一種長纖複合材料的造粒生產線的製作方法

2023-07-13 06:43:51 2

本發明涉及一種長纖複合材料的造粒生產線，屬於聚合物改性設備領域。

背景技術：

近年來，由於長纖複合材料優異的力學性能越來越受到關注，所以越來越多的科技工作者在長纖複合材料製備開發方面開展了大量工作：

1.申請號：200610045857.0，標題為「連續纖維增強複合材料、生產方法及專用設備」，採用了分流結構將熔融聚合物進行分流，在聚合物分流流道的末端與垂直方向引入的玻璃長纖交匯，隨後長纖經過蛇形流道流出。該方案中存在如下問題：長纖導入孔較短，容易造成從長纖導入孔冒料；該擠出模具導入玻纖很難對正聚合物分流流道口。

2.申請號：200610122459.4，標題為「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」，在模頭外體上開設了熱塑性樹脂熔體夾縫流道和連續長纖入口，浸潤流道內安裝張力輥。該擠出模具可以完成長纖浸潤的工作，但是設計中沒有考慮流道內物料建壓不足、長纖導入孔冒料、長纖束在聚合物熔體內成股等問題。

3.申請號：200880007823.x，標題為「由長纖維強化的熱塑性樹脂粒料及其製造方法」，採用熔融浸潤的方法對長纖進行浸潤。擠出機擠出方向與長纖牽引方向垂直。浸潤在浸潤池內完成，浸潤池內安裝多個浸潤輥，有利於樹脂對長纖的浸潤。但是，該專利沒有提及如何保證長纖入口冒料和長纖束在聚合物熔體內浸潤不充分的解決方案。

4.申請號：201410044256.2，標題為「連續長纖維增強熱塑性樹脂的雙面熔融浸漬方法及設備」，該發明公開一種連續長纖增強熱塑性樹脂的雙面熔融浸潤方法及設備，先對連續長纖進行預分散和預加熱，再通過雙面分配流道進行全面包裹和浸潤，進行長纖再分散處理後送出長纖通道。可有效避免出現長纖單側浸潤不嚴的現象。但分流流道加工複雜，各流道的流率均勻性不易保證，而且該發明沒有提及如何解決長纖成股不易分散的問題。

技術實現要素：

本發明目的在於提高長纖在聚合物熔體中的浸潤程度和分散程度，致力於解決長纖導入孔冒料和長纖複合材料中浸潤程度低的問題，提出一種長纖複合材料的造粒生產線。

本發明一種長纖複合材料的造粒生產線具體涉及一種基於熔體收斂流動原理設計的長纖浸潤擠出模具以及該模具的長纖導入孔長度和擠出模孔長度的計算方法。

一種長纖複合材料的造粒生產線包括擠出機、長纖存儲單元、長纖預處理單元、長纖浸潤擠出模具、冷卻系統、風乾系統、牽引系統、切粒系統和收集系統；

其中，所述的擠出機可為具有塑化混煉功能的單螺杆擠出機、雙螺杆擠出機、三螺杆擠出機或多螺杆擠出機，主要起對聚合物的塑化混煉作用；

其中，所述的長纖存儲單元主要起存放成卷長纖的作用，供複合材料製備使用，其設計要點在於減少或消除長纖束打扭的現象；

其中，所述的長纖預處理單元主要有長纖預熱功能與長纖預分散功能；長纖預熱的目的是將長纖溫度提高到聚合物熔體溫度，使得長纖表面低分子物揮發的同時，保證長纖的引入不造成聚合物熔體溫度的下降；長纖預分散的目的是將成股長纖進行預梳理，降低長纖絲之間的結合力，有利於降低長纖在聚合物熔體中的分散難度；

其中，所述的長纖浸潤擠出模具主要起浸潤長纖的作用；包括長纖導入口和聚合物熔體入口；長纖與聚合物熔體在長纖浸潤擠出模具中複合；長纖與聚合物熔體充分浸潤後，形成長纖複合材料；長纖複合材料從長纖浸潤擠出模具出料口擠出；

