CN110271208A - 一种热塑性3d编织连续长纤维增强拉挤型材成型方法及设备 - Google Patents

一种热塑性3d编织连续长纤维增强拉挤型材成型方法及设备 Download PDF

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Abstract

一种热塑性3D编织连续长纤维增强拉挤型材成型方法及设备，涉及塑料型材加工领域，工艺流程包括：集束，3D编织，塑化挤出，纤维浸润，定型，成型，牵引和分切；能够有效解决传统工艺中，因为长纤维拉伸导致的受力不均匀，容易断裂的问题。并改善产品的外层结构，提高型材横向强度。

Description

一种热塑性3D编织连续长纤维增强拉挤型材成型方法及设备
技术领域
本发明涉及塑料型材加工领域，具体涉及一种热塑性3D编织连续长纤维增强拉挤型材成型方法及设备。
背景技术
塑料拉挤成型工艺主要用来生产复合材料产品，是复合材料业中应用最广泛的一项工艺。近些年来随着环境污染问题的日渐突出，采用拉挤工艺制造连续纤维增强的热塑性塑料复合材料，越来越多地受到业界广泛关注。
热塑性塑料经拉挤成型工艺处理后，具有较强的柔韧性和抗冲击性能，良好的抗破环能力，损伤容限高，可补塑，可焊接，生物相容性好，可回收，成型时无需固化反应，成型速度快及可以重复利用。尽管其具有上述多种优点，但迄今仍未获得普遍的商业应用。原因在于这种工艺受到以下缺点的制约：熔体黏度高，成型温度高，基体在室温下呈固态，需要精确控制冷却，熔体冷却时收缩率大，产品质量波动大等。
现有纤维浸渍方法还包括溶剂浸渍，具体将塑料原料利用一种或多种溶剂完全溶解，制得低黏度的溶液，并以此浸渍增强纤维。然而该工艺存在一些不足，如溶剂的蒸发和回收费用昂贵，且易污染环境；若溶剂清除不完全，在复合材料中常会形成气泡和空隙。
为了使热塑性材料的拉挤成型应用获得更广泛的应用，重要的任务是开发最合适的加工工艺、降低成本和提高质量。由于拉挤工艺本身是一种能够经济的连续生产复合材料的典型制造工艺，并且可以实现自动化连续生产及制品的用途广泛，所以该工艺在工业发达国家已受到普遍重视，发展速度很快。
发明内容
为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种热塑性3D编织连续长纤维增强拉挤型材成型方法，能够有效解决传统工艺中，因为长纤维拉伸导致的受力不均匀，容易断裂的问题。并改善产品的外层结构，提高型材横向强度。
一种热塑性3D编织连续长纤维增强拉挤型材成型方法，工艺流程包括：
1)集束：将丝架上的玻璃纤维通过集束架集中到一起；
2)3D编织：通过3D编织机将增强纤维编织为具有一定断面形状的丝束；
3)纤维预处理：将增强纤维丝束加热预处理，加热温度(100-120)℃，加热区输送速度(1-3)m/min；
4)塑化挤出：利用螺杆挤出机将热塑性塑料塑化熔融挤出；
5)纤维浸润：将连续的增强纤维均匀分散并预加张力，通过连续轮系使增强纤维在装有塑料原料的模具中浸渍；
6)定型：浸润后在硫化床的定型模中进行定型；
7)成型：利用真空水冷箱通过负压环境下喷淋水冷，使产品稳定成型；通过真空喷淋，产品成型快且不易变形，冷却水能够循环使用降低成本；
8)牵引和分切。
进一步，在步骤5)中，浸渍方法为熔融浸渍、溶剂浸渍、粉末浸渍或混杂无捻粗纱法。
优选的，在步骤5)中，浸渍方法为熔融浸渍，具体将熔融挤出的塑料原料注入模具浸渍增强纤维，并且将浸渍环境加压，和/或将塑料中混入低相对分子质量同类塑料或增塑剂。以进一步提高预处理后的增强纤维在塑料中的浸透性，使浸渍时纤维不易缠绕，且适用于各类热塑性树脂的塑材。
优选的，在步骤5)中，浸渍方法为粉末浸渍，具体将挤出的塑料原料制为树脂细粉，在硫化床中通过静电作用将树脂细粉吸附于纤维束中纤维单丝的表面，然后加热使粉末熔结在纤维表面，最后在成型过程中使纤维得以浸润。使加工过程不受树脂基体黏性的限制，高相对分子质量的聚合体能均匀分布到纤维中。这种工艺纤维损伤少，聚合物无降解，且具有成本低的潜在优势。更优选的，树脂粉末的粒径为(5～10)μm。
优选的，在步骤5)中，浸渍方法为混杂无捻粗纱法，具体将熔融挤出的塑料原料纺成树脂纤维或薄膜带，然后根据含胶量将增强纤维和树脂纤维束/薄膜带束紧密地合并成混纱，再通过高温密封浸渍区，将树脂纤维熔成基体。该法的优点是树脂含量易于控制，纤维能得到充分浸润。
优选的，在步骤6)中，在硫化床中通过静电吸附进行定型。
优选的，在步骤7)中，通过两组牵引机进行交替工作。当一批产品生产结束时，停止当前牵引的牵引机，换作另一组牵引机进行牵引，保持产品匀速牵引持续生产，避免间歇性生产导致产品变形。
