用于浸渍纤维粗纱的模具的浸渍区段的制作方法
【专利摘要】本发明公开用于用聚合物树脂浸渍至少一根纤维粗纱的浸渍板和模具的浸渍区段。浸渍板包括被构造为用于用树脂浸渍粗纱的浸渍区。浸渍区包括内表面。浸渍板还包括侧壁。侧壁包括内表面。侧壁内表面包括多个峰和多个谷。多个谷中至少一个限定了最大高度，其小于在沿所述粗纱运行方向上的相邻位置处的所述浸渍区的所述内表面的高度。
【专利说明】用于浸渍纤维粗纱的模具的浸渍区段
[0001]本申请涉及2011年12月9日提交的标题为IMPREGNATION SECTION OF DIE FORIMPREGNATING FIBER R0VINGS〃的美国临时专利申请序列号61/569，016，该专利据此全文引入以供参考。
【背景技术】
[0002]各种应用中已采用纤维粗纱。例如，这种粗纱已用于形成纤维增强复合物杆。该杆可以用作轻质结构增强物。例如，电力脐带缆常常用于在海面和位于海床的设备之间传输流体和/或电信号。为帮助增强这种脐带缆，已尝试使用拉挤成型碳纤维杆作为单独承载元件。
[0003]特别适于使用纤维粗纱的另一种应用为型材(profiles)的形成。型材为具有各种横截面形状的拉挤成型零件，并且可以用作用于窗框、装饰板材、轨道、栏杆、屋面瓦、挡板、装饰板、管道、栅栏、柱杆、灯杆、公路标牌、路边标记柱等的结构构件。已通过穿过树脂牵拉(“拉挤”)连续纤维粗纱并随后在拉挤模具内成形纤维增强树脂来形成中空型材。
[0004]此外，纤维粗纱可以一般在任何合适应用中用于形成例如合适的纤维增强塑料。如本领域一般所知，这些应用中使用的粗纱通常与聚合物树脂组合。
[0005]然而，目前已知的粗纱和使用这种粗纱的所得应用存在许多显著问题。例如，许多粗纱依赖于热固性树脂(如乙烯基酯)来帮助实现所需强度性质。热固性树脂在制造期间难以使用并且不具有用于与其他材料形成层的良好粘结特性。此外，在其他类型的应用中已尝试由热塑性聚合物形成粗纱。例如，颁于Bryant等人的美国专利公布N0.2005/0186410描述将碳纤维包埋在热塑性树脂中以形成电传输缆线的复合物芯体的尝试。遗憾地，Bryant等人提到，这些芯体由于纤维的不充分润湿而表现出瑕疵和干斑，这导致较差的耐久性和强度。这种芯体的另一个问题在于，热塑性树脂不可以在高温下操作。
[0006]此外，用于用聚合物树脂浸溃粗纱的浸溃模具可能具有各种问题。例如，在许多浸溃模具中，波形浸溃区段用于浸溃该粗纱。然而，在许多浸溃区段中，最外侧粗纱可以受擦损(snag)或以其它形式被浸溃区段的边缘干扰。其他浸溃区段在试图阻止擦损时可以利用侧壁。然而，这种浸溃区段的侧壁可以使树脂在其上流动。该树脂可积累，硬化并随后移动回到浸溃区段的主浸溃区中，干扰其中粗纱。
[0007]因此，目前需要一种用于浸溃纤维粗纱的改进的浸溃区段。具体而言，目前需要一种浸溃区段，其阻止粗纱受擦损和树脂积累，同时产生提供特定应用所要求的所需强度、耐久性和温度性能的纤维粗纱。
【发明内容】
[0008]根据本发明的一个实施方案，公开了用于用聚合物树脂浸溃至少一根纤维粗纱的浸溃板。浸溃板包括被构造为用于用树脂浸溃粗纱的浸溃区。浸溃区包括内表面。浸溃板还包括侧壁。侧壁包括内表面。侧壁内表面包括多个峰和多个谷。多个谷中至少一个限定了最大高度，其小于在沿粗纱运行方向上的相邻位置处的浸溃区内表面的高度。[0009]根据本发明的另一个实施方案，公开了用于用聚合物树脂浸溃至少一根纤维粗纱的模具的浸溃区段。该浸溃区段包括第一浸溃板和第二浸溃板。第一浸溃板和第二浸溃板中每一者包括被构造为用于用树脂浸溃粗纱的浸溃区。浸溃区包括内表面。第一浸溃板和第二浸溃板中每一者还包括侧壁。侧壁包括内表面。侧壁内表面包括多个峰和多个谷。多个谷中至少一个限定了最大高度，其小于在沿粗纱运行方向上的相邻位置处的浸溃区内表面的高度。
[0010]本发明的其他特征和方面在以下更详细示出。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]在说明书的剩余部分中阐述了本发明的完全和可以实施的公开内容，包括参考附图，其中:
[0012]图1为用于本发明中的浸溃系统的一个实施方案的不意图；
[0013]图2为用于本发明中模具的一个实施方案的透视图；
[0014]图3为用于本发明中模具的一个实施方案的相对的透视图；
[0015]图4为图2中所示模具的剖视图；
[0016]图5为用于本发明可采用的模具的歧管组装件和栅极通道的一个实施方案的分解图；
[0017]图6为本发明中可采用的歧管组装件的一个实施方案的平面图；
[0018]图7为本发明中可采用的歧管组装件的另一个实施方案的平面图；
[0019]图8为本发明中可采用的歧管组装件的另一个实施方案的平面图；
[0020]图9为本发明中可采用的歧管组装件的另一个实施方案的平面图；
[0021]图10为本发明中可采用的歧管组装件的另一个实施方案的平面图；
[0022]图11为本发明中可采用的歧管组装件的另一个实施方案的平面图；
[0023]图12为至少部分地限定本发明中可采用的浸溃区的浸溃板的一个实施方案的透视图；
