专利名称：用于浸渍粗纱纤维的模具和方法
用于浸渍粗纱纤维的模具和方法本申请要求享有2011年4月29日递交的美国临时申请61/480，445和2011年4月29日递交的美国临时申请61/480，456的优先权，这两个美国临时申请以参引方式并入本文。
背景技术：
纤维粗纱业已广泛地应用在各种领域中。例如，这样的粗纱业已被用来形成纤维增强复合棒。该棒可以被利用作为轻型结构加强件。例如，动力脐带经常用于在海洋表面和位于海床的设备之间的流体和/或电信号的传送。为帮助加强这样的脐带，尝试采用拉挤碳纤维棒作为单独负载元件。另一种尤其适合纤维粗纱的用途是轮廓体的形成。轮廓体是具有各种不同截面形状的拉挤成形部分，并且可以用作结构部件，该结构部件应用于诸如窗户直线构件、甲板 支架、栏杆、栏杆柱、屋顶瓦片、侧板、装饰板、管道、栅栏、支柱、轻质杆、公路标志、路边标识柱，等等。空心轮廓体借助于将连续纤维粗纱牵拉(“拉挤”)通过树脂、然后在拉挤成形模具中使纤维增强树脂成型而形成。而且，纤维粗纱可以普遍地用于任何适合的用途，用来形成例如合适的纤维增强塑料。在本领域公知的是，用在这些用途中的粗纱一般与聚合物树脂相结合。然而，在目前已知的粗纱以及利用这种粗纱的应用环境中，存在很多严重问题。例如，许多粗纱依靠热固性树脂(例如，乙烯基脂)来帮助实现所需的强度性能。热固性树脂在制造过程中很难使用，并且不具有与其它材料形成层的良好的粘合特性。而且，也尝试在其它类型的用途中采用热塑性聚合物形成粗纱。例如，在Bryant等人的公开号为2005/0186410的美国专利公开物中，描述了将碳纤维嵌入到热塑性树脂以形成电传输电缆的复合核心的尝试。遗憾的是，Bryant等人的公开物指出，由于纤维不充分的湿润，这些核心呈现出裂纹和干斑，这将导致不良的耐久性和强度。这种核心的另一个问题是，热塑性树脂不能够在高温下操作。因而，当下需要一种改善的用于浸溃纤维粗纱的模具的浸溃部件和方法。具体地说，当下需要能够制造出具备特定用途所需的强度、耐久力以及温度表现性能的纤维粗纱的一种浸溃部件和方法。此外，当下需要一种用于浸溃纤维粗纱的模具的歧管组件和方法。具体地说，当下需要用于制造具备所需的强度、耐久力以及温度表现性能的纤维粗纱的一种歧管组件和方法。
发明内容
根据本发明的一个实施例，公开了一种模具的浸溃部件，该浸溃部件用于用聚合物树脂浸溃至少一根纤维粗纱。浸溃部件包括浸溃区域，其构造成用以用树脂浸溃粗纱，浸溃区域包括多个接触表面。浸溃部件还包括位于在多个接触表面中的至少一个接触表面中的扰动部，该扰动部被构造成用以与粗纱相互作用。
根据本发明的另一个实施例，公开了一种用于采用聚合物树脂浸溃至少一根纤维粗纱的方法。该方法包括采用聚合物树脂涂覆纤维粗纱。该方法还包括使得被涂覆的粗纱通过浸溃区域以便用树脂浸溃粗纱。浸溃区域包括多个接触表面。该方法还包括用位于多个接触表面中的至少一个接触表面上的扰动部与被涂覆的粗纱相互作用。根据本发明的另一个实施例，公开了一种用于模具的歧管组件。模具被构造为用以采用聚合物树脂浸溃至少一根纤维粗纱。歧管组件包括通道，该通道限定在模具中，用于使得树脂从中流动通过。歧管组件还包括位于通道内的突起部，其用于扩散在通道内的树脂。根据本发明的另一个实施例，公开了一种用于采用聚合物树脂浸溃至少一根纤维粗纱的方法。该方法包括使得聚合物树脂流动通过歧管组件。歧管组件包括通道。该方法还包括在通道内扩散树脂，用树脂涂覆至少一根纤维粗纱，并且使得被涂覆的粗纱通过浸溃区域以便用树脂浸溃粗纱。其它的本发明的特征和方面将在下文中更为具体地阐明。