本发明还提供一种适用于上述成型方法的热塑性拉挤型材成型设备，按工艺流程依次设置有集束装置、3D编织机、纤维预处理加热装置、螺杆挤出机、纤维浸润装置、硫化床、真空水冷箱、牵引机和分切机。
优选的，集束装置包括丝架和集束架，用于集束；纤维浸润装置包括浸渍模具；硫化床内设置有定型模；真空冷水箱内设置有成型模具。
优选的，所述3D编织机为立体编织机、圆编机或捻线机，更优选为立体编织机。本发明具体可采用商业化的立体编织机、圆编机或捻线机；立体编织机以半机械方式进行径向纱、轴向纱和缠绕纱的立体编织，形成圆柱形立体多向织物；捻线机是将多股细纱捻成一股圆柱形线材的纺织机械设备。
本发明所带来综合效果包括：
本发明方法及设备能够利用简单的工艺和装置设置，使增强纤维预先形成三维立体结构再进入树脂基材浸润，提高纤维在生产中的长纤维拉伸强度，避免生产及产品使用过程中的疲劳断裂。并且能够适用于各种热塑性树脂基材的拉挤成型，促进相应浸润工艺进一步发挥各种优点，提高纤维与基材立体结合紧密度，尤其保证产品的外层横向刚度和韧性，提高产品剪切承载力。
附图说明
图1是本发明实施例1的热塑性拉挤型材成型设备结构示意图。
其中，在附图中相同的部件用相同的附图标记；附图并未按照实际的比例绘制。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步说明本发明。
实施例1
一种热塑性3D编织连续长纤维增强拉挤型材成型方法，工艺流程包括：
1)集束：将丝架1上的玻璃纤维通过集束架2集中到一起；
2)3D编织：通过3D编织机3将增强纤维编织为具有一定断面形状的丝束；
3)纤维预处理：将增强纤维丝束加热预处理，加热温度120℃，加热区输送速度2m/min；
4)塑化挤出：利用螺杆挤出机6将热塑性塑料塑化熔融挤出；
5)纤维浸润：将连续的增强纤维均匀分散并预加张力，通过连续轮系使增强纤维在装有塑料原料的模具中浸渍；
6)定型：浸润后在硫化床8的定型模中进行定型；
7)成型：利用真空水冷箱9通过负压环境下喷淋水冷，使产品12稳定成型；通过真空喷淋，产品12成型快且不易变形，冷却水能够循环使用降低成本；
8)牵引和分切。
在步骤5)中，浸渍方法为熔融浸渍，具体将熔融挤出的塑料原料注入模具浸渍增强纤维，并且将浸渍环境加压，将塑料中混入低相对分子质量同类塑料。以进一步提高预处理后的增强纤维在塑料中的浸透性，使浸渍时纤维不易缠绕，且适用于各类热塑性树脂的塑材。
在步骤6)中，在硫化床8中通过静电吸附进行定型。
在步骤7)中，通过两组牵引机10进行交替工作。当一批产品12生产结束时，停止当前牵引的牵引机10，换作另一组牵引机10进行牵引，保持产品12匀速牵引持续生产，避免间歇性生产导致产品12变形。
本实施例所采用适用于上述成型方法的热塑性拉挤型材成型设备，如图1所示，依次包括集束装置、3D编织机3、工作台4、纤维预处理加热装置5、塑化挤出机6、纤维浸润装置7、硫化床8、真空水冷箱9、两组牵引机10和分切机11；
所述3D编织机3为立体编织机。如无特殊说明，3D编织机具体采用法国斯彼乐三维复合材料编织机。立体编织机以半机械方式进行径向纱、轴向纱和缠绕纱的立体编织，形成圆柱形立体多向织物。
本实施例设备设置有PLC控制装置13，通过PLC可以使整个工作过程协调统一，设置各个工作参数。
实施例2
本实施例采用实施例1所述工艺方法和设备进行实施，不同之处在于，
在步骤5)中，浸渍方法为粉末浸渍，具体将挤出的塑料原料制为树脂细粉，在硫化床中通过静电作用将树脂细粉吸附于纤维束中纤维单丝的表面，然后加热使粉末熔结在纤维表面，最后在真空水冷箱的成型过程中使纤维得以浸润。使加工过程不受树脂基体黏性的限制，高相对分子质量的聚合体能均匀分布到纤维中。这种工艺纤维损伤少，聚合物无降解，且具有成本低的潜在优势。树脂粉末的粒径为8μm。
实施例3
本实施例采用实施例1所述工艺方法和设备进行实施，不同之处在于，
在步骤5)中，浸渍方法为混杂无捻粗纱法，具体将熔融挤出的塑料原料纺成树脂纤维或薄膜带，然后根据含胶量将增强纤维和树脂纤维束/薄膜带束紧密地合并成混纱，再通过高温密封浸渍区，将树脂纤维熔成基体。该法的优点是树脂含量易于控制，纤维能得到充分浸润。
以上参考了优选实施例对本发明进行了描述，但本发明的保护范围并不限制于此，任何落入权利要求的范围内的所有技术方案均在本发明的保护范围内。在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。

