CN106915005A - 一种降低纤维断裂率的熔融浸渍装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了降低纤维断裂率的熔融浸渍装置，包括下模板、上模板和流道高度自动调节装置；所述下模板和上模板围合成的空间构成弯曲流道熔腔；所述流道高度自动调节装置用于调节所述弯曲流道熔腔的高度，以适应不同的纤维运动速度和熔体流动速度，消除所述弯曲流道熔腔内的剪切场。本发明能根据产量、料条牵引速度和弯曲流道熔腔的宽度等参数自动调整弯曲流道熔腔的高度，在保证不溢料的情况下可有效降低纤维在浸渍装置中的断裂率，大大提高预浸料的生产率及生产质量；可根据不同的生产要求快速准确地调节出合理的弯曲流道熔腔的高度，避免装置的反复调换，提高生产效率。

Description

一种降低纤维断裂率的熔融浸渍装置

技术领域

本发明涉及一种降低纤维断裂率的熔融浸渍装置。

背景技术

在长纤维及连续纤维增强树脂基复合材料熔融浸渍技术中，为了实现良好的纤维分散和浸渍，浸渍模腔内采用类似正弦曲线的弯曲浸渍流道、波浪型的浸渍流道、改进的弯曲流道浸渍模头等。所用的浸渍装置中都具有一定的储料室，并由挤出机来持续供应补充树脂熔体。牵引纤维经过浸渍装置时，纤维四周全部为聚合物熔体所包围。在实际的生产中，由于纤维的牵引速度较快，纤维的运动速度和熔体的流动速度存在一定速度差。接触纤维的熔体部分的速度最大，远离纤维的熔体部分的速度最小，熔体内部存在较高的速度梯度，从而形成剪切场,如图1所示，这种剪切场产生的黏性作用会造成纤维束从外到内、从局部小范围到大面积的断裂过程，致使生产出现不稳定，特别是高速生产时，甚至会出现纤维全部断裂而停机的情况。

另外，为了减小剪切场的影响并实现纤维束更好的浸渍，有时会将挤出机转速适当提高，但过高的挤出机挤出速度会造成浸渍装置过度溢料，不仅会影响纤维束在装置入口处的展宽，也影响在装置出口处预浸料的质量。

发明内容

本发明的目的是解决目前由于弯曲流道熔腔内存在剪切场，导致纤维束极易断裂，严重影响纤维增强复合材料生产效率和制品性能的技术问题。

为实现以上发明目的，本发明提供一种降低纤维断裂率的熔融浸渍装置，包括下模板、上模板和流道高度自动调节装置；

所述下模板和上模板围合成的空间构成弯曲流道熔腔；

所述流道高度自动调节装置用于调节所述弯曲流道熔腔的高度，以适应不同的纤维运动速度和熔体流动速度，消除所述弯曲流道熔腔内的剪切场。

该流道高度自动调节装置能够控制上模板的上下位移，从而对上模板与下模板之间的间隙量ΔH进行控制，ΔH符合如下表达式：

其中，ΔH为需要调节的上模板和下模板之间的间隙量，mm；H为上模板底面初始位置高度，mm；Q为生产线总产量，kg/h；F为预浸料的纤维质量含量；ρ为熔体密度为，g/cm3；U为料条牵引速度，m/min；W为弯曲流道熔腔的宽度，mm。

优选地，所述流道高度自动调节装置包括：竖立于所述下模板的各角的多个支架；分设于所述多个支架顶部的多个电机；与各所述电机连接的多个丝杠；各所述丝杠上分别设置有滚珠滑块和电机控制器；所述电机控制器的控制信号输出端分别连接至所述电机的控制信号输入端；所述电机控制器能够控制各所述电机转动，从而驱动各所述丝杠同步旋转，进而使各所述滚珠滑块同步进行上下垂直运动来调节所述上模板的高度，使所述弯曲流道熔腔的高度发生变化。

