長纖維增強熱塑性塑料的生產設備和生產方法
2023-05-13 13:11:31
專利名稱：長纖維增強熱塑性塑料的生產設備和生產方法
技術領域：
本發明涉及長纖維增強塑料的生產設備和生產方法，具體涉及一種能夠充分將長纖維原紗分散的浸潰結構，同時也涉及了採用該結構的浸潰模頭，以及使用該浸潰模頭生產長纖維增強塑料的方法。
背景技術：
長纖維增強熱塑性塑料(Long-FiberReinforce Thermoplastic),簡稱 LFT 是一種具有可設計性、低密度、高比強度、高比模量和抗衝擊性強等特點，LFT熱塑性塑料的出現對鋁合金、纖維增強熱固性複合材料構成了巨大挑戰，LFT熱塑性塑料也逐步成為製作汽車零部件的主流材料。在生產LFT的過程中，需要在擠出機頭中將長纖維材料(比如玻璃纖維、碳纖維)的原紗進行分散成單絲以方便熔融的塑料能夠充分對浸潤，以便在整個浸潰過程結束後所擠出的LTF料條具有很好的性能，往往分散成單絲程度決定了最終LFT料條的質量和性能。現有生產LFT的技術中所使用的浸潰模頭，如中國專利「一種連續長纖維增強熱塑性樹脂的成型方法及其成型設備」(公開號CN101152767A)中所公開的技術方案，採用布置多組張力輥，在引紗的過程中，使原紗依次交替穿過張力輥曲(此系該專利文件中用語， 且與我們專利無關，可以不改嗎？)線前進，使原紗被張力輥不斷分散，從而使其能夠被熔融的塑料所浸潤。但是這種技術方案，在高速牽引情況下容易起單絲折斷，對熔融浸潰造成不穩定因素，同時張力輥不容易拆卸和維護。針對上述情況，中國專利「長纖維增強塑料生產用纖維絲束熔融浸潰模頭及浸潰方法」(公布號CN 101695873A)為了解決上述技術方案出現的單絲折斷的問題，其附加設置非接觸導絲輥，使原紗從非接觸導絲輥中穿出，該種技術方案，對單絲折斷問題改善是有限的。上述兩種技術方案，都採用單股原紗進入浸潰腔，利用張力輥來分散長纖維原紗， 為了使擠出的熱塑性塑料料條內增強纖維達到一定的比例，一般採用號數較大(號數即為 tex值，)的原紗，一般號數範圍在1200-2400tex之間，一根原紗中大概含有4000至5000 根單絲，如果需要達到良好的分散效果，往往需要較長的浸潰腔內設有多組張力輥進行多級分散，這樣一來工作效率受到了很大限制。另外，由於張力輥只能使原紗在張力輥軸向方向上分散，也就是說通過張力輥的原紗僅在一個維度上散開，單絲散開有限，浸潤效果沒有最大化，而且在進行擠出成型時很難它們均勻地分布在料條截面空間內。
發明內容
為解決現有技術存在的不足，本發明的目的在於提供一種能夠充分將長纖維原紗分散的浸潰結構、採用該結構的浸潰模頭以及使用該浸潰模頭生產長纖維增強塑料的方法。為了實現上述目的，本發明採用以下的技術方案適用於長纖維熔融塑料浸潰的原紗分散結構，其特徵在於，包括軸線相互平行的兩個以上的進紗通孔，上述進紗通孔在與其軸向垂直的截面上以中心對稱方式分布；還包括軸線通過上述進紗通孔對稱中心的並與上述進紗通孔軸線平行的集紗通孔；還包括能夠與通過上述進紗通孔和集紗通孔的原紗接觸的具有凹凸外形的散紗核芯，該散紗核芯是由一平面曲線圍繞著同一平面內僅與其相交於兩點的一條直線旋轉而形成的迴轉體，上述曲線為平滑曲線，上述直線通過上述進紗通孔的對稱中心並與上述進紗通孔的軸線平行；還包括設置在上述散紗核芯表面兩個凸起部分之間的凹陷處外圍的並能環繞整個散紗核芯的導紗環，上述導紗環形成有向位於其中心的散紗核芯凸出的平滑的導紗接觸面。