一种长纤维增强热塑性复合材料浸润模具的制作方法

本实用新型属于纤维浸润技术领域，尤其涉及一种长纤维增强热塑性复合材料浸润模具。

背景技术：

国际上，长纤维增强热塑性复合材料(lft)的生产通常采用纤维浸润技术，该技术的实施工艺为：首先将纤维束拉伸通过灌有液态树脂的模具，纤维在模具内通过张紧机构分散，同时被树脂浸润；然后，浸有树脂的纤维束被拉出模具进行风冷和水冷，冷却后得到连续的复合材料细棒；最后，利用切割机进行切割造粒就得到长纤维增强热塑性复合材料母粒。这个制备工艺的核心技术是纤维浸润模具。该模具通常由可分离的上下盖和母体三部分组成，模具内设置有用于纤维分散的3-5根杠杆。生产前，打开模具上盖，穿纤维纱，然后盖上上盖，即开始生产。模具母体是具有一定高度、并且装有高低杠杆的腔体。通常的杠杆仅仅起到分散纤维束的目的。在生产过程中一旦发生断纱现象，或者纱线用完换新纱，就必须打开模具上盖，把模具内残余的树脂清理掉，以免残留树脂固化后影响正常的运行。目前采用的残留树脂清理方法是：停机后打开模具上盖，利用金属铲子等工具手工清理掉模具内残余的树脂。在清理过程中，模具仍然具有比较高的温度，然而由于受冷树脂会呈粘流态或已经固化。此清理过程容易损伤模具内壁，并且时间长，大约0.5-1小时左右。此外，lft技术的关键因素是纤维的浸润，仅仅利用纤维通过液态树脂槽发生浸润，或导致部分纤维得不到浸润，出现干纱现象，影响母粒的质量。因此，如果能够发明一种新的模具技术，既可以快速清理掉模具内残余的树脂，就可以大大提高生产效率，又可以提高纤维的浸润效果，将对于提高lft生产效率和高质量复合材料母粒具有重要的现实意义。

技术实现要素：

鉴于此种现状，本项申请实用新型了一种新型的lft模具技术。该模具具有如下效果：一是快速清理模具内残留的树脂技术，二是提高纤维浸润效果技术。在以上两个效果的基础上，可以大大节省时间和人力，从而大大提升lft料母粒的生产效率，同时可以明显提高纤维浸润效果。具体技术方案如下所述：

一种长纤维增强热塑性复合材料浸润模具，包括上压辊及其固定组件、下压辊及其固定组件、模具壳体、升降机构、加热机构、熔池过渡段和连接法兰，

模具壳体包括模具侧壁、模具上盖板和模具下盖板；

所述上压辊和下压辊相互平行、间隔设置；

所述下压辊为静压辊，下压辊通过固定组件固定在模具侧壁上；

所述上压辊为动压辊，上压辊通过固定组件与升降机构连接，在升降机构的控制下上升和下降；

平行于所述上压辊和下压辊方向的模具侧壁上设置供纤维通过的进纱孔和出纱孔；

所述下压辊固定的模具侧壁上设置槽型轨道，上压辊的固定组件与槽型轨道配合，实现上压辊沿模具侧壁上的槽型轨道上下滑动；

所述上压辊和下压辊包括与纤维接触的半圆柱形的压辊和与压辊固定连接的加热部，所述压辊的弧形面上间隔设置半圆形隔板，所述上压辊和下压辊的压辊内轴向设置输送树脂的空腔，所述隔板之间开有连通空腔的树脂溢出孔；所述压辊的加热部包括加热部壳体、铺设于加热部壳体内的导线以及通过导线连通的位于所述模具外部的电加热器；

所述熔池过渡段一端与连接法兰固定连通至挤出机，另一端与模具侧壁固定连通，熔池过渡段中设置树脂通道，由挤出机供应的树脂通过法兰流动至熔池过渡段中，再经熔池过渡段的通道输送至上压辊和下压辊的轴向空腔中。

所述压辊面与加热部通过螺栓固定连接。

上压辊、下压辊、上压辊的固定组件和下压辊的固定组件上均开有供树脂流出的通孔，树脂由挤出机流出通过熔池过渡段，再经固定组件的通孔以及压辊的通孔进入压辊的空腔中，再由树脂溢出孔溢出后与纤维接触浸润。

所述加热机构包括布置在模具壳体侧壁上的电加热管及电加热管导线、模具上盖板和模具下盖板上插入的电热棒及电热棒导线，以及与电加热管导线和电热棒导线连接的位于所述模具外部的电加热器。

