一种纤维增强复合材料拉挤成型装置及其拉挤成型工艺的制作方法

本发明属于复合材料加工领域，尤其是一种纤维增强复合材料拉挤成型装置及其拉挤成型工艺。

背景技术：

拉挤成型工艺是将浸渍树脂胶液的连续玻璃纤维束、带或布等增强材料，在牵引力的作用下，通过挤压模具成型、固化，连续不断地生产长度不限的玻璃钢型材。这种工艺最适合生产各种断面形状的玻璃钢型材，如棒、管、实体型材（工字型、槽型、方形型材）和空腹型材（门窗型材、叶片）等。拉挤成型使用的基体树脂主要有不饱和树脂、乙烯基树脂、酚醛树脂、环氧树脂以及聚氨酯等热固性树脂。

拉挤的典型工艺流程为：玻璃纤维粗纱排布——浸胶——预成型——挤压模塑及固化——牵引——切割——制品。成型过程主要在模具内完成。模具的作用是实现进入模具内的树脂和玻纤浸润后所形成预浸料的压实、成型和固化。模具长度与固化速度、模具温度、制品尺寸、拉挤速度、增强材料性质等有关，拉挤成型模具的长度一般为0.5~1.55m，其具体长度取决于产品厚度、拉挤速度及树脂体系的化学反应特性等因素。在模具的设计中，除了考虑截面的任何尺寸外，还应主要考虑以下二个主要因素：一是树脂体系固化反应的化学及物理特性；二是拉挤材料与模具壁的摩擦性能。

拉挤工艺的成型效率主要取决于树脂的固化速度和拉挤过程中牵引力大小。树脂固化速度越快，牵引力越小，可实现的拉挤速度越高，反之则越低。通常可通过选用高活性树脂和催化剂，提高模具温度等方法来提高树脂在模具内的固化速度以提高拉挤效率；为降低拉挤过程中牵引力，通常会在树脂中加入内脱模剂，树脂在加热固化过程中，内脱模剂迁移到制品表面以降低制品和金属模具之间的摩擦阻力，使得制品在拉挤设备的牵引下能正常脱离模具实现连续生产。通常而言，使用环氧树脂，可实现0.1~0.3米/分钟，不饱和树脂可以实现0.5~1米/分钟，聚氨酯可实现最高达2.5米/分钟的拉挤速度。如果制品截面尺寸增加，或者形状变得复杂，制品与金属模具之间的摩擦阻力会显著增加，拉挤速度则会明显下降，或者需要采用更大拉力的设备来达到拉挤速度的要求。为降低阻力，可采用增加内脱模剂用量的方法来改善，通常添加量不超过树脂总量的1~3%，过多的脱模剂添加量对降低阻力不会有明显的改善，而且过量的脱模剂不会完全迁移到制品表面而作为填料留在制品内，进而降低制品机械强度。

如附图2所示，公开文件一介绍了拉挤工艺装置，其主要由以下六部分组成：增强材料传送系统、浸胶系统、预成型系统、模具、牵引装置、切割装置。在公开文件二中介绍了一种通过选用特定的树脂原料、催化剂、脱模剂等，通过改变树脂的反应特性降低拉挤牵引力并提高拉挤速度的方法，但并未涉及模具和拉挤工艺方面的创新。

技术实现要素：

发明目的：提供一种纤维增强复合材料拉挤成型装置及其拉挤成型工艺，以解决生产截面尺寸较大、形状复杂的复合材料过程中牵引机的拉挤阻力过大，尤其是在内脱模剂的添加量对降低阻力具有局限性的问题。

技术方案：一种纤维增强复合材料拉挤成型装置，包括：纱线供给组件、固化成型组件、牵引切割组件和拉挤设备平台四部分。

纱线供给组件，包括由若干缠绕有增强材料的卷筒组成的纱架，设置在所述纱架沿着增强材料运动的一侧、由若干个导向轮组成的集束架，以及设置在所述集束架沿着增强材料运动的一侧导纱板。