优选地，所述支架上标有刻度，所述刻度的范围为0-50mm，所述下模板顶面位置对应零刻度标线。

优选地，所述W由下式确定：

0.9C×m≤W≤1.1C×m；

其中，C为单束纤维展开宽度，mm；m为连续挤出料条的根数。

优选地，所述弯曲流道熔腔中流道的弯曲半径为10-80mm，每段弯曲弧对应角度为30-120°，流道中设置弯曲弧3-10个。

根据本发明的另一个方面，所述流道高度自动调节装置包括竖立于所述下模板各角的多个支架、分设于所述支架顶部的多个电机、与各所述电机连接的多个蜗杆、各所述蜗杆上旋有的齿条滑块和电机控制器，所述电机控制器的控制信号输出端分别连接至各所述电机的控制信号输入端，各所述齿条滑块分别固定于所述上模板的各角；所述电机控制器控制各所述电机转动，从而驱动各所述蜗杆同步旋转，进而使各所述齿条滑块同步进行上下垂直运动来调节所述上模板的高度，使所述弯曲流道熔腔的高度发生变化。

根据本发明的再一个方面，所述流道高度自动调节装置包括竖立于所述下模板各角的多个支架、分设于所述支架顶部的多个液压泵、与各所述液压泵通过电磁换向阀及节流阀连接的多个长圆柱形液压缸、各所述长圆柱形液压缸内的液压缸活塞和控制器，所述控制器的控制信号输出端分别连接至多个所述电磁换向阀的控制信号输入端，各所述液压缸活塞分别固定于所述上模板的各角；所述控制器控制各所述电磁换向阀导通，从而使各所述液压泵分别驱动各所述长圆柱形液压缸内的流体流动，进而驱动各所述液压缸活塞同步进行上下垂直运动来调节所述上模板的高度，使所述弯曲流道熔腔的高度发生变化。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明能根据产量、料条牵引速度和弯曲流道熔腔的宽度等参数自动调整弯曲流道熔腔的高度，纤维的运动速率和熔体的流动速率同步，即不存在速度差，从而消除纤维所受的剪切场，在保证不溢料的情况下可有效降低纤维在浸渍装置中的断裂率，大大提高复合材料的生产效率及产品质量；可根据不同的生产要求快速准确地调节出合理的弯曲流道熔腔的高度，避免装置的反复调换，提高生产效率。

附图说明

图1是本发明的熔融浸渍装置内剪切场示意图；

图2是本发明的熔融浸渍装置的整体结构示意图；

图3是本发明的熔融浸渍装置的下模板结构示意图；

图4是熔融浸渍装置内部型腔流道参数示意图；

图5是熔融浸渍相关参数示意图。

图中，下模板1；上模板2；支架3；电机4；电机控制器5；滚珠滑块6；丝杠7。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图2和3所示，本发明的降低纤维断裂率的熔融浸渍装置，包括下模板1、上模板2、支架3、电机4、电机控制器5、滚珠滑块6和丝杠7，其中支架3上标有刻度，下模板1顶面位置对应零刻度，刻度范围为0-50mm。支架3、电机4、电机控制器5、滚珠滑块6和丝杠7构成装置高度自动调节装置。所述流道高度自动调节装置用于调节所述弯曲流道熔腔的高度，以适应不同的纤维运动速度和熔体流动速度，消除所述弯曲流道熔腔内的剪切场。

下模板1与上模板2配合构成弯曲流道熔腔，浸渍装置内部弯曲流道熔腔参数如图4所示，装置内部弯曲流道熔腔高度值与装置外部间隙值相等，同为H。流道弯曲半径为10-80mm，每段弯曲弧长对应角度为30-120°之间，流道中设置弯曲弧长个数为3-10。

在本发明的一个实施例中，所述流道高度自动调节装置包括竖立于所述下模板1四角的支架3、分设于所述支架3顶部的四台电机4、与各所述电机4的输出轴通过联轴器连接的四根丝杠7、各所述丝杠7上旋有的滚珠滑块6和电机控制器5。所述电机控制器5的控制信号输出端分别连接至四台所述电机4的控制信号输入端，各所述滚珠滑块6分别固定于所述上模板2的四角。所述电机控制器5控制各所述电机4转动，从而驱动各所述丝杠7同步旋转，进而使各所述滚珠滑块6同步进行上下垂直运动来调节所述上模板2的高度，使所述弯曲流道熔腔的高度发生变化。

所述电机控制器输出的控制信号为位移信号ΔH，具体地，电机控制器5内置关于位移信号ΔH的以下算法：表达式如下：

其中，ΔH为上模板2和下模板1之间需要调节的间隙量，mm；H为上模板2底面初始位置所对应的支架3的初始刻度值，mm；生产线总产量Q(kg/h)根据设备生产能力确定；预浸料的纤维质量含量F根据所生产的预浸带平均纤维质量含量确定，其值在10％-70％之间可调；熔体密度为ρ(g/cm³)，根据树脂参数确定，树脂包括但不局限于聚烯烃、尼龙、聚酯、POE、PEEK等热塑性和热固性塑料原料；料条牵引速度U(m/min)，由牵引机设定牵引速度大小，其值在1m/min-100m/min之间可调；W(mm)为弯曲流道熔腔宽度。