前述的適用於長纖維熔融塑料浸潰的原紗分散結構，其特徵在於，形成上述散紗核芯的曲線是拋物線、圓弧、橢圓弧、正弦曲線、餘弦曲線、直線中的一種或多種的組合。利用前述的原紗分散結構的浸潰模頭，包括浸潰流道，其特徵在於，還包括與上述浸潰流道相通的一個以上的浸潰單元，上述浸潰單元包括兩端貫通的浸潰腔，在上述浸潰腔的一端設有帶有擠出孔的擠出端頭蓋，另一端設有帶有上述進紗通孔和散紗核芯的進紗端頭蓋，上述浸潰腔內靠近上述擠出端頭蓋一側設有帶有上述集紗口的集紗口模；上述擠出孔和集紗通孔的軸線在一條直線上。前述的浸潰模頭，其特徵在於，上述浸潰腔內設有固定在上述浸潰腔一端的導紗環組件，上述的導紗環組件設有上述導紗環或導紗環組件部分本體形成上述導紗環。前述的浸潰模頭，其特徵在於，上述擠出端頭蓋的內壁和集紗口模的外壁形成有漸收的擠出流道。前述的浸潰模頭，其特徵在於，上述浸潰單元的數目為I至60，上述每個浸潰單元上設有的進紗通孔的數目為2至30。利用前述的浸潰模頭生產長纖維增強熱塑性塑料的方法，其特徵在於，包括如下步驟
a、根據上述浸潰模頭內浸潰單元的個數和每個浸潰單元進紗口的數目，將增強纖維原紗紗筒分別放置在對應的紗架上；
b、從增強纖維原紗紗筒引出的原紗經過一道以上的張力輥進行預分散；
C、對預分散後的增強纖維原紗進行預熱；
d、預熱後的各(此處不能用若干，權利要求中不能適用估計大約這樣的詞彙)股的增強纖維原紗從相應的上述浸潰單元的不同的進紗通孔進入上述浸潰腔進行分散並被從擠出機通過上述浸潰流道擠入到上述浸潰腔內的熔融塑料浸潰，然後從上述擠出孔擠出長纖維增強熱塑性塑料的料條；
e、上述長纖維增強熱塑性塑料的料條在牽引機的牽引下依次進行水冷、利用空氣刀進行乾燥除去表面水份；
f、將上述經過水冷和乾燥的長纖維增強熱塑性塑料的料條送入切粒機進行切粒；
g、收集上述切粒而成的料粒。8、根據權利要求7所述的生產長纖維增強熱塑性塑料的方法，其特徵在於，將上述經過步驟e後的長纖維增強熱塑性塑料的料條先進行卷裝再對其進行步驟f中所述的切粒。前述的生產長纖維增強熱塑性塑料的方法，其特徵在於，所使用的上述長纖維原紗為玻璃纖維紗、碳纖維紗中的一種或是兩種的混合。前述的生產長纖維增強熱塑性塑料的方法，其特徵在於，上述長纖維原紗的單絲直徑為9-18 μ m,號數為40-1000tex。本發明的技術方案的有益之處在於
1、提供各一種新的能夠有效的適用於長纖維熔融浸潰的原紗分散結構，利用該結構進行分散，分散效率高，纖維磨損小；
2、提供一種浸潰模頭，該浸潰模頭具有多個浸潰單元，生產效率高，尺寸適宜能夠方便生產線布置，拆卸方便而且能夠依照不同生產工藝進行組裝；
3、提供一種長纖維增強熱塑性塑料的生產方法，相比以前的生產方法，其對增強纖維的浸潰效果更好，從而提高了生產效率和質量，同時由於纖維磨損小，不容易斷頭，其連續生產能力強。
圖I為本發明的原紗分散結構的一個優選方案的結構示意圖2為本發明的原紗分散結構的另一個優選方案的立體結構示意圖3為形成本發明散紗核芯的曲線和直線的位置關係示意圖4為本發明的浸潰模頭的一個優選方案的橫截面結構不意圖5為本發明的浸潰單元的一個優選方案的側面剖視結構示意圖6為本發明的生產長纖維增強熱塑性塑料的方法的流程框圖中附圖標記的含義