对于本发明的完全的并且能够据之实现的公开，包括对于本领域技术人员而言的最佳模式，在说明书的后续部分中将参考附图而被更具体地阐明，附图中图I是在本发明中使用的浸溃系统的一个实施例的示意图；图2是在本发明中使用的模具的一个实施例的立体图；图3是在本发明使用的模具的一个实施例的反向立体图；图4是图2示出的模具的横截面图；图5是可以应用在本发明中的模具的歧管组件和闸门通道的一个实施例的分解图；图6是可以应用在本发明中的歧管组件的一个实施例的立体图；图7是可以应用在本发明中的歧管组件的另一个实施例的立体图；图8是可以应用在本发明中的歧管组件的一个实施例的平面图；图9是可以应用在本发明中的歧管组件的另一个实施例的平面图；图10是可以应用在本发明中的歧管组件的另一个实施例的平面图；图11是可以应用在本发明中的歧管组件的另一个实施例的平面图；图12是可以应用在本发明中的歧管组件的另一个实施例的平面图；图13是可以应用在本发明中的歧管组件的另一个实施例的平面图；图14是可以应用在本发明中的板的一个实施例的立体图，该板至少部分地限定浸溃区域；图15是可以应用在本发明中的板的另一个实施例的立体图，该至少部分地限定浸溃区域；图16是可以应用在本发明的板的另一个实施例的立体图，该板至少部分地限定浸溃区域；图17是图4中指出的可以应用在本发明中的浸溃区域的一部分的一个实施例的放大横截面图18是可以应用在本发明中的浸溃区域的一部分的另一个实施例的放大横截面图；图19是可以应用在本发明中的浸溃区域的一部分的另一个实施例的放大横截面图；图20是可以应用在本发明中的浸溃区域的一部分的另一个实施例的放大横截面图；图21是可以应用在本发明中的浸溃区域的一部分的另一个实施例的放大横截面图；图22是可以应用在本发明中的岸上区域的一个实施例的立体图；图23是可以应用在本发明中的岸上区域的另一个实施例的立体
图24是应用在本发明中的压实带状物的一个实施例的立体图；以及图25是应用在本发明中的压实带状物的另一个实施例的横截面图。在本发明的说明书和附图中参考标记的重复使用，意图代表本发明的相同或类似的特征或者元件。
具体实施例方式本领域普通技术人员应当理解的是，目前的论述仅仅是对于例示性实施例的说明，并非用于对本发明的宽泛的各个方面加以限制。总体而言，本发明涉及一种用于模具的浸溃部件以及一种用聚合物树脂浸溃纤维粗纱的方法。经浸溃的纤维粗纱可以被用于复合棒，轮廓体，或者任何其它合适的纤维增强塑料用途。浸溃部件通常包括浸溃区域，其构造成用以用树脂浸溃粗纱。从而，浸溃区域包括多个接触表面。粗纱当它们越过接触表面时被用树脂浸溃。而且，浸溃部件包括位于在一个或更多个接触表面中的一个或更多个扰动部。这些扰动部被构造成用以与粗纱相互作用。例如，扰动部可以是突起部或者凹陷部，其用以扰乱粗纱的行进方向。可替换地，扰动部可以是用于使粗纱从中行进通过的通道。粗纱与扰动部的相互作用总体上增强了对粗纱的浸溃效果。根据本发明另外一些方面，挤出装置可以与模具相结合地应用，以便用聚合物浸溃粗纱。除此之外，挤出装置还有利于使得聚合物能够被施加到纤维的整个表面上，如下文所述。在其它实施例中，本发明涉及一种用于模具的歧管组件和采用聚合物树脂用于浸溃粗纱的方法。经浸溃的纤维粗纱可以被用于复合棒，轮廓体，或者任何其它合适的纤维增强塑料用途。根据本发明的歧管组件通常包括一条通道或者更多条通道以及位于通道内的一个突起部或者更多个突起部。通道限定在模具中，用于使得树脂从中流过。突起部位于通道内并在通道内扩散树脂。通常地，突起部是圆形的或者球形的，以在通道内平滑、均匀地扩散树脂。歧管组件提供均匀的树脂分配，使得树脂在排出歧管组件之后可以均匀地涂覆各种粗纱。根据本发明的另外一些方面，当树脂流动通过歧管组件并且在歧管组件中扩散之后，树脂排出歧管组件。典型地，在排出歧管组件之后，树脂可以流动进入在模具中限定的闸门通道并且从中通过。粗纱可以贯穿通过模具，使得树脂在排出闸门通道后涂覆该粗纱。在被涂覆树脂之后，粗纱可以通过限定在模具的浸溃区域，并且在那里被树脂浸溃。