参见图5，所述W由下式确定：

0.9C×m≤W≤1.1C×m； (2)

其中，C为单束纤维展开宽度，mm；m为连续挤出料条的根数。

操作者将上述参量值通过输入面板输入电机控制器5并运行，电机控制器5即依据式(1)的运算结果控制电机4旋转相应角度，驱动上模板2垂直移动ΔH距离，ΔH为正时，电机5正转驱动上模板2抬高相应距离，ΔH为负时，电机5反转驱动上模板2下降相应距离。

本装置工作时，首先确定生产中已知的相关物性参数和工艺参数，包括连续浸渍生产线总产量Q(kg/h)；颗粒料的玻纤质量含量F；熔体密度ρ(g/cm³)；料条牵引速度U(m/min)；弯曲流道熔腔宽度W(mm)。

根据装置所满足的关系计算出浸渍装置内部弯曲流道熔腔宽度W，之后将各参数值输入电机控制器5，电机控制器5根据上述内置算法控制电机5驱动滚珠丝杠副将上模板2调节到合适的高度。

作为一种变换，图2所示实施例中的滚珠丝杠副可由蜗轮蜗杆副来替代，即，丝杠7可替换为蜗杆，滚珠模块6可替换为类似蜗轮的齿条滑块，弯曲流道熔腔高度的调节过程与图2所示的实施例相同。

作为另一种变换，图2所示实施例中的电机4、电机控制器5和滚珠丝杠副可由液压***来替代，即，电机4可替换为液压泵，电机控制器5可替换为控制器，滚珠丝杠副可替换为长圆柱形液压缸和缸内活塞的组合，四个液压泵设于支架3顶部，各液压泵分别通过电磁换向阀及节流阀连接至四个长圆柱形液压缸，各长圆柱形液压缸内设有液压缸活塞，控制器的控制信号输出端分别连接至四个电磁换向阀的控制信号输入端，各液压缸活塞分别固定于上模板2的四角；控制器控制各电磁换向阀导通，从而使各液压泵分别各长圆柱形液压缸内的流体流动，进而驱动各液压缸活塞同步进行上下垂直运动来调节上模板2的高度，使所述弯曲流道熔腔的高度发生变化。

采用本发明进行玻纤增强聚丙烯生产的实例1：

在玻纤增强聚丙烯生产中，要求生产线总产量Q为500kg/h；料条牵引速度U为50m/min；预浸带玻纤含量F要求45％左右；所用装置内部弯曲流道熔腔宽度W为60mm。当现有上模板2底面初始位置为0.5mm时，输入相应参量后，电机控制器5根据式(2)的运算结果为+1.2，流道高度自动调节装置驱动上模板2抬高1.2mm。实验测得预浸料纤维含量44.87％，纤维断裂率0.83％，单向预浸带模压所得样品层间剪切强度32.56MP，弯曲强度362.13MP。

采用本发明进行玻纤增强尼龙66生产的实例2：

在玻纤增强尼龙66生产中，要求连续浸渍生产线总产量为450kg/h；料条牵引速度U为30m/min；颗粒料的玻纤含量F要求50％左右；尼龙66熔体密度ρ为1.15g/cm3；所用装置内部弯曲流道熔腔宽度W为80mm。当现有上模板2底面初始位置为3mm时，输入相应参量后，电机控制器5根据式(2)的运算结果为-1.7，流道高度自动调节装置驱动上模板2降低1.7mm。实验测得预浸料纤维含量50.27％，纤维断裂率1.02％，预浸条切粒注塑后样品弯曲强度为345.47MPa,缺口冲击强度为302.64J/m。

对比例1：

其他条件同实例1，不同之处在于上模板2底面位置保持初始值0.5mm，未采用流道高度自动调节装置进行调节。实验测得预浸料纤维含量48.96％，纤维断裂率4.69％，单向预浸带模压所得样品层间剪切强度29.03MP，弯曲强度359.93MP。

对比例2：

其他条件同实例2，不同之处在于上模板2底面位置保持初始值3mm，未采用流道高度自动调节装置进行调节。实验测得预浸料纤维含量48.73％，纤维断裂率5.37％。预浸条切粒注塑后样品弯曲强度为339.21MPa,缺口冲击强度为289.45J/m。

