一种长纤维束熔融浸渍系统及包含该系统的生产设备的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及成型加工设备领域，具体涉及一种长纤维束熔融浸渍系统。
【背景技术】
[0002] 改性塑料是涉及面广、科技含量高、能创造巨大经济效益的一个塑料产业领域，而 塑料改性技术更是几乎深入到所有塑料制品的原材料与成型加工过程。改性塑料的发展前 景具有以下趋势：通用塑料工程化、工程塑料高性能化、特种工程塑料低成本化、纳米复合 技术等高技术的应用、改性塑料的绿色、环保、低碳、循环再利用。
[0003] 长纤维增强热塑性塑料（Long Fiber Reinforced Thermoplastics, LFT)是近 年来取得突破进展的高性能新材料，可以弥补或取代常规短纤维增强热塑性塑料（Short Fiber Reinforced Thermoplastics, SFT)的许多不足和缺点。长纤维增强技术是实现通 用塑料工程塑料化和工程塑料高性能化目标的关键核心技术，已普遍受到国内外复合材料 科研与工业界的广泛重视和开发生产。与SFT相比，LFT具有以下方面显著优点：1)弯曲 强度、拉伸强度可提高30-100% ;2)冲击韧性等抵抗应力断裂的能力可提高4-10倍；3) 具有独有的三维网络结构，使得抗蠕变性能优异，尤其适合使用于高低温交变频繁场合；4) 超高尺寸精度，纵横收缩率小而均匀；5)既可在普通注塑机上进行注塑成型，也可模压成 型；6)低翘曲、表面光洁，浮纤少；7)即使是厚壁制件，收缩率小，制品很容易实现薄壁轻量 化。正是由于LFT塑料具有上述突出的性能，被广泛应用于汽车工程塑料结构部件，替代金 属零部件以节省成本、降低重量、减少能耗；替代价格高的特种工程塑料，如尼龙、聚苯硫醚 等；取代热固性玻璃钢复合材料，如氨基树脂、不饱和聚酯、酚醛树脂等，提高成型效率、降 低成本，符合循环使用的环保要求，从而使纤维增强热塑性复合材料应用领域得到进一步 的加强、扩展和深化。
[0004] 当前工业规模化的长纤维增强技术是熔融浸渍法，其是将树脂加热熔融，然后使 纤维束与树脂熔体相互接触作用，形成浸渍料。长纤维增强热塑性复合材料的最终性能取 决于长纤维在树脂基体中的浸渍效果，如果浸渍效果不好，就无法获得性能优良的长纤维 增强热塑性复合材料。
[0005] 熔融浸渍过程中，熔体沿纤维方向的流动和穿透纤维方向的流动时同时发生的， 可以近似视为多孔结构的流动。液体通过多孔结构流动的渗透速率μ可由Darcy经验定 律给出：
[0007] 熔体浸渍纤维所需的浸渍时间
[0009] 式中：k-渗透率；
[0010] X-液体流动长度；
[0011] η-液体黏度；
[0012] ρ-作用在液体上的压力降；
[0013] p"-施加在熔体上的外部压力；
[0014] ρ。一纤维束毛细压力。
[0015] 根据流体力学理论和Darcy经验定律可知，纤维浸渍效果与浸渍过程中长纤维束 厚度和单丝分散均匀度、树脂熔体粘度、纤维束牵引张力、浸渍时间等众多因素相关。提高 熔体压力、降低熔体黏度、减小纤维束厚度，将提高长纤维的浸渍效果。其中，提高熔体压力 需考虑与输出能量的平衡，降低熔体黏度需结合能量、配方角度考虑，减小纤维束厚度可从 分散角度出发。
[0016] 现有的提高长纤维的浸渍效果的方法存在诸多问题：1)热塑性树脂熔体的粘度 高，流动不易，对纤维的浸渍较为困难，通常依赖于添加特性助剂进行配方调整降低黏度， 但是通常特性助剂价格昂贵，并且会降低长纤维增强复合材料的性能和影响外观；2)利用 增大牵引张力作用对长纤维进行分散和浸渍会严重损伤长纤维，甚至折断，影响生产效率； 3)延长浸渍时间可以提高纤维的浸渍效果，但是由于热塑性树脂的熔点都较高，如果热塑 性树脂长时间处于高温环境下，易被氧化进而影响长纤维增强复合材料的质量。