I、進紗通孔，2、集紗通孔，3、散紗核心，4、導紗環，5、浸潰模頭，6、浸潰單元，7、浸潰腔，8、擠出端頭蓋，9、進紗端頭蓋，10、集紗口模，11、擠出孔，12、導紗環組件，13、擠出流道， 15、熔融塑料入料口，A為纖維紗和料條的行走方向，B為一段直線，C為一段平面曲線，D為原紗。
具體實施例方式以下結合說明書附圖對本法明的技術方案做詳細的說明。圖I為本發明的原紗分散結構的一個優選方案的結構示意圖；圖2為本發明的原紗分散結構的另一個優選方案的立體結構示意圖；圖3為形成本發明散紗核芯的曲線和直線的位置關係示意圖。參照圖I和圖2，本發明中的原紗分散結構包括兩個以上軸線相互平行的進紗通孔1，進紗通孔I在與其軸線方向垂直的橫截面上呈中心對稱方式分布，包括有軸線與進紗通孔I的軸線平行的集紗通孔2，該進紗通孔I的軸線通過進紗通孔I的對稱中心。在進紗通孔I和集紗通孔2之間設有散紗核心3，如圖I所示，該散紗核芯3為外形凹凸不平的迴轉體，該迴轉體的迴轉軸線平行於進紗通孔I的軸線，並通過進紗通孔I的對稱中心。如圖3所示，C為一段平面曲線，B為一段位於C所在平面內的直線，C與B除了兩端相交之外，其餘不相交，此時平面曲線C以一段直線B作為軸線在整個三維空間內旋轉一圈形成迴轉體。平面曲線C可以是拋物線、圓弧、橢圓弧、正弦曲線、餘弦曲線、中的一種或多種的組合。平面曲線C是平滑曲線。由上可見，形成迴轉體的曲線能夠決定散紗核芯3的外形，針對不同要求和工藝，可以根據實際情況來設計散紗核芯3的外形。但是，散紗核芯3必須保證外形是凹凸的並且能使通過進紗通孔I和集紗通孔2的原紗D能夠與凸出的部分接觸。另外，還包括有設置在散紗核芯3表面兩個凸起部分之間的凹陷處的外環繞整個散紗核芯3的導紗環4，在該導紗環4形成有向散紗核芯3凸出的平滑的導紗接觸面，最好的是導紗接觸面能夠伸入到散紗核芯3的凹陷的部分中去。導紗環4的作用在於能夠控制原紗D行進的方向和對原紗D作進一步的分散，導紗環4能使通過的原紗D能夠與下一個散紗核芯3的凸起部分相接觸。如圖I所示，通過該散紗核芯3迴轉體的剖面圖可以看出該散紗核芯3具有凹凸不平的外形，適當設置進紗通孔I的位置，使原紗D從進紗通孔I引入後交替與散紗核芯3 和導紗環4的導紗接觸面接觸，最後通過集紗通孔2。可以看到由於原紗D最終被牽引到集紗通孔2中，當原紗D遇到散紗核芯3和導紗環4的導紗接觸面時在轉變行進方向的同時也在張力的作用下沿著與其接觸散紗核芯3外表面的圓周和導紗環4的導紗接觸面的圓周散開；原紗D在多次分散後最後又收集到集紗通孔2中，在整個行程中，原紗D被一次次分散，具體分散的次數取決於散紗核芯3凸起部分數目和導紗環4的數目。由於進紗通孔 I中心對稱分布，同時散紗核芯3的迴轉軸線與進紗通孔I的軸線平行而且通過進紗通孔I 的對稱中心，所以無論從那個進紗通孔I引入的原紗D都會被散紗核芯3和導紗環4分散。如圖2所示，散紗核芯3還可以設計為具有兩個凸起部分的類紡錘狀迴轉體；進紗通孔I的數目為4。圖I所不的方案較圖2的方案而言,散紗核芯3凸出部分分布密度較聞，分散頻率高，對原紗D的材料和強韌度有很高要求，圖2所示的方案，分散頻率較低，原紗D行進的較為平緩，不易折斷。具體實施時，可以根據具體材料和應用環境靈活配置，而不限於上述介紹的技術方案。