[0024]图13为本发明中可采用的至少部分地在其间限定浸溃区的两个浸溃板的分解透视图，具有局部切掉部分；
[0025]图14为本发明中可采用的至少部分地在其间限定浸溃区的两个浸溃板的组装透视图，具有局部切掉部分；
[0026]图15为本发明中可采用的浸溃区的一部分的一个实施方案的近视剖视图(如图4中所示)；
[0027]图16为本发明中可采用的浸溃区的一部分的另一个实施方案的近视剖视图；
[0028]图17为本发明中可采用的浸溃区的一部分的另一个实施方案的近视剖视图；
[0029]图18为本发明中可采用的浸溃区的一部分的另一个实施方案的近视剖视图；
[0030]图19为本发明中可采用的浸溃区的一部分的另一个实施方案的近视剖视图；
[0031]图20为本发明中可采用的着陆区的一个实施方案的透视图；
[0032]图21为本发明中可采用的着陆区的另一个实施方案的透视图；
[0033]图22为用于本发明中的固结带状物的一个实施方案的透视图；和
[0034]图23为用于本发明中的固结带状物的另一个实施方案的剖视图。[0035]本说明书和附图中重复使用参考字符旨在表示本发明的相同或类似特征或要素。
[0036]代表性实施方案的详细描述
[0037]本领域普通技术人员应理解，本文讨论仅为示例性实施方案的描述，而非旨在限制本发明的更广泛方面。
[0038]一般而言，本发明涉及模具的浸溃区段，和其浸溃板。该浸溃板和区段可以在用于用聚合物树脂浸溃纤维粗纱的模具中使用。该浸溃纤维粗纱可以用于复合物杆、型材、或任何其他合适的纤维增强塑料应用。根据本发明的该模具一般包括歧管组装件、至少部分地限定浸溃区段的浸溃区和其间的栅极通道。歧管组装件分配通过其中的聚合物树脂。在离开该歧管组装件时，树脂流动进入和通过该栅极通道。粗纱横贯通过模具使得树脂在离开栅极通道时涂布该粗纱。在用树脂涂布之后，粗纱横贯通过浸溃区并且在其中用树脂浸溃。
[0039]根据本发明的又一方面，挤出装置可以结合模具使用以用该聚合物浸溃粗纱。除了别的以外，挤出物装置还有利于聚合物被施涂到纤维的整个表面的能力，如下文讨论。
[0040]参见图1，示出这种挤出装置的一个实施方案。更具体地讲，该设备包括挤出机120，该挤出机120含有安装在机筒122内部的螺杆轴124。加热器130 (如电阻加热器)安装在机筒122外部。使用期间，聚合物原料127通过料斗126被供应至挤出机120。原料127通过螺杆轴124输送到机筒122内部并且通过机筒122内部的摩擦力并且通过加热器130加热。加热时，原料127通过机筒法兰128离开机筒122并且进入浸溃模具150的模具法兰132。
[0041]连续纤维粗纱142或多根连续纤维粗纱142从一个或多个卷轴144被供应至模具150。在浸溃之前，粗纱142—般并列放置，其中相邻粗纱之间存在的距离最小至无距离。原料127还可以在模具内部通过安装在模具150内部或周围的加热器133加热。该模具一般在足以导致和/或保持聚合物的恰当熔融温度的温度下操作，因此允许聚合物对粗纱所需水平的浸溃。通常，模具的操作温度高于聚合物的熔融温度，例如在约200°C至约450°C的温度下。当按此方式处理时，连续纤维粗纱142变得包埋在聚合物基体中，所述聚合物基体可以是加工自原料127的树脂214(图4)。该混合物可以然后作为润湿复合物或挤出物152离开浸溃模具150。
[0042]如本文所用，术语“粗纱”一般是指一束个体纤维。粗纱内所含的纤维可以被搓捻或可以为直的。粗纱可以含有单纤维类型或不同类型的纤维。不同纤维也可以含在个体粗纱中，或者，各粗纱可以含有不同纤维类型。粗纱中采用的连续纤维具有相对于其质量的高度拉伸强度。例如，纤维的极限拉伸强度通常为约1，000至约15，000兆帕(“MPa”)，在一些实施方案中为约2，OOOMPa至约10，OOOMPa,并且在一些实施方案中为约3，OOOMPa至约6，OOOMPa0即便纤维具有相对轻的重量，例如每单位长度的质量为约0.05至约2克/米，在一些实施方案中为约0.4至约1.5克/米，也可实现这种拉伸强度。拉伸强度与每单位长度之比可因此为约1,000兆帕/克/米(“MPa/g/m”)或更大，在一些实施方案中，约4，OOOMPa/g/m或更大，并且在一些实施方案中，为约5，500至约20，000MPa/g/m。这种高强度纤维可以例如为金属纤维、玻璃纤维(如E-玻璃、A-玻璃、C-玻璃、D-玻璃、AR-玻璃、R-玻璃、S1-玻璃、S2-玻璃等)、碳纤维(如无定形碳、石墨碳、或金属涂布碳等)、硼纤维、陶瓷纤维(如氧化招或二氧化娃)、芳纟仑纤维(如 Kevlar?，由 E.1.duPont de Nemours, Wilmington, Del.市场化)、合成有机纤维(如聚酰胺、聚乙烯、对苯撑(paraphenylene)、对苯二甲酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚苯硫醚)和已知用于增强热塑性和/或热固性组合物的各种其他天然或合成无机或有机纤维材料。碳纤维特别适用作连续纤维，其拉伸强度与质量的比的范围通常为约5，OOO至约7，000MPa/g/m。连续纤维常常具有约4至约35微米的标称直径，并且在一些实施方案中，为约9至约35微米。各该粗纱中所含的纤维数量可以恒定或粗纱与粗纱可不同。通常，粗纱含有约1，000根纤维至约50，000根个体纤维，并且在一些实施方案中，约5，000至约30，000根纤维。
