CN105216252B - 聚合物模制件制造方法以及塑料构件制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于熔化至少一种固态原料以制备聚合物的组件(1)，其中，用于通过开口来接收固态原料的壳体(2)；设置于壳体(2)中的至少一个熔化装置(4)，所述熔化装置设置成，使得固态原料为了熔化而能被输送给该熔化装置；与壳体(2)的开口连接的、优选可切换的至少一个排放装置(5)，所述排放装置能与注射单元(6)连接。本发明还涉及包括该组件的设备以及相应的方法，其中，使用ε‑己内酰胺或月桂酰胺、热塑性环氧树脂原料或交联有机硅树脂原料的加入了添加剂的混合物作为制备聚合物的固态原料。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于由至少两种不同的固态原料制造聚合物模制件的设备和一种相应的方法以及一种用于制造纤维增强的塑料构件的方法。
本发明涉及熔化单体、预聚物或聚合物原料用于随后反应加工的主题。
背景技术
作为现有技术，已知有各种不同的方法可用于熔化反应组分形式的固态原料以及用于随后的反应加工。如果是内酰胺、尤其是ε-己内酰胺并且随后聚合成为聚酰胺6，那么在上下文中可以首先考察以下加工步骤：
已知在树脂注入法的范围内在反应装置中对加入了添加剂的己内酰胺基熔体进行加工，其中，在搅拌的、通常施加压力的或者抽真空的锅炉中熔化或加热原料。在此，通过泵***或者双柱塞***循环输送这些组分。在混合元件中实现多种反应组分的合并，从该混合元件将反应混合物排出到敞开或封闭的模具之中。相关示例可以参考DE1299885和DE60031851T2。
此外，已知在制备浇注聚酰胺的范围内不连续地制造基于聚酰胺的构件或部件。在此，通常熔化无添加剂的单体，然后在排除湿气的条件下高于熔体温度地存放在相应设计尺寸的容器中，并且只在使用之前才加入添加剂。
如在EP2572851A1中所述的剪切螺杆塑化装置，示出熔化并且随后加工反应组分尤其是ε-己内酰胺或月桂酰胺的另一种可能性，其中，在功能单元中实现相应的反应组分的熔化和注射过程。
就此而言，尤其对于低粘度物质可以利用基于聚合物的密封件进行操作(EP2454075B1)。加热和熔化过程在此不仅基于剪切作用，而且基于热扩散。
与此类似，已知主要用于非反应***的基于柱塞的***，其中，通过极其不同类型的剪切部件和混合部件在施加压力的情况下挤压待熔化的物质，并且因此在高粘度物料时能量输入被最大化。这里引用DE102006038804B3作为示例。
如已在DE1942992中所述的一样，已知还有基于柱塞的***，其中，经过预热的反应组分已经在单个柱塞中混合，并且只有在反应开始之后才将其排出，从而通过反应混合物的较高粘度，在注射柱塞移动的过程中简化密封。尤其对于像风轮转子叶片一样的体积庞大的构件，优选具有热固性树脂***进行真空灌注的工艺已得到认可，在“Composites:Part A 38(2007)666-681”中描述基于低粘度原料热塑性聚合物如ε-己内酰胺的相应方法。
现有技术的缺点：
在用于加工反应组分的常见反应设备中，对液化的、低粘度的、加入了添加剂的组分进行连续加热，并且在高压下循环输送这些组分，这就伴随着极大能耗。此外，由于为了制造构件要定期取出等分量的组分以及供应新的组分，使得组分滞留时间很分散，这可能对各个组分或者添加剂的稳定性有不利影响。尤其是用于通过使用阴离子聚合作用来制备聚酰胺的添加剂可能会由于过早的自动聚合而受损或者失去活性。尤其是与在对应时刻用于进行加工所需的量相比，将多得多的熔体量连续加热和保持在熔化温度以上。
与使用基于熔体存储装置的方案的不同之处在于，在可用于熔化和配量相应的反应组分的基于往复螺杆的***中，所产生的滞留时间分散可以忽略不计。然而，在功能单元中执行熔化和注射过程的弱点在于，需要设置使用在压力形成和注射中防止熔化物料被压回到熔化区域中的回流截止器。尤其对于低粘度***来说，很难实现持久的密封和可重现性。此外，由于剪切作用，在低粘度***中能量输入可以忽略不计。
