专利名称：纤维增强热塑性树脂结构及其制法和生产该树脂结构用的挤出机的制作方法
技术领域：
本发明涉及控制了增强纤维的精梳度和纤维长度且成型性(或模塑性)、机械性和表面光滑度优异的纤维增强的热塑性树脂结构，一种具有高产率生产这种树脂结构的方法，以及生产这种树脂结构的设备。更确切地说，本发明涉及适用于制造汽车汽缸顶盖、保险杠、座架、仪表盘、轮盖、电池托等;办公室自动化设备和家用电器底架、住房等;以及其它工具外壳的纤维增强的热塑性树脂颗粒，以及适用于挤出型材、吹塑产品、管材、管道和片材以及其它热模塑用途的片材的纤维增强的热塑性片材。
纤维增强的热塑性树脂结构用于各种类型的应用，例如汽车部件和办公室自动化设备部件，这是利用了它产的优异的机械性能。具体地说，正在研究提高增强纤维长度的方法，以改机械性能等。举例来说，在日本审查专利公告(Kokoku)41-20738中所示的用挤出机挤出切短的纤维束的方法中使用的纤维增强的热塑性粒料的情况下，增强纤维最终破碎，因此显示不出良好的机械性能。所以，已进行研究提高增强纤维的纤维长度，以改善机械性能等。如日本审查专利公告(Kokoku)63-37694所示，通过拉挤成型法(pultrusion method)连接的增强纤维粗纱罩上一层塑料并切成预定长度以形成粒料。此外，还公开了通过造纸机法和干燥的无纺织物法获得的纤维长度3-20mm的均匀分散的增强纤维粒料(见日本未审查专利公开(Kokai)3-7307)和通过在Henschel混合机等中预先混合树脂粉和玻璃纤维、然后在顶杆挤出机中熔融获得的粒料(见日本未审查专利公开(Kokai)63-9511)。此外，就能热成型的片材而言，已经知道通过在热塑性树脂片材之间夹入玻璃纤维板的层合法得到的片材(例如见日本审查专利公告(Kokoku)63-15135);通过造纸机法获得的片材，7-50mm长的纤丝包括在内(例如见日本审查专利公告(Kokoku)4-40372);通过在喷气流下混合热塑性树脂粉和增强纤维使混合物堆积在传送带上传送、同时对其加热加压以熔融热塑性树脂而获得热塑性树脂片材的方法(例如见日本未审查专利公开(Kokai)59-49929和日本未审查专利公开(Kokai)62-208914);以及通过将热塑性树脂和3-100mm长玻璃纤维网状材料引入挤出机中并将其加到熔体挤出模中形成网状片材的方法获得的热塑性树脂片材(例如见日本未审查专利公开(Kokai)2-235613)。
再有，就将连续的粗纱加到挤出机的方法而言，已经知道将玻璃纤维放入螺杆挤出机内的熔体中并切成合适的长度的方法(例如见日本审查专利公告(Kokoku)44-16793)。此外，作为利用挤出机控制精梳度和增强纤维的纤维长度的尝试，已经知道从双螺杆挤出机的第二供料口供给玻璃纱以将其分离成长丝的方法(例如见日本未审查专利公开(Kokai)58-56818);增强材料(例如见日本未审查专利公开(Kokai)60-221460);分散了在捏合设备中切成的短纤维的材料(例如见日本未审查专利公开(Kokai)4-125110);以及采用活塞式运动的捏合方法(例如见日本审查专利公告(Kokoku)4-80810)。另外，作为具有螺杆或机筒加工的挤出机，已经知道配有精梳和捏合段(具有大量的凸出部分用于碾碎有机填料)的螺杆(例如见日本审查专利公告(Kokoku)62-57491);为粉碎无机物、添加剂等而粗糙化的屏障型混合段的螺杆(例如见日本审查专利公告(Kokoku)63-56845)，以及由用于捏合热塑性树脂的特定的加工机筒或螺杆构成的捏合构件(例如见日本审查专利公告(Kokoku)60-8934)。
不过，在上述结构中，尽管增强纤维变得更长，但其精梳度和捏合作用不够，因此不仅流动性和机械性能不足，而且其产率也很低。具体地说，由拉挤法得到的粒料和由日本审查专利公告(Kokoku)44-16793的方法得到的粒料含有较长纤维长度的纤维，而且纤维的精梳度也很差，因此当压制成型时，塑料和纤维最终分离或注塑时流动性较差。此外，就造纸机法而言，尽管没有纤维碎裂且得到具有分散到长纤维水平的纤维的均匀成型的制品，但捏合作用较低，因此塑料和增强纤维界面处的粘接强度较低，机械性能较差。再有，玻璃纤维板层合法得到的机械性能较高，但在压制成型和其它热模塑时的流动性较差，且纤维不能流动到角落部位等。所以，需要一种控制了精梳度和增强纤维长且流动性、机械性能和表面光滑度优异且产率高的纤维增强的热塑性树脂结构。
一般来说，使用挤出机能使产率高，但在日本未审查专利公开(Kokai)58-56818、日本未审查专利公开(Kokai)60-221460、日本未审查专利公开(Kokai)4-125110和日本审查专利公告(Kokoku)4-80810的方法中，精梳度和增强纤维长度得不到充分控制，且当螺杆的捏合作用增强时，纤维长度最终变得较短，机械性能下降。如果使捏合作用变得较弱，则精梳度变得不够且增强纤维不均匀。此外，日本审查专利公告(Kokoku)62-57491、日本审查专利公告(Kokoku)63-56845和日本审查专利公告(Kokoku)60-8934仅磨碎无机或有机填料和捏合热塑性树脂，而精梳度和增强纤维的纤维长度得不到控制。
因此，本发明的目的是通过在热塑性树脂中均匀分散增强纤维以取得特定的纤维长度分布同时保持较长的重均纤维长度来提供流动性、机械性能、表面光滑度优异的纤维增强的热塑性树脂结构。
本发明的另一目的是通过提供其精梳度得到控制且其内均匀分散了增强纤维以及通过捏合作用提供了特定的纤维长度分布同时维持较长的重均纤维长度的方法来提供流动性、机械性能、表面光滑度等优异的纤维增强的热塑性树脂结构。
本发明的又一目的是通过提供高度精梳、有较长的重均纤维长度和有特定的纤维长度分布的纤维增强的热塑性树脂片材或颗粒状结构的方法来提供流动性、机械性能、表面光滑度等优异的纤维增强的热塑性树脂结构。
本发明的另一方面是提供一种流动性和机械性能优异的纤维增强的热塑性树脂结构的方法，即借助于具有特殊构造的挤出机熔融挤出热塑性树脂和连续的纤维纱来控制增强纤维的精梳度和/或纤维长度。
本发明的又一方面是通过控制精梳度、重均纤维长度或提供的连续纤维的纤维长度能提供流动性和机械性能优异的纤维增强的热塑性树脂结构的挤出机。
也就是说，为实现本发明的目的，提供了一种包括增强纤维的纤维增强的塑料结构，所述纤维增强塑料结构的特征在于均匀分散在结构中的增强纤维重均纤维长度(Lw)与数均纤维长度(Lw)之比(Lw/Ln)为1.1-5，且重均纤维长度为1.0-200mm。
此外，本发明提供了一种通过用挤出机熔融挤出热塑性树脂和连续纤维纱生产纤维增强的热塑性树脂结构的方法，所述生产纤维增强的热塑性树脂结构的方法的特征在于通过使熔融热塑性树脂和增强纤维穿经由经加工的螺杆和/或机筒形成的控制机构以使其表面在至少一部分螺杆表面和/或机筒内壁处不规则，由此产生的不规则形状的加工表面的精梳作用来控制塑料母料中增强纤维的精梳度和/或纤维长度;以及提供一种用于生产纤维增强的热塑性树脂结构的、配有螺杆和机筒的挤出机，所述用于生产纤维增强的热塑性树脂结构的挤出机配有经加工的螺杆和/或机筒形成的控制机构，以具有不规则形状的加工表面，通过供给的连续纤维纱的精梳作用能控制精梳度和纤维长度。