圖4為本發明的浸潰模頭的一個優選方案的橫截面結構示意圖；圖5為本發明的浸潰單元的一個優選方案的側面剖視結構示意圖，以下結合圖4和圖5對本發明的浸潰模頭作詳細說明。如圖4所示，浸潰模頭5中設有浸潰流道14，該浸潰流道14用於聯通能夠擠出熔融塑料的擠出機與各個浸潰單元6。浸潰模頭5中可以設有多個浸潰單元6，具體數目可以根據生產需要來進行調整；另外，浸潰單元6可以直接形成於浸潰模頭5中，也可以作為獨立的結構安裝在浸潰模頭5的相應位置。如圖5所示，浸潰模頭5包括兩端貫通的浸潰腔7，在浸潰腔7的一端設有帶有擠出孔11的擠出端頭蓋8，另一端設有帶有進紗通孔I和散紗核芯3的進紗端頭蓋9。另外， 浸潰腔7內靠近擠出端頭蓋8 一側設有帶有上述集紗口的集紗口模，擠出孔11和集紗通孔 2的軸線重合，還設有固定在上述浸潰腔7 —端的導紗環組件12，導紗環組件12設有導紗環或導紗環組件部分本體形成導紗環。其中，散紗核芯3、進紗通孔I、集紗通孔2以及導紗環組件12上的導紗環採用如前所述及如圖I和圖2所示的原紗分散結構。擠出端頭蓋8、 進紗端頭蓋9以及導紗環組件12均是可以從浸潰腔7的兩端裝入並加以固定，作為一種優選，可以由它們本身形成的外螺紋與浸潰腔7形成的內螺紋相互配合固定，或者採用螺栓將它們固定在浸潰腔7的兩端。作為一種優選方案，可以在浸潰腔7兩端設置相應的密封件。另外，作為一種優選方案，散紗核芯3如圖5中所示為一端形成尖端另一端固定在進紗端頭蓋9上的紡錘形迴轉體，進紗通孔I貫通進紗端頭蓋9以便將原紗D引入到浸潰腔7內，集紗口模10也為迴轉體，其迴轉軸線與集紗通孔I的軸線、散紗核芯3的迴轉軸線在同一條直線上，進紗通孔I和集紗通孔2的截面形狀可以為圓形；擠出孔11可以是分為多段，由孔徑漸收的圓錐部分和孔徑一致的直孔部分組成，使整個擠出孔11的逐漸縮小以達到擠出成型目的，擠出孔11的截面形狀可以根據實際生產需要設定，作為優選，可以是圓形。在需要其他形狀的時候，可以通過換裝不同擠出端頭蓋9即可實現。除上述之外，如圖5所示，集紗口模10的外壁和擠出端頭蓋8的內壁在浸潰腔7 形成了漸收的擠出流道13，使從熔融塑料入料口 15擠入浸潰腔7內的熔融塑料能夠順利進入擠出孔11。通過集紗口模10和擠出端頭蓋8的特別設計，確保增強纖維在擠出料條截面內均勻分布，且纖維不裸露出料條外。以上是對本發明的浸潰模頭的具體實施例加以介紹，但是上述實施例僅是為了便於更好的理解本發明的浸潰模頭的技術方案，而本發明的浸潰模頭的技術方案不僅限於上述技術方案。以下結合圖6對本發明的利用上述浸潰模頭生產長纖維增強熱塑性塑料的方法。參照圖6，該方法包括如下的步驟
a、根據上述浸潰模頭內浸潰單元的個數和每個浸潰單元進紗口的數目，將增強纖維原紗紗筒分別放置在對應的紗架上；
b、從增強纖維原紗紗筒引出的原紗經過一道以上的張力輥進行預分散；
C、對預分散後的增強纖維原紗進行預熱；
d、預熱後的不同股的增強纖維原紗從相應的上述浸潰單元的不同的進紗通孔進入上述浸潰腔進行分散並被從擠出機通過上述浸潰流道擠入到上述浸潰腔內的熔融塑料浸潰， 然後從上述擠出孔擠出成型為所需長纖維增強熱塑性塑料的料條；
e、上述長纖維增強熱塑性塑料的料條在牽引機的牽引下依次進行水冷、利用空氣刀進行乾燥除去表面水份；
f、將上述經過水冷和乾燥的長纖維增強熱塑性塑料的料條送入切粒機進行切粒；
