长纤维增强热塑性塑料的生产设备和生产方法

专利名称：长纤维增强热塑性塑料的生产设备和生产方法
技术领域：
本发明涉及长纤维增强塑料的生产设备和生产方法，具体涉及一种能够充分将长纤维原纱分散的浸溃结构，同时也涉及了采用该结构的浸溃模头，以及使用该浸溃模头生产长纤维增强塑料的方法。
背景技术：
长纤维增强热塑性塑料(Long-FiberReinforce Thermoplastic),简称 LFT 是一种具有可设计性、低密度、高比强度、高比模量和抗冲击性强等特点，LFT热塑性塑料的出现对铝合金、纤维增强热固性复合材料构成了巨大挑战，LFT热塑性塑料也逐步成为制作汽车零部件的主流材料。在生产LFT的过程中，需要在挤出机头中将长纤维材料(比如玻璃纤维、碳纤维)的原纱进行分散成单丝以方便熔融的塑料能够充分对浸润，以便在整个浸溃过程结束后所挤出的LTF料条具有很好的性能，往往分散成单丝程度决定了最终LFT料条的质量和性能。现有生产LFT的技术中所使用的浸溃模头，如中国专利“一种连续长纤维增强热塑性树脂的成型方法及其成型设备”(公开号CN101152767A)中所公开的技术方案，采用布置多组张力辊，在引纱的过程中，使原纱依次交替穿过张力辊曲(此系该专利文件中用语， 且与我们专利无关，可以不改吗？)线前进，使原纱被张力辊不断分散，从而使其能够被熔融的塑料所浸润。但是这种技术方案，在高速牵引情况下容易起单丝折断，对熔融浸溃造成不稳定因素，同时张力辊不容易拆卸和维护。针对上述情况，中国专利“长纤维增强塑料生产用纤维丝束熔融浸溃模头及浸溃方法”(公布号CN 101695873A)为了解决上述技术方案出现的单丝折断的问题，其附加设置非接触导丝辊，使原纱从非接触导丝辊中穿出，该种技术方案，对单丝折断问题改善是有限的。上述两种技术方案，都采用单股原纱进入浸溃腔，利用张力辊来分散长纤维原纱， 为了使挤出的热塑性塑料料条内增强纤维达到一定的比例，一般采用号数较大(号数即为 tex值，)的原纱，一般号数范围在1200-2400tex之间，一根原纱中大概含有4000至5000 根单丝，如果需要达到良好的分散效果，往往需要较长的浸溃腔内设有多组张力辊进行多级分散，这样一来工作效率受到了很大限制。另外，由于张力辊只能使原纱在张力辊轴向方向上分散，也就是说通过张力辊的原纱仅在一个维度上散开，单丝散开有限，浸润效果没有最大化，而且在进行挤出成型时很难它们均匀地分布在料条截面空间内。

发明内容
为解决现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种能够充分将长纤维原纱分散的浸溃结构、采用该结构的浸溃模头以及使用该浸溃模头生产长纤维增强塑料的方法。为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案适用于长纤维熔融塑料浸溃的原纱分散结构，其特征在于，包括轴线相互平行的两个以上的进纱通孔，上述进纱通孔在与其轴向垂直的截面上以中心对称方式分布；还包括轴线通过上述进纱通孔对称中心的并与上述进纱通孔轴线平行的集纱通孔；还包括能够与通过上述进纱通孔和集纱通孔的原纱接触的具有凹凸外形的散纱核芯，该散纱核芯是由一平面曲线围绕着同一平面内仅与其相交于两点的一条直线旋转而形成的回转体，上述曲线为平滑曲线，上述直线通过上述进纱通孔的对称中心并与上述进纱通孔的轴线平行；还包括设置在上述散纱核芯表面两个凸起部分之间的凹陷处外围的并能环绕整个散纱核芯的导纱环，上述导纱环形成有向位于其中心的散纱核芯凸出的平滑的导纱接触面。