CN111361181A - 连续纤维布三维增强木塑复合材料的生产设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了连续纤维布三维增强木塑复合材料的生产设备，包括依次设置浸渍槽、第一固化装置、张力导向辊和共挤模具，其中，浸渍槽内设有用于盛放热固性树脂的浸渍腔；第一固化装置用于对浸渍热固性树脂后的纤维布进行固化；共挤模具具有第一孔、第二孔以及第三孔，第一孔沿水平方向设置，第二孔的轴线与第一孔的轴线呈夹角；张力导向辊用于调整纤维布进入第二孔的角度。本发明将热固性树脂浸渍纤维布完美的固定在木塑复合材料的近表层，增加了木塑复合材料的表面硬度及厚度方向的受热尺寸稳定性、抗压缩性能，增强了木塑复合材料水平面方向的拉伸性能、弯曲性能、抗冲击性能和抗蠕变性能。

Description

连续纤维布三维增强木塑复合材料的生产设备
技术领域
本发明涉及复合材料共挤出成型装置研究领域中的一种装置，特别是一种连续纤维布三维增强木塑复合材料的生产设备。
背景技术
木塑复合材料作为一种绿色环保复合材料，近年来在国际上得到迅速发展，被广泛运用在室内装饰、汽车内饰、室外园林景观等领域。由于热塑性聚合物复合材料固有的易蠕变特性和高木质纤维含量下木塑的易脆断缺点，使得这类材料的应用局限在室内外装饰和具有防腐防水功能的园林景观材料，而不适于对刚度和韧性要求较高的承重结构材料。采用连续纤维片材或纤维束，通过共挤成型或模压成型，可以实现木塑复合材料一定程度的增强和增韧。但由于增强纤维与木塑基体的界面相容性差及增强性能的单一性，增强纤维与木塑基体的界面相容性差，增强增韧效果非常有限，增强后的产品性能达不到承重材料的要求；用连续玻璃纤维增强热塑性塑料片材增强木塑材料时，热塑性片材受热融化易堵塞纤维进料口；制作工艺复杂，大多都采用多阶段成型方式，增加制作成本，降低材料性能的稳定性。
发明内容
本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种连续纤维布三维增强木塑复合材料的生产设备，热固性树脂浸渍的连续纤维布固定在木塑复合材料的近表层位置，使得生产更稳定，更适合长时间的不间断作业生产。
根据本发明的第一方面实施例，提供连续纤维布三维增强木塑复合材料的生产设备，包括依次设置浸渍槽、第一固化装置、张力导向辊和共挤模具，其中，
所述浸渍槽内设有用于盛放热固性树脂的浸渍腔；
所述第一固化装置用于对浸渍热固性树脂后的纤维布进行固化；
所述共挤模具具有供芯层木塑复合材料通过的第一孔、供纤维布通过的第二孔以及供表层木塑复合材料通过的第三孔，所述第一孔沿水平方向设置，所述第二孔的轴线与第一孔的轴线呈夹角；
所述张力导向辊用于调整纤维布进入第二孔的角度。
根据本发明第一方面实施例所述的连续纤维布三维增强木塑复合材料的生产设备，所述共挤模具设有排气孔，所述排气孔与第二孔连通。
根据本发明第一方面实施例所述的连续纤维布三维增强木塑复合材料的生产设备，所述浸渍槽前侧设置有用于喷射等离子体气流的气体喷嘴。
根据本发明第一方面实施例所述的连续纤维布三维增强木塑复合材料的生产设备，所述浸渍槽前侧设置有喷涂特定固化剂的流量喷嘴，所述流量喷嘴和浸渍槽之间设置有第二固化装置。
根据本发明第一方面实施例所述的连续纤维布三维增强木塑复合材料的生产设备，所述浸渍槽和第一固化装置之间依次设有流平刷和高压气嘴。
