CN109366852A - 一种复合材料托辊的制备工艺及注塑设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合材料托辊的制备工艺，所述复合材料托辊是以聚丙烯为基体材料，以纤维为增强材料，利用注塑设备直接在线混炼而成。本发明还公开了一种用于制造所述托辊的注塑设备，所述设备包括塑化料筒，塑化料筒的端部设置有喷嘴，塑化料筒内设有可旋转的注塑机单螺杆，注塑机单螺杆分为加料段、压缩段和均化段三部分，在单螺杆加料段设置有加料斗，压缩段后端设置有长纤维双螺杆强制喂料结构。本发明利用专用的注塑设备制备的复合材料托辊，在耐磨性、耐温性、机械强度等方面都有很大提高，而且保证了纤维的长度，使纤维与聚合物料粒混合均匀，得到的产品力学性能大幅提升。

Description

一种复合材料托辊的制备工艺及注塑设备
【技术领域】
本发明涉及复合材料领域，具体涉及一种复合材料托辊的制备工艺及注塑设备。
【背景技术】
托辊是带式输送机的关键部件之一，主要作用是支撑输送带和重物，约占整机重量的30％～40％，占整机价格的20％～30％。目前常用托辊分为钢质托辊和非金属托辊。传统的钢制托辊，在使用过程中很容易因化学腐蚀而使管体与轴承座脱开，从而丧失密封作用，导致轴承卡壳。钢制托辊的耐磨性也有待提高，同时由于磨损产生毛刺易损坏皮带。非金属托辊的材质有超高分子量聚乙烯、尼龙、PTS、PVC、聚氨酯等，具有质量轻、耐腐蚀、抗冲击、高速运行噪音低等显著优点，但单一材料的刚性差、耐温范围窄、易老化等缺点又限制了其应用范围。目前市场上迫切需要研发性能优良、价格适宜、使用寿命长的新型高性能聚合物基复合材料来代替钢材、塑料制造托辊，这是该领域内研究的重要课题，也是今后发展的主要方向。
注塑是热塑性塑料成型制造的一种重要方法，而注塑螺杆又是螺杆式注塑装置塑化部件中的关键零部件，它在注塑机的机筒内旋转，主要作用就是将固态的塑胶粒子或塑胶粉末进行输送、压实、熔融塑化、均匀、储存计量。
纤维增强热塑性塑料(LFT)具有强度高、质量轻、耐腐蚀等优点，且纤维长度越高材料性能越优异，但在现有的注塑工艺中，由于注塑机螺杆对纤维的撕裂不可避免，且存在纤维与聚合物料粒混合不均匀的问题，导致LFT产品纤维长度短，强度也有待提高。
【发明内容】
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于，提供一种耐磨、耐腐蚀、性能优良的纤维在线增强的复合材料托辊及其制备工艺，并提供一种用于制造所述托辊的长纤维在线混炼专用注塑设备。
为了实现上述技术效果，本发明采用如下技术方案：一种复合材料托辊的制备工艺，具体是以聚丙烯为基体材料、纤维为增强材料，配合以助剂，利用专用的注塑设备直接在线混炼而成，具体包括如下步骤：
(1)将聚丙烯与助剂按比例混合后通过注塑设备的加料斗进入塑化料筒，调节塑化料筒内的温度及注塑机单螺杆的转速，使聚丙烯与助剂在注塑机单螺杆的搅拌下完全熔融；
(2)将连续长纤维在单螺杆压缩段的后端加入进塑化料筒，使之与塑化料筒内的熔融聚合物料粒进行融合，调节塑化料筒内的温度及注塑机单螺杆的转速；
(3)纤维与聚合物完全混合均匀后通过塑化料筒的喷嘴直接喷出，进入注塑机注塑成型。
所述复合材料中聚丙烯与纤维和助剂的重量比为：(5-7):(2-4):1；优选的，所述聚丙烯、纤维与助剂的重量比为7:2:1或6:3:1。
所述纤维可以是玻璃纤维或碳纤维，纤维含量为20％-40％。
