一種長纖維束熔融浸漬系統及包含該系統的生產設備的制造方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及成型加工設備領域，具體涉及一種長纖維束熔融浸漬系統。
【背景技術】
[0002] 改性塑料是涉及面廣、科技含量高、能創造巨大經濟效益的一個塑料產業領域，而 塑料改性技術更是幾乎深入到所有塑料制品的原材料與成型加工過程。改性塑料的發展前 景具有以下趨勢：通用塑料工程化、工程塑料高性能化、特種工程塑料低成本化、納米復合 技術等高技術的應用、改性塑料的綠色、環保、低碳、循環再利用。
[0003] 長纖維增強熱塑性塑料（Long Fiber Reinforced Thermoplastics, LFT)是近 年來取得突破進展的高性能新材料，可以彌補或取代常規短纖維增強熱塑性塑料（Short Fiber Reinforced Thermoplastics, SFT)的許多不足和缺點。長纖維增強技術是實現通 用塑料工程塑料化和工程塑料高性能化目標的關鍵核心技術，已普遍受到國內外復合材料 科研與工業界的廣泛重視和開發生產。與SFT相比，LFT具有以下方面顯著優點：1)彎曲 強度、拉伸強度可提高30-100% ;2)沖擊韌性等抵抗應力斷裂的能力可提高4-10倍；3) 具有獨有的三維網絡結構，使得抗蠕變性能優異，尤其適合使用于高低溫交變頻繁場合；4) 超高尺寸精度，縱橫收縮率小而均勻；5)既可在普通注塑機上進行注塑成型，也可模壓成 型；6)低翹曲、表面光潔，浮纖少；7)即使是厚壁制件，收縮率小，制品很容易實現薄壁輕量 化。正是由于LFT塑料具有上述突出的性能，被廣泛應用于汽車工程塑料結構部件，替代金 屬零部件以節省成本、降低重量、減少能耗；替代價格高的特種工程塑料，如尼龍、聚苯硫醚 等；取代熱固性玻璃鋼復合材料，如氨基樹脂、不飽和聚酯、酚醛樹脂等，提高成型效率、降 低成本，符合循環使用的環保要求，從而使纖維增強熱塑性復合材料應用領域得到進一步 的加強、擴展和深化。
[0004] 當前工業規模化的長纖維增強技術是熔融浸漬法，其是將樹脂加熱熔融，然后使 纖維束與樹脂熔體相互接觸作用，形成浸漬料。長纖維增強熱塑性復合材料的最終性能取 決于長纖維在樹脂基體中的浸漬效果，如果浸漬效果不好，就無法獲得性能優良的長纖維 增強熱塑性復合材料。
[0005] 熔融浸漬過程中，熔體沿纖維方向的流動和穿透纖維方向的流動時同時發生的， 可以近似視為多孔結構的流動。液體通過多孔結構流動的滲透速率μ可由Darcy經驗定 律給出：
[0007] 熔體浸漬纖維所需的浸漬時間
[0009] 式中：k-滲透率；
[0010] X-液體流動長度；
[0011] η-液體黏度；
[0012] ρ-作用在液體上的壓力降；
[0013] p"-施加在熔體上的外部壓力；
[0014] ρ。一纖維束毛細壓力。
[0015] 根據流體力學理論和Darcy經驗定律可知，纖維浸漬效果與浸漬過程中長纖維束 厚度和單絲分散均勻度、樹脂熔體粘度、纖維束牽引張力、浸漬時間等眾多因素相關。提高 熔體壓力、降低熔體黏度、減小纖維束厚度，將提高長纖維的浸漬效果。其中，提高熔體壓力 需考慮與輸出能量的平衡，降低熔體黏度需結合能量、配方角度考慮，減小纖維束厚度可從 分散角度出發。
[0016] 現有的提高長纖維的浸漬效果的方法存在諸多問題：1)熱塑性樹脂熔體的粘度 高，流動不易，對纖維的浸漬較為困難，通常依賴于添加特性助劑進行配方調整降低黏度， 但是通常特性助劑價格昂貴，并且會降低長纖維增強復合材料的性能和影響外觀；2)利用 增大牽引張力作用對長纖維進行分散和浸漬會嚴重損傷長纖維，甚至折斷，影響生產效率； 3)延長浸漬時間可以提高纖維的浸漬效果，但是由于熱塑性樹脂的熔點都較高，如果熱塑 性樹脂長時間處于高溫環境下，易被氧化進而影響長纖維增強復合材料的質量。