再有，提供了一种上述的挤出机，其特征在于通过在挤出机机筒中将一个或多个压板固定在螺杆的前端与模头之间来校正因挤出机螺杆造成的螺线流动。当纤维增强的热塑性树脂结构是颗粒时，为防止在生产纤维增强的热塑性树脂颗粒的过程中出线料时模头部位发生增强纤维碎断，提供了一种模头组件，它直接或借助于模头接套连接到挤出机前端，而且是用多个透孔形成的具有预定厚度的热塑性树脂板，其模头具有锥台形通孔，当由挤出机一侧的透孔和出料口一侧的透孔形成的圆的半径分别是R和r时，其R/r值大于1，由挤出机一侧的透孔形成的圆覆盖了至少90%装有模头的挤出机前端或模头接套的出料区域。
图1是使用螺杆直径为30mm的双螺杆挤出机和聚对苯二甲酸乙二醇酯的情况下玻璃纱的绕速与螺杆的转速之间的关系图。虚线表示最外部螺纹的圆周速度，而实线表示玻璃纱的绕速。
图2a是按照本发明优选实施方案加工成具有多个刃的螺杆的透视图，图2b是按照本发明优选实施方案加工成具有多个刃的机筒的剖视图。图2c是按照本发明优选实施方案加工成具有网状表面的螺杆的透视图，图2d是按照本发明优选方案加工成具有网状表面的机筒的剖视图。
图3是图2a和2b给出的具有多个刃的螺杆或机筒的截面示意图，显示了刃的放大状态。
图4a，4c，4e和4g是按照本发明优选方案加工的螺杆的侧视图，图4b，4d，4f和4h是按照本发明优选方案加工的机筒的剖面透视图。
图5a是挤出机上方观察的双螺杆挤出机中楔形板固定到机筒内螺杆前面的状态截面图。图5b是从挤出机的横向看的图5a的截面图。
图6a是两个连接到模头接套部位的楔形板的结合状态截面图。图6b是由挤出机的横向看的图6a的截面图。
图7a是从挤出机上方观察的双螺杆挤出机中曲形板固定到机筒内螺杆前面的状态截面图。图7b是从挤出机横向看的图7a的截面图。
图8a是从挤出机上方观察的双螺杆挤出机中多个压板以网络的形式固定到机筒内螺杆前面的状态截面图。图8b是从挤出机横向看的图8a的截面图。
图9是挤出机圆柱形机筒28的截面图，是从上游一侧展示了螺杆29前端和图8中板25之间的下游一侧的部分。
图10a是从挤出机上方看的本发明模头组件通过模头接套固定到双螺杆挤出机的状态截面图。图10b是从挤出机的横向看到的本发明的模头固定到双螺杆挤出机中的状态截面图。
图11a是从挤出机一侧看的图10a中的模头接套的示图，图11b是从模头一侧看的模头接套的示图，图11c是从模头接套一侧看的图10a中的模头的示图，且图11d是从出料口一侧看的模头的示图。
图12a是从挤出机一侧看的本发明优选方案的模头的示图，图12b是从挤出机一侧看的上述模头的截面图，且图12c是从出料口一侧看的上述模头的示图。
图13a是从挤出机一侧看的本发明优选方案的模头示图，图13b是从挤出机一侧看的上述模头的示图，且13c是从出料口一侧看的上述模头的示图。
图14a是从挤出机一侧看的本发明优选方案的模头示图，图14b是从挤出机一侧看的上述模头示图，且图14c是从出料口一侧看的上述模头示图。
图15a是从挤出机一侧看的本发明优选方案的模头示图，图15b是从挤出机一侧看的上述模头示图，图15c是从出料口一侧看的上述模头示图，图15d是楔形分配板15的放大的透视图。
图16a是从挤出机一侧看的本发明优选方案的模头示图，图16b是从挤出机一侧看的上述模头示图，图16c是从出料口一侧看的上述模头示图，且图16d是图16a中沿A-B的截面图。
图17a是从挤出机一侧看的用于比较例的模头示图，图17b是从挤出机一侧看的上述模头的示图，且图17c是从出料口一侧看的上述模头示图。
图18是优选用于本发明的配有两个供料口的挤出机的总体截面图。
以下更详细地说明本发明。
对于可用于本发明的热塑性树脂没有特别的限制，只要它们是可通过挤出机成型或模塑的热塑性塑料即可。可以提到的例子有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚偏氯乙烯、聚苯乙烯、苯乙烯-丁二烯、丙烯腈共聚物、尼龙11、尼龙12、尼龙6、尼龙66和其它脂族尼龙、脂族尼龙与对苯二甲酸或其它芳族二羧酸或芳族二胺进一步共聚得到的共聚物以及其它芳族聚酰胺、各种共聚的聚酰胺、聚碳酸酯、聚缩醛、聚甲基丙烯酸甲酯、聚砜、聚苯氧、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸环己烷二乙二醇酯、聚萘酸丁二醇酯和其它的聚酯以及它们的共聚物、用作硬链段的这些聚酯和聚亚丁基二醇或其它聚酯或聚乙酸内酯以及用作软链段的其它聚酯的共聚合的聚酯、日本审查专利公告(Kokoku)3-72099中介绍的热致变的液晶聚合物、聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚醚砜、聚醚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚酰亚胺、聚氨基甲酸酯、聚醚酰胺和聚酯酰胺。它们可以单独使用，也可以混合使用。
最优选的塑料是聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸环己烷二亚甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯共聚物液晶共聚物、尼龙11、尼龙12、尼龙6、尼龙66、芳族尼龙、共聚的尼龙、聚苯硫醚和ABS树脂。
就用于本发明的连续纤维纱而言，最好使用包括连续长丝束的纤维纱。对增强纤维没有特别的限制，只要它们在正常情况下能用于增强热塑性树脂即可。可使用玻璃纤维、碳纤维、金属纤维和有机纤维(尼龙，聚酯，芳族聚酰胺，聚苯硫醚，液晶聚合物，丙烯酸树脂等等)，它们可单独使用，也可混合使用。特别优选玻璃纤维或碳纤维。此外，对纤维的直径没有特别限制，只要是常用于增强塑料的纤维即可，但最好使用直径1-20μm的纤维。具体地说，用1-9μm左右的细纤维，对机械性能的改进有很大作用。对纤维中包住的长丝数没有特别限制，但对操作来说，优选一束10-20，000条长丝或单丝。通常，在用甲硅烷偶合剂等进行表面处理改进与热塑性树脂的界面粘接力之后，使用这些增强纤维的精纱。例如，就聚酯树脂而言，可采用在日本审查专利公告(Kokoku)4-47697等中已知的形成热塑性薄膜的聚合物、偶合剂、纤维润滑剂进行表面处理。这样的表面处理可预先进行，并使用处理过的增强纤维，或者在增强纤维刚好加到挤出机中之前进行表面处理，以连续生产本发明的树脂结构。对热塑性树脂和纤维之间的比例没有特别限制。可根据最终目的或用途使用任何组成比来生产纤维增强的热塑性树脂组合物及其成型的制品，但从机械性能和表面光滑度考虑，纤维的含量最好为0.5-90wt%，最优选1-60wt%。
本发明的“结构”意指吹塑制品、棒(包括管材、管道或其它空心制品)或片形结构，热模塑用途的片材或其它纤维增强的热塑性树脂结构，能用于注塑、挤出和其它类型的模塑汽车缸顶盖等纤维增强的热塑性树脂粒料，以及应用本发明的生产方法制得的注塑的制品。
在整个结构内均匀分散的增强纤维的重均长度(Lw)与数均长度(Ln)之比(Lw/Ln)为1.1-5，更优选1.1-3。当该比值低于1.1时，捏合作用较低，热塑性树脂和纤维的界面处粘接力不够，于是不能得到良了的机械性能和流动性。根据结构类型的不同，Lw/Ln之比具有许多优选的范围。当该结构是片材时，该比值为1.3-5.0，优选1.5-4.0，更优选1.8-3.5;当该结构是颗粒时，该比值为1.2-3.5，优选1.3-2.5，更优选1.3-2.1。
结构内纤维的重均长度为1.0mm-200mm，优选1.0mm-15mm，更优选4.5mm-12mm。当重均纤维长度低于1.0mm时，机械性能得不到改进。对于重均纤维长度，根据结构类型的不同，也具有较多的优选的范围。当该结构是片材时，重均纤维长度为3mm-200mm，优选4mm-50mm。当该结构是颗粒时，重均纤维长度为1.0mm-15mm，更优选2.0mm-5.0mm。