根据本发明的另外一些方面，挤出装置可以与模具相结合地使用，以便用聚合物浸溃粗纱。除此之外，挤出装置还有利于使得聚合物能够被施加到纤维的整个表面上，如下文所述。参考附图1，其中示出了这种挤出装置的一个实施例。具体地说，设备包括挤出机120，其包含安装在筒管122内部的螺杆轴124。加热器130 (例如，电阻加热器)安装在筒管122的外部。在使用中，聚合物给料127通过漏斗126被供给到挤出机120。给料127在筒管122的内部借助螺杆轴124被传送并且借助筒管122内部的摩擦力和加热器130而被加热。在被加热之后，给料127通过筒管法兰128从筒管122中退出并且进入浸溃模具150的模具法兰132。一根连续的纤维粗纱142或者更多根连续的纤维粗纱142可以从卷轴144被供给 到模具150。粗纱142可以在被提供浸溃之前分散开，并且可以被竖向地、水平地或者以任何合适的角度提供。各粗纱142在被提供之后可以大致并排地定位，在浸溃之前，相邻的粗纱间的距离可被最小化直至没有距离。借助安装在模具150里面或者周围的加热器133，在模具中的给料127可以被更进一步地加热。模具通常在足够温度(其能够导致和/或保持用于聚合物熔化的适当温度)下操作，因此允许用聚合物的粗纱的浸溃到预定的程度。典型地，模具的操作温度高于聚合物的融化温度，例如温度在大约200 V到大约450 V之间。当以这样的方式进行处理时，连续的纤维粗纱142变得被嵌入在聚合物基体中，该基体可以是从给料127加工而成的树脂214 (图4)。混合物可以然后退出浸溃模具150，作为湿的复合物或者挤出物152。这里使用的术语“粗纱”通常涉及单根纤维构成的束。包含在粗纱中的纤维可以是加抢的(twisted)或者可以是直的(straight)。粗纱可以包含单一类型纤维或者不同类型纤维。不同纤维还可以被包含在单独粗纱中，或者，可替换地，每一根粗纱可以包含一种不同纤维类型。应用在粗纱中的连续纤维相对于它们的质量(mass)而言拥有高度的抗拉强度。例如，纤维的极限抗拉强度典型的是从大约1，000到大约15，000兆帕(“MPa”)，在一些实施例中是从大约2，OOOMPa到10，OOOMPa,而在一些实施例中，是从大约3，OOOMPa到大约6，OOOMPa0如此的抗拉强度可以甚至用具有相对轻的质量的纤维来实现，例如每单位长度的质量从大约O. 05到2克/每米，在一些实施例中，从大约O. 4到大约I. 5克/每米。抗拉强度与每单位长度的质量之间的比率可以因此为大约1，000兆帕/每克每米(“MPa/g/m”)或者更大,在一些实施例中，为大约4，000MPa/g/m或者更大,而在一些实施例中，为大约5，500到大约20，000MPa/g/m。如此高强度的纤维可以，例如，是金属纤维，玻璃纤维(例如，E-玻璃、A-玻璃、C-玻璃、D-玻璃、AR-玻璃、R-玻璃、SI-玻璃、S2-玻璃等)，碳纤维(例如，无定形碳、石墨碳，或者金属镀层碳等)，硼纤维，陶瓷纤维(例如，矾土或者硅土)，芳族聚酰胺纤维(例如，由 E. I. DuPont de Nemours, Wilmington, Del 出售的Kevlar )，合成有机纤维(例如聚酰胺，聚乙烯，对亚苯基，对苯二酸酯，聚乙烯对苯二酸盐以及聚乙烯硫化物)，以及各种其它已知的用于增强热塑性和/或热固性复合物的天然的或者合成的、无机的或者有机的纤维材料。碳纤维尤其适合用于作为连续纤维，其典型地具有抗拉强度和质量的比率在从大约5，000到大约7，OOOMPa的范围内。连续纤维通常具有的名义直径为大约4到大约35微米，在一些实施例中，为大约9到大约35微米。包含在每根粗纱中的纤维的数量可以是恒定的，或者各个粗纱包含的纤维数量都彼此不同。