优选的，同一纤维束的进纱孔、出纱孔、上压辊的树脂溢出孔和下压辊的树脂溢出孔位于同一垂直平面上，在压力作用下，纤维进一步展开，避免纤维的扭转和刮擦，减少由此产生的纤维的断裂。

所述升降机构为手动螺旋丝杠升降机或电动螺旋丝杠升降机，每一条上压辊单独与一个螺旋丝杠升降机连接，实现独立调节。

优选的，所述压辊隔板之间沿压辊轴向设置向压辊圆形方向凹陷的长方形凹槽，所述长方形凹槽长2mm、宽6mm，所述长方形凹槽底部设置树脂溢出孔，所述树脂溢出孔为直径0.8-2mm的圆孔。凹陷的长方形凹槽需要倒角，以避免经过的纤维被边沿划伤。

优选的，所述一种提高长纤维增强热塑性复合材料纤维浸润效果和生产效率的新型模具还包括位于浸润模具外部的在进纱方向设置的进纱支架和在出纱方向设置设置的产品支架。

在使用时，上压辊下降，在出纱方向牵引装置的牵引下，纤维在上压辊和下压辊之间呈波浪形，上压辊和下压辊对纤维在切线方向上有一定的压力，一方面能够促进纤维的分散效果，另一方面也能促进上压辊和下压辊的树脂溢出孔中溢出的树脂充分地渗入纤维束中。由于上压辊和下压辊与纤维的接触面为圆形弧面，减少了纤维的断裂。

优选的，所述浸润模具固定放置在支架上，保持浸润通道与挤出机、连接法兰位于同一水平面上。

优选的，所述模具下盖板通过合叶与模具侧壁旋转连接，在合叶的对侧设置紧固螺栓将模具下盖板与模具侧壁紧密连接在一起，利用合叶和紧固螺栓控制模具下盖板的快速开合，避免树脂渗漏。在需要清理模具内部的树脂时，旋松紧固螺栓，打开模具下盖板，树脂倾泻而下自动流出模具。此时，盖板与模具连接的转动轴保证面板不会完全脱离模具，而是悬挂在模具上。盖板可以打开90度角，与地面垂直。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1.通过采用可升降上压辊结合静止的下压辊，在上压辊和下压辊与纤维的接触面上设置提供树脂的树脂溢出孔，改变了树脂的加入方式，树脂经由压辊中设置的空腔连续、均匀地加入，与纤维在流入口(即树脂溢出孔)接触，结合压辊的升降，可提升浸润效率和效果；

2.上压辊和下压辊与纤维纱接触面上对纤维纱产生的张紧力有助于树脂渗入纤维纱中，在上压辊、下压辊的压力和牵引机的牵引力作用下，纤维与树脂在压辊面上直接接触，进一步提高纤维的浸润效果；

3.整个模具密封，可长时间连续工作无需打开，避免因中途打开模具造成材料氧化，以及因降温造成树脂固化；

4.在不需要打开模具上盖的情况下，可以快速、干净地清理掉模具内残留的树脂。此过程相比现有的技术将节省大量时间和人力，从而有效提升纤维增强热塑性复合材料母粒的生产效率，避免因树脂固化强行挂下而刮伤模具壁。

附图说明

构成本实用新型的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1为长纤维增强热塑性复合材料的浸润流程图；

图2为本实用新型提供的一种长纤维增强热塑性复合材料浸润模具结构立体图；

图3为图2对向角度的浸润模具结构立体图；

图4为本实用新型提供的一种长纤维增强热塑性复合材料浸润模具结构主视图；

图5为本实用新型提供的一种长纤维增强热塑性复合材料浸润模具中压辊结构立体图；

图6为本实用新型提供的一种长纤维增强热塑性复合材料浸润模具中压辊结构俯视图；

图7为本实用新型提供的一种长纤维增强热塑性复合材料浸润模具下盖板打开结构示意图；

图8为本实用新型提供的一种长纤维增强热塑性复合材料浸润模具中树脂流道示意图；

图9为本实用新型提供的一种长纤维增强热塑性复合材料浸润模具中纤维通道示意图；

图10玻璃纤维增强聚丙烯复合材料母粒横截面图；

图11不锈钢纤维增强尼龙6复合材料母粒横截面图；

图12不锈钢纤维增强尼龙6复合材料电阻率随不锈钢纤维重量分数的变化；

图13不锈钢纤维增强尼龙6复合材料电磁屏蔽效能。

其中，1-上压辊，2-下压辊，3-模具壳体，4-升降机构，5-加热机构，6-熔池过渡段，7-连接法兰,8-进纱支架，9-产品支架，10-模具支架；

11-压辊加热部，12-导线通道，13-隔板，14-压辊的空腔，15-树脂溢出孔，31-模具侧壁，32-模具上盖板，33-模具下盖板，311-进纱孔，312-出纱孔，34-槽型轨道，331-紧固孔，332-紧固螺栓。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本实用新型提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本实用新型所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本实用新型的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