在注射柱塞中，共同注射预先混合后的反应组分的缺点主要是涉及可重现性以及在所使用的注射柱塞中可能会出现沉积。此外，在模具几何形状比较复杂并且流动路径较长时，就无法以经济方式实现该原理，因为可能会在完全填充构件空腔之前发生硬化。附加地，注射已经高粘度的混合物还会大大增加渗透织物增强元件例如纤维半成品或预制坯的难度。
发明内容
本发明的任务是，提供一种由至少两种不同的固态原料制造聚合物模制件的设备和一种相应的方法以及一种用于制造纤维增强的塑料构件的方法，其中，不会出现或者至少仅仅以减小的程度出现以上讨论的问题。
该任务通过一种用于由至少两种不同固态原料制造聚合物模制件的设备解决，其中，对于所述至少两种不同固态原料之中的至少两种为了熔化而分别设置一个用于熔化至少一种固态原料以制备聚合物的组件，其特征在于：每个组件包括：
-用于通过开口来接收固态原料的壳体；
-设置于壳体中的至少一个熔化装置，所述熔化装置设置成，使得固态原料为了熔化而能被输送给该熔化装置；和
-与壳体的开口连接的至少一个排放装置，所述排放装置能与注射单元连接；
并且在各组件中熔化的原料能供应给同一个成型模具。
该任务还通过一种用于在设备中由至少两种不同固态原料制造聚合物模制件的方法解决，其中，使用ε-己内酰胺或月桂酰胺、热塑性环氧树脂原料或交联有机硅树脂原料的加入了添加剂的混合物作为制备聚合物的固态原料，对于所述至少两种不同固态原料之中的至少两种为了熔化而分别设置一个用于熔化至少一种固态原料以制备聚合物的组件，其特征在于以下步骤：
通过开口将固态原料加入到壳体之中；
将固态原料供应给设置于壳体中的熔化装置；
通过熔化装置将固态原料熔化成为熔体；
通过与壳体连接的排放装置将熔体排出到与排放装置连接的注射单元；并且
将在各组件中熔化的原料供应给同一个成型模具。
该任务还通过一种用于制造纤维增强的塑料构件的方法解决，包括以下步骤：
根据本发明的用于在设备中由至少两种不同固态原料制造聚合物模制件的方法熔化至少两种固态原料；
将各熔体混合成为反应基材；
在成型模具的模腔中提供嵌件或者增强元件；
将反应基材加入到成型模具的模腔之中；
使得反应基材与嵌件或者与增强元件一起固化成为塑料构件；并且
从成型模具中取出纤维增强的塑料构件。
本发明使得可在不同的装置元件中实现反应组分的熔化过程和注射过程的两步法成为可能。优选地，所述熔化过程在为此设置的、必要时经过惰性化处理或抽真空的、优选配有圆柱形壳体的用于熔化的组件中进行。尤其优选地，设置有用于固态原料的与壳体开口连接的至少一个供料单元。注射到成型机的成型模具的模腔之中的注射过程通过与供料单元分离的注射单元实现。
在常见的以再循环方式运行的反应装置中，将用于多个构件的熔化物料留在提高温度的日用容器中并且循环泵送，与之不同地，本发明保证，仅仅将也用于随后加工的熔化物料的量进行熔化，从而能够抵制反应组分在较长时间范围内的不必要的热负荷，或者说能够抵制不可控的滞留时间分散。
在本发明中，粉末状、鳞片状或者丸粒状原始原料(固态原料)优选从上方或者从侧面借由至少一个供料单元输送给熔化装置。优选该熔化元件设计成圆锥形，并且例如以高于待熔化组分的熔点至少5℃的温度运行。
当固态原料遇到熔化装置的表面时，该固态原料熔化并且以熔融形态聚集在位于下方的、优选被加热的收集区(例如熔体池)中。熔化装置与壳体之间尽可能紧密的配合(0.05～2或5mm)保证固体不会进入位于其下方的收集区中。
如果收集区中存在足够的熔化物料，那么可以打开排放装置，使得熔化物料抵达注射单元并且填充该注射单元。在填充注射单元之后(如果是柱塞前腔的柱塞式注射单元)，封闭排放装置，并且(例如通过柱塞运动)在注射方向实现注射。通过对收集区进行相应结构设计可以用这种方式满足很大的注射体积范围。排放装置优选具有可运动的封闭元件(滑动件或活门)。
固态原料供应通过供料单元例如借由螺杆、螺旋、泵、输送带或者真空输送设备实现，优选通过排料装置例如利用振动斜槽、振动底板或类似物的振动排料器来辅助。
供料单元可以通过分隔装置例如通过叶轮式闸门、活门、隔膜或者烧结盘与熔化装置进行结构分离。
可以通过重力或者容积方式供应固态原料。
可以设置与至少一个加热装置分开的至少一个壳体调温装置。该调温装置可以构成为电热带调温装置、外套调温装置、感应式加热装置、电阻式加热装置或类似装置。