此外，本发明的“均匀分散”意指当熔融和压制该结构时增强纤维和热塑性树脂不分离的状态。它包括将纤维分散到长丝水平的状态至将纤维分散到几十根纤维、最好约五根纤维为一束的水平状态。另外，通过用显微镜观察结构的截面和测定10根或10根以上为一束的增强纤维数在所有1000根或以上的可观察到的增强纤维中的比例(10根或以上为一束的增强纤维总数/增强纤维总数×100)(%)来评价本发明的精梳度。该值最好不高于60%，优选35%或以下，最佳30%或以下。当该结构是颗粒时，用显微镜观察颗粒的截面，并测定10根或以上为一束的增强纤维数在所有1000根或以上可观察到的增强纤维中的比例(10根或以上为一束的增强纤维数/增强纤维的总数×100)(%)。该值优选不高于60%，更优选35%或以下。
通过在500℃电炉中只将成型制品的一部分的热塑性树脂烧掉，用显微镜对结果照像、从照片测定1000多根纤维的长度，并由纤维长度分布测定重均纤维长度和数均纤维长度值。
作为本发明的纤维增强的热塑性树脂片材，可以提到的是用于不同应用且由冲压、压塑、真空模塑以及其它模塑方法获得的纤维增强的塑料片材等等。增强纤维在片材的平面中基本上是无规取向的，但根据条件，那些在流体移动方向取向的，比例可能高些。作为棒形结构，可提到的是直径约1-8mm的圆棒，具有各种其它截面形状的棒材，如矩形、空心棒形制品，等等。
本发明的纤维增强的热塑性树脂颗粒是利用造粒机或切片机将上述片材、棒材或其它结构造粒获得的结构。当上述片材进行造粒时，它们被纵向和横向切割，但棒形结构可以仅一个方向切割且几乎没有纤维碎断，所以最好以棒形结构造粒。颗粒的粒长优选2-50mm。此外，为了提高颗粒中的纤维长度，粒长最好为切割前纤维增强的塑料结构的重均纤维长度的至少1/2，尤其是优选不高于15mm。此外，本发明的粒料的特征是粒料中的重均纤维长度比棒形制品等的纤维长度短，且不高于一般粒料长度的0.9倍，有时不高于0.7倍。
再有，本发明的粒料可用于压塑、注塑、挤出和其它已知的模塑方法。除了压塑之外，就一般用于注塑和挤出的螺杆模塑机而言，纤维长度和增强纤维的分布因模塑而补给，因而在本发明的粒料中，限定了粒料中的纤维长度和分布，而不是注塑或挤出后成型制品的纤维长度和分布。
对生产本发明的结构的方法没有特别限制，只要能满足本发明规定的要求即可，但一种优选方法是在挤出机的机筒中用熔体挤出塑料和连续纤维纱来生产纤维增强的塑料结构。更具体地说，在该方法中，精梳增强纤维，并通过使熔融热塑性树脂和连续纤维纱经由螺杆和/或机筒形成的控制机构(用于使热塑性树脂母料至少在螺杆表面和/或机筒内壁部分处不规则)产生的不规则形状的表面的精梳作用来控制热塑性树脂母料中的纤维长度。
“用于精梳纤维纱和控制纤维长度的具有螺杆和/或机筒的挤出机”意指单螺杆或多螺杆挤出机。这种挤出机内配有用于控制精梳度和连续纤维纱的纤维长度的控制机构。连续纤维纱靠螺纹和机筒之间的剪切力以固定速度在挤出机机筒缠绕，且在绕在螺杆上的同时向前进。一般来说，热塑性树脂通过螺沟流动，但在上述方法中，增强纤维靠骑在螺纹上前进。请看螺杆的横截面，螺纹部分构成了整个圆周的一部分，因此，如图1所示，绕速和螺杆最外边的圆周速度彼此有一定的差别。图1是在使用螺杆直径30mm的双螺杆挤出机和聚对苯二甲酸乙二醇酯的情况下，玻璃纱的绕速和螺杆的转速之间的关系图。因此，通过对螺杆外圆和机筒内壁进行不同的处理，能对绕在螺杆上的增强纤维施加螺杆与机筒间产生的“梳理作用”。作为控制机构的具体实施例，可以提到的有在螺杆表面或螺纹上(优选在圆柱形螺杆表面或中间构件或其它椭圆柱形螺杆表面上-)将其进行粗化，或在机筒内壁上将其粗化。对形成粗化的方法没有特别限制，但可以利用切削、研磨、碾磨等等。此外，粗化的类型包括由螺沟和凸出部分构成的梳型、具有以特定的角度形居的螺沟和凸出部分的类型和纵向和横向沟形成的网型。凸出部分的前尖梢最好制成尖角，即以似叶片的形状提供。
图2a-2d和图4a-4h显示了特定的粗化形式。本发明不限于这些实施例，包括所有起着“梳子”作用的加工，即根据目的纤维长度，把增强纤维梳成长丝。
图2a是椭圆柱形中间构件的例子，在该构件的螺杆表面上有刃形加工的部分2，用以垂直于螺杆轴的方向的特定的刃角形成粗度。图2b是在机筒的内壁上具有刃形加工部分4的机筒3的例子。如图3所示的刃形加工部分2和4可以用特定的刃角(θ)和粗形的峰谷高(h)以及在一个峰和其相邻的峰之间的距离和螺距(t)表示。
图2c是在螺杆表面上具有网状加工部分6的中间构件的螺杆5的例子。图2d是在机筒内壁上具有网状加工部分8的机筒7的例子。
图4a是在螺纹表面上具有网状加工部分10的全螺纹螺杆9的例子，而图4b是在机筒内壁上具有网状加工部分12的机筒10的例子。图4c是在螺纹表面上具有刃形加工部分14的全螺纹螺杆13的例子，图14d是在机筒内壁上具有刃形加工部分16的机筒15的例子。图4e是在螺纹表面上具有刃形加工部分18的全螺纹螺杆17，图4f是在机筒内壁上具有刃形加工部分20的机筒19的例子。图4g是具有凸出形加工部分22的中间构件的螺杆21的例子，图4h是具有凸出形加工部分24的机筒23的例子。在形成凸出部分时，使用表面粗度Rz比较方便[JIS(即日本工业标准)10点平均粗度标准。
当增强纤维很长，需要梳成长丝时，最好提供在螺杆部分上无螺纹的柱形或中间构件或其它椭圆柱构件，且最好在圆周方向提供平行的刃形凸出部分。螺距应做得较小。例如，优选图2a所示的螺杆1和图4g所示的螺杆21。举螺杆1为例，特定的刃角(θ)最好不大于60°，最好不大于45°。峰高(h)和粗形峰谷高(h)最好是纤维直径的至少30倍、更好至少75倍。螺距(t)，即一个刃和相邻刃之间的距离，最好是增强纤维直径的30-200倍。
此外，当需要纤维长度相对较短且在满足本发明结构的定义的范围内成束的纤维数量较多时，螺距(t)可做得大些，或者在圆周方向提供例如图4e所示的无规凸出部分或螺沟。另外，也优选图2c和2d所示的具有在纵向和横向粗化的网状加工部分6和8的螺杆5或机筒7，等等。通过使用这种加工的螺杆或机筒，得到了具有较短纤维长度和较多成束纤维的结构。
图2a-2d和图4a-4h列示了椭圆螺杆横截面的情况，但也可以是圆形。就啮合式双螺杆挤出机而言，优选椭圆形，以维持自身清洁作用。此外，也可以使用不同类型的加工组合。另外，为了控制纤维长度，可以改变控制机构的长度、根据需要改变两端的直径，或者使凸出部分与不同的螺距和深度结合。控制机构优选的长度为螺杆直径的0.1-10倍、更优选0.2-5倍。
在本发明中，提供控制机构很重要，这种控制机构是在加纤维后的区域中由至少在其表面和内壁上分别部分粗化的圆柱形或椭圆柱形或其它形状的螺杆和/或机筒构成。按所需控制度，可改变粗化部分的螺距和深度。此外，也可以单独使用如此加工的螺杆或如此加工的机筒，或组合使用。当组合使用时，凸出部分的峰和谷可以布置成啮合形式或把诸峰制成彼此接近。
以此方式，可以精梳连续纤维纱和控制纤维长度。最好在紧邻于加入连续纱段提供上述控制机构。离加料部位太远时，则如日本审查专利公告(Kokai)61-211367所述，在达到控制机构之前，增强纤维将在普通螺纹和机筒之间擦伤或碎断，而且纤维长度的控制和精梳度的控制也将变得很困难，因此，这不是优选的。此外，如日本未审查专利公开(Kokai)4-125110所述，在加料区之后提供普通的捏合和逆流时，增强纤维将在那里碎断，因此这也不是优选的。当在加料区和控制机构之间提供捏合区时，与以前提到的情况一样，增强纤维最终碎断，而且不再能控制。此外，即使在控制机构之后提供捏合区，除了当特别要求缩短纤维长度时之外，纤维将最终碎断，这也不是优选的。