g、收集上述切粒而成的料粒。在步驟a中，因為採用的浸潰模頭可以多個浸潰單元同時對增強纖維原紗進行浸潰，而且每個浸潰單元同時要引入多股原紗，所以應當按照實際的浸潰模頭中浸潰單元的數目和每個浸潰單元的進紗通孔的數目，對應著每個浸潰單元將增強纖維原紗紗筒在相對應的紗架上放置好，以便在生產的過程中能夠不間斷供應原紗。在步驟b、c中，可以設置多個對應不同紗架張力輥，也可以設置一個較大的張力輥對全部原紗進行預分散。為了增強預分散的效果，可以在原紗行進的方向布置多道張力輥。此處預分散主要為了預熱和後繼工序做準備；然後對預分散後原紗進行預熱。在步驟d中，經過預熱的一組多股原紗按照對應關係分別引進對應的浸潰單元的不同進紗通孔從而進入浸潰腔內，在浸潰腔內原紗被分散並被熔融塑料充分浸潰，然後多股原紗又被引到集紗通孔收束為一股，最後通過擠出孔被包覆在熔融塑料中一同被擠出成型為料條。因為採用多股原紗進入浸潰腔，並且多股原紗最後均作為同一根料條內的增強纖維，因此相對於單股原紗成型一根料條的生產工藝，本方法可以採用號數較小原紗材料 (號數即為tex值，)，這樣一來在單絲相同的情況下，每股原紗的單絲根數少，容易分散；同時本發明的浸潰模頭的結構使原紗環繞著散紗核芯，可是說是在多個維度上被分散，提高分散效率，能使單絲得到充分浸潰；綜上所述，由於需要分散單絲減少，同時分散效率提高， 較以前的生產方法而言，可以縮短浸潰腔的長度尺寸，這樣一來，使得整個浸潰模頭的尺寸更為適宜，方便操作，並且多浸潰單元同時工作提高了生產效率。除此之外，更換帶有不同進紗通孔數的進紗端頭蓋，可以控制每股料條內的增強纖維的含量，同時由於散紗核芯的特殊結構，在散紗過程中單絲磨損極小，不易斷頭，即使斷頭，重新引紗、穿紗也很方便。作為一種優選方案，原紗可以是玻璃纖維紗、碳纖維紗中的一種或是兩種的混合。作為一種優選方案，可以採用單絲直徑為9-18 μ m，號數為40_1000tex的增強纖維原紗。經過步驟d生產出來的多根料條在牽引機的牽引下依次經過步驟e中的水冷和空氣刀的乾燥，這裡要指出的是，通過調整牽引機的牽引速度，在不更換進紗端頭蓋的情況下，也可以在一定的範圍控制料條中增強纖維的含量。最後，在步驟f、g中，經過水冷和乾燥的料條被送到切粒機切粒，被按要求切好的料粒被回收。作為一種優選方案，可以在經過步驟e之後先將料條收卷，然後在進行切粒和收集、這樣的好處在於即使出現故障，也不會影響切粒機的工作，而且不需要切粒機的切粒速度和牽引速度同步。上述實施例不以任何形式限制本發明，凡採用等同替換或等效變換的方式所獲得的技術方案，均落在本發明的保護範圍內。
權利要求
1.適用於長纖維熔融塑料浸潰的原紗分散結構，其特徵在於，包括軸線相互平行的兩個以上的進紗通孔，上述進紗通孔在與其軸向垂直的截面上以中心對稱方式分布；還包括軸線通過上述進紗通孔對稱中心的並與上述進紗通孔軸線平行的集紗通孔；還包括能夠與通過上述進紗通孔和集紗通孔的原紗接觸的具有凹凸外形的散紗核芯，該散紗核芯是由一平面曲線圍繞著同一平面內僅與其相交於兩點的一條直線旋轉而形成的迴轉體，上述曲線為平滑曲線，上述直線通過上述進紗通孔的對稱中心並與上述進紗通孔的軸線平行；還包括設置在上述散紗核芯表面兩個凸起部分之間的凹陷處外圍的並能環繞整個散紗核芯的導紗環，上述導紗環形成有向位於其中心的散紗核芯凸出的平滑的導紗接觸面。