根据本发明第一方面实施例所述的连续纤维布三维增强木塑复合材料的生产设备，还包括设置在张力导向辊前侧的定厚辊。
根据本发明第一方面实施例所述的连续纤维布三维增强木塑复合材料的生产设备，所述定厚辊设置在第一固化装置内。
根据本发明第一方面实施例所述的连续纤维布三维增强木塑复合材料的生产设备，还包括四根定位辊，其中一根定位辊设置在浸渍槽前侧，一根定位辊设置在浸渍槽后，两根定位辊设置在浸渍槽内。
根据本发明第一方面实施例所述的连续纤维布三维增强木塑复合材料的生产设备，所述第一孔和第二孔的交汇处为第一交汇处，所述第三孔和第二孔的交汇处为第二交汇处，第一交汇处和第二交汇处沿芯层木塑复合材料移动的方向设置。
根据本发明第一方面实施例所述的连续纤维布三维增强木塑复合材料的生产设备，所述张力导向辊通过导轨滑块安装在共挤模具前。
本发明的有益效果是：
1、采用多层共挤出的流水线生产方式，将连续的热固性树脂浸渍纤维布完美的固定在木塑复合材料的近表层，即增加了木塑复合材料的表面硬度及厚度方向的受热尺寸稳定性、抗压缩性能，又增强了木塑复合材料水平面方向的拉伸性能、弯曲性能、抗冲击性能和抗蠕变性能，实现木塑复合材料的三维增强，使增强后的木塑复合材料能作为承重材料使用；
2、固化剂预埋的方式进行生产，使纤维布上的胶层从里开始固化，固化后的胶层缺陷更少，胶层的固化程度可控性更强；
3、增强后的木塑复合材料芯部木塑复合材料熔体和表层木塑复合材料熔体可透过完全固化纤维布上的网孔结合在一起，木塑复合材料在纤维布所有的网孔中形成贯穿钉结构，固定纤维网在木塑复合材料中的位置和状态，避免了界面问题的同时尽可能多的发挥出纤维网的增强作用。
4、在共挤模具内，热塑性树脂固化过程中产生的水蒸气从排气孔排出，防止浸渍纤维布在木塑基体中固化产生水蒸气，形成泡孔缺陷影响连续纤维布三维增强木塑复合材料的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。
图1是本发明实施例的结构示意图。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参照图1，连续纤维布三维增强木塑复合材料的生产设备，包括依次设置浸渍槽10、第一固化装置82、张力导向辊113和共挤模具14，其中，
所述浸渍槽10内设有用于盛放热固性树脂9的浸渍腔；
所述第一固化装置82用于对浸渍热固性树脂9后的纤维布进行固化；
所述共挤模具14具有供芯层木塑复合材料通过的第一孔17、供纤维布通过的第二孔18以及供表层木塑复合材料通过的第三孔15，所述第一孔17沿水平方向设置，所述第二孔18的轴线与第一孔17的轴线呈夹角；
所述张力导向辊113用于调整纤维布进入第二孔18的角度。
在共挤过程，芯部木塑复合材料熔体和表层木塑复合材料熔体可透过完全固化纤维布上的网孔结合在一起，使纤维布在复合材料中的位置和形态保持固定，并使芯层木塑复合材料和表层木塑复合材料贯穿为一个整体。固定纤维布在复合材料中的位置和形态，当复合材料受力时能充分发挥热固性环氧树脂浸渍纤维布的增强效果。
其中，纤维布为碳纤维布、玄武岩纤维布、玻璃纤维布、芳纶纤维布、棉纤维布、麻纤维布、竹纤维布、蚕丝纤维布、羊毛纤维布、兔毛纤维布、黏胶纤维布、涤纶纤维布、锦纶纤维布、腈纶纤维布、维纶纤维布、丙纶纤维布、氯纶纤维布和氨纶纤维布中的一种或不同纤维混合编织的纤维布。纤维布中的纤维为单根纤维或若干根纤维组成的纤维束。