在塑料熔融区的下游提供连续纤维纱的加料区，由此纤维砂被加到熔融塑料中。当与塑料同时加入时，纤维将在塑料熔融时碎断，而且不再能控制，因此这不是优选的。
对用于本发明的挤出机没有特别限制，但多螺杆挤出机如组合式双螺杆挤出机较为方便。对于多螺杆挤出机，虽然优选最普通的双螺杆挤出机，但任何类型的均可以使用，例如同向旋转型、逆向旋转型、啮合型和非啮合型。此外，螺杆可具有深螺距或浅螺距或为单螺纹的、双螺纹的、三螺纹的，等等。与单螺杆挤出机相比，双螺杆挤出机能独立地控制塑料供应量和螺杆的转速，因此能容易地控制增强纤维的加入量。如果采用组合式构成，优点是容易提供用于控制精梳度和纤维长度的控制机构，而且容易改变控制机构的位置。
从为了防止因热塑性树脂或纤维蒸发出的挥发组分或增强纤维中夹带的气泡造成的物理性能的劣化和外观上的破坏的角度看，在用于控制精梳度和纤维长度的控制机构之后最好提供一个排气孔。
此外，按照本发明，通过校正螺杆在增强纤维和热塑性树脂的混合熔化(其中精梳度和纤维长度由控制机构得到控制)中造成的螺线流动，在螺杆前端和模头之间的机筒内配制压板，消除了在混合熔体挤出时不稳定的流体移动的问题，而且获得的纤维增强的热塑性树脂结构在表面光滑度方面优异，即挤出物没有粗糙表面。
用于本发明的压板最好能校正挤出机中由螺杆挤出的混合熔体的螺线流动，而且可具有任何形状，只要它们具有那种作用，但从防止增强纤维在所述压板处积集的角度看，至少一部分压板最好是楔形的，尤其是在挤出机供料一侧是楔形的。
楔形角度最好不大于90°，更好不大于60°，这是为了防止增强纤维在压板上积累。此外，压板可以变曲，以便更有效地校正螺线流动。对弯曲的类型没有特别限制，可以提到的是在整个区域弯曲成弧形、椭圆形的一部分、抛物面形等、只在挤出机的一侧弯曲成弧形、椭圆形的一部分、抛物面形等、只在出料一侧弯曲成弧形、椭圆形的一部分、抛物面形等的压板。从控制塑料流体移动的角度看，优选图7a和7b中所示的仅在排料口一侧弯曲成部分椭圆的形状的压板25。对弯曲的方向没有特别的限制，但根据挤出机螺杆的啮合深度，最好以螺杆的旋转方向和高校正效果的方法将它弯曲。另外，可结合使用弯曲方向不同的压板。
以螺杆的L/D而言，在螺杆轴向上压板的长度至少为0.2;根据螺线流动的控制效果;最佳至少为0.4。
对用于本发明的压板的材料没有特别限制，且可以使用已知材料，但从对增强纤维优异的耐磨性角度看，优选普通钢或用于挤出机的机筒、螺杆等经过耐磨加工的钢。此外，从对增强纤维耐磨的角度看，优选超硬材料，特别优选陶瓷材料。
至于压板的安装位置，在圆柱形机筒中介于螺杆前端和模头之间的任何位置均可以，但从限制因螺杆造成的螺线流动考虑，最好装在，根据螺杆的L/D，至少0.1，优选至少0.3的位置，就螺杆引起的螺线流动而言，最好是从螺杆的前端算起。对压板的数量没有特别限制，但从抗由增强纤维造成的堵塞的角度看，优选的数量应能在垂直于螺杆轴的横截面中提供由压板占据的区域不高于圆柱横截面的50%，优选不高于30%。
当安装多个压板时，其间的距离可相同，或不规则，但从防止压板间长纤维造成的堵塞的角度看，压板之间的距离最好高于由增强纤维和热塑性树脂构成的挤出物中增强纤维的平均纤维长度。
对压板安装的方向没有特别限制，但可以以平行于螺杆轴的方向(与螺杆轴的角度为0°)或者从平行方向倾斜0-45°安装压板。
此外，为了更有效地校正螺线流动，可以在不同段、不同安装位置使用多个压板，或以网络形结合使用。就网络形结合使用而言，可以提到的有如图8和9所示的竖直压板和水平压板的结合，从垂直轴倾斜自90°的一个小范围，优选5-60°的竖直压板与水平压板的结合、如此倾斜的水平压板与竖直压板的结合。
优选的用于生产本发明的纤维增强的热塑性树脂结构的压板的典型例子示于图5-8。图5a是从挤出机上方观察的双螺杆挤出机中本发明的楔形压板25装在圆柱形机筒28内螺杆29前的状态截面图。图5b是从挤出机侧向看的图5a的截面图。图6a是从挤出机上方观察的两个连接在模头接套27部位的楔形压板25的安装状态截面图，而图6b是从挤出机的侧向看的图6a的截面图。在这里，模头接套27是一个安装在挤出机主体和模26之间的用于安装模头26的装置。图7a是从挤出机上方观察的双螺杆挤出机中曲形压板25装到挤出机圆柱形机筒28内螺杆29前面的状态截面图。图7b是从挤出机的横向看的图7a的截面图。图8a是从挤出机上方观察的双螺杆挤出机中多个压板25以网络的形式装在圆柱形机筒28内螺杆29前面的状态截面图，图8b是从挤出机的横向看的图8a的截面图。
图9是挤出机圆柱形机筒28的剖视图，是在图8中螺杆29前端与压板25间自上游一侧至下游所示的部分。压板25置于挤出机圆柱形机筒28的内部或者双螺杆挤出机的螺杆29前端的模头接套27处，从螺杆29挤出的混合熔体的螺线流动度用压板25来改正。熔体由模头26的同料口30出料。模头26是通过模头接套连接的或直接与挤出机相连。
在本发明中，在粒形纤维增强热塑性树脂结构的生产过程中，当用模头将控制精梳度和纤维长度(由控制机构得到)的增强纤维和热塑性树脂混合熔体制成线材时，为防止增强纤维在模头部位断裂和增强纤维堵塞模孔，可以使用有锥台形模孔的挤塑模头和/或接着有固定直径的平行部分的成型段部分，以便减少在模头处增强纤维的断裂和由于有该形状而防止了增强纤维在模头部分的积集，由此便可以比较稳定地将增强纤维热塑性树脂制成线材，而不干扰精梳度和纤维长度被控制了的增强纤维和热塑性树脂混合熔体的纤维长度。
本发明中所用的模头最好有许多的透孔。透孔呈锥台形，当透孔在挤出机一侧和出料段一侧形成的圈的半径分别为R和r时，透孔的R/r值大于1。透孔在挤出机一侧形成的圈覆盖提供模头的挤出机前端的至少90%或模头接套出料侧截面积的至少90%。
本发明的挤出机和模头组件可将组件直接连接到挤出机前端，也可以通过模头接套来连接。模头接套的构造和材料没有特别的限制。可以用已知构造和/或材料的模头接套来连接，但从防止模孔堵塞的角度考虑，其构造中以没有滞留部分的较好，另外，例如用日本未审查专利公开No.5-220811中所述方法来平滑塑料流通过的模头接套内壁的表面粗糙性是优选择的。特别优先选择的是用复制法的平均中线糙度Ra≤5μm。当制做模头接套中的透孔时，作为达到满意的表面糙度的方法，放电加工和加工后绞孔是优先选择的。
本发明中的模孔透孔是锥台形状。当透孔形成的圈的挤出机一侧和出料段一侧的半径分别为R和r时，其R/r值大于1。再者，透孔在的挤出机一侧形成的圈覆盖了至少90%的提供模头的挤出机前端或注嘴接头的出料一侧的截面积，最好是至少95%。在本发明中涉及的锥台形的“锥”可以是数学上的锥形或实际上的有弯曲的侧截面的锥形。在实际上的锥形的情况下，优选侧截面曲线向内突出的锥形。
另外，在本发明中，有固定直径的平行的成形部分(parallelland portion)可在模头透孔之前提供。成形部分是为了稳定增强纤维和塑料混合流的，其长度没有特别的限制，但在作为一个装置使用时，通常成形部分的直径D(等于模头出口部分的半径r)和长度的L/D比为1-50、特别是3-10是优选的。
当模头的挤出机一侧的相邻透孔形成的圈的中心之间的距离d不大于10mm时，它可能进一步减少长增强纤维在两个透孔的分配部分的积集。而且，要防止增强纤维在相邻的模孔之间的分配部分的积集，最好是形成透孔的锥台部分重叠。重叠部分最好是让它空着或是提供楔形分配板以防止增强纤维在透孔中积集。