前述的适用于长纤维熔融塑料浸溃的原纱分散结构，其特征在于，形成上述散纱核芯的曲线是抛物线、圆弧、椭圆弧、正弦曲线、余弦曲线、直线中的一种或多种的组合。利用前述的原纱分散结构的浸溃模头，包括浸溃流道，其特征在于，还包括与上述浸溃流道相通的一个以上的浸溃单元，上述浸溃单元包括两端贯通的浸溃腔，在上述浸溃腔的一端设有带有挤出孔的挤出端头盖，另一端设有带有上述进纱通孔和散纱核芯的进纱端头盖，上述浸溃腔内靠近上述挤出端头盖一侧设有带有上述集纱口的集纱口模；上述挤出孔和集纱通孔的轴线在一条直线上。前述的浸溃模头，其特征在于，上述浸溃腔内设有固定在上述浸溃腔一端的导纱环组件，上述的导纱环组件设有上述导纱环或导纱环组件部分本体形成上述导纱环。前述的浸溃模头，其特征在于，上述挤出端头盖的内壁和集纱口模的外壁形成有渐收的挤出流道。前述的浸溃模头，其特征在于，上述浸溃单元的数目为I至60，上述每个浸溃单元上设有的进纱通孔的数目为2至30。利用前述的浸溃模头生产长纤维增强热塑性塑料的方法，其特征在于，包括如下步骤
a、根据上述浸溃模头内浸溃单元的个数和每个浸溃单元进纱口的数目，将增强纤维原纱纱筒分别放置在对应的纱架上；
b、从增强纤维原纱纱筒引出的原纱经过一道以上的张力辊进行预分散；
C、对预分散后的增强纤维原纱进行预热；
d、预热后的各(此处不能用若干，权利要求中不能适用估计大约这样的词汇)股的增强纤维原纱从相应的上述浸溃单元的不同的进纱通孔进入上述浸溃腔进行分散并被从挤出机通过上述浸溃流道挤入到上述浸溃腔内的熔融塑料浸溃，然后从上述挤出孔挤出长纤维增强热塑性塑料的料条；
e、上述长纤维增强热塑性塑料的料条在牵引机的牵引下依次进行水冷、利用空气刀进行干燥除去表面水份；
f、将上述经过水冷和干燥的长纤维增强热塑性塑料的料条送入切粒机进行切粒；
g、收集上述切粒而成的料粒。8、根据权利要求7所述的生产长纤维增强热塑性塑料的方法，其特征在于，将上述经过步骤e后的长纤维增强热塑性塑料的料条先进行卷装再对其进行步骤f中所述的切粒。前述的生产长纤维增强热塑性塑料的方法，其特征在于，所使用的上述长纤维原纱为玻璃纤维纱、碳纤维纱中的一种或是两种的混合。前述的生产长纤维增强热塑性塑料的方法，其特征在于，上述长纤维原纱的单丝直径为9-18 μ m,号数为40-1000tex。本发明的技术方案的有益之处在于
1、提供各一种新的能够有效的适用于长纤维熔融浸溃的原纱分散结构，利用该结构进行分散，分散效率高，纤维磨损小；
2、提供一种浸溃模头，该浸溃模头具有多个浸溃单元，生产效率高，尺寸适宜能够方便生产线布置，拆卸方便而且能够依照不同生产工艺进行组装；
3、提供一种长纤维增强热塑性塑料的生产方法，相比以前的生产方法，其对增强纤维的浸溃效果更好，从而提高了生产效率和质量，同时由于纤维磨损小，不容易断头，其连续生产能力强。


图I为本发明的原纱分散结构的一个优选方案的结构示意图2为本发明的原纱分散结构的另一个优选方案的立体结构示意图3为形成本发明散纱核芯的曲线和直线的位置关系示意图4为本发明的浸溃模头的一个优选方案的横截面结构不意图5为本发明的浸溃单元的一个优选方案的侧面剖视结构示意图6为本发明的生产长纤维增强热塑性塑料的方法的流程框图中附图标记的含义