热固性树脂9为不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂、呋喃树脂、聚丁二烯树脂和有机硅树脂中的至少一种。
第一固化装置82为红外干燥箱。
当然，纤维布可以在木塑复合材料单面进行共挤出，也可以在木塑复合材料的双面、三面或四面进行共挤出，纤维布的浸渍和输送根据具体的情况设置。而如图1所示，纤维布在木塑复合材料上进行双面共挤出，一面的纤维布对应配置一个浸渍槽10、一个第一固化装置82和一组张力导向辊113。
在一些实施例中，所述共挤模具14设有排气孔16，所述排气孔16与第二孔18连通。在共挤模具14内，热塑性树脂固化过程中产生的水蒸气从排气孔16排出，防止浸渍纤维布在木塑基体中固化产生水蒸气，形成泡孔缺陷影响连续纤维布三维增强木塑复合材料的性能。
在一些实施例中，所述浸渍槽10前侧设置有用于喷射等离子体气流的气体喷嘴6。纤维布是由多根紧密排列的纤维捻成束后编织而成，为提高纤维布被渗透性及其表面润湿性，用等离子体气流对纤维布进行松束及刻蚀处理。松束处理是用低温高速的等离子体气流近距离压迫纤维束段，局部的纤维束段因压迫拉伸变长而具备了松束的效果；刻蚀处理是利用等离子体中的离子、电子、自由基等作用在纤维表面，将纤维表面***糙，增大纤维的比表面积和表面活性，提高润湿性能。
在一些实施例中，所述浸渍槽10前侧设置有喷涂特定固化剂的流量喷嘴7，所述流量喷嘴7和浸渍槽10之间设置有第二固化装置81。具体的，流量喷嘴7和第二固化装置81设置在气体喷嘴6之后。经过松束及刻蚀处理的纤维束段，在它再次张紧之前经过流量喷嘴7喷涂上定量的特定固化剂，接着用第二固化装置81加热去除存留在纤维表面的小分子物质，使纤维束上的固化剂浓度呈现中心高表层低的分布形式。第二固化装置81优选为红外干燥箱。其中，特定固化剂为不饱和聚酯树脂固化剂、环氧树脂固化剂、酚醛树脂固化剂、三聚氰胺甲醛树脂固化剂、呋喃树脂固化剂、聚丁二烯树脂固化剂和有机硅树脂固化剂中的至少一种；所述的固化剂定量喷涂用流量阀控制。
在一些实施例中，所述浸渍槽10和第一固化装置82之间依次设有流平刷12和高压气嘴13。经浸渍槽10浸渍后的纤维布在预固化后，利用流平刷12使纤维布表面的树脂均匀分布，再用高压气嘴13去除堵塞纤维布网孔的树脂，最后通过控制第一固化装置82的加热温度实现浸渍纤维布的部分固化。
在一些实施例中，还包括设置在张力导向辊113前侧的定厚辊112。定厚辊112为一对定厚牵引辊，其中两根定厚牵引辊之间的厚度为固化后纤维布的厚度。
在一些实施例中，为了能更好把握固化后纤维布的厚度，所述定厚辊112设置在第一固化装置82内。具体的，可以通过调节定厚辊112在第一固化装置82中的位置进而调节定厚的效果。其中，固化后纤维布的厚度由两根定厚牵引辊之间的厚度和定位辊在第一固化装置82中的位置综合决定。具体的，在两根定厚牵引辊之间的厚度一定时，即两根定后牵引辊之间的距离相对确定，由于未固化的树脂在纤维布表面的自流平运动，使得当定厚辊112的位置向前移动时，固化后纤维布的整体厚度减小；定厚辊112的位置向后移动时，固化后纤维布的整体厚度增大。
