专利名称：制备长纤维增强缩聚反应型热塑性复合材料的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种长纤维复合材料的制造设备，具体地说是一种制备 长纤维增强縮聚反应型热塑性复合材料的装置。
背景技术：
自上世纪80年代以来，以通用工程塑料和高性能工程塑料为基体树脂的 热塑性树脂基复合材料越来越受到人们的关注，并己成为复合材料领域异常 活跃的研究开发热点。热塑性树脂基复合材料(PRTP)具有很多独特的优点， 如韧性高、耐冲击性能好、预浸料稳定、无贮存时间限制、制造周期短、耐 化学性能好、吸湿率低、可重复加工等。自1951年R.Bradit首次采用玻璃 纤维增强聚苯乙烯制造复合材料以来，热塑性复合材料的基体树脂、增强材 料及成型方法的研究不断深入，产量与应用领域不断扩大，己经在汽车、电 子、电器、医药、建材等待业得到了广泛的应用。本委托项目涉及一种制备 长纤维增强縮聚反应型热塑性复合材料专用设备的研制，本项目突破传统的 热塑性树脂基复合材料的生产方法和设备，主要针对以縮聚反应型热塑性材 料为原料，采用酯化(酯交换)縮聚、熔融浸渍、冷却造粒一体化的方法和专 用装置，得到低分子量的长纤维增强预处理树脂切片，再根据使用要求通过 固相縮聚来提高其树脂的分子量，最终制得长纤维增强热塑性树脂复合材料 (LFRTP)。
据国内外有关文献检索热塑性树脂的熔体粘度很高，因此制备热塑性 树脂材料的关键技术是解决热塑性树脂对增强纤维的浸渍，各国对此进行了 大量的研究，主要开发了熔融浸渍、悬浮浸渍、粉末预浸、纤维混杂、原位 聚合及薄膜镶嵌等多种制备技术，如美国专利4， 640， 861和4， 828, 776等， 另外美国专利5， 861， 560公开了用可在高温降解而又可在低温聚合的聚氨酯 制备连续长纤维增强的热塑性复合材料；美国专利5， 935， 508和欧洲专利0,290,849公开了以紫外光引发的光聚合连续纤维增强热塑性复合材料等 等。除此之外，美国专利5019450、 4783349、 US4735828和日本专利 JP2003165848、 JP2001113606、 JP6087122、 JP2001219491、 W003053661、 JP2000000820等等及国外数据库当中的一些文献都对长纤维縮聚的长纤维 增强热塑性复合材料进行了理论探讨和研究，均未涉及具体的制造设备，因 此开发一种适合于以縮聚反应型热塑性材料为原料，采用酯化(酯交换)縮 聚、熔融浸渍、冷却造粒一体化的专用装置，得到低分子量的长纤维增强预 处理树脂切片，再根据使用要求通过固相縮聚来提高其树脂的分子量，最终制 得长纤维增强热塑性树脂复合材料的装置已成为当务之急。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种制备长纤维增强縮聚反应型热塑性复合材 料的装置。
本实用新型的技术方案是
一种制备长纤维增强縮聚反应型热塑性复合材料的装置，包括粗纱退绕单元l、纤维预热单元2、熔体供给单元3、浸润模头单元4、冷却单元5及 牵引单元6，其特征是所述的冷却单元5由水平布置的冷却水槽503和斜置 的喷淋冷却器501组成，水平布置的冷却水槽503的一端与牵引单元6相对， 另一端与斜置的喷淋冷却器501的一端相对，斜置的喷淋冷却器501与同角 度斜置的浸润模头单元4的出口端相对，浸润模头单元4的出口端与同角度 斜置的浸润腔408的出口端相通，浸润腔408的进口端与纤维预热单元2的 出口端相对，浸润腔408同时旁接有水平布置的熔体承接口 402，该熔体承 接口 402与熔体供给单元3的输出端相通，纤维预热单元2的进口端与粗纱 退绕单元l的出口端相对。