典型地，一根粗纱包含大约1，OOO根纤维到大约50，000根单独的纤维，而在一些实施例中，包含大约5，000到大约30，000根纤维。各种热塑性或者热固性聚合物中的任何一种都可以被应用于形成聚合物基体，在所述聚合物基体中，连续纤维被嵌入。例如，用于本发明中的合适的热塑性聚合物可以包括，例如，聚烯烃类(例如，聚丙烯，聚丙-乙烯共聚物等)，聚酯类(例如聚对苯二甲酸丁二醇酯(“PBT”))，聚碳酸酯类，聚酰胺类(例如，Nylon )，聚醚酮类(例如，聚醚醚酮(“PEEK”))，聚醚酰亚胺类，聚芳基酮(例如聚亚苯基二酮(“PPDK”))，液晶聚合物类，聚芳基硫化物类(例如聚亚苯基硫(“PPS”)，聚(亚联苯基硫化酮)，聚(亚苯基硫化二酮)，聚(亚联苯基硫)等)，含氟聚合物类(例如聚四氟乙烯-全氟甲基乙烯醚聚合物，全氟-烷氧基链烷聚合物，五氟乙烯聚合物，乙烯基-四氟乙烯聚合物等)，聚缩醛类，聚亚胺酯类，聚碳酸酯类，苯乙烯化合物(例如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(“ABS”))，等等。
聚合物基体的特性通常被选择成用以实现预定的组合物的可加工性和表现性能。例如，聚合物基体的熔融粘度通常足够低以使得聚合物能够充分地浸溃纤维。为此，熔融粘度典型的范围从大约25到大约1，000帕斯卡-秒(“Pa-s”)，在一些实施例中，从大约50到大约500Pa-s，在一些实施例中，大约60到大约200Pa_s，取决于用于聚合物的操作条件(例如，大约360°C)。同样地，当被浸溃的粗纱旨在用于涉及高温的用途(例如，高电压传输电缆)时，使用具有相对高的熔化温度的聚合物。例如，如此高温聚合物的熔化温度范围可以从大约200°C到大约500°C，在一些实施例中从大约225°C到大约400°C，而在一些实施例中，从大约250°C到大约350°C。聚芳基硫化物尤其适合用于本发明以预定的熔融粘度作为高温基体。聚亚苯基硫化物，例如，是半结晶的树脂，通常包括如下通式代表的重复的单体单元
权利要求
1.一种用于采用聚合物树脂浸溃至少一根纤维粗纱的模具，浸溃部件包括 浸溃部件，该浸溃部件包括浸溃区域，所述浸溃区域构造成用以采用树脂浸溃粗纱，所述浸溃区域包括多个接触表面；以及 位于多个接触表面中的至少一个接触表面上的扰动部，该扰动部被构造成用以与粗纱相互作用。
2.根据权利要求I所述的模具，其中，所述扰动部是突起部，该突起部从所述多个接触表面中的一个接触表面延伸并且构造成用以扰乱粗纱的行进方向。
3.根据权利要求I所述的模具，其中，所述扰动部是凹陷部，该凹陷部被限定在所述多个接触表面中的一个接触表面中并且构造成用以扰乱粗纱的行进方向。
4.根据权利要求I所述的模具，其中，所述扰动部是通道，该通道被限定在所述多个接触表面中的一个接触表面中并且被定位成用以使粗纱从该通道中通过。
5.根据权利要求I所述的模具，还包括多个扰动部。
6.根据权利要求I所述的模具，其中，所述浸溃区域包括在2个到50个之间的接触表面。
7.根据权利要求I所述的模具，其中，所述多个接触表面中的每一个接触表面包括曲线形接触表面。
8.根据权利要求I所述的模具，其中，所述多个接触表面中的每一个接触表面构造成用以使得粗纱以在1°到30°之间范围内的角度横越该接触表面。
9.根据权利要求I所述的模具，其中，所述浸溃区域具有波形截面轮廓。
10.根据权利要求I所述的模具，还包括歧管组件，该歧管组件包括通道以及突起部，所述通道限定在模具内，用于使树脂流动通过，所述突起部位于所述通道内，用来扩散在所述通道内的树脂。
11.根据权利要求10所述的模具，还包括多条通道和多个突起部。
12.根据权利要求10所述的模具，其中，所述多条通道具有沿着中心轴线对称的取向。
13.根据权利要求10所述的模具，其中，所述多条通道是多个分支状流槽。