固化成型组件，包括设置所述导纱板沿着增强材料运动一侧的封闭注胶盒，与所述注胶盒密闭相连的注胶系统，设置在所述注胶盒沿着增强材料运动一侧的模具，以及与所述模具密闭相连的润滑剂注入系统；其中，所述模具为分段加热模具，沿着增强材料运动大方向依次为预热区、凝胶区和固化区，在所述凝胶区与固化区之间设置有润滑槽，所述润滑槽的截面形状与模具的外形相同或相似形状，且在所述模具内表面之间留有预定的宽度和深度。

牵引切割组件，包括设置在所述模具沿着增强材料运动一侧的牵引装置，以及设置牵引装置沿着增强材料运动一侧的切割装置；

拉挤设备平台，所述固化成型组件和牵引切割组件均通过型材固定安装在所述拉挤设备平台上。

在进一步的实施例中，所述纱架上的增强材料依次经过集束架、导纱板、注胶盒、模具、牵引装置和切割装置。

在进一步的实施例中，所述注胶系统包括：a料罐，b料罐，与所述a料罐和b料罐下方分别连接的两个蠕动泵和流量计，以及用于混合a料、b料的静态混合器等模块。

在进一步的实施例中，所述润滑剂注入系统包括：润滑剂罐、连接润滑剂罐和模具之间的润滑剂注入管，以及设置在所述润滑剂注入管上的蠕动泵和流量计。

在进一步的实施例中，所述注胶系统和润滑剂注入系统的动力源还可以是通过重力、真空压力或柱塞泵、齿轮泵等将润滑剂注入到注胶盒和润滑槽内。

另一方面，一种纤维增强复合材料拉挤成型工艺的具体步骤如下：

s1、蠕动泵按照预定比例打出的a组分和b组分，经静态混合器混合后定量注入密闭注胶盒内；

s2、将纤维或纤维织物在牵引机的带动下，通过集束架、导纱板汇聚成股，然后以预定速度通过注胶盒；

s3、在牵引浸渍有树脂的纤维增强材料进入加热分段加热模具的前段，对分段加热模具的前段加热至25～130℃，且保持恒温加热；

s4、在经过模具预热区、凝胶区的加热至150~220℃，经树脂浸润的连续纤维在模具总长的2/3处左右，树脂在温度和催化剂的共同作用下快速固化，形成有强度的复合材料；

s5、润滑剂注入系统通过蠕动泵按照预定流量向润滑槽注入润滑剂，向已凝固的复合材料上涂抹一层润滑剂；

s6、织物板材在牵引机的带动下，进入分段加热模具固化区，进行固化升温，继续升温至160～230℃，树脂在温度和催化剂的共同作用下快速固化，形成有强度的复合材料；

s7、树脂固化后会发生轻微收缩，在润滑剂和脱模剂的共同作用下，在模具尾段出模，并对型材进行切割、修整处理。

在进一步实施过程中，所述润滑剂罐内的润滑剂具体可以为：液体脱模剂、矿物润滑油、合成润滑油、动植物油等具有润滑作用的液体或流体。

在进一步实施过程中，所述工艺可以应用与环氧树脂复合材料、不饱和树脂复合材料、乙烯基树脂复合材料、聚氨酯树脂复合材料的制备。

有益效果：本发明涉及一种纤维增强复合材料拉挤成型工艺，与现有技术相比具有以下优点：

1、采用密闭注胶系统，通过注胶系统将树脂组合组分通过不同比例注射到密闭的注胶盒上，然后增强材料依次通过注胶盒内；这样的设计，一方面能够避免树脂外界环境的影响，尤其是空气中的水分；另一方面通过注胶系统精准控制树脂的组分，提高增强材料和树脂之间的结合程度，有效保证成品的质量和稳定性。

2、采用分段加热模具设计不同温度的加工工艺，根据树脂的物理特性和增强材料和树脂反应特性设计成具有不同的加热温度和压力的预热区、凝胶区和固化区；当树脂纤维混合材料首先进入预热区、使树脂粘度降低，提高树脂的流动性并使树脂进一步浸润增强材料；然后材料进入凝胶区，树脂开始反应，树脂从粘稠液体变成凝胶状态；最后材料进入固化区使材料充分固化，从加工工艺上提高树脂的固化速度，有效提高了复合材料中拉挤工艺的成型效率。