长纤维增强热塑性复合材料的浸润流程为，如图1所示，树脂经过挤出机后以熔融状态进入浸润模具；纤维放置在纱架上，纤维通过分散辊、预热装置后进入浸润模具，在模具中完成树脂对纤维的浸润过程，再由牵引机将预浸料料条从浸润模具中牵引出，而后冷却定型，切粒，即为复合材料母粒。

本实用新型提供了一种浸润模具，所述浸润模具可显著提供纤维纱在树脂中的浸效果，同时在模具清理方面更方便实用。

实施例1：本实用新型提供的模具结构。

一种长纤维增强热塑性复合材料浸润模具，如图2、图3和图8所示，包括上压辊1及其固定组件、下压辊2及其固定组件、模具壳体3、升降机构4、加热机构5、熔池过渡段6和连接法兰7；

模具壳体3包括模具侧壁31、模具上盖板32和模具下盖板33；

所述上压辊和下压辊相互平行、间隔设置；

所述下压辊2为静压辊，下压辊通过固定组件固定在模具侧壁上；

所述上压辊4为动压辊，上压辊通过固定组件与升降机构连接，在升降机构的控制下上升和下降；

平行于所述上压辊和下压辊方向的模具侧壁上设置供纤维通过的进纱孔311和出纱孔312；

如图7所示，所述下压辊固定的模具侧壁上设置槽型轨道34，上压辊的固定组件与槽型轨道配合，实现上压辊沿模具侧壁上的槽型轨道上下滑动；

如图4和图5所示，所述上压辊和下压辊包括与纤维接触的半圆柱形的压辊和与压辊固定连接的压辊加热部11，压辊加热部11中设置供导线穿过的导线通道12，所述压辊的弧形面上间隔设置半圆形隔板13，所述上压辊和下压辊的压辊内轴向设置输送树脂的空腔14，所述隔板之间开有连通空腔的树脂溢出孔15，如图6所示；所述压辊的加热部包括加热部壳体、铺设于加热部壳体内的导线以及通过导线连通的位于所述模具外部的电加热器；

如图8所示，所述熔池过渡段一端与连接法兰7固定连通至挤出机，另一端与模具侧壁固定连通，熔池过渡段中设置树脂通道，由挤出机供应的树脂通过法兰流动至熔池过渡段6中，再经熔池过渡段的通道输送至上压辊和下压辊的轴向空腔中。

所述压辊面与加热部通过螺栓固定连接。

本申请中所述上压辊及其固定组件包括上压辊以及上压辊的固定组件，下压辊及其固定组件包括下压辊以及下压辊的固定组件，上压辊和下压辊结构相同，在安装时上压辊的弧形压辊面向下，下压辊的弧形压辊面向上，上压辊和下压辊间隔设置，从而使纤维束呈均匀的波浪形，如图9所示，上压辊的固定组件与下压辊的固定组件结构相同，分别将上压辊与升降机构连接，将下压辊固定在模具侧壁上。

上压辊、下压辊、上压辊的固定组件和下压辊的固定组件上均开有供树脂流出的通孔，树脂由挤出机流出通过熔池过渡段，再经固定组件的通孔以及压辊的通孔进入压辊的空腔14中，再由树脂溢出孔15溢出后与纤维接触浸润。

本实用新型所述上压辊通过固定组件与升降机构的连接、下压辊通过固定机构与模具侧壁的连接等固定连接均采用螺栓连接，螺栓连接为机械领域常用的紧固连接方式，不再一一描述。

所述加热机构包括布置在模具壳体侧壁上的电加热管及电加热管导线、模具上盖板和模具下盖板上插入的电热棒及电热棒导线，以及与电加热管导线和电热棒导线连接的位于所述模具外部的电加热器。