[0043]可以采用多种热塑性或热固性聚合物中任一者来形成聚合物基体，其中该连续纤维被包埋。例如，用于本发明的合适的热塑性聚合物可以包括例如聚烯烃(如聚丙烯、丙烯-乙烯共聚物等)、聚酯(如聚对苯二甲酸丁二酯(“PBT”))、聚碳酸酯、聚酰胺(如Nylon?)、聚醚酮(如聚醚醚酮(“PEEK”))、聚醚酰亚胺、聚亚芳基酮(如聚亚苯基二酮(“PPDK”))、液晶聚合物、聚亚芳基硫醚(如聚苯硫醚(“PPS”)、聚(亚联苯基硫醚酮)、聚(苯硫醚二酮)、聚(亚联苯基硫醚)等)、含氟聚合物(如聚四氟乙烯-全氟甲基乙烯基醚聚合物、全氟-烧氧基烧烃聚合物、四氟乙烯聚合物(petrafluoroethylene polymer)、乙烯-四氟乙基聚合物等)、聚缩醛、聚氨酯、聚碳酸酯、苯乙烯聚合物(如丙烯腈丁二烯苯乙烯(“ABS”))等等。
[0044]—般选择聚合物基体的性质以实现可加工性和性能的所需组合。例如，聚合物基体的熔体粘度一般足够低以使得聚合物可充分浸溃该纤维。就这一点而言，在用于该聚合物的操作条件下(如约360°C )测定，熔体粘度通常的范围为约25至约1，000帕斯卡.秒(“Pa.s”)，在一些实施方案中，为50至约500Pa.S，并且在一些实施方案中，为约60至约200Pa*s。同样，当浸溃粗纱旨在用于涉及高温的应用(如高压传输缆线)时，采用具有相对高熔融温度的聚合物。例如，这种高温聚合物的熔融温度的范围可以为约200°C至约500°C，在一些实施方案中，约225°C至约400°C，并且在一些实施方案中，约250°C至约350。。。
[0045]聚亚芳基硫醚特别适于在本发明中用作具有所需熔体粘度的高温基体。例如，聚苯硫醚为半结晶树脂，其一般包括由以下通式代表的重复单体单元:
[0046]
[0047]这些单体单元通常占聚合物中重复单元的至少80摩尔％，并且在一些实施方案中，至少90摩尔％。然而，应当理解聚苯硫醚可以含有另外的重复单元，例如颁于Gotoh等人的美国专利N0.5，075，381所述，该专利出于所有目的全文以引用方式并入本文中。当采用时，这种另外的重复单元通常占聚合物的不超过约20摩尔％。市售的高熔体粘度聚苯硫醚可以包括以商品名FORTRON⑧.得自Ticona LLC(Florence, Kentucky)的那些。这种聚合物可以具有约285°C的熔融温度(根据IS011357-1，2，3测定)和310°C下约260至约320帕斯卡.秒的熔体粘度。
[0048]压力传感器137 (图2和3)可以感知浸溃模具150附近的压力以允许通过控制螺杆轴124的旋转速度、或进料机的进料速率来进行对挤出速率的控制。也就是说，压力传感器137放置在浸溃模具150附近，例如歧管组装件220的上游，使得挤出机120可操作以递送准确量的用于与纤维粗纱142相互作用的树脂214。离开浸溃模具150之后，挤出物152、或浸溃纤维粗纱142可在在进入两个相邻辊190之间形成的辊隙之前进入任选的预成形或引导区段(未示出)。虽然任选，但辊190可帮助将挤出物152固结为带状物形式，以及加强纤维浸溃和挤压出任何过量空隙。除了辊190之外，也可以采用其他成形装置，例如模具系统。无论如何，所得固结带状物156通过安装在辊上的轨道162和164牵拉。轨道162和164也从浸溃模具150中并通过辊190牵拉挤出物152。如果需要，则固结带状物156可以在区段171处盘绕。一般而言，所得带状物相对较薄并且通常具有约0.05至约I毫米，在一些实施方案中，约0.1至约0.8毫米，并且在一些实施方案中，约0.2至约0.4毫米的厚度。
[0049]根据本发明的模具150的一个实施方案的透视图进一步示于图2和3。如所示，树脂214流入模具150，如树脂流动方向244所指示。将树脂214分配在模具150内并且随后与粗纱142相互作用。粗纱142以粗纱运行方向282横越通过模具150，并且用树脂214涂布。粗纱142随后由树脂214浸溃，并且这些浸溃粗纱142离开模具150。
[0050]在浸溃模具内，一般需要粗纱142横越通过浸溃区250以用聚合物树脂214浸溃粗纱。在浸溃区250中，一般可通过浸溃区250中产生的剪切力和压力来迫使聚合物树脂横向通过粗纱，这显著地增强浸溃的程度。这在由高纤维含量(例如约35%重量分数(“Wf”)或更多，并且在一些实施方案中，约40%Wf或更多)的带状物形成复合物时特别有用。通常，模具150将包括多该接触表面252，例如至少2个，至少3个，4至7个，2至20个，2至30个，2至40个，2至50个，或更多接触表面252，以对粗纱142产生足够的穿透力和压力程度。虽然它们的具体形式可以变化，接触表面252通常具有曲线表面，例如弯曲叶瓣(lobe)、销钉等。接触表面252也通常由金属材料制成。
