(10)、排气系统、支撑部件(11)和固定机构(14)组成，其特征在于：注塑机的机筒(6)外壁或/和壁中设有加热冷却系统的电热圈(7)作为加热装置，机筒(6)上设有料斗(8)，内部设有螺杆(5)，前端与喷嘴(4)连接，模具(2)的固定机构(14)设置在成型部件(13)上，固定机构(14)的位置根据预制件(18)的位置设计确定。

2.根据权利要求1所述的一种单聚合物复合材料制品注塑成型设备，其特征在于：固定机构(14)采用螺钉(19)、垫圈(20)结合的形式，手动完成预制件(18)放入和制品取出的工序。

3.根据权利要求1所述的一种单聚合物复合材料制品注塑成型设备，其特征在于：固定机构(14)采用螺钉(19)、垫圈(20)结合的形式，配合机械手完成预制件(18)放入和制品取出的工序。

4.根据权利要求1所述的一种单聚合物复合材料制品注塑成型设备，其特征在于：调温系统(10)采用快变模温技术。

5.根据权利要求1所述的一种单聚合物复合材料制品注塑成型设备，其特征在于：浇注系统(15)的浇口(17)设置在预制件(18)的一端，包括以预制件(18)为对称面的两个对称浇口(17)。

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