2.根據權利要求I所述的適用於長纖維熔融塑料浸潰的原紗分散結構，其特徵在於， 形成上述散紗核芯的曲線是拋物線、圓弧、橢圓弧、正弦曲線、餘弦曲線、直線中的一種或多種的組合。
3.採用如權利要求I所述的原紗打散結構的浸潰模頭，包括浸潰流道，其特徵在於，還包括與上述浸潰流道相通的一個以上的浸潰單元，上述浸潰單元包括兩端貫通的浸潰腔， 在上述浸潰腔的一端設有帶有擠出孔的擠出端頭蓋，另一端設有帶有上述進紗通孔和散紗核芯的進紗端頭蓋，上述浸潰腔內靠近上述擠出端頭蓋一側設有帶有上述集紗口的集紗口模；上述擠出孔和集紗通孔的軸線在一條直線上。
4.根據權利要求3所述的浸潰模頭，其特徵在於，上述浸潰腔內設有固定在上述浸潰腔一端的導紗環組件，上述的導紗環組件設有上述導紗環或導紗環組件部分本體形成上述導紗環。
5.根據權利要求4所述的浸潰模頭，其特徵在於，上述擠出端頭蓋的內壁和集紗口模的外壁形成有漸收的擠出流道。
6.根據權利要求5所述的浸潰模頭，其特徵在於，上述浸潰單元的數目為I至60，上述每個浸潰單元上設有的進紗通孔的數目為2至30。
7.利用如權利要求3所述的浸潰模頭生產長纖維增強熱塑性塑料的方法，其特徵在於，包括如下步驟a、根據上述浸潰模頭內浸潰單元的個數和每個浸潰單元進紗口的數目，將增強纖維原紗紗輥分別放置在對應的紗架上；b、從增強纖維原紗紗輥引出的原紗經過一道以上的張力輥進行預打散；C、對預打散後的增強纖維原紗進行預熱；d、預熱後的不同股的增強纖維原紗從相應的上述浸潰單元的不同的進紗通孔進入上述浸潰腔進行打散並被從擠出機通過上述浸潰流道擠入到上述浸潰腔內的熔融塑料浸潰， 然後從上述擠出孔擠出成型為所需長纖維增強熱塑性塑料的料條；e、上述長纖維增強熱塑性塑料的料條在牽引機的牽引下依次進行水冷、利用空氣刀進行乾燥除去表面水份；f、將上述經過水冷和乾燥的長纖維增強熱塑性塑料的料條送入切粒機進行切粒；g、收集上述切粒而成的料粒。
8.根據權利要求7所述的生產長纖維增強熱塑性塑料的方法，其特徵在於，將上述經過步驟e後的長纖維增強熱塑性塑料的料條先進行捲曲再對其進行步驟f中所述的切粒。
9.根據權利要求8所述的生產長纖維增強熱塑性塑料的方法，其特徵在於，所使用的上述長纖維原紗為玻璃纖維紗、碳纖維紗中的一種或是兩種的混合。
10.根據權利要求9所述的生產長纖維增強熱塑性塑料的方法，其特徵在於，上述長纖維原紗的單絲直徑為9-18 μ m,號數為40-1000tex。
全文摘要
本發明公開了一種生產長纖維增強熱塑性塑料時進行原紗浸漬時分散結構，並介紹了利用該分散結構的浸漬模頭以及利用該浸漬模頭的生產方法，本發明的分散結構設有迴轉體的分散核芯能夠有效的分散原紗，具有磨損小不易斷頭的特點，利用該結構的包括多個浸漬單元的浸漬模頭拆卸方便、通用性較好、效率高等優點；本發明利用上述浸漬模頭的長纖維增強熱塑性塑料的生產方法，相比以前的生產方法，其採用多股多單元同時浸漬，使增強纖維在料條(橫截面)內均勻分布，而且能夠保證纖維不外露，從而提高了生產效率和質量，同時由於單絲不容易斷頭，其連續生產能力強。
文檔編號B29C70/16GK102601887SQ201110027720
公開日2012年7月25日 申請日期2011年1月25日 優先權日2011年1月25日
發明者曾天卷, 陸志宏 申請人:句容市百事特複合材料有限公司