在一些实施例中，还包括四根定位辊111，其中一根定位辊111设置在浸渍槽10前侧，一根定位辊111设置在浸渍槽10后，两根定位辊111设置在浸渍槽10内。四根定位辊111实现纤维布边浸渍边张紧。四根定位辊111、定厚辊112和张力导向辊113为输送纤维布的传动辊***。其中，边浸渍边张紧过程由定辊和张力导向辊113共同实现。浸渍纤维布定厚由传动辊***的传动速度、定厚牵引辊的定厚尺寸和固化剂预埋量共同决定；预固化程度控制在50％-80％左右。固化50％-80％的热固性环氧树脂浸渍纤维布具有较好的韧性，胶膜具有一定的强度，这样既能避免纤维布运行时树脂层的破坏，又能保证树脂在后期与木塑熔体复合时完全固化。
在一些实施例中，所述第一孔17和第二孔18的交汇处为第一交汇处，所述第三孔15和第二孔18的交汇处为第二交汇处，第一交汇处和第二交汇处沿芯层木塑复合材料移动的方向设置。在共挤过程，纤维布先在第一交汇处附在芯层木塑复合材料表面，在第二交汇处，表层木塑复合材料附在纤维布上，芯部木塑复合材料熔体和表层木塑复合材料熔体可透过完全固化纤维布上的网孔结合在一起，使纤维布在复合材料中的位置和形态保持固定，并使芯层木塑复合材料和表层木塑复合材料贯穿为一个整体。
在一些实施例中，所述张力导向辊113通过导轨滑块安装在共挤模具14前。其中，张力导向辊113是一对垂直于纤维布且位置可调的传动辊，通过调整张力导向辊113的位置来调整纤维布进入模具的角度，即导轨滑块能实现张力导向辊113沿垂直于纤维布的方向上下移动。
以下为基于本发明结构的木塑复合材料制作工艺：
S1、碳纤维布松束及刻蚀：碳纤维布是由多根紧密排列的纤维捻成束后编织而成，为提高碳纤维布被渗透性及其表面润湿性，用等离子体气流对碳纤维布进行松束及刻蚀处理。松束处理是用低温高速的等离子体气流近距离压迫碳纤维束段，局部的纤维束段因压迫拉伸变长而具备了松束的效果；刻蚀处理是利用等离子体中的离子、电子、自由基等作用在碳纤维表面，将纤维表面***糙，增大纤维的比表面积和表面活性，提高润湿性能；
S2、预埋固化剂：预埋固化剂是用经过松束及刻蚀处理的碳纤维束段，在它再次张紧之前经过流量喷嘴7喷涂上50g/㎡的对甲苯磺酸固化剂，接着用第二固化装置81加热去除存留在纤维表面的小分子物质；
S3、热固性酚醛树脂浸渍：热固性酚醛树脂浸渍是把经过S2的碳纤维布引入到装有热固性酚醛树脂的浸渍槽10中进行浸渍处理，碳纤维布在传动辊***的作用下实现边浸渍边张紧过程；
S4、浸渍碳纤维布预固化及定厚：浸渍碳纤维布预固化是在S3之后，利用流平刷12使碳纤维布表面的酚醛树脂均匀分布，再用高压气嘴13去除堵塞纤维布网孔的树脂，最后通过控制第一固化装置82的加热温度实现浸渍碳纤维布的部分固化；调节定厚辊112的定厚尺寸为3mm，来回调节定厚牵引辊在红外固化箱中的位置，使定厚尺寸误差在±0.2mm之间；预固化程度控制在60％；
S5、浸渍碳纤维布后期固化及木塑纤维布共挤：后期固化是在共挤模具14的第二孔18中完成，S4中的预固化碳纤维布由张力导向辊113导入共挤模具14中，在共挤模具14的第二孔18中受热实现完全固化，固化过程产生的水蒸气从模具块中的排气孔16排出；木塑纤维布共挤是将完全固化的上下两组热固性酚醛树脂浸渍纤维布在共挤模具14中的平直段与芯层木塑熔体汇合，随后再与共挤机挤出的上下表层木塑熔体汇合一起共挤形成连续纤维布三维增强木塑复合材料。把热固性酚醛树脂固化后的高硬度、高模量、优异热稳定性能与碳纤维布的高强度结合在一起对木塑复合材料基体进行增强，即增加了木塑复合材料的表面硬度及厚度方向的受热尺寸稳定性、抗压缩性能，又增强了木塑复合材料水平面方向的拉伸性能、弯曲性能、抗冲击性能和抗蠕变性能。