由此可见，采用本发明的两个生产实例相对于采用传统装置的两个对比例，生产出来的材料的纤维断裂率大大降低。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (9)

1.一种降低纤维断裂率的熔融浸渍装置，包括下模板、上模板,所述下模板和上模板围合成的空间构成弯曲流道熔腔，其特征在于：所述熔融浸渍装置包括流道高度自动调节装置，该流道高度自动调节装置能够控制上模板的上下位移，

从而对上模板与下模板之间的间隙量ΔH进行控制，ΔH符合：

$\mathrm{\Δ}H=\frac{Q(1-F)\×1000}{60U\mathrm{\ρ}W}-H;$

其中，ΔH为需要调节的上模板和下模板之间的间隙量，mm；H为上模板底面初始位置高度，mm；Q为生产线总产量，kg/h；F为预浸料的纤维质量含量；ρ为熔体密度为，g/cm3；U为料条牵引速度，m/min；W为弯曲流道熔腔的宽度，mm。

2.根据权利要求1所述的降低纤维断裂率的熔融浸渍装置，其特征在于，所述流道高度自动调节装置包括：竖立于所述下模板的各角的多个支架；分设于所述多个支架顶部的多个电机；与各所述电机连接的多个丝杠；各所述丝杠上分别设置有滚珠滑块和电机控制器；所述电机控制器的控制信号输出端分别连接至所述电机的控制信号输入端；所述电机控制器能够控制各所述电机转动，从而驱动各所述丝杠同步旋转，进而使各所述滚珠滑块同步进行上下垂直运动来调节所述上模板的高度，使所述弯曲流道熔腔的高度发生变化。

3.根据权利要求2所述的降低纤维断裂率的熔融浸渍装置，其特征在于，所述支架上标有刻度，所述刻度的范围为0-50mm，所述下模板顶面位置对应零刻度标线。

4.根据权利要求1所述的降低纤维断裂率的熔融浸渍装置，其特征在于，所述W由下式确定：

0.9C×m≤W≤1.1C×m；

其中，C为单束纤维展开宽度，mm；m为连续挤出料条的根数。

5.根据权利要求1-4任一项所述的降低纤维断裂率的熔融浸渍装置，其特征在于，所述弯曲流道熔腔中流道的弯曲半径为10-80mm，每段弯曲弧对应角度为30-120°，流道中设置弯曲弧3-10个。

6.根据权利要求1所述的降低纤维断裂率的熔融浸渍装置，其特征在于，所述流道高度自动调节装置包括竖立于所述下模板各角的多个支架、分设于所述支架顶部的多个电机、与各所述电机连接的多个蜗杆、各所述蜗杆上旋有的齿条滑块和电机控制器，所述电机控制器的控制信号输出端分别连接至各所述电机的控制信号输入端，各所述齿条滑块分别固定于所述上模板的各角；所述电机控制器控制各所述电机转动，从而驱动各所述蜗杆同步旋转，进而使各所述齿条滑块同步进行上下垂直运动来调节所述上模板的高度，使所述弯曲流道熔腔的高度发生变化。

7.根据权利要求6所述的降低纤维断裂率的熔融浸渍装置，其特征在于，所述支架上标有刻度，所述刻度的范围为0-50mm，所述下模板顶面位置对应零刻度标线。

8.根据权利要求1所述的降低纤维断裂率的熔融浸渍装置，其特征在于，所述流道高度自动调节装置包括竖立于所述下模板各角的多个支架、分设于所述支架顶部的多个液压泵、与各所述液压泵通过电磁换向阀及节流阀连接的多个长圆柱形液压缸、各所述长圆柱形液压缸内的液压缸活塞和控制器，所述控制器的控制信号输出端分别连接至多个所述电磁换向阀的控制信号输入端，各所述液压缸活塞分别固定于所述上模板的各角；所述控制器控制各所述电磁换向阀导通，从而使各所述液压泵分别驱动各所述长圆柱形液压缸内的流体流动，进而驱动各所述液压缸活塞同步进行上下垂直运动来调节所述上模板的高度，使所述弯曲流道熔腔的高度发生变化。

9.根据权利要求8所述的降低纤维断裂率的熔融浸渍装置，其特征在于，所述支架上标有刻度，所述刻度的范围为0-50mm，所述下模板顶面位置对应零刻度标线。