[0051]图4示出浸溃模具150的剖视图。如所示，浸溃模具150包括歧管组装件220和浸溃区段。浸溃区段包括浸溃区250。在一些实施方案中，浸溃区段另外包括栅极通道270。提供歧管组装件220，用于使聚合物树脂214流动通过其中。例如，歧管组装件220可以包括一个沟道222或多个沟道222。向浸溃模具150提供的树脂214可以流动通过沟道222。
[0052]如图5至11所示，在示例性实施方案中，各沟道222的至少一部分可以为曲线形。曲线部分可以允许以各种方向相对平滑地重定向树脂214以通过歧管组装件220分配树脂214，并且可以允许树脂214通过沟道222相对平滑流动。或者，沟道222可以为线形，并且可以通过沟道222的线形部分之间的相对急剧的过渡区域重定向树脂214。还应了解，沟道222可以具有任何合适的形状、大小和/或外形。
[0053]在如图5至11中所示的示例性实施方案中，多个沟道222可以为多个分支状流道222。流道222可以包括第一分支状流道组232。第一分支状流道组232包括从向歧管组装件220提供树脂214的一个或多个初始沟道222分支出的多个流道222。第一分支状流道组232可以包括从初始沟道222分支出的2个、3个、4个或更多流道222。
[0054]如果需要，流道222可以包括从第一分支状流道组232分叉的第二分支状流道组234，如图5和7至11中所示。例如，来自第二分支状流道组234的多个流道222可以从第一分支状流道组232中的一个或多个流道222分支出。第二分支状流道组234可以包括从第一分支状流道组232中的流道222分支出的2个、3个、4个或更多个流道222。
[0055]如果需要，流道222可以包括从第二分支状流道组234分叉的第三分支状流道组236，如图5和8至9中所示。例如，来自第三分支状流道组236的多个流道222可以从第二分支状流道组234中的一个或多个流道222分支出。第三分支状流道组236可以包括从第二分支状流道组234中的流道222分支出的2个、3个、4个或更多个流道222。
[0056]在一些示例性实施方案中，如图5至11所示，多个分支状流道222沿中心轴224具有对称取向。分支状流道222和其对称取向一般均匀分配树脂214，使得离开歧管组装件220并且涂布粗纱142的树脂214的流动基本上均匀分配在粗纱142上。这希望地允许大体上均匀地浸溃粗纱142。
[0057]此外，在一些实施方案中，歧管组装件220可以限定出口区域242。出口区域242为歧管组装件220的如下部分:其中树脂214离开歧管组装件220。因此，出口区域242 —般包围至少树脂214从中离开的沟道或流道222的下游部分。在一些实施方案中，如图5至10所示，设置在出口区域242中的沟道或流道222的至少一部分在树脂214的流动方向244上具有增加的面积。当树脂214流动通过歧管组装件220时，增加的区域允许扩散和进一步分配树脂214，还允许在粗纱142上基本上均匀地分配树脂214。另外或替代地，如图11所示，设置在出口区域242中的各个沟道或流道222可以在树脂214的流动方向244上具有恒定面积，或可以在树脂214的流动方向244上具有减小的面积。
[0058]在一些实施方案中，如图5至9所示，放置设置在出口区域242中的沟道或流道222的每一者，使得从中流动的树脂214与来自设置在出口区域242中的其他沟道或流道222的树脂214组合。来自设置在出口区域242中的各种沟道或流道222的树脂214的这种组合产生来自歧管组装件220的树脂214的大致单一(singular)且均匀分配的流以基本上均与涂布粗纱142。或者，如图10和11所示，设置在出口区域242中的各个沟道或流道222可以被放置以使得从中流动的树脂214与来自设置在出口区域242中的其他沟道或流道222的树脂214分立(discrete)。在这些实施方案中，可以通过用于基本上均匀涂布粗纱142的歧管组装件220产生多个分立但大致均匀分配的树脂流214。
[0059]如图4所示，设置在出口区域242中的沟道或流道222的至少一部分具有曲线横截面轮廓。这些曲线轮廓允许树脂214从沟道或流道222大致向下朝粗纱142逐渐导引。然而，替代地，这些沟道或流道222可以具有任何合适的横截面轮廓。
[0060]如图4和5中进一步所示，在通过歧管组装件220流动之后，树脂214可以流动通过栅极通道270。栅极通道270被放置在歧管组装件220和浸溃区250之间，并且被提供用于使来自歧管组装件220的树脂214流动以使得树脂214涂布粗纱142。因此，例如通过出口区域242离开歧管组装件220的树脂214，可以进入栅极通道270并且流动通过其。
[0061]在一些实施方案中，如图4所示，栅极通道270在歧管组装件220和浸溃区250之间垂直延伸。然而，替代地，栅极通道270可以以垂直和水平之间的任何合适角度延伸以使得允许树脂214流动通过其。