所述的粗纱退绕单元1由张力架和丝束展开导丝器101及退绕底盘102 组成，玻纤无捻粗纱呈片状从张力架和丝束展开导丝器101中引出送入纤维 预热单元2。
所述的纤维预热单元2由加热箱201、进口丝束展开导丝器202、导丝管 203、温度传感器204和温控仪205组成，导丝管203安装在加热箱201中， 进口丝束展开导丝器202安装在导丝管203的两端上，温度传感器204和温
控仪205均与加热箱201相连，从张力架和丝束展开导丝器101引出的片状 的玻纤无捻粗纱从导丝管203 —端进口丝束展开导丝器202进入，从导丝管 203另一端的进口丝束展开导丝器202引出送入浸润模头单元4中。
浸润模头单元4主要由预热套401、熔体承接口 402、浸润槽403、辊子 404、模口 405、升降机构406组成，浸润槽403中设有供经前道工序预热成 片状的玻纤无捻粗纱穿过的浸润腔408，预热套401安装在浸润腔408的入 口处，模口 405位于浸润腔408的出口处，熔体承接口 402与浸润腔408相 通，辊子404由固定辊子和活动辊子组成，其中固定辊子固定安装在浸润腔 408中，活动辊子安装在升降机构406上，它们从片状玻纤无捻粗纱的两边 分别挤压在片状玻纤无捻粗纱上，所述的片状玻纤无捻粗纱从预热器401进 入浸润腔408并与从熔体承接口 402进入的浸润体浸渍后穿过辊轮404反复 浸润后从模口 405引出送入冷却装置5中冷却。
浸润模头单元4内的棍子404的数量为2 6对，直径为4 10 mm，材 质为陶瓷或不锈钢。
浸润模头单元4中的纤维伸头采用单面升降式或采用双面升降式，实现 了在线不拆卸伸头。
浸润模头单元4中的纤维断裂后可利用其升降机构方便地实现在线不拆 卸重新伸头。
所述的熔体供给单元3或为螺杆挤压机组，或为反应釜，它们的输出口 与浸润模头单元4的熔体承接口 402相通。
所述的冷却单元5由喷淋冷却器501、转向辊502和冷却水槽503组成， 喷淋冷却器501斜置在水平安装的冷却水槽503的上方，转向辊502安装在 冷却水槽503的两端，浸渍后的条状聚合物铸带从模口 405引出后穿过斜置 的喷淋冷却器501后经冷却水槽503 —端的转向辊502进入冷却水槽503， 再从冷却水槽503另一端的转向辊502引出送入牵引装置6中。
所述的牵引装置6由驱动辊601、上压辊602、驱动装置603组成，驱动 装置603与驱动辊601相连，上压辊602安装在驱动辊601的上方，浸渍冷 却后的条状聚合物铸带穿过上压辊602和驱动辊601并在驱动辊601带动下 送入切粒机7中。
所述的喷淋冷却器501的斜置角度介于50 70度之间。
本实用新型的有益效果
(1) 长纤维能方便的引入装置、运行平稳
(2) 在生产过程中出现纤维断头的情况下能方便的实现再次伸头
(3) 纤维在进入装置后能够尽可能分散展开，与基体高聚物熔体充分的接触达到浸润包覆的效果。
(4) 浸润速度可在5米/分一20米/分范围内调整
(5) 能够方便的与基体聚合物熔体供给装置对接。
(6) 可采用热塑性树脂为原料经双螺杆挤出机熔融挤出再造粒工艺，也可采用酯化(酯交换)、縮聚、浸渍、冷却造粒一体化工艺，制取长纤维增强复合材料基料低分子量的预浸料，然后通过固相縮聚，得到高分子量的长纤维增强热塑性复合材料基料。
(7) 可采用PET、 PBT、 PTT、 PEN、 PETG、 PLA、 PBS、 PBN、 PA、 PC及其 共混或共聚改性的树脂粒料、粉料经双螺杆挤出机熔融挤出供给熔体。
(8) 可采用单体为对苯二甲酸、对苯二甲酸二甲酯、萘二甲酸、萘二 甲酸二甲酯、乙二醇、丙二醇、丁二醇、环状二醇和改性用第三、四单体， 通过酯化(酯交换)和縮聚反应，制备低粘度的PET、 PTT、 PBT、 PEN、 PETG 等縮聚反应型聚合物。制得的聚合物可以为均聚物，也可以为共聚物，应用 在聚合装置上则可以把浸渍装置接在縮聚反应器的合适位置；