[0017] 如圖1所示，早期熔融浸漬系統通過長纖維束繞行固定位結構（參見圖la)，依靠 外加牽引裝置提供的牽引力頂緊長纖維束從而減小浸漬過程中長纖維束的厚度。所述的固 定位結構是指不能移動和繞圓心轉動的結構，如鞘釘、扁帶、彎曲流道、蛇形管、固定輥軸、 導輥、平輥、壓輥等。長纖維束在外加牽引裝置的張力作用下頂緊分散，厚度減小，使熱塑性 樹脂能夠透過長纖維束，可獲得較好的浸潤，但此類設計一般包含多組拐角結構，包覆角大 且張力作用點集中，固定位與纖維束接觸產生的摩擦力大，易出現纖維折損甚至折斷，導致 復合材料中長纖維的含量大幅度降低，使得復合材料的性能也大幅度降低（參見圖lb的上 圖）；甚至由于堵塞口模而停機得不到長纖維增強的復合材料，也就是經熔融后得到的仍 為沒有長纖維的熱塑性材料（參見圖lb的下圖）。
[0018] 如圖2所示，目前較多采用的熔融浸漬系統是輪系結構或輪系結構與固定位結構 的組合結構，并且所述的輪系結構的轉動是被動的，由長纖維束帶動其轉動。所述輪系結 構，不同的文獻中說法不同，可以是轉動導輥、接觸導絲輥、非接觸導絲輥、主動輪、從動輪、 輥輪等（參見圖2a)。依靠外加牽引裝置提供的預加牽引力使長纖維束在熱塑性樹脂熔體 中穿過，由長纖維束帶動輪系結構旋轉，進而攪動熱塑性樹脂熔體，從而提高熔體流動性， 提高長纖維浸漬速度。但是采用該方法生產的長纖維增強復合材料，由于僅靠幾組無動力 傳動的輪系結構（例如輥輪）產生的熔體紊流非常有限，雖然減少了長纖維的折損或折斷， 但在浸漬過程中，對于減小長纖維束厚度的作用并不大，所得產品往往呈現"皮芯"結構的 簡單包覆狀，僅表層纖維被樹脂熔體浸潤，芯層纖維甚至仍處于干態（參見圖2b)，整體長 纖維難以達到充分浸潤，長纖維與熱塑性樹脂之間無法獲得良好的界面結合，難以獲得高 性能的長纖維增強復合材料。以長纖維增強塑料粒料（LFT-G)為例，輪系結構的熔融浸漬 系統制得的產品實物剖面圖如圖2c所示，可見，圖2c與圖2b的示意圖一致，芯層纖維甚至 仍處于干態，整體長纖維沒有達到充分浸潤。
[0019] 此外，陸續出現了一些其他的結構和設計，如圖3所示，開設有凹槽的張力輥、帶 有螺旋狀凹槽的輥輪、齒輪熔體栗等（參見圖3a)，這些結構雖然采用增加熔體紊流的方 法，相對降低了熔體黏度，有利于纖維浸漬，但是由于激烈的不均勻的熔體波動，干擾了纖 維軸向和徑向的分布，降低了長纖維束的單絲分散均勻度，在產品中呈不均勻狀態分布 (參見圖3b)，最終導致弱化增強相纖維在樹脂基體中的三維網絡結構骨架效應的發揮，仍 然不能滿足質量的要求。以長纖維增強塑料粒料（LFT-G)為例，這種結構的熔融浸漬系統 制得的產品實物剖面圖如圖3c所示，可見，圖3c與圖3b的示意圖一致，長纖維束的單絲 僅分散在產品的一側，呈不均勻狀態分布。
[0020] 到目前為止，利用熔融浸漬法生產長纖維增強熱塑性塑料的技術中，尚未見既能 提高長纖維的浸漬效果，使最終產品中的長纖維單絲能在熱塑性樹脂中完全充分浸潤（長 纖維單絲在熱塑性樹脂中完全均勻分布）、又能提高浸漬速度的報道。 【實用新型內容】
[0021] 針對現有熔融浸漬系統固定位結構和輪系結構等結構設計仍然存在的纖維折損 大、浸潤不充分、分散均勻性差的缺點，本實用新型提供一種利用驅動單元提供套輥旋轉動 力的、由驅動套輥相互嵌合產生合力推動輥間狹縫中長纖維束運動的熔融浸漬系統，所述 的熔融浸漬系統同時實現了減小浸漬過程中長纖維束厚度和加大長纖維束單