[0062]此外，如图4所示，在一些实施方案中，栅极通道270的至少一部分在树脂214的流动方向244上具有减小的横截面轮廓。栅极通道270的至少一部分的该变细(taper)可以增加流动通过其的树脂214在接触粗纱142之前的流速，这可以允许树脂214冲击粗纱142。树脂214对粗纱142的初始冲击提供粗纱的进一步浸溃，如下文讨论。此外，栅极通道270的至少一部分的变细可以增加栅极通道270和歧管组装件220中的反压力，其还可以提供树脂214的更均匀、均一的分布以涂布粗纱142。替代地，按所需或要求，栅极通道270可以具有增加的或一般恒定的横截面轮廓。
[0063]离开歧管组装件220和模具150的栅极通道270时，如图4所示，树脂214接触横贯通过模具150的粗纱142。如上文讨论，树脂214可以基本上均匀涂布粗纱142，这是由于歧管组装件220和栅极通道270中树脂214的分配。此外，在一些实施方案中，树脂214可以对各粗纱142的上表面，或各粗纱142的下表面，或各粗纱142的上表面和下表面冲击。对粗纱142的初始冲击提供用树脂214对粗纱142的进一步浸溃。可以通过如下促进对粗纱142的冲击:撞击粗纱142时树脂214的速度、树脂离开歧管组装件220或栅极通道270时粗纱142与树脂214的接近，或其他各种变量。
[0064]如图4所示，涂布粗纱142以运行方向282横贯通过浸溃区250。浸溃区250与歧管组装件220 (例如通过设置于其间的栅极通道270)流体连通。浸溃区250被构造为由树脂214浸溃粗纱142。
[0065]例如，如上文讨论，在图4和12至19中所示的示例性实施方案中，浸溃区250包括多个接触表面252。粗纱142在浸溃区中在接触表面252上方横贯。接触表面252上对粗纱142的冲击产生足以用涂布粗纱142的树脂214浸溃粗纱142的剪切力和压力。
[0066]在一些实施方案中，如图4中所示，浸溃区250限定于两个间隔开的相对的浸溃板256和258之间。第一板256限定第一内表面257,而第二板258限定第二内表面259。浸溃区250限定于第一板256和第二板258之间。接触表面252可以限定于或延伸自第一和第二内表面257和259两者上、或仅第一和第二内表面257和259之一上。
[0067]在示例性实施方案中，如图4、13至15和17至19所示,接触表面252可以交替地限定于第一和第二表面257和259上，使得粗纱在第一和第二表面257和259上交替地对接触表面252冲击。因此，粗纱142可以以波形、曲折或正弦型路径通过接触表面252，这增强剪切力。
[0068]粗纱142横贯接触表面252的角度254可以一般足够高以增强剪切力和压力，但未高到导致将断裂纤维的过度力。因此，例如，角度254可以在大约1°至大约30°的范围内，并且在一些实施方案中，大约5°至大约25°之间。
[0069]如上文所述，接触表面252通常具有曲线表面，例如弯曲叶瓣、销钉等。此外，在许多示例性实施方案中，浸溃区250具有波形横截面轮廓。在如图4、12和13至15中所示的一个示例性实施方案中，接触表面252为叶瓣，其形成第一和第二板256和258两者的波形表面的部分并且限定波形横截面轮廓。图12示出第二板258和其上各种接触表面，所述接触表面形成根据这些实施方案的浸溃区250的至少一部分。
[0070]在其他实施方案中，如图16所不,接触表面252形成仅第一或第二板256或258之一的波形表面的部分的叶瓣。在这些实施方案中，冲击仅在一个板的表面上的接触表面252上发生。其他板可以一般为平或者以其他方式成形以使得没有发生与涂布粗纱的相互作用。
[0071]在其他替代性实施方案中，如图17至19所示，浸溃区250可以包括多个销钉(或杆)260，各销钉具有接触表面252。销钉260可以固定，如图17和18所示，自由旋转(未示出)，或被旋转驱动，如图19所示。此外，销钉260可以直接安装到限定冲击区的板的表面，如图17所示，或可以与该表面间隔开，如图18和19所示。应该指出的是，销钉260可以通过加热器133加热，或可以单独地或者按需要或要求加热。此外，销钉260可以被包括在模具150内，或可以从模具150向外延伸并且不被完全包入其中。
[0072]在另一个替代性实施方案中，接触表面252和浸溃区250可以按需要或要求包括用于用树脂214浸溃粗纱142的任何合适形状和/或结构。
[0073]如上文讨论和图12至14所示，浸溃区段的浸溃区250限定于两个相对的板256和258之间。第一板256限定第一内表面257,而第二板258限定第二内表面259。浸溃区250限定于第一板256和第二板258之间。因此,浸溃板256、258包括被构造为用于用树脂214浸溃粗纱142的浸溃区250。板256、258的每一者的浸溃区250包括板256、258的内表面257、259并且还可以包括如上讨论的接触表面252。如下文所讨论，第一板256和第二板258可以在模具150中配合在一起。当配合在一起时，第一板256的浸溃区250和第二板258的浸溃区250可以形成用于浸溃区段的浸溃区250。