所述助剂可以是马来酸酐接枝PP、弹性体POE、抗氧化剂、阻燃剂、色母粒，各助剂的质量比为：4:2:1:1:2。
所述步骤(1)和步骤(2)中塑化料筒内的温度均为180-240℃，注塑机单螺杆转速均为120-180r/min。
一种用于制备上述托辊的注塑设备，包括塑化料筒，所述塑化料筒的端部设置有喷嘴，塑化料筒内设有可旋转的注塑机单螺杆，所述注塑机单螺杆分为加料段、压缩段和均化段三部分，在单螺杆加料段设置有加料斗，压缩段后端设置有长纤维双螺杆强制喂料结构。
优选的，所述注塑机单螺杆采用大扭矩、大长径比，长径比L/D为(22-28):1。
优选的，所述注塑机单螺杆加料段、压缩段和均化段三部分的长度相同。
优选的，所述长纤维双螺杆强制喂料结构，包括喂料机筒、设置在喂料机筒内的双螺杆，设置在喂料机筒上端侧面双螺杆之间的进料口，设置在双螺杆上端的电机，所述电机主轴与双螺杆的上端相固联；所述双螺杆下端与横向单螺杆相切，保证垂直双螺杆与横向单螺杆互不干扰；所述纤维通过进料口进入喂料机筒，电机带动双螺杆转动，使纤维垂直强制性喂入塑化料筒内。
优选的，为了防止溢料，所述双螺杆喂料机筒内的背压为2-4MPa，横向单螺杆塑化料筒内的背压为1-3MPa。
本发明的有益效果：所述复合材料托辊以聚丙烯为基体材料、纤维为增强材料，既兼具了塑料的轻量、钢材的高强，又融合了纤维的电性能、耐温性能、机械强度等优点。另外，使用所述长纤维在线混炼专用注塑设备，保证了纤维的长度，使纤维与聚合物料粒混合均匀，得到的产品力学性能大幅提升。
【附图说明】
图1是本发明注塑设备的主视图；
图中：1塑化料筒、2加料斗、4注塑机单螺杆、5喷嘴、31进料口、32电机、33喂料机筒、34双螺杆、L1加料段、L2压缩段、L3均化段
【具体实施方式】
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，本发明用以下具体实施例进行说明，但绝非仅限于此。以下所述为本发明较好的实施例，仅仅用于描述本发明，不能理解为对本发明的限制，应当指出的是在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。
实施例1成型30％纤维含量的复合材料托辊
(1)将聚丙烯60％、马来酸酐接枝PP 4％、弹性体POE 2％、抗氧化剂1％、阻燃剂1％、色母粒2％，混合后通过加料斗2加入塑化料筒1内，调节塑化料筒1内的温度为210℃，注塑机单螺杆4的转速为150r/min，在注塑机单螺杆4的搅拌下混合成熔融聚合物料粒；
(2)将30％的连续长玻璃纤维通过长纤维双螺杆强制喂料结构的进料口31进入喂料机筒33，通过电机32带动双螺杆34运行，使纤维垂直强制性喂入塑化料筒1内，与塑化料筒1内的熔融聚合物料粒进行融合，调节塑化料筒1内的温度为210℃，注塑机单螺杆4的转速为150r/min，使纤维与聚合物完全混合均匀；
(3)纤维与聚合物完全混合均匀后通过塑化料筒1的喷嘴5直接喷出，进入注塑机注塑成型。
本发明产品与常规产品性能对比见下表：
表1本发明实施例的复合材料托辊与普通尼龙托辊性能对比
检测项目 普通尼龙托辊 实施例1
密度(g/cm<sup>3</sup>) 1.20-1.22 0.8
拉伸强度(Mpa) 49-57 128
与45#钢对磨，耐磨系数 0.06-0.08 0.15
长期耐热温度(℃) 73-78 230
表2本发明实施例的复合材料与传统LFT-D产品性能对比