I、进纱通孔，2、集纱通孔，3、散纱核心，4、导纱环，5、浸溃模头，6、浸溃单元，7、浸溃腔，8、挤出端头盖，9、进纱端头盖，10、集纱口模，11、挤出孔，12、导纱环组件，13、挤出流道， 15、熔融塑料入料口，A为纤维纱和料条的行走方向，B为一段直线，C为一段平面曲线，D为原纱。
具体实施例方式以下结合说明书附图对本法明的技术方案做详细的说明。图I为本发明的原纱分散结构的一个优选方案的结构示意图；图2为本发明的原纱分散结构的另一个优选方案的立体结构示意图；图3为形成本发明散纱核芯的曲线和直线的位置关系示意图。参照图I和图2，本发明中的原纱分散结构包括两个以上轴线相互平行的进纱通孔1，进纱通孔I在与其轴线方向垂直的横截面上呈中心对称方式分布，包括有轴线与进纱通孔I的轴线平行的集纱通孔2，该进纱通孔I的轴线通过进纱通孔I的对称中心。在进纱通孔I和集纱通孔2之间设有散纱核心3，如图I所示，该散纱核芯3为外形凹凸不平的回转体，该回转体的回转轴线平行于进纱通孔I的轴线，并通过进纱通孔I的对称中心。如图3所示，C为一段平面曲线，B为一段位于C所在平面内的直线，C与B除了两端相交之外，其余不相交，此时平面曲线C以一段直线B作为轴线在整个三维空间内旋转一圈形成回转体。平面曲线C可以是抛物线、圆弧、椭圆弧、正弦曲线、余弦曲线、中的一种或多种的组合。平面曲线C是平滑曲线。由上可见，形成回转体的曲线能够决定散纱核芯3的外形，针对不同要求和工艺，可以根据实际情况来设计散纱核芯3的外形。但是，散纱核芯3必须保证外形是凹凸的并且能使通过进纱通孔I和集纱通孔2的原纱D能够与凸出的部分接触。另外，还包括有设置在散纱核芯3表面两个凸起部分之间的凹陷处的外环绕整个散纱核芯3的导纱环4，在该导纱环4形成有向散纱核芯3凸出的平滑的导纱接触面，最好的是导纱接触面能够伸入到散纱核芯3的凹陷的部分中去。导纱环4的作用在于能够控制原纱D行进的方向和对原纱D作进一步的分散，导纱环4能使通过的原纱D能够与下一个散纱核芯3的凸起部分相接触。如图I所示，通过该散纱核芯3回转体的剖面图可以看出该散纱核芯3具有凹凸不平的外形，适当设置进纱通孔I的位置，使原纱D从进纱通孔I引入后交替与散纱核芯3 和导纱环4的导纱接触面接触，最后通过集纱通孔2。可以看到由于原纱D最终被牵引到集纱通孔2中，当原纱D遇到散纱核芯3和导纱环4的导纱接触面时在转变行进方向的同时也在张力的作用下沿着与其接触散纱核芯3外表面的圆周和导纱环4的导纱接触面的圆周散开；原纱D在多次分散后最后又收集到集纱通孔2中，在整个行程中，原纱D被一次次分散，具体分散的次数取决于散纱核芯3凸起部分数目和导纱环4的数目。由于进纱通孔 I中心对称分布，同时散纱核芯3的回转轴线与进纱通孔I的轴线平行而且通过进纱通孔I 的对称中心，所以无论从那个进纱通孔I引入的原纱D都会被散纱核芯3和导纱环4分散。如图2所示，散纱核芯3还可以设计为具有两个凸起部分的类纺锤状回转体；进纱通孔I的数目为4。图I所不的方案较图2的方案而言,散纱核芯3凸出部分分布密度较闻，分散频率高，对原纱D的材料和强韧度有很高要求，图2所示的方案，分散频率较低，原纱D行进的较为平缓，不易折断。具体实施时，可以根据具体材料和应用环境灵活配置，而不限于上述介绍的技术方案。