(9) 增强纤维可以为玻璃纤维，碳纤维，亚麻等纤维，纤维素纤维，合 成纤维，不锈钢纤维，铜纤维等金属纤维。
图1是本实用新型装置的结构示意图。
图2是本实用新型的粗纱退绕单元的结构示意图。
图3是本实用新型的纤维预热单元的结构示意图。
图4是本卖用新型的熔体供给单元的结构示意图之一。
图5是本实用新型的熔体供给单元的结构示意图之二。
图6是本实用新型的浸润模头单元的结构示意图。
图7是本实用新型的冷却单元的结构示意图。图8是本实用新型的牵引单元的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。
如图1-8所示。
一种制备长纤维增强縮聚反应型热塑性复合材料的装置，主要由粗纱退 绕单元l、纤维预热单元2、熔体供给单元3、浸润模头单元4、冷却单元5 及牵引单元6、切粒机7组成，如图1所示。所述的冷却单元5由水平布置 的冷却水槽503和斜置(倾斜角度为50 70度之间)的喷淋冷却器501组成， 水平布置的冷却水槽503的一端与牵引单元6相对，另一端与斜置的喷淋冷 却器501的一端相对，斜置的喷淋冷却器501与同角度斜置的浸润模头单元 4的出口端相对，浸润模头单元4的出口端与同角度斜置的浸润腔408的出 口端相通，浸润腔408的进口端与纤维预热单元2的出口端相对，浸润腔408 同时旁接有水平布置的熔体承接口 402，该熔体承接口 402与熔体供给单元3 的输出端相通，纤维预热单元2的进口端与粗纱退绕单元1的出口端相对。
所述的粗纱退绕单元1的主要作用是将玻纤无捻粗纱以恒定的预张力退 绕，并将纤维束展开为片状，它主要由张力架和丝束展开导丝器101及退绕 底盘102组成，玻纤无捻粗纱呈片状从张力架和丝束展开导丝器101中引出 送入纤维预热单元2。如图2所示。
所述的纤维预热单元2的作用是将玻纤无捻粗纱由室温加热至接近熔体 熔触温度，除去纤维中的水分，并将玻璃无捻粗纱铺展成为一定宽度的薄片 状送入浸润装置中，它主要由加热箱201、进口丝束展开导丝器202、导丝管 203、温度传感器204和温控仪205组成，导丝管203安装在加热箱201中， 进口丝束展开导丝器202安装在导丝管203的两端上，温度传感器204和温 控仪205均与加热箱201相连，从张力架和丝束展开导丝器101引出的片状 的玻纤无捻粗纱从导丝管203 —端进口丝束展开导丝器202进入，从导丝管 203另一端的进口丝束展开导丝器202引出送入浸润模头单元4中。如图3 所示。
浸润模头单元4的作用是将预热展平的玻纤薄片，引入封闭空间，在熔 体中反复浸渍，由模口引出，得到一定熔纤比的酯条，它主要由预热套401、 熔体承接口 402、浸润槽403、辊子4Q4、模口 405、升降机构406组成，浸润槽403中设有供经前道工序预热成片状的玻纤无捻粗纱穿过的浸润腔408， 预热套401安装在浸润腔408的入口处，模口 405位于浸润腔408的出口处， 熔体承接口 402与浸润腔408相通，辊子404由固定辊子和活动辊子组成， 其中固定辊子固定安装在浸润腔408中，活动辊子安装在升降机构406上， 它们从片状玻纤无捻粗纱的两边分别挤压在片状玻纤无捻粗纱上，所述的片 状玻纤无捻粗纱从预热器401进入浸润腔408并与从熔体承接口 402进入的 浸润体浸渍后穿过辊轮404反复浸润后从模口 405引出送入冷却装置5中冷 却。如图4所示。浸润模头单元4内的棍子404的数量为2 6对，直径为4 lOmm,材质为陶瓷或不锈钢。浸润模头单元4中的纤维伸头采用单面升降式 或采用双面升降式。
所述的熔体供给单元3或为螺杆挤压机组，'或为反应釜，它们的输出口 与浸润模头单元4的熔体承接口 402相通。如图5、 6所示。