由表1可知，本发明制得的托辊与普通托辊相比，在耐磨性、拉伸强度上均有很大改善，在保证托辊性能的同时能够有效减轻托辊的重量；由表2可知，本发明注塑设备制得的复合材料性能明显优于普通注塑机制得的复合材料。
实施例2成型40％纤维含量的复合材料托辊
(1)将聚丙烯55％、马来酸酐接枝PP 2％、弹性体POE 1％、抗氧化剂0.5％、阻燃剂0.5％、色母粒1％，混合后通过加料斗2加入塑化料筒1内，调节塑化料筒1内的温度为220℃，注塑机单螺杆4的转速为160r/min，在注塑机单螺杆4的搅拌下混合成熔融聚合物料粒；
(2)将40％的连续长玻璃纤维通过长纤维双螺杆强制喂料结构的进料口31进入喂料机筒33，通过电机32带动双螺杆34运行，使纤维垂直强制性喂入塑化料筒1内，与塑化料筒1内的熔融聚合物料粒进行融合，调节塑化料筒1内的温度为200℃，注塑机单螺杆4的转速为160r/min，使纤维与聚合物完全混合均匀。
(3)纤维与聚合物完全混合均匀后通过塑化料筒1的喷嘴5直接喷出，进入注塑机注塑成型。
本发明产品与常规产品性能对比见下表：
表3本发明实施例的复合材料托辊与普通尼龙托辊性能对比
检测项目 普通尼龙托辊 实施例1
密度(g/cm<sup>3</sup>) 1.20-1.22 0.6
拉伸强度(Mpa) 49-57 145
与45#钢对磨，耐磨系数 0.06-0.08 0.17
长期耐热温度(℃) 73-78 240
表4本发明实施例的复合材料与传统LFT-D产品性能对比
由表3可知，本发明制得的托辊与普通托辊相比，在耐磨性、拉伸强度上均有很大改善，在保证托辊性能的同时能够有效减轻托辊的重量；由表4可知，本发明注塑设备制得的复合材料性能明显优于普通注塑机制得的复合材料。
实施例3成型20％纤维含量的复合材料托辊
(1)将聚丙烯70％、马来酸酐接枝PP 4％、弹性体POE 2％、抗氧化剂1％、阻燃剂1％、色母粒2％，混合后通过加料斗2加入塑化料筒1内，调节塑化料筒1内的温度为240℃，注塑机单螺杆4的转速为120r/min，在注塑机单螺杆4的搅拌下混合成熔融聚合物料粒；
(2)将20％的连续长碳纤维通过长纤维双螺杆强制喂料结构的进料口31进入喂料机筒33，通过电机32带动双螺杆34运行，使纤维垂直强制性喂入塑化料筒1内，与塑化料筒1内的熔融聚合物料粒进行融合，调节塑化料筒1内的温度为240℃，注塑机单螺杆4的转速为120r/min，使纤维与聚合物完全混合均匀。
(3)纤维与聚合物完全混合均匀后通过塑化料筒1的喷嘴5直接喷出，进入注塑机注塑成型。
本发明产品与常规产品性能对比见下表：
表5本发明实施例的复合材料托辊与普通尼龙托辊性能对比
检测项目 普通尼龙托辊 实施例1
密度(g/cm<sup>3</sup>) 1.20-1.22 1.0
拉伸强度(Mpa) 49-57 113
与45#钢对磨，耐磨系数 0.06-0.08 0.12
长期耐热温度(℃) 73-78 200
表6本发明实施例的复合材料与传统LFT-D产品性能对比
由表5可知，本发明制得的托辊与普通托辊相比，在耐磨性、拉伸强度上均有很大改善，在保证托辊性能的同时能够有效减轻托辊的重量；由表6可知，本发明注塑设备制得的复合材料性能明显优于普通注塑机制得的复合材料。
实施例4成型35％纤维含量的复合材料托辊
(1)将聚丙烯50％、马来酸酐接枝PP 6％、弹性体POE 3％、抗氧化剂1.5％、阻燃剂1.5％、色母粒3％，混合后通过加料斗2加入塑化料筒1内，调节塑化料筒1内的温度为180℃，注塑机单螺杆4的转速为160r/min，在注塑机单螺杆4的搅拌下混合成熔融聚合物料粒；