再者，当增强纤维和塑料的混合物在模中流动时，要防止增强纤维由于滞留区而积集和突然改变流路而受到损害，最好使用至少在挤塑机一侧的部分透孔被扩大了的模头，这样，连接了模头的挤出机前端的形状或模头接套的出料一侧的截面能与模头的挤出机一侧的透孔形成的孔的形状匹配。
本发明中生产粒料形的增强纤维热塑树脂结构所用的模头组件示于图10-16。图10a是本发明的模头组件的连接状态剖视图，是通过注嘴接头27安装于双螺杆挤出机的，由挤出机上部观察。图10b是本发明的模26的连接状况剖视图，是通过模头接套安装于双螺杆挤出机中的，从挤出机的侧面观察。图11a是从挤出机一侧观察的图10a的注嘴接头27，图11b是从模侧观察的图10a的模头接套27。图11c是从注嘴接头一侧观察的图10a的模26。图11d是从出料一侧观察的模26。模装置是通过模头接套27用螺栓连接到有螺杆29的挤出机机筒28上的。模头接套27在挤出机一侧的面上有模头接套的进口孔32;在出料侧的面上有出口孔33。模头接套的入口孔32和出口孔33形成了透孔。模2b在模头接套一侧的面上有模入口孔34，在出料一侧的面上有模出口孔30，模入口孔34和出口孔30形成透孔。以相邻透孔中心距离d提供了许多透孔。
图12-16所示为本发明的模的典型构造。a为从挤出机一侧看的观察图;b为侧视截面图;c为从出料一侧看的观察图。
图12a-12c为有锥台形的透孔形成的模的一例，模入口孔34的半径为R，出口孔30的半径为r。图13a-13c是有漏斗形透孔的模的一侧，包括半径R的模入口孔34和直径为r、长度为L的成形部分。
图14a-14c为有漏斗形透孔的模，其中形成透孔的锥台形部分重合。图15a-15c为图14a-14c的模的一侧，其中有楔形分配板35以在空隙处分隔相邻的透孔，空隙处是锥台形部分重合所形成。图15d为楔形分配板35的透视图。图16a-16c是图13a-13c的模的一侧，其中模的入口孔34被扩以便与挤出机前端的出料孔形状或与模头接套的出口孔相匹配。图16是图16a沿A-B线的剖视图。
得自上述模头组件的线形纤维增强塑料的结构可用已知方法造粒制成粒形纤维增强塑料结构。造粒最好是按例如示于日本审查专利公告No.41-20738的方法进行，将线材冷却，然后切成粒状，或采用从模中挤出后立即将线材切成预定尺寸的方法，另外，本发明的模头组件可与压板一起使用，以校正上述螺杆引起的螺线流。
本发明的纤维增强热塑性树脂粒料可用于注塑、注射压塑、管道、管材等的挤塑、吹塑或其他已知的模塑加工，甚至与常规拉挤成型法比较，它们也有极好的流性。模塑时，最好使注嘴和注口的形状以及使模塑机螺杆槽深度大于粒料的尺寸，以便降低增强纤维的损害。
本发明生产方法的一特征是熔合已知热塑性树脂和添加各种添加剂都是可以的。在本发明的纤维增强的热塑性树脂中按所需目的混合入常用于热塑性树脂的已知物质，如抗氧化剂、热稳定剂、紫外线吸收剂和其他已知稳定剂、抗静电剂、阻燃剂、阻燃辅剂、染料、颜料和其他着色剂、润滑剂、增塑剂、结晶催速剂、结晶成核剂等。再者，它可以同时与玻璃片、玻璃粉、玻璃小球、硅石、蒙脱土、石英、滑石、粘土、氧化铝、碳片、硅灰石、云母、碳酸钙、金属粉和其他无机填料混合。
其次，本发明生产方法的一特定的优选实例将以参考附图给予说明，图18是优选的用于本发明的全双螺栓螺杆型双螺杆挤出机的剖视图，热塑性树脂从第一进料口39加入，并在被螺杆29在挤出方向输送的同时被熔融。树脂在捏合区41中完全熔化。此后，将纱状纤维从增强纤维进料口40加入。熔融的热塑性树脂和纤维被螺杆送到螺杆的前端，螺杆由正向全螺纹42构成。纤维被梳理，纤维长度由连接到进料口40的控制机构43控制，然后将混合物通过模头接套27和模26的透孔以挤出纤维增强热塑性树脂结构36，并由此面得到最终的纤维增强热塑性树脂结构。同时它也可以在对应于螺杆粗糙表面43的机筒内壁38上形成粗化的表面45。再者，它可以安装图5-9所说明的压板以校正螺杆引起的螺线流动。
实例本发明将以下面的实例进行更详细的解释，但本发明并不限于这些实例。在实例和对比实例中所示的表示机械性能的数字是取自10个样品测定的平均值。
悬臂梁式冲击强度的评定，其测定是按ASTM D-256进行的，挠曲模量的测定是根据ASTM D-790进行的，在纤维增强热塑性树脂粒料的情况下，试块是按上述标准用注塑法制备的。此时，为评定粒料的流性，测定了注塑时的低限压力，并用作一指数。在片材的情况下，从片材上切下试块，加以测定。结构中的纤维的观察是将10个粒料或片材的一部分(片材中央的10平方厘米或在宽度小于10cm的片材的情况下，所具有的长度能使其面积成为100cm2的矩形)置于500℃的电炉中，将塑料烧掉以测定纤维含量。用显微镜检查到余灰中至少有1000根纤维，从纤维长度的分布找到重均纤维长度(Lw)和数均纤维长度(Ln)以及Lw/Ln比率，成形制件的边角部分(片材外周处1cm2部分)进行类似的燃烧，测定纤维含量。
增强纤维分散状态的评定是将粒料或片材进一步熔压，对增强纤维与塑料分离的情况评级为差(“X”);对增强纤维与热塑性树脂不分离的情况评级为好(“O”)。
作为评定纤维精梳度的一种简单方法是拍摄加工成1mm厚结构的X光照片。不均匀集中的部分超过3mm2的评级定为差(“X”);低于3mm2的评定为良(“△”);没有不均匀部分的评定为优(“O”)。另外，精梳度还可以在显微镜下检查结构的一横截面的方法，横截面是用剃须刀切割的，测定在1000根纤维中，10根或更多根纤维的纤维束中纤维的比例。
塑料的相对粘度是将其溶于邻-氯苯酚中制成0.5g/dl的浓度于25℃下测定的。
实例1和比较实例1-3使用同向旋转双螺杆挤出机(TEX30，Japan Steel Works Ltd.制造)，挤压机的挤出方向有两个供料口，螺杆直径30mm，L/D45.5，如图8所示。也使用双螺纹啮合3.5mm螺杆。在第一塑料进料口39和增强纤维进料口40之间有一螺杆构件41，由L/D为1的5个捏合盘组成并有45度倾斜角，以左右手顺序相结合。在增强纤维进料口40的出料侧，借助于一个全螺线螺杆42，有一图2a的加工椭圆形横截面捏合构件(螺距(t)为1mm，刃角(θ)为30°，峰谷高(h)为1mm)，L/D为0.75，形成控制机构43。聚对苯二酸乙二醇酯粒料(相对粘度1.35)用一螺旋粒料送料器加入塑料进料口39，从纤维进料口40引入直径为17μm、每千米2200g重的玻璃纱(Nippon Electric Glass Co.制造)，此混合物在机筒温度为280℃和螺杆旋转速度为200rpm的条件下从4mm厚、50mm宽的模中以片状挤出。片材用流延辊冷却，得到纤维增强片材，得到的片材的玻璃纤维含量为25%(重量)，玻璃纤维是均匀分散的(实例1)。
为对比起见，用上述的聚对苯二酸乙二酯粉和直径为17μm、长度为13mm的切短的纤维线料，以手动制片机由聚对苯二酸乙二醇酯粉水浆和如日本未审查专利公开No.3-7307中的造纸机的相同方法切短的线料制备了玻璃纤维含量为25%(重量)的多孔网状薄片，将5张网状薄片重叠，在280℃加压成型制得薄板(对比实例1)。同时又用日本未审查专利公开63-9511所述的相同方法，将与对比实例1中同类的对苯二酸乙二醇酯和玻璃纤维在Henschel混合机中混合，用挤料杆式挤压机挤塑成片材，得到玻璃纤维含量为25%(重量)的薄片(对比实例2)。另外，用上述实例中相同类型的聚对苯二酸二乙醇酯和玻璃纱进行已知角度模头拉挤成型，产物切成长13mm的料状，得到玻璃含量为25%(重量)的长纤维增强粒料。将粒料于280℃加压以形成片材(对比实例3)。