Claims (10)

1.一种热塑性3D编织连续长纤维增强拉挤型材成型方法，其特征在于，工艺流程包括：
1)集束：将丝架上的玻璃纤维通过集束架集中到一起；
2)3D编织：通过3D编织机将增强纤维编织为具有一定断面形状的丝束；
3)纤维预处理：将增强纤维丝束加热预处理，加热温度(100-120)℃，加热区输送速度(1-3)m/min；
4)塑化挤出：利用螺杆挤出机将热塑性塑料塑化熔融挤出；
5)纤维浸润：将连续的增强纤维均匀分散并预加张力，通过连续轮系使增强纤维在装有塑料原料的模具中浸渍；
6)定型：浸润后在硫化床的定型模中进行定型；
7)成型：利用真空水冷箱通过负压环境下喷淋水冷，使产品稳定成型；通过真空喷淋，产品成型快且不易变形，冷却水能够循环使用降低成本；
8)牵引和分切。
2.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于：在步骤5)中，浸渍方法为熔融浸渍、溶剂浸渍、粉末浸渍或混杂无捻粗纱法。
3.根据权利要求2所述的成型方法，其特征在于：在步骤5)中，浸渍方法为熔融浸渍，具体将熔融挤出的塑料原料注入模具浸渍增强纤维，并且将浸渍环境加压，和/或将塑料中混入低相对分子质量同类塑料或增塑剂。
4.根据权利要求2所述的成型方法，其特征在于：在步骤5)中，浸渍方法为粉末浸渍，具体将挤出的塑料原料制为树脂细粉，在硫化床中通过静电作用将树脂细粉吸附于纤维束中纤维单丝的表面，然后加热使粉末熔结在纤维表面，最后在成型过程中使纤维得以浸润。
5.根据权利要求4所述的成型方法，其特征在于：树脂粉末的粒径为(5～10)μm。
6.根据权利要求2所述的成型方法，其特征在于：在步骤5)中，浸渍方法为混杂无捻粗纱法，具体将熔融挤出的塑料原料纺成树脂纤维或薄膜带，然后根据含胶量将增强纤维和树脂纤维束/薄膜带束紧密地合并成混纱，再通过高温密封浸渍区，将树脂纤维熔成基体。
7.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于：在步骤6)中，在硫化床中通过静电吸附进行定型，和/或
在步骤7)中，通过两组牵引机进行交替工作；当一批产品生产结束时，停止当前牵引的牵引机，换作另一组牵引机进行牵引，保持产品匀速牵引持续生产。
8.一种适用于如权利要求1-8中任一项所述成型方法的热塑性拉挤型材成型设备，按工艺流程依次设置有集束装置、3D编织机、纤维预处理加热装置、螺杆挤出机、纤维浸润装置、硫化床、真空水冷箱、牵引机和分切机。
9.根据权利要求8所述的成型设备，其特征在于：集束装置包括丝架和集束架，用于集束；纤维浸润装置包括浸渍模具；硫化床内设置有定型模；真空冷水箱内设置有成型模具。
10.根据权利要求8所述的成型设备，其特征在于：所述3D编织机为立体编织机、圆编机或捻线机；优选的，立体编织机以半机械方式进行径向纱、轴向纱和缠绕纱的立体编织，形成圆柱形立体多向织物；捻线机是将多股细纱捻成一股圆柱形线材的纺织机械设备。
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