[0074]根据本发明的浸溃板256、258还包括基表面301、303。内表面257、259的高度302、304可以从基表面301、303上限定。如所述，基于上文讨论的内表面257、259的外形，高度302、304可以在整个内表面257、259内变化。特别地，高度257、259可以基于内表面257、259上的位置沿运行方向282变化。然而，应当理解高度257、259可以另外或替代地以任何其他合适的方向变化。
[0075]根据本发明的浸溃板256、258还有利地包括一个或多个侧壁310。各侧壁310将浸溃区250定界。在示例性实施方案中，浸溃板256、258包括两个侧壁310，如所示。在这些示例性实施方案中，所述侧壁可以一般竖直于运行方向282间隔开。在其他实施方案中，可以使用一个、三个、四个或更多个侧壁310。
[0076]如图12至14中所示，侧壁310包括内表面312。内表面312的高度314可以从浸溃板256、258的基表面301、303限定。高度314可以基于内表面312的外形在整个内表面312中变化，如下文讨论。特别地，高度314可以基于内表面312上的位置沿运行方向282变化。
[0077]侧壁310的内表面312包括一个或多个峰316和一个或多个谷318。峰316和谷318可以交替，使得谷318介于相邻的峰316之间并且峰316介于相邻的谷318之间。在示例性实施方案中，侧壁310的横截面轮廓可以为大致波形，并具有弓形峰316和谷318。替代地，峰316和谷318可以为线形，可以为在峰316和谷318的顶点处具有锐角三角形，或可以具有任何其他合适的横截面轮廓。
[0078]此外，第一浸溃板256的峰316和/或谷318中的一者或多者可以被构造为用于与第二浸溃板258的对应谷318和/或峰316中的一者或多者配合。例如，第一和第二浸溃板256、258的内表面312可以具有类似外形，具有的峰316和谷318具有类似大小和横截面轮廓，使得第一浸溃板256的峰316与第二浸溃板258的谷318配合并且第二浸溃板258的峰316与第一浸溃板256的谷318配合。当峰316和谷318配合在一起时，这种峰316和谷318之间存在最小间隙或不存在间隙。在一些实施方案中，例如，在配合的峰316和谷318之间的最大间隙可以小于或等于大约1/10英寸、大约75/1000英寸、大约1/20英寸、大约25/1000英寸、大约1/50英寸、或大约1/100英寸。
[0079]如所示，根据本发明的侧壁310还可以包括内侧表面320和外侧表面322。内侧和外侧表面320和322中每一者在内表面312和基表面301、303之间延伸。
[0080]为在模具150的操作期间阻止或减少擦损和树脂积累，峰316和谷318处的侧壁内表面312的高度314可以处于相对于浸溃板256、258的内表面257、259的高度302、304的各种水平。例如，在示例性实施方案中，一个或多个谷318具有最大高度314，所述最大高度314小于在沿运行方向282上的相邻位置处的内表面257、259的高度302、304。此外，一个或多个峰316具有最大高度314，所述最大高度314大于在沿运行方向282上的相邻位置处的内表面257、259的高度302、304。本文所用的“相邻位置”意思是使得通过最大高度314位置和相邻位置绘制的线条竖直于运行方向282上绘制的线条的平行位置。最大高度314可以限定在例如谷318的顶点处。术语“顶点”当关于谷318使用时意思指相对于基表面301、303的最低点，并且当关于峰316使用时意思指相对于基表面301、303的最高点。
[0081]根据本发明的峰316和谷318的最大高度314可以允许侧壁310阻止或减少擦损和/或树脂积累。例如，这种峰316和谷318允许第一浸溃板256和第二浸溃板258联锁。此外，谷318的高度314允许板256或258的配合的峰316延伸经过其他板258或256的内表面312。峰316和谷318的这种联锁允许板256和258的内侧表面320在冲击区250内含有树脂214并且阻止粗纱142的擦损。如所示，例如，这种联锁阻止或减少树脂214流出配合的峰316和谷318之间的冲击区250，因为这种峰316和谷318的至少一部分未暴露于浸溃区250中。
[0082]在一些实施方案中，根据本发明的侧壁310可以仅包括峰316和谷318。在这些实施方案中，各峰316可以接合相邻谷318，并且各谷318可以接合相邻峰316，以形成侧壁
310。在其他实施方案中，如所示，侧壁310还可以包括一个或多个中间部分330。中间部分330可以设置在峰316和谷318之间，并且可以连接峰316和谷318。在如所示的示例性实施方案中，如所示，中间部分330可以是线形的。然而，替代地，中间部分330可以为曲线形或具有任何其他合适形状。此外，在如所示的示例性实施方案中，中间部分330可以在峰316和谷318之间垂直延伸。然而，替代地，中间部分330可以与垂直方向成任何合适角度延伸。例如，中间部分330可以与垂直方向成小于或等于10度，与垂直方向成小于或等于5度，与垂直方向成小于或等于2度，或任何其他合适的角度或角度范围来延伸。这种中间部分330可以有利于第一冲击板256和第二冲击板258的配合和/或脱离。