其中，所述的冷卻系統主要有水冷和風冷兩種形式；當聚合物具有高溫水解性能時，需進行風冷；當聚合物性能不受水份影響時，可採用水冷系統；

其中，所述的風乾系統，主要是在採用水冷系統的情況下，對長纖複合材料進行吹乾；

其中，所述的牽引系統提供了長纖複合材料牽引的動力；

其中，所述的切粒系統將長纖複合材料按照設定好的長度進行切割；

其中，所述的收集系統將切割後的長纖複合材料進行收集和包裝。

所述的一種長纖複合材料的造粒生產線中各組成部分的連接及上下遊關係如下：長纖浸潤擠出模具安裝在擠出機出口位置；長纖存儲單元處於擠出機的側方或上方；從長纖走向上看，長纖存儲單元的下遊為長纖預處理單元；長纖預處理單元的下遊為長纖浸潤擠出模具；長纖浸潤擠出模具的下遊為冷卻系統；冷卻系統的下遊為風乾系統；風乾系統的下遊為牽引系統；牽引系統的下遊為切粒系統；切粒系統的下遊為收集系統。

所述的一種長纖複合材料的造粒生產線的工作原理如下：擠出機將聚合物熔化、共混和擠出，以一定壓力為長纖浸潤擠出模具供料；長纖從長纖存儲單元上放置的成卷長纖中抽出，經長纖預處理單元預熱和分纖後引入長纖浸潤擠出模具中；在長纖浸潤擠出模具內長纖與聚合物熔體複合，形成聚合物浸潤長纖複合材料；長纖浸潤擠出模具輸出的複合材料，經冷卻系統進行冷卻和固化；風乾系統將經過冷卻系統冷卻和固化的長纖吹乾，即進行乾燥處理；牽引系統提供長纖和浸潤後複合材料的牽引動力，其牽引速度可調；切粒系統將風乾系統輸出的冷卻、固化及乾燥後的複合材料切碎，切割成一定長度的長纖複合材料顆粒；收集系統將收集和包裝切粒系統切碎的長纖複合材料顆粒。值得注意的是，當使用風冷系統對浸潤後的複合材料進行冷卻時，可以省略風乾系統；

其中，所述的長纖浸潤擠出模具包括熔池底板、熔池上板、導柱、上加熱器和下加熱器；其中，所述的熔池上板開設有長纖導入孔、熱電偶安裝孔和熔體壓力傳感器安裝孔；所述的熔池底板開設有擠出模孔、聚合物熔體進料口和熱電偶安裝孔；熔體壓力傳感器的安裝孔也可開設在熔池底板上；

其中，所述的導柱包含分纖導柱、壓平導柱和導嚮導柱；所述的熔池上板與熔池底板安裝後，其內空間構成了長纖浸潤熔池，此長纖浸潤熔池沿擠出方向截面形狀相似但尺寸不同；長纖浸潤熔池厚度方向尺寸和寬度方向尺寸均沿擠出方向逐漸收斂，該收斂空間稱為收斂流道，收斂流道壓縮比定義為長纖浸潤熔池入口側最大截面積與出口側最小截面積的比值，且收斂流道壓縮比範圍在1到4.5之間；所述的長纖浸潤熔池減去導柱所佔空間後所剩空間為模具型腔；

其中，所述的長纖導入孔的截面形狀可以為矩形或圓形；當其截面形狀為矩形時，其寬度方向尺寸範圍為10-16mm，厚度方向尺寸範圍為0.5-2mm；當其形狀為圓形時，長纖導入孔的直徑範圍為2-4mm；沿長度方向長纖導入孔的截面面積可以保持不變，也可以逐漸減小，即長纖入口一側截面面積大於另一側截面面積；當截面形狀為矩形時，其截面面積的改變可通過調整厚度方向尺寸來實現；當截面形狀為圓形時，其截面面積的改變可以通過調整截面圓形直徑來實現；值得注意的是，當採用截面面積逐漸減小的長纖導入孔時，加工費用會有所提高，但是可以降低聚合物熔體從長纖導入孔冒料現象發生的機率；