所述的冷却单元5的作用是将由模口引出的铸带条迅速均匀冷却，形成 截面均匀的铸带条，它主要由喷淋冷却器501、转向辊502和冷却水槽503 组成，喷淋冷却器501斜置在水平安装的冷却水槽503的上方，转向辊502 安装在冷却水槽503的两端，浸渍后的条状聚合物铸带从模口 405引出后穿 过斜置的喷淋冷却器501后经冷却水槽503 —端的转向辊502进入冷却水槽 503，再从冷却水槽503另一端的转向辊502引出送入牵引装置6中。如图7 所示。
所述的牵引装置6的作用是以一定的速度将铸带条压紧牵引并送至切粒 机造粒，它主要由驱动辊601、上压辊602、驱动装置603组成，驱动装置 603与驱动辊601相连，上压辊602安装在驱动辊601的上方，浸渍冷却后 的条状聚合物铸带穿过上压辊602和驱动辊601并在驱动辊601带动下送入 切粒机7中。如图8所示。
具体工作时，熔体由连接聚合反应釜的熔体输送泵供给，从水平方向进 入浸润单元。预热套、系列辊子和水冷却槽在同一直线上与水平呈60°角(也 可为50-70度之间的任一角度)布置。需要生头操作时，调整与对应辊子相 连的旋柄，将浸润装置内的相应辊移开，用生头工具完成必要的引纱过程， 再调整与对应辊子相连的旋柄，使系列辊子恢复正常浸润状态。
考虑与300L聚合反应釜连接的放大装置的设计计算，选同时对8根纤维束以15m/min的牵引速度进行浸润生产，以低粘度聚酯熔体作为热塑性机体 熔体，ER12-2000-988热塑性塑料用合股无捻玻纤粗纱为增强材料，纤熔比 为30%时的产量为62. 4kg/h，熔体需求量为48kg/h,如果采用70cc/rev的 熔体计量泵，泵转速为9.68rpm。如果在1. 5小时顺利内完成生产，每釜最 少量为72kg。
本实用新型未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
权利要求1、一种制备长纤维增强缩聚反应型热塑性复合材料的装置，包括粗纱退绕单元(1)、纤维预热单元(2)、熔体供给单元(3)、浸润模头单元(4)、冷却单元(5)及牵引单元(6)，其特征是所述的冷却单元(5)由水平布置的冷却水槽(503)和斜置的喷淋冷却器(501)组成，水平布置的冷却水槽(503)的一端与牵引单元(6)相对，另一端与斜置的喷淋冷却器(501)的一端相对，斜置的喷淋冷却器(501)与同角度斜置的浸润模头单元(4)的出口端相对，浸润模头单元(4)的出口端与同角度斜置的浸润腔(408)的出口端相通，浸润腔(408)的进口端与纤维预热单元(2)的出口端相对，浸润腔(408)同时旁接有水平布置的熔体承接口(402)，该熔体承接口(402)与熔体供给单元(3)的输出端相通，纤维预热单元(2)的进口端与粗纱退绕单元(1)的出口端相对。
2、 根据权利要求1所述的制备长纤维增强縮聚反应型热塑性复合材料的装 置，其特征是所述的粗纱退绕单元(1)由张力架和丝束展开导丝器(101) 及退绕底盘(102)组成，玻纤无捻粗纱呈片状从张力架和丝束展开导丝器(101)中引出送入纤维预热单元(2)。
3、 根据权利要求1所述的制备长纤维增强縮聚反应型热塑性复合材料的装 置，其特征是所述的纤维预热单元(2)由加热箱(201)、进口丝束展开导丝 器(202)、导丝管(203)、温度传感器(204)和温控仪(205)组成，导丝 管(203)安装在加热箱(201)中，进口丝束展开导丝器(202)安装在导丝 管(203)的两端上，温度传感器(204)和温控仪(205)均与加热箱(201) 相连，从张力架和丝束展开导丝器(101)引出的片状的玻纤无捻粗纱从导丝 管(203) —端进口丝束展开导丝器(202)进入，从导丝管(203)另一端的 进口丝束展开导丝器(202)引出送入浸润模头单元(4)中。
