一种短流程轻质高强复合材料制备方法及装置与流程

本发明涉及轻质高强复合材料制备方法领域，尤其涉及一种短流程轻质高强复合材料制备方法及装置。

背景技术：

玻璃纤维、碳纤维等纤维材料与树脂基体混合得到的长纤维复合材料与短纤维复合材料相比，具有轻质、高强等综合性能，是车辆轻量化及零部件集成制造的重要手段，引起国内外复合材料制造业的广泛关注。轻质高强复合材料在线模压成形技术因具有生产成本更低、单件制品周期短、纤维长度保留率高、纤维方向性好、产品可设计性更强等特点，能替代汽车、工程机械、舰船、建筑等领域中现有的钢铁结构部件，市场容量大、应用广泛。目前，轻质高强复合材料在线成形生产设备及工艺主要由德国公司垄断，价格较高。国内在轻质高强复合材料成形工艺、原料、设备、控制等方面与国外差距较大，急需进行集成创新及技术攻关，开发适用于轻质高强复合材料在线成形的成套设备及产业化生产方法。

但是，现有的成形工艺由于原料、添料方式及控制精度的影响，导致制得的复合材料性能较差，且控制系统的控制精度不高。

因此，有必要提供一种新的技术方案。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明提供一种短流程轻质高强复合材料制备方法，其制得的复合材料具有轻质高强度性能，且性能稳定，生产效率高。

本发明提供一种短流程轻质高强复合材料制备方法，所述方法包括如下步骤：

S1、将树脂、添加剂和热塑性膨胀微珠的混合料经称重后送入双螺杆筒体，并在双螺杆筒体内在一定时间和温度下进行熔融，得到混合料，其中，温度为220-275℃，熔融时间为5-10min；所述热塑性膨胀微珠是甲基丙烯酸甲酯或丙烯腈的均聚物或共聚物；

S2、将长纤维加热后送入双螺杆筒体，将长纤维定长切断，得到短纤维，所述长纤维为玻璃纤维和/或碳纤维，加热温度为150-200℃；

S3：将熔融后的混合料与短纤维进行共混，得到熔融坯料，熔融坯料中纤维的质量百分比为20-75％；

S4：将熔融坯料以一定速度输出双螺杆筒体，并在双螺杆筒体出口处被切断，其中，熔融坯料输出速度为500-550kg/h；

S5：对切断后的坯料进行保温传送；

S6：机器人抓取传送的坯料放入压机中，压机对坯料进行挤压，得到复合材料。

进一步地，步骤S1中，树脂、添加剂和热塑性膨胀微珠的混合比例为10:1:4，所述树脂为聚丙烯。

进一步地，步骤S1中，送入双螺杆筒体的速度等于熔融坯料输出速度。

进一步地，步骤S1中，对混合料的称重是通过质量检测模块进行的，其中，质量检测模块的称重精度为1.5-2‰。

进一步地，步骤S2中，加热方式是采用远红外加热方式。

进一步地，步骤S2中，纤维定长5-50mm。

进一步地，步骤S4中，熔融坯料输出速度为500kg/h，双螺杆筒体出口处设置有用于切断熔融坯料的切刀。

进一步地，S5中，保温温度变化≤±2℃。

进一步地，所述方法还包括控制系统，所述控制系统包括第一质量检测模块、第一温度检测模块、第二温度检测模块、长度检测模块、速度检测模块、第二质量检测模块、位置检测模块和中央处理器；