其中，所述的擠出模孔直徑範圍為2-4mm；在擠出模孔內聚合物熔體的流動方向與長纖的牽引方向是相同的；

所述的長纖浸潤擠出模具中各組成部分的功能是：

上加熱器對熔池上板加熱，下加熱器對熔池底板加熱，熔池上板與熔池底板的熱電偶安裝孔上安裝熱電偶，用來測量熔池上板和熔池底板的溫度，並將對應熱電偶分別接入溫控儀表實現溫度控制；長纖浸潤熔池的功能是給導柱、長纖和聚合物熔體提供空間，讓長纖與聚合物熔體充分浸潤，具有控制該熔池內聚合物熔體溫度和建立聚合物熔體壓力的作用；其中，導柱分為分纖導柱、壓平導柱和導嚮導柱三種；分纖導柱主要是將成股的長纖儘量分成小股，從而增加長纖與聚合物熔體的接觸面積；壓平導柱主要是將初步浸潤的長纖壓實，進一步增加聚合物熔體與長纖的結合力；導嚮導柱主要是利用導向槽將與聚合物熔體充分浸潤的長纖進行導向，讓長纖能順利通過擠出模孔，而不發生模孔邊沿刮落聚合物熔體的現象；其中，導柱的使用數量需根據聚合物的粘度、長纖的拉伸力學性能以及聚合物和長纖的結合情況進行確定。

所述的長纖浸潤擠出模具中各組成部分的連接關係如下：上加熱器與熔池上板相連，下加熱器與熔池底板相連；分纖導柱、壓平導柱與導嚮導柱安裝到長纖浸潤熔池內；熔池上板與熔池底板相連；

所述的長纖浸潤擠出模具中各組成部分的安裝過程如下：

所述的分纖導柱、壓平導柱和導嚮導柱安裝到熔池底板的安裝槽中；所述的熔池上板安裝到熔池底板上；所述的上加熱器安裝在熔池上板上；所述的下加熱器安裝在熔池底板上；所述的熔池上板與熔池底板都安裝熱電偶；根據熔體壓力傳感器安裝孔開設的位置不同，將熔體壓力傳感器安裝到熔池上板或熔池底板上。

長纖導入孔的長度計算方法，通過以下步驟實現：

步驟一、使用計算流體力學有限元方法計算模具型腔內的壓力分布；計算中可使用四面體網格進行計算區域離散；在聚合物熔體進料口施加熔體流量邊界條件和指定溫度的溫度條件；長纖導入孔給定法向力和切向力均為零的邊界條件和指定回流溫度的溫度條件；擠出模孔出口給定法向力和切向力均為零的邊界條件和指定回流溫度的溫度條件；其它與擠出浸潤模具接觸的表面給定法向速度和切向速度均為零的速度條件和給定溫度的溫度條件；計算中還需根據聚合物的流變特性給出本構方程和特徵參數；

步驟二、從步驟一計算出的模具型腔內的壓力分布中提取長纖導入孔出口壓力；

長纖導入孔出口壓力，記為pfo；

步驟三、利用圓環型流道拖曳壓力流模型建立長纖導入孔內流體平均流速與長纖導入孔長度、長纖導入孔出口壓力及長纖拖曳速度之間的關係，並確定長纖導入孔等效半徑、長纖束等效半徑、聚合物熔體的表觀粘度和聚合物熔體的密度；

步驟三建立的長纖導入孔內流體平均流速與長纖導入孔長度、長纖導入孔出口壓力及長纖拖曳速度之間的關係即下面公式(1)：

式(1)中，ro為長纖導入孔等效半徑；ri為長纖束等效半徑；vm為長纖導入孔內流體的平均流速；lf為長纖導入孔長度；vf為長纖拖曳速度；μa為聚合物熔體的表觀粘度；