如表1所示，当测定片材的纤维长度、分布和片材的力学性质的时候，发现用本发明的实施例可以得到优越的力学性质，但在对比实例1和2中，用熔体挤塑法得不到纤维长度的特定分布。所以尽管是长纤维，只能得到低的冲击强度，另外，在对比实例3中，玻璃纱未经梳理，在加压成型时塑料和玻璃纤维产生分离，不能形成均匀的片材，所以不能评价其力学性质。
实例2-4和对比实例4-5使用与实例1相同的步骤，但使用L/D为0.75和有图2a加工的椭圆形横截面的中间构件(螺距(t)0.5mm、刃角(θ)60°、高(h)0.4mm)或图4g的加工(给出表面糙度Rz为90μm的凸出部分)和有图4e刃加工的正向全螺纹构件(螺距(t)为1mm。刃角(θ)为30°、峰谷高(h)为1mm)。挤塑进行的螺杆转速为150rpm，以将熔体挤成片材。然后用流延辊冷却，得到纤维增强的片材。为对比起见，按相同方法用无加工的正向全螺纹构件(对比实例4)代替实例4的有加工的正向全螺纹构件(对比实例4)代替实例4的有加工的正向全螺纹构件，并以无加工的中间构件(对比实例5)代替实例2的有加工的中间构件。如表2中所示，在对比实例4和5中，模压较高，引起不均匀出料，玻璃纤维在片材中的精梳度是不均匀的，当片材被熔融和压制时，增强纤维与塑料分离。但在实例2-4中，制得了好的片材。
实例5和对比实例6按实例1中相同步骤，但用直径13μm、每千米1100g重的玻璃纱(Nippon Electric Glass Co.制)，并在筒温290℃和螺杆旋转速度为200rpm的条件下经片模进行挤塑。片材以5mm厚、80mm宽和80cm/分钟的速度挤出，用冷却带冷却，然后切成300mm长，制取纤维增强的塑料片材。将得到的片材于130℃下干燥6小时，然后于280℃的压制温度进行压塑，并测定其力学性质、纤维长度等。所得到的片材的纤维含量为45%(重量)(实例5)。
另外，将与实例1相同的聚对苯二酸乙二醇酯片材压至厚度为1.5mm，并将基重为100g/m2、纤维长度为50mm的切短的玻璃丝毡片置于其上，使玻璃纤维的含量为45%(重量)，然后在约280℃下压塑，得到厚5mm、长、宽250mm的片材(对比实例6)，将对比实例6的片材干燥，然后按实例5的方法压塑，并测定其力学性质和纤维长度。
如在表3中所示，在本发明的实例中，可以得到力学性质优越以及纤维至边角部位流性优越的纤维增强的热塑性树脂片材。对比实例7可得到高的机械性能，但精梳度差，流性差，边角部位纤维含量小。
表3
Lw片材 中重均纤维长度Ln片材 中数均纤维长度实例6-7和对比实例7-8按实例5中同样的步骤，但使用聚苯二甲酸丁二酯(PBT1100S，Toray I ndustries制)和碳纤维(“Torayca”T-300B，Toray Industries制)纱以生产纤维含量为20%(重量)、片材厚为4mm的纤维增强塑料片(板)。其挤出速度为约100cm/分钟，用冷却带冷却后，切成长300mm的纤维增强的塑料片材(实例6)。另外，使用相同的设备、塑料和增强纤维(如实例8)，但使用L/D为0.75并有图2c的网状加工(螺距(t)0.5mm、刃角(θ)30°、峰谷高(h)0.5mm)的椭圆截面中间螺杆构件代替椭圆截面中间构件，如在实例6的挤出机中用作控制构件43，以按实例6相同的方法制取片厚4mm的纤维增强的塑料片材(实例7)。
另外，使用与实例6中相同的设备、塑料和增强纤维，但在与实例6相同的挤出机中用L/D为0.75的5个捏合盘构成的螺杆构件代替控制机构43的构件，并提供45°的倾斜角以左手和右手顺序组合，以按实例6相同的方法制取厚度为4mm的纤维增强的塑料片材(对比实例7)。另外，使用与实例6中相同的设备、塑料和增强纤维、但使用正向全螺纹螺杆代替实例6中的挤出机的控制机构43的构件，以制取厚度为5mm的纤维增强的塑料片材(对比实例8)。
如表4所示，本发明实例的纤维增强塑料片材在模塑时均有优越的纤维流性，机械性能的值也高，但在对比实例8中，纤维的分散不均匀，梳纤能力不足，因此边角纤维含量低。在对比实例7中，片材中纤维长度很小，成型制件的机械性能低。
表4
Lw片材中重均纤维长度Ln片材中数均纤维长度实例8和对比实例9-12按实例1所述相同步骤生产长纤维增强粒料，但玻璃纤维含量为45%(重量)、用表12中的模4代替片材模，并且将混合物挤压成4mm直径的条状，然后制成长约10mm的粒料。为对比起见，用与实例8中相似的螺杆安排方法，用表12中所示的模6代替片材模，并从纤维加料口加入10mm长的切短纤维束(对比实例9);用表12所示的模6，用长10mm的切短纤维束和用L/D为0.75的5个捏合盘组成的螺杆构件并以左、右手顺序结合成45°倾斜角代替控制机构43(对比实例10);用已知拉挤成型法生产粒料的方法(对比实例11)。
如表5所示，在对比实例9的情况中，切短的玻璃纤维束不能缠绕在螺杆上，因而未被梳理，发生模堵塞，不能造粒。在对比实例11中，当出料上升至40Kg/h并且纤维束吸收速度增加时，纤维束破坏，因而不能得到纤维束(对比实例12)。本发明实例中的粒料能够增加纤维束的吸收速度，因此能够有效地生产粒料，并且所得到的粒料模塑时的流性是好的。与挤压成型法生产的粒料相比，尽管粒料中纤维的重均长度小，但所得到的注塑制件的机械性能可与拉挤成型法生产的粒料媲美。再者，当粒料被熔压时，本实例的粒料不产生任何增强纤维与树脂间的分离现象，而对比实例11中由拉挤成型法生产的粒料有增强纤维与树脂间的分离现象。
实例9和对比实例13-14按实例8所述的相同步骤，但在塑料进料口加入尼龙-66(CM3001，Toray Industries制)，从纤维加料口引入直径13μm、每千米1100g重的玻璃纤维纱(Nippon Electric Glass Co.制)，在筒温290℃和螺杆旋转速度200rpm的条件下以线束状挤出。线束在水浴中冷却，然后切成10mm长，制得纤维增强塑料粒料。粒料的玻璃纤维含量为45%(重量)。将纤维增强塑料粒料在真空干燥器中于90℃干燥24小时，然后在筒温290℃和模温80℃下注塑。
按与实例9相同的步骤，但以L/D为0.75的5个捏合盘组成的螺杆构件并在增强纤维进料口的出料边提供45°的倾斜角代替控制机构43。另用实例9相同的设备、相同的尼龙-66和相同的玻璃纱但切成3mm长以形成切短纤维束型增强纤维，并用生产纤维增强的塑料粒料的已知方法挤塑成塑料纤维束，用实例9中相同的方法进行冷却，然后切成10mm，得到纤维增强塑料粒料，其玻璃纤维的含量为45%(重量)。粒料经干燥后，用与实例9相同的方法注塑(对比实例13)。
用与实例9相同类型的尼龙-66和玻璃纱和已知的直角模头拉挤成型法，将得到的塑料纤维束切成10mm长的粒料，得到长纤维增强粒料，玻璃含量为45%(重量)。按对比实例13用实例9相同的方法进行干燥，然后进行注塑(对比实例14)。
如表6所示，本发明实例的纤维增强塑料粒料的机械性能和流性的平衡是优越的，并可得到流性。但在对比实例13中，粒料中的纤维长度短，因而得到的冲击强度低。在对比实例14中，粒料中的纤维长，精梳度差，所以注塑时流性差。
表6<
>Lw片材中纤维重均长度Ln片材中纤维数均长度实例10和对比实例15用与实例9相同的方法，但使用聚对苯二酸丁二酯(PBT1100S，Toray Industries制)和碳纤维(“Torayca”T 300B，Toray Industries制)纱以生产纤维含量为20%(重量)粒料长5mm的纤维增强塑料粒料，将其在110℃下干燥12小时，然后用于筒温260℃和模温80℃下注塑。