[0083]为进一步有利于粗纱142的浸溃，还可使它们保持在拉伸下，同时存在于模具150内且特别是浸溃区250内。拉伸的范围可以例如为每根粗纱142或每根纤维丝束约5至约300牛顿，在一些实施方案中，约50至约250牛顿，并且在一些实施方案中，约100至约200牛顿。
[0084]如图4和图20和21所示，在一些实施方案中，着陆区280可以在粗纱142的运行方向282上放置于浸溃区250的下游。粗纱142可以在离开模具150之前横贯通过着陆区280。在一些实施方案中，如图20所示，着陆区280的至少一部分可以在运行方向282上具有增加的横截面轮廓，使得着陆区280的面积增加。增加的部分可以为着陆区280的下游部分以有利于粗纱142离开模具150。替代地，横截面轮廓或其任何部分可以减小，或可以维持恒定，如图21所示。
[0085]如图4中进一步所示，在一些实施方案中，面板290可以邻接浸溃区250。面板290可以在运行方向282上放置在浸溃区250和着陆区280(如果包括)的下游。面板290 —般被构造为用于使来自粗纱142的过量树脂214定径。因此，可以设置面板290中的小孔(粗纱142横贯通过其)的大小，使得当粗纱142横贯通过其时，小孔的大小导致过量树脂214从粗纱142中移除。
[0086]另外，可以任选地采用其他组件以辅助浸溃该纤维。例如，在某些实施方案中可以采用“气体喷嘴(gas jet)”组装件来帮助均匀散布个体纤维的粗纱，所述粗纱在所结合丝束的整个宽度上可以各自含有多达24，000根纤维。这帮助实现强度性质的均匀分配。这种组装件可以包括压缩空气或以大致竖直方式对横跨出口通过的移动粗纱冲击的另一种气体的供应源。散布粗纱可以随后被引入用于浸溃的模具，如上文所述。
[0087]使用根据本发明的模具和方法产生的浸溃粗纱可以具有极低空隙分数，这帮助增强其强度。例如，空隙分数可以为约3%或更小，在一些实施方案中，约2%或更小，在一些实施方案中，约1%或更小，并且在一些实施方案中，约0.5%或更小。空隙分数可以使用本领域技术人员熟知的技术来测量。例如，空隙分数可以使用“树脂烧尽”测试测量，其中样品被置于烘箱(如600°C下3小时)以燃烧尽该树脂。可以随后测量剩余纤维的质量以计算重量和体积分数。这种“烧尽”测试可以根据ASTM D2584-08进行以确定纤维和聚合物基体的重量，该重量可随后用于基于以下公式计算“空隙分数”:
[0088]Vf = 100*(P「P c)/p t
[0089]其中，
[0090]Vf为作为百分比的空隙分数；
[0091]P。为使用已知技术，例如用液体或气体比重瓶(如氦比重瓶)，测量的复合物密度；
[0092]P t为通过以下公式确定的复合物的理论密度:
[0093]Pt = l/[Wf/pf+Wm/pm]
[0094]P m为聚合物基体的密度(例如，在合适结晶度下的)；
[0095]Pf为纤维的密度；
[0096]Wf为纤维的重量分数；和
[0097]Wni为聚合物基体的重量分数。
[0098]替代地，空隙分数可以通过根据ASTM D3171-09化学溶解该树脂测定。“烧尽”和“溶解”方法特别适用于玻璃纤维，其一般耐受熔化和化学溶解。然而，在其它情况下，空隙分数可以根据ASTM D2734-09(方法A)基于聚合物、纤维和带状物的密度间接计算，其中密度可以由ASTM D792-08方法A测定。当然，空隙分数也可使用常规显微设备估算。
[0099]本发明还涉及一种用于用聚合物树脂214浸溃至少一根纤维粗纱142或多根纤维粗纱142的方法。该方法一般包括流动通过歧管组装件220的聚合物树脂214。歧管组装件220可以包括多根沟道或分支状流道222，如上文讨论。该方法还包括用树脂214涂布该纤维粗纱142，如上文讨论。此外，该方法包括使该涂布粗纱142横贯通过浸溃区250以用树脂214浸溃粗纱142，如上文讨论。
[0100]如上文讨论，在一些实施方案中，使树脂214流动通过歧管组装件220的步骤可以包括使树脂214流动通过歧管组装件220的出口区域242。如上文进一步讨论，用树脂214涂布粗纱142的步骤可以包括使来自歧管组装件220的树脂214流动通过栅极通道270。该方法还可以包括使来自浸溃区250的粗纱142横贯通过着陆区280和/或使粗纱142横贯通过面板290，如上文讨论。
[0101]如上文讨论，离开浸溃模具150之后，浸溃的粗纱142、或挤出物152可以固结成带状物的形式。各带状物中所用的粗纱的数量可以变化。然而，通常，带状物将含有2至20根粗纱，并且在一些实施方案中，2至10根粗纱，并且在一些实施方案中，3至5根粗纱。在一些实施方案中，可希望的是所述粗纱在带状物内以与彼此大约相同距离间隔开。参见图22，例如，示出固结带状物4的一个实施方案，其含有三根(3)在-X方向上彼此等距间隔的粗纱5。然而，在其他实施方案中，其可希望的是，将粗纱组合，使得粗纱的纤维在整个带状物4中大致均匀分配。在这些实施方案中，粗纱一般可能彼此不可区别。参见图23，例如，示出固结带状物4的一个实施方案，其含有被固结的粗纱使得纤维大致均匀分配。