所述进纱孔、出纱孔、上压辊的树脂溢出孔和下压辊的树脂溢出孔在一条直线上，在张紧力作用下，纤维进一步展开，避免纤维的扭转和刮擦，减少由此产生的纤维的断裂。

所述升降机构为手动螺旋丝杠升降机或电动螺旋丝杠升降机，每一条上压辊单独与一个螺旋丝杠升降机连接，实现独立调节。

所述压辊隔板之间沿压辊轴向设置向压辊圆形方向凹陷的长方形凹槽，所述长方形凹槽长2mm、宽6mm，所述长方形凹槽底部设置树脂溢出孔，所述树脂溢出孔为直径0.8-2mm的圆孔。凹陷的长方形凹槽需要倒角，以避免经过的纤维被边沿划伤。所述一种提高长纤维增强热塑性复合材料纤维浸润效果和生产效率的新型模具还包括位于浸润模具外部的在纤维纱进纱方向设置的进纱支架8和在出纱方向设置的产品支架9。

本实用新型提供的浸润模具改变了树脂的加入方式，树脂经由压辊中设置的空腔连续、均匀地加入，与纤维在流入口(即树脂溢出孔)接触，结合压辊的升降，可提升浸润效率和效果；整个模具密封，可长时间连续工作无需打开，避免因中途打开模具造成材料氧化，以及因降温造成树脂固化。

在使用时，上压辊下降，在出纱方向牵引装置的牵引下，纤维在上压辊和下压辊之间呈波浪形，上压辊和下压辊对纤维在切线方向上有一定的张力，一方面能够促进纤维的分散效果，另一方面也能促进上压辊和下压辊的树脂溢出孔中溢出的树脂充分地渗入纤维束中。由于上压辊和下压辊与纤维的接触面为圆形弧面，减少了纤维的断裂。

所述浸润模具固定放置在模具支架10上，保持浸润通道与挤出机、连接法兰位于同一水平面上。

所述模具下盖板33通过合叶与模具侧壁旋转连接，所述模具下盖板边沿开有紧固孔331，用于穿过和固定紧固螺栓332，在合叶的对侧设置紧固螺栓332将模具下盖板与模具侧壁紧密连接在一起，利用合叶和紧固螺栓控制模具下盖板的快速开合，避免树脂渗漏。在需要清理模具内部的树脂时，旋松紧固螺栓，打开模具下盖板，树脂倾泻而下自动流出模具。此时，盖板与模具连接的转动轴保证面板不会完全脱离模具，而是悬挂在模具上。盖板可以打开90度角，与地面垂直。

采用可以开合的模具下盖板工作过程如下：在工作状态情况下，模具下盖板处于关闭状态，螺栓旋紧，生产线处于工作状态，模具内灌入液态树脂；停机状态情况下，挤出机停止供料，模具内剩有残余树脂，处于模具的底部；打开模具下盖板，残余树脂自动流出到地面或者容器内；一旦树脂流尽，重新合上模具下盖板，拧紧螺栓，生产线可以继续工作。该过程相较于传统打开模具上盖板的清理过程效率大大提高。可以快速、干净地清理掉模具内残留的树脂。此过程相比现有的技术将节省时间和人力，从而提升纤维增强热塑性复合材料母粒的生产效率。

作为一个典型的实施例，所述浸润模具包括上压辊三条和下压辊四条。所述上压辊和下压辊采用不锈钢材料；模具内部空腔尺寸可变，根据纱线根数调整，大致范围：长200-1000mm，宽200-600mm，高100-500mm。

所述浸润模具中上压辊和下压辊的半径范围为2.5-5厘米，压辊边到边间距为水平距离为5-10厘米。浸润过程中，上压辊移动至与下压辊水平平齐，以此时上压辊、下压辊的上边沿为水平线，可移动的上压辊可上下移动范围为向上0-5厘米，向下0-10厘米。

作为一个典型的实施例，模具一中，所述上压辊、下压辊的半径均为2.5厘米，水平距离为5厘米，浸润过程中，上压辊移动至与下压辊水平平齐，以此时上压辊、下压辊的上边沿为水平线，可移动的上压辊可上下移动范围为向上0-5厘米，向下0-10厘米。

在另一个典型的实施例中，模具二中，所述上压辊、下压辊的半径均为5厘米，水平距离为10厘米，浸润过程中，上压辊移动至与下压辊水平平齐，以此时上压辊、下压辊的上边沿为水平线，可移动的上压辊可上下移动范围为向上0-5厘米，向下0-10厘米。由于模具一和模具二的压辊的半径不同，纤维在模具的压辊上接触长度不同，设计不同的半径以研究对浸润效果的影响。