3、设计润滑槽，在模具凝胶区结束位置设计一个润滑槽，往润滑槽内注入润滑剂，在制品被牵引前进的过程中，润滑剂附着在制品表面，从而显著降低制品与模具之间的摩擦阻力，解决了在生产截面尺寸较大、形状复杂的复合材料中牵引机拉挤阻力过大的问题。

4、通过润滑剂注入系统向润滑槽注入润滑剂，向已凝固的复合材料上涂抹一层润滑剂；避免了过量的脱模剂不能完全迁移到制品表面，而作为填料留在制品降低制品机械强度情况的发生。解决了内脱模剂对脱模剂添加量对降低阻力具有局限性的问题。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是现有技术的结构示意图。

图3是现有技术中常规模具的结构示意图。

图4是本发明中润滑槽和模具的结构示意图。

图5是本发明中模具的截面示意图。

附图标记为：纱架1、集束架2、导纱板3、注胶盒4、模具5、牵引装置6、切割装置7、制品8、拉挤设备平台9、注胶系统10、润滑剂注入系统11、预热区501、凝胶区502、脱离点503、固化区504、润滑槽505、a料罐1001、b料罐1002、流量计1003、静态混合器1004、树脂注入管1005、润滑剂罐1101、润滑剂注入管1102。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如附图1所示，一种纤维增强复合材料拉挤成型装置，包括：纱线供给组件、固化成型组件、牵引切割组件和拉挤设备平台9四部分。

纱线供给组件包括：纱架1、集束架2和导纱板3。其中，所述纱架1由若干缠绕有增强材料的卷筒组成的，集束架2设置在所述纱架1沿着增强材料运动的一侧、由若干个导向轮组成，导纱板3设置在所述集束架2沿着增强材料运动的一侧，通过集束架2和导纱板3将单根纱线汇集成一股。

固化成型组件包括：注胶盒4、注胶系统10、模具5、润滑剂注入系统11。封闭注胶盒4设置所述导纱板3沿着增强材料运动一侧，注胶系统10与所述注胶盒4密闭相连，其中，所述注胶系统10包括：a料罐1001，b料罐1002，与所述a料罐1001和b料罐1002下方分别连接的两个蠕动泵和流量计1003，用于混合a料、b料的静态混合器1004模块，以及与所述静态混合器1004相连接的树脂注入管1005。其中，注胶频率为0.2～2hz，注胶量为2～500g/min。上述结构采用密闭注胶系统10，通过注胶系统10将树脂组合组分通过不同比例注射到密闭的注胶盒4上，然后增强材料依次通过注胶盒4内；这样的设计，一方面能够避免树脂外界环境的影响，尤其是空气中的水分；另一方面通过注胶系统10精准控制树脂的组分，提高增强材料和树脂之间的结合程度，有效保证成品的质量和稳定性。模具5设置在所述注胶盒4沿着增强材料运动一侧，其中，如附图4～5所示，所述模具5根据具体成品外形设计成不同形状，为分段加热模具5，沿着增强材料运动大方向依次为预热区501、凝胶区502和固化区504，所述模具5的凝胶区502与固化区504之间为脱离点503。根据树脂的物理特性和增强材料和树脂反应特性设计成具有不同的加热温度和压力的预热区501、凝胶区502和固化区504；当树脂纤维混合材料首先进入预热区501、使树脂粘度降低，提高树脂的流动性并使树脂进一步浸润增强材料；然后材料进入凝胶区502，树脂开始反应，树脂从粘稠液体变成凝胶状态；最后材料进入固化区504使材料充分固化，从加工工艺上提高树脂的固化速度，有效提高了复合材料中拉挤工艺的成型效率。润滑剂注入系统11与所述模具5密闭相连。所述脱离点503处设置有润滑槽505，所述润滑槽505的截面形状与模具5的外形相同或相似形状，且在所述模具5内表面之间留有预定的宽度和深度。所述润滑剂注入系统11包括：润滑剂罐1101、连接润滑剂罐1101和模具5之间的润滑剂注入管1102，以及设置在所述润滑剂注入管1102上的蠕动泵和流量计。润滑剂能进入到槽内并与制品8充分接触和润滑，润滑槽505设置模具5脱离点503之后固化区504位置，在制品8被牵引前进的过程中，润滑剂附着在制品8表面，从而显著降低制品8与模具5之间的摩擦阻力。