用与实例10相同的设备、塑料和增强纤维，但提供一由L/D为0.75的5个捏合盘构成的螺杆构件并且左右手顺序结合的倾斜角为45°，以代替实例10中的控制机构，按实例10相同的方法生产和用于注塑的粒料为5mm长的纤维增强塑料粒料(对比实例15)。
如表7所示，本发明实例的纤维增强塑料粒料在模塑时的流性优越，成型制件有高的机械性能，但不用有改进梳理能力的螺杆构件时，即对比实例15中用捏合盘时，粒料中纤维长度变得较短并且成型制件的机械性能低。
当粒料进行熔压时，各实例中均未出现增强纤维与塑料的分离现象，并且增强纤维是均匀分布在粒料中的。
表7
Lw片材中重均纤维长度Ln片材中数均纤维长度实例11用螺杆和机筒(L/D为1)，其在连接有全螺纹螺杆的注塑机的排气口的出料口侧的位置上有图4e和4f的加工(沟深(h)和螺距均为1mm)，从料斗加入聚对苯二酸丁二酯树脂(相对粘度1.45)，从排气口加入实例1的玻璃纱，在约250℃下进行注塑。另外用无加工(表8)进行对比。本发明的实例在模塑时显示好的流性，在成型制件的外表上未出现缺陷。
表8
<p>实例12和对比实例17按与实例11相同的方式进行吹塑，但用全螺纹螺杆吹塑机。另外，用无加工的全螺纹螺杆代替实例12的有加工的全螺纹螺杆作为对比(对比实例17)。在本发明实例中，熔融型坯中的Lw为4.9mm，Lw/Ln为2.1，出料稳定，可得到极好的成型制件;但在对比实例17中，Lw为8.9，Lw/Ln为3.4%;型坯未垂直挂流但左右摆动，所以产生大量毛刺。
切下吹塑制得的模塑制件的一部分进行熔体压并评价增强纤维的分散情况。在本发明实例中，增强纤维和树脂未出现分离现象，增强纤维均匀分散在吹塑制件中。与此相反，切下对比实例模制件的一部分进行熔压，其中纤维和树脂有分离现象，吹塑制件中的增强纤维分散不均匀。
实例13-16和对比实例18-20使用与实例8相同的方法，但用聚对苯二酸丁二酯(PBT1100S，Toray Industries制)，生产不同纤维含量的5mm长的粒料，将它们用于注塑并测定所得产品的物理性质(表9)。对比试验是将玻璃纱由塑料进料口加入，而不是从纤维加料口加入。
在各实例中，未出现增强纤维与树脂分离的现象，甚至将生产的粒料进行熔压时，增强纤维均匀地分散在粒料中。虽然按这些实例的粒料有好的物理性质，但在对比实例中增强纤维的重均纤维长度均小于1mm，得不到好的物理性质。
实例17-20和对比实例21使用与实例8相同的方法，但用碳纤维(“Torayca”T-300B，Toray Industries制)纱，以生产不同纤维含量的3mm长的粒料，用于注塑。对比试验的纤维也从塑料进料口加入以代替从纤维进料口加入(表10)。
在各实例中，甚至用所生产的粒料进行熔压，均未出现增强塑料与树脂分离的现象;增强纤维在粒料中是均匀分散的，虽然这些实例的粒料有好的物理性质，但对比实例中增强纤维的纤维长度均小于1mm，并且未得到好的物理性质。
实例21-24使用与实例1同型的挤出机和表12所示的模5代替片模。再将压板置于螺杆前端与模26之间。将聚对苯二酸乙二醇酯粒料(相对粘度1.35)由塑料进料口(即第一进料口39)由螺旋粒料加料器供入，从纤维进料口(即第二进料口)将直径17μm每千米2200g重的玻璃纱(Nippon Electric Glass Co.制)连续导入。挤塑在筒温280℃和螺村旋转速度200rpm条件下进行。混合物用线材挤出模头(即模26)挤成线材，评定线材的表面外观，当用肉眼观察不到玻璃纤维自线材表面上升时，评定为好(“O”);当能够观察到线材表面上升的玻璃纤维时，评定为差(“X”)。再将线料切粒制成10mm长的粒料、测定粒料中玻璃纤维的重均纤维长度。再将一部分线材进行熔压，并评定线料中玻璃纤维的分散情况。结果，在本发明各实例中，未出现增强纤维与树脂的分离现象，纤维均匀分散在线材之中，所用的压板是表11中所示的压板，置于螺杆前端和模头之间。结果示于表11。
表11
板长板在螺杆轴向上的长度Lw片材中重均纤维长度实例25-29使用与实例1的同型挤出机和表(12)中的模6代替片模。用螺旋粒料加料器将聚对苯二酸乙二醇酯(相对粘度1.35)加到塑料进料口(即第一进料口39)，同时由纤维进料口(即第二进料口)将直径17μm、每千米2200g重的玻璃纱连续导入。在筒温280℃和螺杆旋转速度200rpm的条件下进行挤塑。用模头形成纤维增强塑料线料，切割造粒。此时研究线料中玻璃纤维长度和线材出料情况。
结果示于表13，实例25-29线材中的重均纤维长度在2.0-2.5mm范围，线材出料情况稳定。再将一部分线材进行熔压，并评定线料中增强纤维的分散情况，结果，在本发明的各实例中，未出现增强纤维与树脂的分离现象，纤维在线料中分散均匀。
从上述说明和实例可清楚地看到，在本发明中发现的控制精梳度和均匀分散增强纤维，以及用捏合作用达到纤维长度的特定分布同时保持较长的重均纤维长度，就可以得到一种纤维增强的热塑性树脂结构，它有优越的流性、机械性能，并且表面平滑。再者，用连续的纤维纱缠绕螺杆，并采在螺杆外围和/或机筒内表面进行加工的办法，可以在连续的纤维纱上产生梳理作用并控制精梳度和增强纤维的纤维长度。由此就可以得到生产率高的、模塑流性好的和过去从未有过的优越的机械性能的纤维增强的热塑性树脂结构。因此，从工业生产的观点看，本发明是极其有价值的。
权利要求
1.一种包括热塑性树脂和增强纤维的纤维增强的热塑性树脂结构，其中均匀分散的增强纤维的重均纤维长度(Lω)与数均纤维长度(Ln)之比(Lω/Ln)为1.1-5，且重纤维长度为1.0-200mm。
2.根据权利要求1所述的纤维增强的热塑性树脂结构，其中均匀分散的增强纤维的重均纤维长度(Lw)与数均纤维长度(Ln)之比(Lw/Ln)为1.1-3，且重纤维长度为1.0-15mm。
3.根据权利要求1所述的纤维增强的热塑性树脂结构，其中增强纤维的重均纤维长度为4.5-12mm。
4.根据权利要求1所述的纤维增强的热塑性树脂结构，其中10根或以上为一束的增强纤维不高于纤维增强的热塑性树脂结构的横截面中观察到的所有增强纤维的60%。
5.根据权利要求1所述的纤维增强的热塑性树脂结构，其中在纤维增强的热塑性树脂结构中增强纤维的含量为0.5-90wt%。
6.根据权利要求1所述的纤维增强的热塑性树脂结构，其中在纤维增强的热塑性树脂结构中增强纤维的含量为1-60wt%。
7.根据权利要求1所述的纤维增强的热塑性树脂结构，其中增强纤维是玻璃纤维、碳纤维或其混合物。
8.根据权利要求1所述的纤维增强的热塑性树脂结构，其中热塑性树脂是至少一种选自聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸环己烷二亚甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇共聚物类液晶聚合物、尼龙11、尼龙12、尼龙6、尼龙66、芳族尼龙、共聚的尼龙、聚苯硫醚和ABS树脂的树脂。
9.根据权利要求1所述的纤维增强的热塑性树脂结构，其中纤维增强的热塑性树脂结构呈片材或棒材形状。
10.根据权利要求1所述的纤维增强的热塑性树脂结构，其中纤维增强的热塑性树脂结构通过挤出获得。