所述模具壳体可采用不锈钢、耐磨钢、耐热钢或者表面带有涂层的普通钢制作。

实施例2：一种长纤维增强热塑性复合材料的浸润工艺

一种长纤维增强热塑性复合材料的浸润工艺，采用本实用新型提供的模具，包括如下步骤：

步骤一，打开模具，将纤维穿过所述模具的进纱孔和出纱孔；

步骤二，封闭模具，打开电加热器，使模具升温至指定的温度，该温度至少等于或高于所用树脂的熔化温度；调节上压辊的升降机构使上压辊下降，使纤维在上压辊和下压辊之间形成均匀的波浪形；波浪幅度越大，纤维所受的张力越大，纤维浸润效果越好。但是，过大的张力可能会导致纤维断裂。因此，实施时需要根据情况调整波浪的高低，获得纤维浸润与断裂之间的平衡；

步骤三，挤出机将液态树脂从连接法兰送入熔池过渡段，而后树脂进入上压辊和下压辊的空腔中，通过压辊面上的树脂溢出孔溢出；

步骤四，开启牵引机，连续牵引纤维，纤维与压辊面上的树脂接触充分浸润；

步骤五，浸润上树脂的纤维棒出模具后进入冷却水槽冷却；

步骤六，冷却后纤维棒送入切粒机，切成长度5-25mm，直径2-3mm母粒。

所述工艺中，纤维选自玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、高密度聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、不锈钢纤维等无机或有机或金属纤维中的任意一种或多种混杂纤维，或包括增强纤维和树脂纤维的混合纤维。

所述工艺中，树脂可以是聚乙烯、聚丙烯、高密度聚乙烯、尼龙、聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、热塑性聚氨酯、聚苯硫醚、聚醚砜等热塑性树脂。

在实际应用时，可采用功率为10-40kw的双螺杆挤出机提供树脂。

通过电加热管和电加热棒为模具加热，工作时，根据树脂的熔化温度来设定模具的温度。调节加热管的功率可以控制模具的温度范围是室温至500℃。

实施例3：利用本申请提供的模具和工艺制备玻璃纤维增强聚丙烯复合材料复合材料。

设置加热温度为180℃。采用实施例1提供的模具和实施例2提供的工艺，以玻璃纤维和聚丙烯为原料制备复合材料，除浸润过程外，其他制备过程与传统的复合材料的制备过程相同。

图10为玻璃纤维增强聚丙烯复合材料母粒的横断面扫描电镜照片，其中圆形物质就是玻璃纤维，灰色部分是聚丙烯树脂。从该图可以发现，玻璃纤维均匀分布在树脂基体中，没有团聚，说明纤维的浸润效果很好。

对制备的玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的力学性能进行了检测，模具一和模具二分别命名为测试1和测试2，结果如表1所示。并与南京聚隆科技股份有限公司(对比例1)以及合肥会通新材料有限公司(对比例2)生产的相同成分的复合材料进行对比，通过测试可见，利用本实用新型提供的浸润装置制备的复合材料力学性能优于合肥汇通，与南京聚隆的产品性能相当。

表1玻璃纤维增强聚丙烯复合材料力学性能数据(30wt％玻纤)

实施例4：利用本申请提供的模具和工艺制备不锈钢纤维增强尼龙6。

设置加热温度为280℃。采用实施例1提供的模具和实施例2提供的工艺，以不锈钢纤维和尼龙6为原料制备复合材料。

4.1复合材料形态：图11为不锈钢纤维增强尼龙6复合材料母粒的横断面扫描电镜照片，图中白色圆形区域是不锈钢纤维，其它区域是尼龙6树脂。可以看到，不锈钢纤维非常均匀地分散在树脂基体中。

4.3电阻率测量结果：对制备的不锈钢纤维增强尼龙6复合材料电阻率测试结果如图12所示。

可见,随不锈钢纤维含量的增加，复合材料的电阻逐渐减小，在10wt％不锈钢纤维含量时，电阻达到200ωcm.

4.4电磁屏蔽效能测量结果：对制备的不锈钢纤维增强尼龙6复合材料电磁屏蔽效能测试结果如图13所示。

可见，电磁屏蔽效能随不锈钢纤维含量的增加不断增加。最大电磁屏蔽效能达到50db。

实施例3和实施例4以上两实例证明了本申请提供的模具能够实现纤维被树脂的充分浸润。制得的玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的力学性能达到国内领先水平。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。