[0017] 如图1所示，早期熔融浸渍系统通过长纤维束绕行固定位结构（参见图la)，依靠 外加牵引装置提供的牵引力顶紧长纤维束从而减小浸渍过程中长纤维束的厚度。所述的固 定位结构是指不能移动和绕圆心转动的结构，如鞘钉、扁带、弯曲流道、蛇形管、固定辊轴、 导辊、平辊、压辊等。长纤维束在外加牵引装置的张力作用下顶紧分散，厚度减小，使热塑性 树脂能够透过长纤维束，可获得较好的浸润，但此类设计一般包含多组拐角结构，包覆角大 且张力作用点集中，固定位与纤维束接触产生的摩擦力大，易出现纤维折损甚至折断，导致 复合材料中长纤维的含量大幅度降低，使得复合材料的性能也大幅度降低（参见图lb的上 图）；甚至由于堵塞口模而停机得不到长纤维增强的复合材料，也就是经熔融后得到的仍 为没有长纤维的热塑性材料（参见图lb的下图）。
[0018] 如图2所示，目前较多采用的熔融浸渍系统是轮系结构或轮系结构与固定位结构 的组合结构，并且所述的轮系结构的转动是被动的，由长纤维束带动其转动。所述轮系结 构，不同的文献中说法不同，可以是转动导辊、接触导丝辊、非接触导丝辊、主动轮、从动轮、 辊轮等（参见图2a)。依靠外加牵引装置提供的预加牵引力使长纤维束在热塑性树脂熔体 中穿过，由长纤维束带动轮系结构旋转，进而搅动热塑性树脂熔体，从而提高熔体流动性， 提高长纤维浸渍速度。但是采用该方法生产的长纤维增强复合材料，由于仅靠几组无动力 传动的轮系结构（例如辊轮）产生的熔体紊流非常有限，虽然减少了长纤维的折损或折断， 但在浸渍过程中，对于减小长纤维束厚度的作用并不大，所得产品往往呈现"皮芯"结构的 简单包覆状，仅表层纤维被树脂熔体浸润，芯层纤维甚至仍处于干态（参见图2b)，整体长 纤维难以达到充分浸润，长纤维与热塑性树脂之间无法获得良好的界面结合，难以获得高 性能的长纤维增强复合材料。以长纤维增强塑料粒料（LFT-G)为例，轮系结构的熔融浸渍 系统制得的产品实物剖面图如图2c所示，可见，图2c与图2b的示意图一致，芯层纤维甚至 仍处于干态，整体长纤维没有达到充分浸润。
[0019] 此外，陆续出现了一些其他的结构和设计，如图3所示，开设有凹槽的张力辊、带 有螺旋状凹槽的辊轮、齿轮熔体栗等（参见图3a)，这些结构虽然采用增加熔体紊流的方 法，相对降低了熔体黏度，有利于纤维浸渍，但是由于激烈的不均匀的熔体波动，干扰了纤 维轴向和径向的分布，降低了长纤维束的单丝分散均匀度，在产品中呈不均匀状态分布 (参见图3b)，最终导致弱化增强相纤维在树脂基体中的三维网络结构骨架效应的发挥，仍 然不能满足质量的要求。以长纤维增强塑料粒料（LFT-G)为例，这种结构的熔融浸渍系统 制得的产品实物剖面图如图3c所示，可见，图3c与图3b的示意图一致，长纤维束的单丝 仅分散在产品的一侧，呈不均匀状态分布。
[0020] 到目前为止，利用熔融浸渍法生产长纤维增强热塑性塑料的技术中，尚未见既能 提高长纤维的浸渍效果，使最终产品中的长纤维单丝能在热塑性树脂中完全充分浸润（长 纤维单丝在热塑性树脂中完全均匀分布）、又能提高浸渍速度的报道。 【实用新型内容】
[0021] 针对现有熔融浸渍系统固定位结构和轮系结构等结构设计仍然存在的纤维折损 大、浸润不充分、分散均匀性差的缺点，本实用新型提供一种利用驱动单元提供套辊旋转动 力的、由驱动套辊相互嵌合产生合力推动辊间狭缝中长纤维束运动的熔融浸渍系统，所述 的熔融浸渍系统同时实现了减小浸渍过程中长纤维束厚度和加大长纤维束单