其中，所述润滑剂罐1101内的润滑剂具体可以为：液体脱模剂、矿物润滑油、合成润滑油、动植物油等具有润滑作用的液体或流体。在具体实施过程中，可使用的润滑剂有拉挤工艺所常用的脱模剂，包含长链羧酸，特别是脂肪酸，例如硬脂酸；长链羧酸的胺，例如，硬脂酰亚胺；脂肪酸酯；长链羧酸的金属盐，例如硬脂酸锌；和硅氧烷；以及磷酸氟醇酯；以及常用的工业润滑剂，包含矿物润滑油，合成润滑油，动植物油和水基液体等液体润滑剂以及由基础润滑油和稠化剂按比例调和的半固体润滑剂。其中优选的是拉挤用脱模剂以及液体润滑剂。

牵引切割组件包括牵引装置6和切割装置7。牵引装置6设置在所述模具5沿着增强材料运动一侧，用来提供牵引力；切割装置7设置牵引装置6沿着增强材料运动一侧，将复合材料。

所述固化成型组件和牵引切割组件均通过型材固定安装在拉挤设备平台9上。所述拉挤设备平台9起到一个固定、支撑的作用。

另一方面，一种纤维增强复合材料拉挤成型工艺的具体步骤如下：

s1、蠕动泵按照预定比例打出的a组分和b组分，经静态混合器混合后定量注入密闭注胶盒内；

s2、将纤维或纤维织物在牵引机的带动下，通过集束架、导纱板汇聚成股，然后以预定速度通过注胶盒；

s3、在牵引浸渍有树脂的纤维增强材料进入加热分段加热模具的前段，对分段加热模具的前段加热至25～130℃，且保持恒温加热；

s4、在经过模具预热区、凝胶区的加热至150~220℃，经树脂浸润的连续纤维在模具总长的2/3处左右，树脂在温度和催化剂的共同作用下快速固化，形成有强度的复合材料；

s5、润滑剂注入系统通过蠕动泵按照预定流量向润滑槽注入润滑剂，向已凝固的复合材料上涂抹一层润滑剂；

s6、织物板材在牵引机的带动下，进入分段加热模具固化区，进行固化升温，继续升温至160～230℃，树脂在温度和催化剂的共同作用下快速固化，形成有强度的复合材料；

s7、树脂固化后会发生轻微收缩，在润滑剂和脱模剂的共同作用下，在模具尾段出模，并对型材进行切割、修整处理。

在进一步实施过程中，所述润滑剂罐1101内的润滑剂具体可以为：液体脱模剂、矿物润滑油、合成润滑油、动植物油等具有润滑作用的液体或流体。

在进一步实施过程中，所述工艺可以应用与环氧树脂复合材料、不饱和树脂复合材料、乙烯基树脂复合材料、聚氨酯树脂复合材料的制备。

为对比本发明的实施效果，分别采用不同树脂体系和不同的润滑剂对比了常规模具5（如附图3所示）和本发明模具5（如附图4所示）在相同工艺条件下的拉力大小进行实验。在下列对比例中，选用的制品8尺寸和形状如附图3、附图4所示，为长100m，宽60mm，厚度为4mm的槽钢；无润滑剂，即使用传统加入内脱模剂的挤拉成型工艺；脂肪酸酯，即采用牌号为techlubehb550d的脂肪酸酯作为润滑剂使用本设计中的挤拉成型工艺；工业级蓖麻油，即采用牌号为geochem的工业级蓖麻油作为润滑剂使用本设计中的挤拉成型工艺；合成润滑油，即采用牌号为美孚1号的合成润滑油作为润滑剂使用本设计中的挤拉成型工艺。具体实验变量和实验数据如下表所示：

通过对比以上对比例，可以说明针对不同拉挤树脂体系，在增加润滑系统向模具5内引入润滑剂后，制品与金属模具5之间的摩擦阻力都有显著减小，牵引装置6所需的拉力可以减小15~25%。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。