當採用恆定截面面積的圓形截面的長纖導入孔時，等效半徑為圓形截面的半徑；

當採用漸變截面面積的圓形截面的長纖導入孔時，等效半徑為大端圓形截面半徑與小端圓形截面半徑之和的一半；

當採用恆定截面面積的矩形截面的長纖導入孔時，等效半徑為與矩形截面積一樣的圓形半徑；

當採用漸變截面面積的矩形截面的長纖導入孔時，等效半徑為與大端矩形截面積一樣的圓形半徑及與小端矩形截面積一樣的圓形半徑之和的一半；

當採用圓形截面的長纖導入孔時，長纖束等效半徑為截面形狀為圓形的長纖束半徑；

當採用矩形截面的長纖導入孔時，長纖束等效半徑為與展開成矩形截面的長纖束截面積相同的圓形的半徑；

由於長纖導入孔為開放狀態，與大氣接觸，所以我們在計算過程中假定長纖導入孔入口壓力為零，即以大氣壓強為聚合物熔體相對壓力零點；

步驟三中所述式(1)中的長纖導入孔內流體平均流速vm應大於零，且vm的方向應與長纖牽引方向一致；

其中，長纖拖曳速度vf可用時間距離來測量；

步驟四、根據長纖導入孔內流體的平均流速、長纖導入孔出口壓力、長纖拖曳速度、長纖導入孔等效半徑、長纖束等效半徑、聚合物熔體的表觀粘度及聚合物熔體的密度，計算長纖導入孔長度；

具體的，是把pfo、vf、r0、ri、μa代入式(1)中，設定vm為零，計算得到長纖導入孔長度lf的最小值，設計時lf的取值應大於該最小值；至此，從步驟一到步驟四，完成了長纖導入孔的長度計算。

擠出模孔長度的計算，具體通過以下步驟實現：

步驟a、使用計算流體力學有限元方法計算模具型腔內的壓力分布；其中，步驟a的計算中可使用四面體網格進行計算區域離散；在聚合物熔體入口施加熔體流量邊界條件和指定溫度的溫度條件；長纖導入孔給定法向力和切向力均為零的邊界條件和指定回流溫度的溫度條件；擠出模孔出口給定法向力和切向力均為零的邊界條件和指定回流溫度的溫度條件；其它與擠出浸潤模具接觸的表面給定法向速度和切向速度均為零的速度條件和給定溫度的溫度條件；計算中還需根據聚合物的流變特性給出本構方程和特徵參數；

步驟b、從步驟a計算得到的模具型腔內的壓力分布中提取擠出模孔入口處壓力；

其中，擠出模孔入口處壓力，記為pei；

步驟c、利用圓環型流道拖曳壓力流模型建立擠出模孔內流體平均流速與擠出模孔長度、擠出模孔入口壓力及長纖拖曳速度之間的關係，此關係如下公式(2)：

式(2)中，ro1為擠出模孔半徑；ri為長纖束半徑；μa為聚合物熔體的表觀粘度；ve擠出模孔內流體平均流速；le為擠出模孔長度；pei為擠出模孔入口壓力；vf為長纖拖曳速度；

其中，長纖束半徑ri在長纖參數中可以得知，聚合物熔體的表觀粘度μa可以根據所選用的聚合物物性參數得知，長纖拖曳速度vf可用時間距離來測量；

其中，步驟c中計算所得ve與vf需要滿足如下公式(3)的關係：

步驟d、把已知的pei、vf、r01、ri、μa代入式(2)中，通過改變擠出模孔長度le的大小，來調整ve的大小，使其滿足式(3)的要求；至此，從步驟a到步驟d，完成了擠出模孔的長度計算。

有益效果

本發明提出的一種長纖複合材料的造粒生產線，與其它同類造粒生產線相比，具有如下有益效果：

(1)本發明相比其它長纖浸潤擠出模具採用了收斂流道結構，可有效縮短聚合物熔體在擠出模具內的停留時間，並有利於增加熔池內的聚合物熔體壓力，在防止聚合物熔體過熱分解的情況下，有效地提高了長纖浸潤的密實度；同時，可以將部分聚合物熔體流動狀態從剪切流動轉變為拉伸流動，這樣使得聚合物分子的流動取向與長纖流動方向一致，有利於提高長纖浸潤的密實度；

(2)本發明相比其它長纖浸潤擠出模具，提出了計算長纖導入孔長度的方法，其特點為，根據所加工聚合物熔體的粘度、長纖的牽引速度和模具型腔內聚合物熔體的壓力分布設計長纖導入孔的長度，可有效防止聚合物熔體從長纖導入孔冒料；