11.根据权利要求9所述的纤维增强的热塑性树脂结构，其中纤维增强热塑性树脂结构是纤维增强的热塑性树脂片材，片材中增强纤维的重均纤维长度(Lw)与数均纤维长度(Ln)之比(Lw/Ln)为1.3-5.0，重均纤维长度为3mm-200mm，且10根或以上为一束的增强纤维不大于观察到的所有增强纤维的60%。
12.根据权利要求11所述的纤维增强的热塑性树脂结构，其中重均纤维长度为3mm-100mm。
13.根据权利要求11所述的纤维增强的热塑性树脂结构，且10根或以上为一束的增强纤维不大于观察到的所有增强纤维的35%。
14.根据权利要求11所述的纤维增强的热塑性树脂结构，其中增强纤维的重均纤维长度(Lw)与数均纤维长度(Ln)之比(Lw/Ln)为1.5-4.0。
15.一种包括由切割片形或棒形纤维增强的热塑性树脂结构得到的粒料的纤维增强热塑性树脂结构，它包括热塑性树脂和增强纤维，其中均匀分散的增强纤维的重均纤维长度(Lw)与数均纤维长度(Ln)之比(Lw/Ln)为1.1-5，且重均纤维长度为1.0-200mm。
16.根据权利要求15所述的纤维增强的热塑性树脂结构，其中粒料长度不高于切割前纤维增强的热塑性树脂结构中增强纤维重均纤维长度的1/2，粒料中的重均纤维长度不大于粒料长度的0.9倍。
17.根据权利要求1所述的纤维增强的热塑性树脂结构，其中纤维增强的热塑性树脂结构是纤维增强的热塑性树脂的粒料，粒料中增强纤维的重均纤维长度(Lw)与数均纤维长度(Ln)之比(Lw/Ln)为1.2-3.5，重均纤维长度为1.0mm-15mm，且10根或以上为一束的增强纤维不大于粒料横截面中观察到的所有增强纤维的60%。
18.根据权利要求17所述的纤维增强的热塑性树脂结构，其中粒料为2-50mm。
19.根据权利要求17所述的纤维增强的热塑性树脂结构，其中重均纤维长度为2.0-5.0mm。
20.根据权利要求17所述的纤维增强的热塑性树脂结构，其中10根或以上为一束的增强纤维不大于粒料横截面中观察到的所有增强纤维的30%。
21.一种利用挤出机熔融挤出热塑性树脂和连续纤维纱生产纤维增强的热塑性树脂结构的方法，所述生产纤维增强的热塑性树脂结构的方法的特征是将熔融的热塑性树脂和增强纤维通过经加工后的螺杆和/或机筒以使螺杆表面和/或机筒内壁至少一部分表面不均匀而形成的控制机构，由此通过不规则表面的梳理作用控制热塑性树脂母料中增强纤维的精梳度和/或纤维长度。
22.根据权利要求21所述的生产纤维增强的热塑性树脂结构的方法，其中不规则表面被粗化，且凸出部分的前尖梢制成刃边。
23.根据权利要求22所述的生产纤维增强的热塑性树脂结构的方法，其中刃角不高于60°。
24.根据权利要求21所述的生产纤维增强的热塑性树脂结构的方法，其中为控制增强纤维的精梳度和/或纤维长度而进行了表面不规则处理的螺杆是表面粗化了的椭圆柱形或柱形螺杆。
25.根据权利要求21所述的生产纤维增强的热塑性树脂结构的方法，其中为控制增强纤维的精度和/或纤维长度而对螺杆表面和/或机筒内壁所做的不规则表面加工是在垂直于螺杆轴的方向形成粗度的刃加工。
26.根据权利要求21所述的生产纤维增强的热塑性树脂结构的方法，其中使用的挤出机配有装在挤出机螺杆前端与模头之间机筒内的一个或多个压板，以校正控制了增强纤维的精梳度和/或纤维长度的混合熔体的螺线流动。
27.根据权利要求26所述的生产纤维增强的热塑性树脂结构的方法，包括使用配有至少部分为楔形横截面的压板的挤出机。
28.根据权利要求26所述的生产纤维增强的热塑性树脂结构的方法，包括使用具有曲形压板的挤出机。
29.根据权利要求26所述的生产纤维增强的热塑性树脂结构的方法，包括使用具有多个以网络形式安装的压板的挤出机。
30.根据权利要求21所述的生产纤维增强的热塑性树脂结构的方法，其中(1)所述结构为棒形或颗粒形，且(2)当生产该结构时使用以下模头(i)所述模头直接或通过模头接套固定到挤出机前端;以及(ii)所述模头由其中形成了多个透孔的预定厚度的压板构成，(a)至少一部分所述透孔为截头圆锥形，(b)当挤出机一侧和出料口一侧的透孔形成的圆的半径分别为R和r时，R/r值高于1，以及(c)由挤出机一侧的透孔形成的孔的总截面为出料口一侧挤出机或模头接套的截面积的90%。
31.根据权利要求30所述的生产纤维增强的热塑性树脂结构的方法，包括使用具有在模头出料口一侧透孔前面固定直径的平行段部分的模头。
32.根据权利要求30所述的生产纤维增强的热塑性树脂结构的方法，包括使用这样一种模头，其中在模头的挤出机一侧由两个相邻透孔形成的环的中心之间距离d值不小于10mm。
33.根据权利要求30所述的生产纤维增强的热塑性树脂结构的方法，包括使用这样的模头，其中由至少一部分接合的透孔形成的锥体部分重叠，且重叠部分为空的，或重叠部分配有楔形隔板。
34.根据权利要求30所述的生产纤维增强的热塑性树脂结构的方法，包括使用这样的模头，其中挤出机一侧至少一部分透孔被扩大，以使安装模头的挤出机前端或出料口一侧模头接套的横截面的形状和由模头的挤出机一侧透孔形成的孔的形状相匹配。
35.一种配有螺杆和机筒的挤出机，所述挤出机包括由加工的螺杆和/或机筒形成的控制机构，所述螺杆和/或机筒具有不规则的表面，能通过精梳供给的连续纤维纱控制精梳度和纤维长度。
36.根据权利要求35的挤出机，其中不规则表面被粗化，凸出部分的前尖梢制成刃形。
37.根据权利要求36的挤出机，其中刃角不超过60°。
38.根据权利要求35的挤出机，其中加工成具有不规则表面以控制增强纤维的精梳度和/或纤维长度的螺杆为表面粗化的椭圆柱形或圆柱形。
39.根据权利要求35的挤出机，其中为控制增强纤维的精梳度和/或纤维长度给螺杆表面和/或机筒内壁提供不规则表面的加工是在垂直于螺杆轴向形成粗度的刃加工。
40.根据权利要求35的挤出机，其中提供一个或多个装在机筒内介于挤出机螺杆前端和模头之间的压板。
41.根据权利要求40的挤出机，其中提供至少部分为楔形横截面的压板。
42.根据权利要求40的挤出机，其中压板是弯曲的。
43.根据权利要求40的挤出机，其中多个压板的网络形式安装。
44.根据权利要求40的挤出机，其中使用直接或通过模头接套固定到挤出机前端并由具有预定厚度的其中形成了多个透孔的压板构成的模头，(a)至少一部分所述的透孔为锥台形，(b)当由挤出机一侧和出料口一侧的透孔形成的圆的半径分别为R和r时，R/r值大于1，以及(c)由挤出机一侧透孔形成的孔的总截面积为出料口一侧挤出机或模头接套的总截面积的90%。
45.根据权利要求44的挤出机，包括使用具有在模头出料口一侧透孔前面固定直径的平行段部分的模头。
46.根据权利要求44的挤出机，其中在模头挤出机一侧由两个相邻的透孔形成的圆中心之间的距离d值不小于10mm。
47.根据权利要求44的挤出机，其中由至少一部分接合的透孔形成的锥体部分重叠，且重叠部分是空的，或重叠部分配有楔形隔板。
48.根据权利要求47的挤出机，包括使用一种模头组件，其中挤出机一侧至少一部分透孔被扩大，以使安装模头的挤出机前端或出料口一侧模头接套的横截面的形状和由模头的挤出机一侧透孔形成的孔的形状相匹配。
全文摘要
公开了一种纤维增强的热塑性树脂结构及其生产方法和所用的挤出机，其中所述树脂结构包括热塑性树脂和增强纤维，均匀分散的增强纤维的重均纤维长度(Lω)与数均纤维长度(Ln)之比(Lω/Ln)为1.1—5，且重均纤维长度为1.0—200mm。
文档编号B29C47/60GK1109405SQ9410801
公开日1995年10月4日 申请日期1994年7月21日 优先权日1993年7月21日
发明者坂井秀敏, 平元纪, 渡边昭彦 申请人:东丽株式会社