图4为本发明的浸溃模头的一个优选方案的横截面结构示意图；图5为本发明的浸溃单元的一个优选方案的侧面剖视结构示意图，以下结合图4和图5对本发明的浸溃模头作详细说明。如图4所示，浸溃模头5中设有浸溃流道14，该浸溃流道14用于联通能够挤出熔融塑料的挤出机与各个浸溃单元6。浸溃模头5中可以设有多个浸溃单元6，具体数目可以根据生产需要来进行调整；另外，浸溃单元6可以直接形成于浸溃模头5中，也可以作为独立的结构安装在浸溃模头5的相应位置。如图5所示，浸溃模头5包括两端贯通的浸溃腔7，在浸溃腔7的一端设有带有挤出孔11的挤出端头盖8，另一端设有带有进纱通孔I和散纱核芯3的进纱端头盖9。另外， 浸溃腔7内靠近挤出端头盖8 一侧设有带有上述集纱口的集纱口模，挤出孔11和集纱通孔 2的轴线重合，还设有固定在上述浸溃腔7 —端的导纱环组件12，导纱环组件12设有导纱环或导纱环组件部分本体形成导纱环。其中，散纱核芯3、进纱通孔I、集纱通孔2以及导纱环组件12上的导纱环采用如前所述及如图I和图2所示的原纱分散结构。挤出端头盖8、 进纱端头盖9以及导纱环组件12均是可以从浸溃腔7的两端装入并加以固定，作为一种优选，可以由它们本身形成的外螺纹与浸溃腔7形成的内螺纹相互配合固定，或者采用螺栓将它们固定在浸溃腔7的两端。作为一种优选方案，可以在浸溃腔7两端设置相应的密封件。另外，作为一种优选方案，散纱核芯3如图5中所示为一端形成尖端另一端固定在进纱端头盖9上的纺锤形回转体，进纱通孔I贯通进纱端头盖9以便将原纱D引入到浸溃腔7内，集纱口模10也为回转体，其回转轴线与集纱通孔I的轴线、散纱核芯3的回转轴线在同一条直线上，进纱通孔I和集纱通孔2的截面形状可以为圆形；挤出孔11可以是分为多段，由孔径渐收的圆锥部分和孔径一致的直孔部分组成，使整个挤出孔11的逐渐缩小以达到挤出成型目的，挤出孔11的截面形状可以根据实际生产需要设定，作为优选，可以是圆形。在需要其他形状的时候，可以通过换装不同挤出端头盖9即可实现。除上述之外，如图5所示，集纱口模10的外壁和挤出端头盖8的内壁在浸溃腔7 形成了渐收的挤出流道13，使从熔融塑料入料口 15挤入浸溃腔7内的熔融塑料能够顺利进入挤出孔11。通过集纱口模10和挤出端头盖8的特别设计，确保增强纤维在挤出料条截面内均匀分布，且纤维不裸露出料条外。以上是对本发明的浸溃模头的具体实施例加以介绍，但是上述实施例仅是为了便于更好的理解本发明的浸溃模头的技术方案，而本发明的浸溃模头的技术方案不仅限于上述技术方案。以下结合图6对本发明的利用上述浸溃模头生产长纤维增强热塑性塑料的方法。参照图6，该方法包括如下的步骤
a、根据上述浸溃模头内浸溃单元的个数和每个浸溃单元进纱口的数目，将增强纤维原纱纱筒分别放置在对应的纱架上；
b、从增强纤维原纱纱筒引出的原纱经过一道以上的张力辊进行预分散；
C、对预分散后的增强纤维原纱进行预热；
d、预热后的不同股的增强纤维原纱从相应的上述浸溃单元的不同的进纱通孔进入上述浸溃腔进行分散并被从挤出机通过上述浸溃流道挤入到上述浸溃腔内的熔融塑料浸溃， 然后从上述挤出孔挤出成型为所需长纤维增强热塑性塑料的料条；
e、上述长纤维增强热塑性塑料的料条在牵引机的牵引下依次进行水冷、利用空气刀进行干燥除去表面水份；
f、将上述经过水冷和干燥的长纤维增强热塑性塑料的料条送入切粒机进行切粒；