(3)本發明相比其它長纖浸潤擠出模具，提出了計算擠出模孔長度的方法，其特點為，根據所加工聚合物熔體的粘度、長纖的牽引速度和模具型腔內聚合物熔體的壓力分布設計擠出模孔的長度，有利於提高長纖與聚合物的結合牢固性，提高長纖浸潤密實度；

(4)本發明採用分纖導柱，可將大股長纖分為小股長纖，增加長纖與聚合物熔體的接觸面積，有利於增加長纖的浸潤程度；

(5)本發明採用壓平導柱，可將浸潤後的長纖壓實，改善局部長纖浸潤的均勻性外，還可以進一步提高長纖與聚合物熔體結合密實度；

(6)本發明採用導嚮導柱，可將長纖沿垂直於牽引方向進行導向，讓長纖牽引方向正對擠出模孔，防止擠出模孔邊沿刮落聚合物現象的發生。

附圖說明

圖1為本發明一種長纖複合材料的造粒生產線示意圖；

圖2為本發明一種長纖複合材料的造粒生產線中的長纖浸潤擠出模具三維示意圖；

圖3為本發明一種長纖複合材料的造粒生產線中的長纖浸潤擠出模具內聚合物熔體壓力分布；

圖4為本發明一種長纖複合材料的造粒生產線中的長纖浸潤擠出模具內三種導柱結構示意圖；

圖5為本發明一種長纖複合材料的造粒生產線中的長纖浸潤擠出模具內的長纖走向圖；

圖6為本發明一種長纖複合材料的造粒生產線中的長纖浸潤擠出模具實物工作狀態照片；

圖7為本發明一種長纖複合材料的造粒生產線的造粒實物；

圖8為本發明一種長纖複合材料的造粒生產線中的一種採用矩形截面形狀長纖導入孔的模具上板三維圖。

具體實施方式

下面根據附圖及具體實施方式對本發明作進一步詳細說明。應當指出，本申請的實施並不局限於下面的實施例，對本申請所做的任何形式上的變通或改變將落入本發明保護範圍。

實施例1

如圖1所示的長纖複合材料造粒生產線，由擠出機1、長纖存儲單元2、長纖預處理單元3、長纖浸潤擠出模具5、冷卻系統7、風乾系統8、牽引系統9、切粒系統10和收集系統12組成；其中擠出機1採用雙螺杆擠出機(螺杆直徑33mm，長徑比40)，對熔融指數為60g/10min的聚丙烯顆粒、抗氧劑(1010和168)以及相容劑進行融化、共混和擠出，並以一定壓力為長纖浸潤擠出模具5供料；從長纖存儲單元2中牽出的長纖4經過長纖預處理單元3預熱和預分纖後，引入長纖浸潤擠出模具5中，與聚合物熔體複合，形成聚合物浸潤長纖複合材料6；聚合物浸潤長纖複合材料6經過冷卻系統7固化後，經風乾系統8吹乾；固化乾燥後的長纖複合材料6經牽引系統9進入下遊切粒系統10；利用牽引系統9可以調整長纖的牽引速度；經過切粒系統10切碎後，形成一定長度的長纖複合材料顆粒11，進入收集系統12；

本例中長纖牽引速度約為100m/min；其中長纖存儲單元2中使用的是內部包含紙卷的外抽絲式長纖卷，抽絲過程中長纖卷安裝到儲線架上，並隨儲線架一起轉動，可以有效緩解長纖的扭結打股效應；