(2)将35％的连续长碳纤维通过长纤维双螺杆强制喂料结构的进料口31进入喂料机筒33，通过电机32带动双螺杆34运行，使纤维垂直强制性喂入塑化料筒1内，与塑化料筒1内的熔融聚合物料粒进行融合，调节塑化料筒1内的温度为180℃，注塑机单螺杆4的转速为160r/min，使纤维与聚合物完全混合均匀。
(3)纤维与聚合物完全混合均匀后通过塑化料筒1的喷嘴5直接喷出，进入注塑机注塑成型。
本发明产品与常规产品性能对比见下表：
表7本发明实施例的复合材料托辊与普通尼龙托辊性能对比
检测项目 普通尼龙托辊 实施例1
密度(g/cm<sup>3</sup>) 1.20-1.22 0.7
拉伸强度(Mpa) 49-57 128
与45#钢对磨，耐磨系数 0.06-0.08 0.16
长期耐热温度(℃) 73-78 230
表8本发明实施例的复合材料与传统LFT-D产品性能对比
由表7可知，本发明制得的托辊与普通托辊相比，在耐磨性、拉伸强度上均有很大改善，在保证托辊性能的同时能够有效减轻托辊的重量；由表8可知，本发明注塑设备制得的复合材料性能明显优于普通注塑机制得的复合材料。

Claims (9)

1.一种复合材料托辊的制备工艺，其特征在于，所述复合材料托辊是以聚丙烯为基体材料，以纤维为增强材料，配合以助剂，利用专用的注塑设备直接在线混炼而成，具体包括如下步骤：
(1)将聚丙烯与助剂按比例混合后通过注塑设备的加料斗进入塑化料筒，使聚丙烯与助剂在单螺杆的搅拌下完全熔融；
(2)将连续长纤维在单螺杆压缩段的后端加入进塑化料筒，使之与塑化料筒内的熔融聚合物料粒进行融合；
(3)纤维与聚合物完全混合均匀后通过塑化料筒的喷嘴直接喷出，进入注塑机注塑成型。
2.根据权利要求1所述的复合材料托辊的制备工艺，其特征在于，所述复合材料中聚丙烯与纤维和助剂的质量比为(5-8):(2-4):1。
3.根据权利要求1所述的复合材料托辊的制备工艺，其特征在于，所述纤维可以是玻璃纤维或碳纤维，纤维含量为20％-40％。
4.根据权利要求1所述的复合材料托辊的制备工艺，其特征在于，所述助剂为马来酸酐接枝PP、弹性体POE、抗氧化剂、阻燃剂和色母粒。
5.根据权利要求1所述的复合材料托辊的制备工艺，其特征在于，所述步骤(1)和步骤(2)中塑化料筒内温度均为180-240℃，单螺杆转速均为120-180r/min。
6.用于制备权利要求1所述复合材料托辊的注塑设备，所述注塑设备包括塑化料筒，塑化料筒的端部设置有喷嘴，塑化料筒内设有可旋转的注塑机单螺杆，所述注塑机单螺杆分为加料段、压缩段和均化段三部分，在加料段设置有加料斗，其特征在于，在所述塑化料筒单螺杆压缩段后端设置有长纤维双螺杆强制喂料结构。
7.根据权利要求6所述的注塑设备，所述长纤维双螺杆强制喂料结构，包括喂料机筒、设置在喂料机筒内的双螺杆，设置在喂料机筒上端侧面双螺杆之间的进料口，设置在双螺杆上端的电机，所述电机主轴与双螺杆的上端相固联，其特征在于，所述双螺杆下端与注塑机单螺杆相切，保证垂直双螺杆与注塑机单螺杆互不干扰。
8.根据权利要求6所述的注塑设备，其特征在于，所述单螺杆采用大扭矩、大长径比，长径比L/D为(22-28):1，单螺杆加料段、压缩段、均化段三部分的长度相同。
9.根据权利要求6所述的注塑设备，其特征在于，所述双螺杆喂料机筒内的背压为2-4Mpa，注塑机单螺杆塑化料筒内的背压为1-3Mpa。
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