g、收集上述切粒而成的料粒。在步骤a中，因为采用的浸溃模头可以多个浸溃单元同时对增强纤维原纱进行浸溃，而且每个浸溃单元同时要引入多股原纱，所以应当按照实际的浸溃模头中浸溃单元的数目和每个浸溃单元的进纱通孔的数目，对应着每个浸溃单元将增强纤维原纱纱筒在相对应的纱架上放置好，以便在生产的过程中能够不间断供应原纱。在步骤b、c中，可以设置多个对应不同纱架张力辊，也可以设置一个较大的张力辊对全部原纱进行预分散。为了增强预分散的效果，可以在原纱行进的方向布置多道张力辊。此处预分散主要为了预热和后继工序做准备；然后对预分散后原纱进行预热。在步骤d中，经过预热的一组多股原纱按照对应关系分别引进对应的浸溃单元的不同进纱通孔从而进入浸溃腔内，在浸溃腔内原纱被分散并被熔融塑料充分浸溃，然后多股原纱又被引到集纱通孔收束为一股，最后通过挤出孔被包覆在熔融塑料中一同被挤出成型为料条。因为采用多股原纱进入浸溃腔，并且多股原纱最后均作为同一根料条内的增强纤维，因此相对于单股原纱成型一根料条的生产工艺，本方法可以采用号数较小原纱材料 (号数即为tex值，)，这样一来在单丝相同的情况下，每股原纱的单丝根数少，容易分散；同时本发明的浸溃模头的结构使原纱环绕着散纱核芯，可是说是在多个维度上被分散，提高分散效率，能使单丝得到充分浸溃；综上所述，由于需要分散单丝减少，同时分散效率提高， 较以前的生产方法而言，可以缩短浸溃腔的长度尺寸，这样一来，使得整个浸溃模头的尺寸更为适宜，方便操作，并且多浸溃单元同时工作提高了生产效率。除此之外，更换带有不同进纱通孔数的进纱端头盖，可以控制每股料条内的增强纤维的含量，同时由于散纱核芯的特殊结构，在散纱过程中单丝磨损极小，不易断头，即使断头，重新引纱、穿纱也很方便。作为一种优选方案，原纱可以是玻璃纤维纱、碳纤维纱中的一种或是两种的混合。作为一种优选方案，可以采用单丝直径为9-18 μ m，号数为40_1000tex的增强纤维原纱。经过步骤d生产出来的多根料条在牵引机的牵引下依次经过步骤e中的水冷和空气刀的干燥，这里要指出的是，通过调整牵引机的牵引速度，在不更换进纱端头盖的情况下，也可以在一定的范围控制料条中增强纤维的含量。最后，在步骤f、g中，经过水冷和干燥的料条被送到切粒机切粒，被按要求切好的料粒被回收。作为一种优选方案，可以在经过步骤e之后先将料条收卷，然后在进行切粒和收集、这样的好处在于即使出现故障，也不会影响切粒机的工作，而且不需要切粒机的切粒速度和牵引速度同步。上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
权利要求
1.适用于长纤维熔融塑料浸溃的原纱分散结构，其特征在于，包括轴线相互平行的两个以上的进纱通孔，上述进纱通孔在与其轴向垂直的截面上以中心对称方式分布；还包括轴线通过上述进纱通孔对称中心的并与上述进纱通孔轴线平行的集纱通孔；还包括能够与通过上述进纱通孔和集纱通孔的原纱接触的具有凹凸外形的散纱核芯，该散纱核芯是由一平面曲线围绕着同一平面内仅与其相交于两点的一条直线旋转而形成的回转体，上述曲线为平滑曲线，上述直线通过上述进纱通孔的对称中心并与上述进纱通孔的轴线平行；还包括设置在上述散纱核芯表面两个凸起部分之间的凹陷处外围的并能环绕整个散纱核芯的导纱环，上述导纱环形成有向位于其中心的散纱核芯凸出的平滑的导纱接触面。