如圖2所示為用於三股長纖同時浸潤的長纖浸潤擠出模具的三維示意圖；圖2中，長纖浸潤擠出模具5(序號見圖1)中熔池上板25和熔池底板13安裝後，其內的空間構成了長纖浸潤熔池14，長纖4(序號見圖1)從靠近擠出機1(序號見圖1)出口處的長纖導入孔15(直徑3mm，長度120mm)引入浸潤熔池14，先後經過分纖導柱16、壓平導柱17和導嚮導柱18後，通過擠出模孔19擠出。擠出模孔的直徑為3mm，長度為20mm。其中導嚮導柱18的導向槽20與擠出模孔19正好相對，保證長纖4(序號見圖1)順利通過長纖浸潤擠出模具5(序號見圖1)成型，且不發生擠出模孔邊沿刮落聚合物的現象；本長纖浸潤擠出模具5上側安裝加熱器21，長纖浸潤擠出模具5下側安裝加熱器22；且在擠出模具熔池上板25和熔池底板13上開設熱電偶安裝孔23_1和23_2，安裝溫度傳感器，並接入溫控儀表；根據熔池上板25和熔池底板13的設定溫度和實際溫度的偏差對熔池上板25和熔池底板13分別進行溫控；擠出模具熔池上板25上還開設熔體壓力傳感器安裝孔24，安裝壓力傳感器，並接入壓力控制儀表，測量模頭壓力及安全聯鎖；熔池上板25安裝的加熱器21還可對長纖進行預熱，有利於長纖浸潤；此外，聚合物熔體進料口26開設在熔池底板13上；相比其它非收斂式擠出模具，本模具可以降低聚合物熔體在模具中的停留時間，增加模具型腔內熔體壓力；本發明給出了長纖導入孔長度的計算方法，該方法解決了長纖導入孔冒料的問題；

圖3給出了該長纖浸潤擠出模具5長纖浸潤熔池14內聚合物熔體的壓力分布，從圖3中可以看出，在本設計中，當聚合物熔體進料口26給定一定入口壓力(2mpa)後，長纖浸潤熔池14沿擠出方向和長纖導入孔15內沿長纖牽引相反方向、擠出模孔19內沿擠出方向均呈現壓力逐漸降低的趨勢。此壓力降低的主要是由於長纖浸潤熔池表面、導柱表面對聚合物熔體造成阻力、以及擠出模孔的建壓阻力導致的。長纖引入孔出口處壓力為1.98mpa，根據式(1)計算得vm/vf＝0.3301；擠出模孔入口處壓力約為1.73mpa，根據式(2)計算得ve/vf＝0.3301；兩孔長度設計均滿足設計要求；

圖4給出了該擠出模具使用的三種導柱結構；從左到右分別為分纖導柱、壓平導柱和導嚮導柱；導柱的主體直徑均為10mm，分纖導柱上開有深度0.3mm、間距0.4mm的溝槽，壓平導柱表面光滑，導嚮導柱上開有3個溝槽，溝槽深度2.5mm；與其它無分纖導柱的擠出模具相比，該模具可以提高聚合物熔體與長纖的浸潤程度；

圖5給出了長纖繞導柱走線示意圖；長纖4從長纖導入孔15引入長纖浸潤擠出模具5，從分纖導柱16下側穿過，經過壓平導柱17上側，後經導嚮導柱18的導向槽20下側牽出；導嚮導柱18的導向槽20底徑的切線方向與擠出模孔19中心線重合，起到長纖導向作用，讓長纖能順利通過擠出模孔，而不發生模孔邊沿刮落聚合物的現象；

圖6為本專利發明的所使用的一種基於熔體收斂流動原理設計的長纖浸潤擠出模具實物工作狀態照片；

圖7為使用本專利發明的一種長纖複合材料的造粒生產線所製備的長纖複合材料照片；從圖中可見，該複合材料中的長纖與聚合物熔體充分浸潤，密實度高，顆粒飽滿；長纖含量約30％。

實施例2

在實施例1的基礎上，使用了具有矩形截面形狀長纖導入口的長纖浸潤模具。為了便於加工矩形孔，模具上板被分為兩個部分，如圖8所示；與實施例1相比，實施例2中模具上板加工費用有所增加，但是經過長纖預處理單元處理後的2400tex規格的長纖，在經過寬度為14mm的矩形截面形狀的長纖導入口時，長纖沒有被再次聚攏；更有利於長纖在模具中以更分散的狀態與聚合物熔體浸潤結合。

以上對本發明進行了詳細的說明，但本發明的具體實施形式並不局限於此；該實施的說明只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對於本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式及應用範圍上均會有改變之處，在不背離本發明所述方法的精神和權利要求範圍的情況下對它進行的各種顯而易見的改變都在本發明的保護範圍之內。