优选地，熔化装置居中设置在壳体中，并且设计成向上逐渐变细的，优选为圆锥形或者棱锥形形状。优选熔化装置可调节地设置在壳体中(例如高度可调和/或轴向可调和/或者径向可调)。
所述熔化装置可以例如由金属或陶瓷构成。
优选熔化装置在结构上构成为，使得固态原料能从侧面或者从上方加入到经过加热的、相对于水平线倾斜的面上。优选地，除了其它形状之外，锥形也可考虑，但也可以考虑倾斜板(更易于清洁，但是表面积较少)。
优选通过内部调温对熔化装置进行调温。应针对待熔化的组分适配调温，温度范围通常在70～250℃范围内。
排放装置可构成为能主动操作的排放阀(或者龙头、活门、闸门、泵接口、滑动件)。排放装置的操作可以电动地、气动地、液压地、压电地或者磁力地实现。
如果设置有调压装置，那么可以至少在所述至少一个熔化装置和/或供料单元的范围内通过施加负压(真空)或过压改变压力水平，所述负压或过压例如在0.01～10巴、尤其在0.2～1.5巴范围内。
在壳体之中可以设置保护气体加入装置(保护气体例如是N2、Ar、合成空气或干燥空气)。
可以设置物位传感器(用于固态原料和/或熔体)。不仅可以在熔化装置上方，而且也可以在收集区或旁通管的区域内进行物位测量。可以通过基于电容的、电阻的、电导的、辐射的、感应的、电子振动的、重力的或者声波的测量原理来进行物位测量。
在收集区中，可以安装用于促进均化的搅拌和/或混合装置，其也许集成于同样优选可旋转的壳体中。
可借由热交换器在所述组件和注射单元之间实现温度均匀化措施，并且/或者可以设置静态混合部件。
可以在熔化装置下方设置用于加入液态或固态添加剂的加入装置。
在多个组分在相应的组件中熔化时，各体积流可以在进入成型模具的模腔之前在独立的混合头/混合元件中或者在可属于成型模具的自己的模腔中混合/均匀化。
优选使用ε-己内酰胺或月桂酰胺、热塑性环氧树脂原料或交联有机硅树脂原料的加入了添加剂的混合物作为制备聚合物的固态原料。
固态原料可以含有尤其用来引发和加速反应、调节链长及支化度、稳定所获得的聚合物或交联的最终产物的添加剂(防紫外线，阻燃，抗氧化剂)、功能性添加剂、染料和生色团、填料、结晶助剂和成核剂、用于改善机械特性尤其是抗冲性能的改性剂、用于支持可能的纤维/基材连接的偶联剂、去除湿气或其它低分子物质的添加剂、脱模助剂。
可以加入织物增强件，或者一般性将纤维和/或者填料单独地加入到成型模具的一个或多个模腔之中。
可以用恒定的体积流量、恒定压力、预先设定的压力曲线或体积曲线、或者间歇地实现注射各个熔化的原料。
本发明也要求保护一种为了制备聚合物而熔化至少一种固态原料的方法。在此,第一个步骤是通过开口将固态原料加入到壳体之中。然后，优选通过与壳体连接的供料单元(输送单元)，将固态原料供应给设置于壳体中的熔化装置。该熔化装置将固态原料熔化成为熔体。因此，熔体聚集在为其设置的收集区中。最后，通过与壳体连接的排放装置，将熔体排出到与该排放装置连接的注射单元。因此，注射单元被填充熔体。在通过注射单元将熔体注入到模具的模腔中之前，将排放装置关闭。
本发明要求还保护一种基于所述为了制备聚合物而熔化至少一种固态原料的方法的用于制造塑料构件优选纤维增强塑料构件的方法。在此，所述方法的主要步骤是：将各熔体混合为反应基材；在成型模具的模腔内提供嵌件或增强元件；将反应基材加入到成型模具的模腔之中；使得反应基材与嵌件或者与增强元件一起固化为塑料构件；以及从成型模具中取出纤维增强的塑料构件。可选地，将嵌件或增强元件构成为纤维预制坯。也可选地，在填充之前将模腔抽真空。此外，还优选地可以将两个不同的熔化装置中的熔体进行混合。该混合可以在注射过程中或者在地点上在模腔与注射柱塞之间进行。该混合也可以在连接在模腔上游的混合元件(浇口、混合头、适配板、混合腔、静态混合器)中进行。特别地，如果在模腔中提供嵌件或增强元件，则优选地将反应混合物加入到该模腔之中。这样就能对嵌件或增强元件进行浸渍或者注射包覆成型。然后固化反应基材。最后打开模腔并取出构件。
图说明
以下根据不同实施例的图1～8讨论本发明的其它细节。
具体实施方式