4、 根据权利要求1所述的制备长纤维增强縮聚反应型热塑性复合材料的装 置，其特征是浸润模头单元(4)主要由预热套(401)、熔体承接口 (402)、 浸润槽(403)、辊子(404)、模口 (405)、升降机构(406)组成，浸润槽(403) 中设有供经前道工序预热成片状的玻纤无捻粗纱穿过的浸润腔(408)，预热 套(401)安装在浸润腔(408)的入口处，模口 (405)位于浸润腔(408) 的出口处，熔体承接口 (402)与浸润腔(408)相通，辊子(404)由固定辊 子和活动辊子组成，其中固定辊子固定安装在浸润腔(408)中，活动辊子安 装在升降机构(406)上，它们从片状玻纤无捻粗纱的两边分别挤压在片状玻 纤无捻粗纱上，所述的片状玻纤无捻粗纱从预热器(401)进入浸润腔(408) 并与从熔体承接口 (402)进入的浸润体浸渍后穿过辊轮(404)反复浸润后 从模口 (405)引出送入冷却装置(5)中冷却。
5、 根据权利要求4所述的制备长纤维增强縮聚反应型热塑性复合材料的装 置，其特征是浸润模头单元(4)内的棍子(404)的数量为2 6对，直径为 4 10 mm，材质为陶瓷或不锈钢。
6、 根据权利要求4所述的制备长纤维增强縮聚反应型热塑性复合材料的装 置，其特征是浸润模头单元(4)中的纤维伸头采用单面升降式或采用双面升 降式。
7、 根据权利要求1所述的制备长纤维增强縮聚反应型热塑性复合材料的装 置，其特征是所述的熔体供给单元(3)或为螺杆挤压机组，或为反应釜，它 们的输出口与浸润模头单元(4)的熔体承接口 (402)相通。
8、 根据权利要求1所述的制备长纤维增强縮聚反应'型热塑性复合材料的装 置，其特征是所述的冷却单元(5)由喷淋冷却器(501)、转向辊(502)和 冷却水槽(503)组成，喷淋冷却器(501)斜置在水平安装的冷却水槽(503) 的上方，转向辊(502)安装在冷却水槽(503)的两端，浸渍后的条状聚合 物铸带从模口 (405)引出后穿过斜置的喷淋冷却器(501)后经冷却水槽(503) 一端的转向辊(502)进入冷却水槽(503)，再从冷却水槽(503)另一端的 转向辊(502)引出送入牵引装置(6)中。
9、 根据权利要求1所述的制备长纤维增强縮聚反应型热塑性复合材料的装 置，其特征是所述的牵引装置(6)由驱动辊(601)、上压辊(602)、驱动装 置(603)组成，驱动装置(603)与驱动辊(601)相连，上压辊(602)安 装在驱动辊(601)的上方，浸渍冷却后的条状聚合物铸带穿过上压辊(602) 和驱动辊(601)并在驱动辊(601)带动下送入切粒机(7)中.。
10、 根据权利要求1所述的制备长纤维增强縮聚反应型热塑性复合材料的装 置，其特征是所述的喷淋冷却器(501)的斜置角度介于50 70度之间。
专利摘要一种制备长纤维增强缩聚反应型热塑性复合材料的装置，属于一种化工设备，它包括粗纱退绕单元(1)、浸润模头单元(4)等，其特征是所述的冷却单元(5)由水平布置的冷却水槽(503)和斜置的喷淋冷却器(501)组成，冷却水槽(503)的一端与牵引单元(6)相对，另一端与喷淋冷却器(501)的一端相对，喷淋冷却器(501)与同角度斜置的浸润模头单元(4)的出口端相对，浸润模头单元(4)的出口端与同角度斜置的浸润腔(408)的出口端相通，浸润腔(408)的进口端与纤维预热单元(2)的出口端相对，浸润腔(408)同时旁接有水平布置的熔体承接口(402)，该熔体承接口(402)与熔体供给单元(3)的输出端相通，纤维预热单元(2)的进口端与粗纱退绕单元(1)的出口端相对。具有结构简单，在线伸头使用方便的优点。
文档编号B29C70/50GK201073820SQ20072003847
公开日2008年6月18日 申请日期2007年7月9日 优先权日2007年7月9日
发明者余木火, 姜润喜, 寅 章, 赵利民 申请人:中国石化仪征化纤股份有限公司