所述第一质量检测模块用于检测称量的混合料的质量，并将质量信息发送给中央处理器；

所述第一温度检测模块用于检测混合料的熔融温度，并将温度信息发送给中央处理器；

所述第二温度传感器用于检测长纤维的加热温度，并将温度信息发送给中央处理器；

所述长度检测模块用于检测所述纤维切割装置切割的纤维的长度信息；

所述速度检测模块用于监控熔融坯料的输出速度；

所述第二质量检测装置用于检测所述双螺杆挤出机的坯料的质量；

所述位置检测模块用于检测输送机输送的产品位置；

所述中央处理器用于根据坯料的质量控制计量切断装置切断所述双螺杆挤出机的坯料，并根据产品的位置信息控制机器人将输送机上的产品搬运至模压机上。

本发明还提供一种轻质高强复合材料的装置，所述装置包括控制装置、混合料加料装置、纤维切割装置，双螺杆挤出机、计量切断装置、输送机、机器人和模压机；

所述控制装置分别与所述混合料加料装置、双螺杆挤出机、计量切断装置、输送机、机器人和模压机连接；

所述混合料加料装置和纤维切割装置的出料口分别与所述双螺杆挤出机的进料口连接，所述双螺杆挤出机、计量切断装置、输送机、机器人和模压机依次连接；

所述双螺杆挤出机包括料筒、驱动装置和第一加热管；

所述料筒上开设有喂料口，所述料筒内设置有第一螺杆和第二螺杆，所述第一螺杆与第二螺杆之间具有容纳物料的间隙；

所述驱动装置位于所述料筒的一端并用于驱动所述第一螺杆和第二螺杆转动；

所述第一加热管位于料筒内；

纤维被切断后与进入料筒内的混合料混合，经双螺杆挤出机挤出。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明的短流程轻质高强复合材料制备方法，其制备的复合材料具有轻质高强度性能，且性能稳定，生产效率高。

(2)本发明的短流程轻质高强复合材料制备方法，其通过在线控制系统，实时监控生产线，降低了产品的不良率，提高了生产效率。

(3)本发明的短流程轻质高强复合材料制备方法，其通过将树脂、添加剂和热塑性膨胀微珠混合进行熔融，热塑性膨胀微珠遇热膨胀，使得熔融后的混合料中空隙增多，在不改变复合材料强度的情况下，从而使得复合材料的质量更轻。

(4)本发明的短流程轻质高强复合材料制备方法，其树脂、添加剂和热塑性膨胀微珠是先经过充分混合后再输入双螺杆筒体进行熔融，该加料方式使得制得的复合材料强度均匀。

附图说明

图1是本发明控制系统的结构框图；

图2为本发明轻质高强复合材料的装置的结构示意图；

图3为本发明复合材料生产装置的流程示意图。

其中，1-混合料加料装置，2-纤维切割装置，3-双螺杆挤出机、31-料筒，32-第一螺杆，33-第二螺杆，34-喂料口，4-计量切断装置，5-输送机，6-机器人，7-模压机，8-成品仓，9-控制装置，10-驱动装置，12-纤维保温柜。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

实施例1

本发明的一种复合材料成形方法，所述短流程轻质高强复合材料制备方法包括如下步骤：

S1、将树脂、添加剂和热塑性膨胀微珠的混合料经称重后送入双螺杆筒体，并在双螺杆筒体内在一定时间和温度下进行熔融，得到混合料，其中，温度为220℃，熔融时间为10min；所述热塑性膨胀微珠是甲基丙烯酸甲酯或丙烯腈的均聚物或共聚物。步骤S1中，树脂、添加剂和热塑性膨胀微珠的混合比例为10:1:4，所述树脂为聚丙烯。步骤S1中，对混合料的称重是通过质量检测模块进行的，其中，质量检测模块的称重精度为1.5-2‰。步骤S1中，送入双螺杆筒体的速度等于熔融坯料输出速度。本发明的短流程轻质高强复合材料制备方法，其树脂、添加剂和热塑性膨胀微珠是先经过充分混合后再输入双螺杆筒体进行熔融，该加料方式使得制得的复合材料强度均匀。

S2、将长纤维加热后送入双螺杆筒体，将长纤维定长切断，得到短纤维，所述长纤维为玻璃纤维和/或碳纤维，加热温度为150℃。步骤S2中，加热方式是采用远红外加热方式。步骤S2中，纤维定长5-50mm。

S3：将熔融后的混合料与短纤维进行共混，得到熔融坯料，熔融坯料中纤维的质量百分比为60％；

S4：将熔融坯料以一定速度输出双螺杆筒体，并在双螺杆筒体出口处被切断，其中，熔融坯料输出速度为500-550kg/h。一个优选的实施例中，步骤S4中，熔融坯料输出速度为500kg/h，双螺杆筒体出口处设置有用于切断熔融坯料的切刀。

S5：切断后的坯料进行保温传送。S5中，保温温度变化≤±2℃。

S6：机器人抓取传送的坯料放入压机中，压机对坯料进行挤压，得到复合材料。

本发明采用公称压力为每平方米10000KN的压力对熔融坯料进行挤压成型，挤压成型时间为小于40s，得到尺寸为各种规格的复合材料制品，与现有技术中相同产品的生产工艺比，本发明的复合材料的质量轻约30％，强度高约70％，可以替代部分金属材料。