图1所示为具有组件1的第一种实施例，所述组件具有壳体2，优选为加热式的熔化装置4设置在该壳体之中，通过供料单元3(这里是螺杆输送装置)可将固态原料供应给该熔化装置。在此，熔化装置4构成为锥形(圆锥形)并具有内部调温装置。还设置有用于对壳体2的壁面进行加热的加热装置13。熔化物料聚集在熔化装置4下方的收集区8之中，通过可切换的排放装置5从收集区排出熔化物料。设置有物位传感器7。还示出保护气体加入装置9和调压装置12。
在图2所示的方案中，将物位传感器7构成为摆动叉形式。双箭头表示这里设计成倾斜板形式的熔化装置4的高度可调性。设置有刮料装置14和滑动件10。
图3所示为用于由至少两种不同的固态原料来制造聚合物模制件的设备，该设备具有至少两个按图1所示的组件1。通过各注射单元6，将熔体加入到同一个成型模具11的模腔之中。直接地或者通过软管或管道地将每个排放装置5与一个注射单元6连接。
图4所示与图3相同，但是该设备具有与图2基本上相符的组件。然而在此，设置具有储料容器15的真空输送装置作为供料单元3，并且示出在供料单元3和熔化装置4之间以叶轮式闸门形式的分隔装置16。
图5示出相对于图4的修改，其中，倾斜地设置排放装置5(转换阀)。此外，延长排放装置5与熔化装置4之间的管路。在管路上有附加的调温元件17，所述调温元件同样可构成为热交换器，并且可以用于熔体的热均化。
在图6～8中，所示的排放装置5(转换阀)并非由阀盘－阀座组合体构成，而是具有构成为滑动件的封闭元件21、密封件18和排放通道22。例如密封件18可以由陶瓷材料构成。密封件18优选由塑料、尤其是聚合物构成。在图6中，将密封件18的前端的(右侧所示的)部分套装在排放装置5的柱塞形的封闭元件21上，并且通过螺钉19和固定盘20固定该密封件。在图7中，将唯一的比较长的密封件安装在排放装置5的整个前端柄部区域(封闭元件21)上或其周围。相反，在图8所示的方案中，优选聚合物密封件18以两个相隔开的浇注的密封环形式安置在滑动件(封闭元件18)上。
附图标记列表
1 组件 12 调压装置
2 壳体 13 加热装置
3 供料单元 14 刮料装置
4 熔化装置 15 储料容器
5 排放装置 16 分隔装置
6 注射单元 17 调温元件
7 物位传感器 18 密封件
8 收集区 19 螺钉
9 保护气体加入装置 20 固定盘
10 滑动件 21 封闭元件
11 成型模具 22 排放通道
Claims (23)
1.用于在设备中由至少两种不同固态原料制造聚合物模制件的方法，其中，使用ε-己内酰胺或月桂酰胺的加入了添加剂的混合物作为制备聚合物的固态原料，对于所述至少两种不同固态原料之中的至少两种为了熔化而分别设置一个用于熔化至少一种固态原料以制备聚合物的组件(1)，其特征在于以下步骤：
将固态原料通过与壳体(2)的开口连接的供料单元(3)供应给设置于壳体(2)中的熔化装置(4)；
通过熔化装置(4)将固态原料熔化成为熔体，其中，仅仅将也用于随后加工的量进行熔化；
通过与壳体(2)连接的排放装置(5)将熔体排出到与排放装置(5)连接的注射单元(6)；并且
将在各组件(1)中熔化的原料供应给同一个成型模具(11)；
其中，所述设备的每个组件(1)包括：
-用于通过开口来接收固态原料的壳体(2)；
-与壳体(2)的所述开口连接的用于固态原料的至少一个供料单元(3)；
-设置于壳体(2)中的至少一个熔化装置(4)，所述熔化装置设置成，使得固态原料为了熔化而能被输送给该熔化装置，并且所述熔化装置构成具有朝供料单元(3)的开口的方向逐渐变细的形状；和
-与壳体(2)的另外的开口连接的至少一个排放装置(5)，所述排放装置能与注射单元(6)连接。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述排放装置(5)是可切换的。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述供料单元(3)与所述至少一个熔化装置(4)通过分隔装置分隔。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，设有与所述至少一个熔化装置(4)分开的、用于对壳体(2)进行调温的至少一个调温装置(13)。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述调温装置(13)是加热装置。