2.根据权利要求I所述的适用于长纤维熔融塑料浸溃的原纱分散结构，其特征在于， 形成上述散纱核芯的曲线是抛物线、圆弧、椭圆弧、正弦曲线、余弦曲线、直线中的一种或多种的组合。
3.采用如权利要求I所述的原纱打散结构的浸溃模头，包括浸溃流道，其特征在于，还包括与上述浸溃流道相通的一个以上的浸溃单元，上述浸溃单元包括两端贯通的浸溃腔， 在上述浸溃腔的一端设有带有挤出孔的挤出端头盖，另一端设有带有上述进纱通孔和散纱核芯的进纱端头盖，上述浸溃腔内靠近上述挤出端头盖一侧设有带有上述集纱口的集纱口模；上述挤出孔和集纱通孔的轴线在一条直线上。
4.根据权利要求3所述的浸溃模头，其特征在于，上述浸溃腔内设有固定在上述浸溃腔一端的导纱环组件，上述的导纱环组件设有上述导纱环或导纱环组件部分本体形成上述导纱环。
5.根据权利要求4所述的浸溃模头，其特征在于，上述挤出端头盖的内壁和集纱口模的外壁形成有渐收的挤出流道。
6.根据权利要求5所述的浸溃模头，其特征在于，上述浸溃单元的数目为I至60，上述每个浸溃单元上设有的进纱通孔的数目为2至30。
7.利用如权利要求3所述的浸溃模头生产长纤维增强热塑性塑料的方法，其特征在于，包括如下步骤a、根据上述浸溃模头内浸溃单元的个数和每个浸溃单元进纱口的数目，将增强纤维原纱纱辊分别放置在对应的纱架上；b、从增强纤维原纱纱辊引出的原纱经过一道以上的张力辊进行预打散；C、对预打散后的增强纤维原纱进行预热；d、预热后的不同股的增强纤维原纱从相应的上述浸溃单元的不同的进纱通孔进入上述浸溃腔进行打散并被从挤出机通过上述浸溃流道挤入到上述浸溃腔内的熔融塑料浸溃， 然后从上述挤出孔挤出成型为所需长纤维增强热塑性塑料的料条；e、上述长纤维增强热塑性塑料的料条在牵引机的牵引下依次进行水冷、利用空气刀进行干燥除去表面水份；f、将上述经过水冷和干燥的长纤维增强热塑性塑料的料条送入切粒机进行切粒；g、收集上述切粒而成的料粒。
8.根据权利要求7所述的生产长纤维增强热塑性塑料的方法，其特征在于，将上述经过步骤e后的长纤维增强热塑性塑料的料条先进行卷曲再对其进行步骤f中所述的切粒。
9.根据权利要求8所述的生产长纤维增强热塑性塑料的方法，其特征在于，所使用的上述长纤维原纱为玻璃纤维纱、碳纤维纱中的一种或是两种的混合。
10.根据权利要求9所述的生产长纤维增强热塑性塑料的方法，其特征在于，上述长纤维原纱的单丝直径为9-18 μ m,号数为40-1000tex。
全文摘要
本发明公开了一种生产长纤维增强热塑性塑料时进行原纱浸渍时分散结构，并介绍了利用该分散结构的浸渍模头以及利用该浸渍模头的生产方法，本发明的分散结构设有回转体的分散核芯能够有效的分散原纱，具有磨损小不易断头的特点，利用该结构的包括多个浸渍单元的浸渍模头拆卸方便、通用性较好、效率高等优点；本发明利用上述浸渍模头的长纤维增强热塑性塑料的生产方法，相比以前的生产方法，其采用多股多单元同时浸渍，使增强纤维在料条(横截面)内均匀分布，而且能够保证纤维不外露，从而提高了生产效率和质量，同时由于单丝不容易断头，其连续生产能力强。
文档编号B29C70/16GK102601887SQ201110027720
公开日2012年7月25日 申请日期2011年1月25日 优先权日2011年1月25日
发明者曾天卷, 陆志宏 申请人:句容市百事特复合材料有限公司