[0102]还可以根据本发明将拉挤法用于某些具体应用。例如，在一些实施方案中，这种方法可以用于形成杆。在这些实施方案中，粗纱142的连续纤维可以纵向取向(图1系统的机器方向“A”)以增强拉伸强度。除了纤维取向之外，可以控制拉挤法的其他方面以实现所需强度。例如，在固结带状物中采用相对高百分比的连续纤维以提供增强的强度性质。例如，连续纤维通常占带状物的约25重量％至约80重量％，在一些实施方案中，约30重量％至约75重量％，并且在一些实施方案中，约35重量％至约60重量％。同样，(一种或多种)聚合物通常占带状物的约20重量％至约75重量％，在一些实施方案中，约25重量％至约70重量％，并且在一些实施方案中，约40重量％至约65重量％。
[0103]一般来讲，带状物可以直接从浸溃模具150供应到拉挤系统，或可以从锭子或其他合适的储存设备供应。在将带状物牵拉通过拉挤系统时，拉伸-调节装置可以用于帮助控制带状物中的拉伸程度。装置中可以供应烘箱用于加热该带状物。随后可将带状物提供至固结模具，其可以操作以将带状物压缩到一起成为预成型件，并且对准和形成所需产品的初始形状，例如杆。如果需要，还可采用第二模具(如校准模具)，其将预成型件压缩成最终形状。冷却系统可以另外并入到所述模具之间和/或在模具之后。可以放置下游牵拉装置以牵拉产品通过该系统。在一些实施方案中，可以提供用于将产品切割至所需长度的下游切割装置。例如，切割装置可以用于切割产品以形成丸粒，例如形成长纤维-增强热塑性丸粒。
[0104]在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域普通技术人员可以实施本发明的这些和其他修改和变型。另外，应当理解各种实施方案的方面可以整体或部分互换。此外，本领域普通技术人员将了解上述说明仅用于举例，并非旨在限制在随附权利要求书中进一步描述的本发明。
【权利要求】
1.用于用聚合物树脂浸溃至少一根纤维粗纱的浸溃板，所述浸溃板包括: 浸溃区，其被构造为用于用树脂浸溃粗纱，所述浸溃区包括内表面；和 包括内表面的侧壁，侧壁内表面包括多个峰和多个谷，所述多个谷中至少一个限定了最大高度，其小于在沿粗纱运行方向上的相邻位置处的浸溃区内表面的高度。
2.根据权利要求1所述的浸溃板，其中多个峰中的至少一个限定了最大高度，其大于沿粗纱运行方向上的相邻位置处的浸溃区内表面的高度。
3.根据权利要求1所述的浸溃板，其中多个谷的每一者限定了最大高度，其小于在沿粗纱运行方向上的相邻位置处的浸溃区内表面的高度。
4.根据权利要求1所述的浸溃板，其还包括多个侧壁。
5.根据权利要求1所述的浸溃板，其中侧壁具有波形横截面轮廓。
6.根据权利 要求1所述的浸溃板，其中侧壁内表面还包括各多个峰的每一者和多个谷的每一者之间的多个线形中间部分。
7.根据权利要求6所述的浸溃板，其中多个线形中间部分的每一者垂直延伸。
8.根据权利要求1所述的浸溃板，其中浸溃区还包括多个接触表面。
9.根据权利要求8所述的浸溃板，其中浸溃区包括2至50个接触表面。
10.根据权利要求8所述的浸溃板，其中多个接触表面的每一者包括曲线接触表面。
11.根据权利要求8所述的浸溃板，其中多个接触表面的每一者被构造为使得粗纱以I度至30度的角度横贯接触表面。
12.根据权利要求1所述的浸溃板，其中浸溃区具有波形横截面轮廓。
13.一种用于用聚合物树脂浸溃至少一根纤维粗纱的模具的浸溃区段，所述浸溃区段包括: 第一浸溃板和第二浸溃板，第一浸溃板和第二浸溃板中每一者包括: 浸溃区，其被构造为用于用树脂浸溃粗纱，所述浸溃区包括内表面；和包括内表面的侧壁，侧壁内表面包括多个峰和多个谷，所述多个谷中至少一个限定了最大高度，其小于在沿粗纱运行方向上的相邻位置处的浸溃区内表面的高度。
14.根据权利要求13所述的浸溃区段，其中第一浸溃板的多个峰的每一者和多个谷的每一者被构造为用于分别与第二浸溃板的多个谷和多个峰的每一者配合。
15.根据权利要求13所述的浸溃区段，其中第一浸溃板和第二浸溃板中每一者的多个峰中的至少一个限定了最大高度，其大于沿粗纱运行方向上的相邻位置处的浸溃区内表面的高度。
16.根据权利要求13所述的浸溃区段，其中第一浸溃板和第二浸溃板中每一者的多个谷中的每一者限定了最大高度，其小于沿粗纱运行方向上的相邻位置处的浸溃区内表面的高度。
17.根据权利要求13所述的浸溃区段，第一浸溃板和第二浸溃板中每一者还包括多个侧壁。
18.根据权利要求13所述的浸溃区段，其中第一浸溃板和第二浸溃板中每一者的侧壁具有波形横截面轮廓。
19.根据权利要求13所述的浸溃区段，其中第一浸溃板和第二浸溃板中每一者的侧壁内表面还包括多个峰和多个谷的每一者之间的多个线形中间部分。
20.根据权利 要求19所述的浸溃区段，其中各多个线形中间部分垂直延伸。
【文档编号】B29C70/52GK103987514SQ201280060496
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2012年12月7日 优先权日:2011年12月9日
【发明者】T·A·里根 申请人:提克纳有限责任公司