14.根据权利要求10所述的模具，其中，所述通道的至少一部分是曲线形的。
15.根据权利要求10所述的模具，其中，所述歧管组件还限定出口区域，并且其中，所述突起部被设置在所述出口区域中。
16.根据权利要求I所述的模具，其中，所述树脂是热塑性树脂。
17.根据权利要求I所述的模具，其中，所述树脂是热固性树脂。
18.一种用于采用聚合物树脂浸溃至少一根纤维粗纱的方法，该方法包括 采用聚合物树脂涂覆纤维粗纱； 使得被涂覆的粗纱贯穿通过浸溃区域以便采用树脂浸溃所述粗纱，所述浸溃区域包括多个接触表面；以及 采用位于所述多个接触表面中的至少一个接触表面上的扰动部与被涂覆的粗纱相互作用。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，采用扰动部与被涂覆的粗纱相互作用包括使得被涂覆的粗纱跨越过突起部，所述突起部从多个接触表面中的一个接触表面延伸、并且被构造成用以扰乱粗纱的行进方向。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，采用扰动部与被涂覆的粗纱相互作用包括使得被涂覆的粗纱贯穿通过凹陷部，所述凹陷部被限定在所述多个接触表面中的一个接触表面中、并且被构造成用以扰乱粗纱的行进方向。
21.根据权利要求18所述的方法，其中，采用扰动部与被涂覆的粗纱相互作用包括使得被涂覆的粗纱穿过通道，所述通道被限定在所述多个接触表面中的一个接触表面中、并且被定位成用以使粗纱从该通道中通过。
22.根据权利要求18所述的方法，其中，粗纱在所述浸溃区域中承受从大约5牛顿到大约300牛顿的张力。
23.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，采用树脂涂覆粗纱包括使树脂流动通过闸门通道，并且其中，闸门通道的至少一部分沿着树脂的流动方向具有逐渐减小的截面轮廓。
24.根据权利要求18所述的方法，还包括采用树脂涂覆多根粗纱、并且使得被涂覆的粗纱通过所述浸溃区域。
25.根据权利要求18所述的方法，还包括使得聚合物树脂流动通过歧管组件，所述歧管组件包括通道，并且在该通道中扩散树脂。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述歧管组件还包括位于所述通道内的突起部，并且其中，所述突起部在所述通道中扩散树脂。
27.根据权利要求25所述的方法，其中，使得树脂流动通过歧管组件包括使得树脂流动通过所述歧管组件的出口区域，并且其中，所述通道的被设置在出口区域中的至少部分在树脂的流动方向上具有逐渐增大的面积。
28.根据权利要求25所述的方法，其中，采用树脂涂覆粗纱包括使得树脂从歧管组件流动通过闸门通道，并且其中，所述闸门通道的至少一部分在树脂的流动方向上具有逐渐减小的截面轮廓。
全文摘要
一种采用聚合物树脂用于浸渍至少一根纤维粗纱的模具及其方法。在一个实施例中，模具包括具有浸渍区域的浸渍部件，该浸渍区域被构造成用以采用树脂浸渍粗纱，该浸渍区域包括多个接触表面。模具还包括位于多个接触表面中的至少一个接触表面中的扰动部，该扰动部被构造成用以与粗纱相互作用。在一个实施例中，该方法包括采用聚合物树脂涂覆纤维粗纱。该方法还包括使得被涂覆的粗纱通过浸渍区域以采用树脂浸渍粗纱。浸渍区域包括多个接触表面。该方法还包括与被涂覆的粗纱相互作用的位于多个接触表面中的至少一个接触表面中的扰动部。
文档编号B29C70/34GK102814995SQ201210269159
公开日2012年12月12日 申请日期2012年4月28日 优先权日2011年4月29日
发明者T·A·雷甘, A·H·约翰逊, D·W·伊斯特普 申请人:提克纳有限责任公司