实施例2

本发明的一种复合材料成形方法，所述短流程轻质高强复合材料制备方法包括如下步骤：

S1、将树脂、添加剂和热塑性膨胀微珠的混合料经称重后送入双螺杆筒体，并在双螺杆筒体内在一定时间和温度下进行熔融，得到混合料，其中，温度为275℃，熔融时间为5min；所述热塑性膨胀微珠是甲基丙烯酸甲酯或丙烯腈的均聚物或共聚物。步骤S1中，树脂、添加剂和热塑性膨胀微珠的混合比例为10:1:4，所述树脂为聚丙烯。步骤S1中，对混合料的称重是通过质量检测模块进行的，其中，质量检测模块的称重精度为1.5-2‰。步骤S1中，送入双螺杆筒体的速度等于熔融坯料输出速度。本发明的短流程轻质高强复合材料制备方法，其树脂、添加剂和热塑性膨胀微珠是先经过充分混合后再输入双螺杆筒体进行熔融，该加料方式使得制得的复合材料强度均匀。

S2、将长纤维加热后送入双螺杆筒体，将长纤维定长切断，得到短纤维，所述长纤维为玻璃纤维和/或碳纤维，加热温度为200℃。步骤S2中，加热方式是采用远红外加热方式。步骤S2中，纤维定长5-50mm。

S3：将熔融后的混合料与短纤维进行共混，得到熔融坯料，熔融坯料中纤维的质量百分比为75％；

S4：将熔融坯料以一定速度输出双螺杆筒体，并在双螺杆筒体出口处被切断，其中，熔融坯料输出速度为500-550kg/h。一个优选的实施例中，步骤S4中，熔融坯料输出速度为500kg/h，双螺杆筒体出口处设置有用于切断熔融坯料的切刀。

S5：切断后的坯料进行保温传送。S5中，保温温度变化≤±2℃。

S6：机器人抓取传送的坯料放入压机中，压机对坯料进行挤压，得到复合材料。

本发明采用公称压力每平方米10000KN的压力对熔融坯料进行挤压成型，挤压成型时间为小于40s，得到尺寸为各种尺寸的复合材料制品，与现有技术中相同尺寸的复合材料相比，本发明的复合材料的轻约30％，强度高约80％。

实施例3

请参阅图1，本发明的方法还包括控制系统，所述方法还包括控制系统，所述控制系统包括第一质量检测模块、第一温度检测模块、第二温度检测模块、长度检测模块、速度检测模块、第二质量检测模块、位置检测模块和中央处理器；

所述第一质量检测模块用于检测称量的混合料的质量，并将质量信息发送给中央处理器；

所述第一温度检测模块用于检测混合料的熔融温度，并将温度信息发送给中央处理器；

所述第二温度传感器用于检测长纤维的加热温度，并将温度信息发送给中央处理器；

所述长度检测模块用于检测所述纤维切割装置切割的纤维的长度信息；

所述速度检测模块用于监控熔融坯料的输出速度；

所述第二质量检测装置用于检测所述双螺杆挤出机的坯料的质量；

所述位置检测模块用于检测所述输送机输送的产品的位置；

所述中央处理器用于根据坯料的质量控制所述计量切断装置切断所述双螺杆挤出机的坯料，并根据产品的位置信息控制所述机器人将所述输送机上的产品搬运至所述模压机上。

请参阅图2和图3，图2为本发明轻质高强复合材料的装置的结构示意图；图3为本发明复合材料生产装置的流程示意图。如图2和图3所示，本发明还提供一种轻质高强复合材料的装置，所述装置包括控制装置9、混合料加料装置1、纤维切割装置2，双螺杆挤出机3、计量切断装置4、输送机5、机器人6和模压机7。

所述控制装置9分别与所述混合料加料装置1、双螺杆挤出机3、计量切断装置4、输送机5、机器人6和模压机7连接.