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述至少一个熔化装置(4)圆锥形或棱锥形地构成。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，熔化装置(4)在朝向排放装置(5)的端部上如此设置在壳体(2)中，即在熔化装置(4)和壳体(2)之间留有与固态原料适配的间隙，从而阻止固体形式的原料通过。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，设有调压装置(12)，通过该调压装置至少能在壳体(2)中并且/或者在所述至少一个供料单元(3)中产生过压或负压。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在壳体(2)中设置有用于容纳熔化的原料的收集区(8)，该收集区设置在熔化装置(4)下方，壳体(2)中的与排放装置(5)连接的那个开口设置在收集区(8)的区域内。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，设有物位传感器(7)，通过该物位传感器能检测在收集区(8)中的熔化的原料的量。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在收集区(8)中设置有搅拌和/或混合装置。
12.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述壳体(2)与保护气体加入装置(9)连接。
13.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述至少一个熔化装置(4)可调节地设置在壳体(2)中。
14.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，设有能沿着所述至少一个熔化装置(4)的表面移动的滑动件(10)。
15.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述注射单元(6)是柱塞式注射单元。
16.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述注射单元(6)与成型模具(11)连接。
17.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述收集区(8)的容积构成为小于用于填充注射单元(6)所需的材料的10倍量的体积。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述收集区(8)的容积构成为小于用于填充注射单元(6)所需的材料的3倍量的体积。
19.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述排放装置(5)具有排放通道(22)、在排放通道(22)中能运动的封闭元件(21)、以及在该封闭元件(21)和排放通道(22)之间的密封件(18)。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述封闭元件(21)是能移动的。
21.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述密封件(18)由塑料或陶瓷制成。
22.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述密封件(18)设置在封闭元件(21)上。
23.用于制造纤维增强的塑料构件的方法，包括以下步骤：
根据权利要求1～22中任一项所述的方法熔化至少两种固态原料；
将各熔体混合成为反应基材；
在成型模具(11)的模腔中提供嵌件或者增强元件；
将反应基材加入到成型模具(11)的模腔之中；
使得反应基材与嵌件或者与增强元件一起固化成为塑料构件；并且
从成型模具(11)中取出纤维增强的塑料构件。
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