在步骤S5之后还有冷却定型、牵引和锯切步骤，冷却定型采用湿式外真空定型方式，热型坯从共挤模具14中出来后再进入到定型套中冷却，尽可能减小口模对熔体的阻力；牵引采用软模块摩擦牵引，避免牵引机压力对复合材料的压损破坏；锯切采用激光切割，避免切割过程对纤维布的破坏。冷却定型能减小口模对熔体表面的阻力，保证纤维布在木塑基体中挤出的顺畅及平整；软模块摩擦牵引增大牵引机与复合材料的接触面，增大牵引摩擦力的同时减小牵引机对复合材料表层及近表层的破坏；采用激光切割能避免锯切时刀具对纤维布的拉扯破坏，保证连续纤维布三维增强木塑复合材料性能的稳定性。
以上是对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.连续纤维布三维增强木塑复合材料的生产设备，其特征在于：包括依次设置浸渍槽、第一固化装置、张力导向辊和共挤模具，其中，
所述浸渍槽内设有用于盛放热固性树脂的浸渍腔；
所述第一固化装置用于对浸渍热固性树脂后的纤维布进行固化；
所述共挤模具具有供芯层木塑复合材料通过的第一孔、供纤维布通过的第二孔以及供表层木塑复合材料通过的第三孔，所述第一孔沿水平方向设置，所述第二孔的轴线与第一孔的轴线呈夹角；
所述张力导向辊用于调整纤维布进入第二孔的角度。
2.根据权利要求1所述的连续纤维布三维增强木塑复合材料的生产设备，其特征在于：所述共挤模具设有排气孔，所述排气孔与第二孔连通。
3.根据权利要求1所述的连续纤维布三维增强木塑复合材料的生产设备，其特征在于：所述浸渍槽前侧设置有用于喷射等离子体气流的气体喷嘴。
4.根据权利要求1或3所述的连续纤维布三维增强木塑复合材料的生产设备，其特征在于：所述浸渍槽前侧设置有喷涂特定固化剂的流量喷嘴，所述流量喷嘴和浸渍槽之间设置有第二固化装置。
5.根据权利要求1所述的连续纤维布三维增强木塑复合材料的生产设备，其特征在于：所述浸渍槽和第一固化装置之间依次设有流平刷和高压气嘴。
6.根据权利要求1所述的连续纤维布三维增强木塑复合材料的生产设备，其特征在于：还包括设置在张力导向辊前侧的定厚辊。
7.根据权利要求6所述的连续纤维布三维增强木塑复合材料的生产设备，其特征在于：所述定厚辊设置在第一固化装置内。
8.根据权利要求1所述的连续纤维布三维增强木塑复合材料的生产设备，其特征在于：还包括四根定位辊，其中一根定位辊设置在浸渍槽前侧，一根定位辊设置在浸渍槽后，两根定位辊设置在浸渍槽内。
9.根据权利要求1所述的连续纤维布三维增强木塑复合材料的生产设备，其特征在于：所述第一孔和第二孔的交汇处为第一交汇处，所述第三孔和第二孔的交汇处为第二交汇处，第一交汇处和第二交汇处沿芯层木塑复合材料移动的方向设置。
10.根据权利要求1所述的连续纤维布三维增强木塑复合材料的生产设备，其特征在于：所述张力导向辊通过导轨滑块安装在共挤模具前。
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