所述混合料加料装置1和纤维切割装置2的出料口分别与所述双螺杆挤出机3的进料口连接，所述双螺杆挤出机3、计量切断装置4、输送机5、机器人6和模压机7依次连接。

所述混合料加料装置1中设置有第一质量检测模块，用于检测加入树脂混合料的质量。

所述双螺杆挤出机3包括料筒31、驱动装置10和第一加热管(未图示)；

所述料筒31上开设有喂料口34，所述料筒31内设置有第一螺杆32和第二螺杆33，所述第一螺杆32与第二螺杆44之间具有容纳物料的间隙。

所述驱动装置10位于所述料筒的一端并用于驱动所述第一螺杆32和第二螺杆33转动。

所述第一加热管位于料筒31内。

所述纤维切割装置2位于所述料筒31内并靠近所述喂料口。

纤维被切断后与进入料筒内的混合料混合，经双螺杆挤出机挤出。

所述纤维保温柜12对输入其中的长纤维进行保温。

本发明混合料与切断后的纤维的混合是在双螺旋挤出机内的料筒中在第一螺杆和第二螺杆的输送过程中实现混合的。

所述控制装置包括第一质量检测模块、第一温度检测模块、第二温度检测模块、长度检测模块、速度检测模块、第二质量检测模块、位置检测模块和中央处理器；

所述第一质量检测模块用于检测所述混合料加料装置中混合料的质量，并将质量信息发送给中央处理器；

所述第一温度检测模块用于检测混合料的熔融温度，并将温度信息发送给中央处理器；

所述第二温度传感器用于检测长纤维的加热温度，并将温度信息发送给中央处理器；

所述长度检测模块用于检测所述纤维切割装置切割的纤维的长度信息；

所述速度检测模块用于监控熔融坯料的输出速度；

所述第二质量检测装置用于检测所述双螺杆挤出机的坯料的质量；

所述位置检测模块用于检测所述输送机输送的产品的位置；

所述中央处理器用于根据坯料的质量控制所述计量切断装置切断所述双螺杆挤出机的坯料，并根据产品的位置信息控制所述机器人将所述输送机上的产品搬运至所述模压机上。

所述第一螺杆32和所述第二螺杆33沿相同的方向旋转。

所述第一加热管的数量为多根，且均沿所述料筒31的轴向设置。

多根所述第一加热管均匀分布于所述料筒31内轴向筒壁。

所述生产装置还包括成品仓8，所述成品仓与所述模压机7连接。

所述计量切断装置包括切刀，所述切刀为氮化钢切刀，切刀的深度0.3～0.6mm，切刀的表面硬度740HV以上。

所述纤维切割装置的剪切平面与所述喂料口平行。所述纤维切割装置与所述喂料口距离为15-20cm。

所述输送机5包括输送带(未图示)和保温管(未图示)，所述输送带位于所述保温管内，所述输送带上设置有多个网孔(未图示)，输送带用网带结构，保证坯料不粘网带、阻止散热。所述保温管内设置有第二加热管(未图示)，所述第二加热管均匀分布于所述保温管的内部。本发明的输送机采用链传动，可在工艺要求范围内无级调速。

所述第一螺杆的直径和第二螺杆的直径分别为71.5mm；第一螺杆和第二螺杆长径比分别为32/1；第一螺杆和第二螺杆的最高转速分别为螺杆最高转速500rpm；第一螺杆和第二螺杆的传动速比为i＝3；所述第一螺杆和第二螺杆轴中心距为60mm；所述第一螺杆和第二螺杆上的螺槽比值D/d分别为1.52；所述第一螺杆和第二螺杆的螺槽深度分别为12.25mm。

本发明具有如下优点：

1、本发明提出不同主链及支链官能团结构树脂与不同纤维的短流程成形工艺适配技术，开发轻质高强汽车零部件短流程成形专用材料配方体系。

2、本发明提出多种纤维在线预处理及纤维/树脂同步柔性复合技术，改善高粘度热塑性树脂与高组分含量纤维细直径空隙浸透相容性，开发长纤维复合材料高效高渗透界面处理技术。

3、本发明提出纤维长度多因素关联控制技术，建立复合设备中的螺杆转速、长径比、槽深比、混料/剪切元件等多参数系统优化模型，实现复合材料制品中纤维长度及其分散的柔性化控制。

4、本发明提出高粘态复合材料快速模压充型与纤维流向控制技术，解决了大尺寸热塑性复合材料部件翘曲变形等问题，实现汽车复合材料部件高节拍、高一致性精确成形。

5、本发明提出汽车复合材料部件数字化成形技术，开发树脂基复合材料制件成形全流程智能控制技术。

上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。