連續(xù)長碳纖維增強聚丙烯生產(chǎn)用碳纖維束反應(yīng)型熔融浸潤裝備及浸潤方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及連續(xù)長碳纖維增強聚丙烯生產(chǎn)用碳纖維束反應(yīng)型熔融浸潤裝備，所述的浸潤裝備包括浸潤裝備的殼體、反應(yīng)槽、碳纖維分散浸潤輥輪、浸潤裝備碳纖維入口、浸潤裝備碳纖維出口、浸潤裝備樹脂導入通道入口和浸潤裝備樹脂通道，所述的反應(yīng)槽設(shè)有反應(yīng)槽碳纖維入口和反應(yīng)槽碳纖維出口，反應(yīng)槽碳纖維出口與浸潤裝備碳纖維入口之間連接碳纖維導向柱，所述的碳纖維分散浸潤輥輪是帶有螺旋狀凹槽結(jié)構(gòu)，形狀類似于螺紋，凹槽底部寬6-10mm，凹槽的深度為2-9mm。本發(fā)明的特點是更低的加工成本，更高的產(chǎn)量，更高的生產(chǎn)穩(wěn)定性，更高的材料性能。
【專利說明】連續(xù)長碳纖維增強聚丙烯生產(chǎn)用碳纖維束反應(yīng)型熔融浸潤裝備及浸潤方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于新材料改性加工【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及連續(xù)長碳纖維增強聚丙烯生產(chǎn)用碳纖維束反應(yīng)型熔融浸潤裝備及浸潤方法。用于連續(xù)長碳纖維增強熱塑性聚丙烯的生產(chǎn)。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的改性方法生產(chǎn)的碳纖維增強熱塑性聚丙烯的碳纖維長度一般小于0.5mm,平均長度是2-3mm，其制品的受力破壞主要是碳纖維從基體拔出，碳纖維越短越容易從基體樹脂中拔出，制品的強度就越低。上個世紀末期，國外改性聚丙烯行業(yè)開始涌現(xiàn)出連續(xù)長碳纖維增強熱塑性聚丙烯(LFT)。與傳統(tǒng)的碳纖維增強熱塑性聚丙烯相比，LFT的碳纖維長度明顯大于傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的增強聚丙烯中碳纖維的長度。由于LFT中碳纖維的長度較長，更好地發(fā)揮了碳纖維的增強能力，從而賦予制品更高的剛性、機械強度、抗沖擊強度、抗蠕變性，同時由于碳纖維的長度較長，在成型的過程中，碳纖維不容易發(fā)生取向，所以改善了傳統(tǒng)碳纖維增強制品容易翹曲變形的缺陷。與傳統(tǒng)的材料相比，LFT具有明顯高的性能優(yōu)勢和制品的尺寸穩(wěn)定性，所以LFT材料很快成為復合材料市場中正在突起的一類新產(chǎn)品。
[0003]這類材料作為以塑代鋼的最佳解決方案，被大量用于汽車工業(yè)，以減輕汽車的重量，節(jié)能減排。如用于汽車的保險杠、儀表板承重支架，蓄電池承重槽，座椅骨架，發(fā)動機罩蓋等部件。除了用于汽車領(lǐng)域以外還用于家電、環(huán)保機械、建筑、工程、航空、航天等眾多領(lǐng)域。
[0004]目前，LFT材料的生產(chǎn)以熔融浸潤法為主。其工藝過程是碳纖維在牽引力的作用下穿過充滿熔體的模腔，碳纖維束在模腔內(nèi)在內(nèi)部裝置的作用下散開，然后被樹脂浸潤到碳纖維束的內(nèi)部，和每個碳纖維絲充分接觸。然后經(jīng)過浸潤的碳纖維束從浸潤裝備碳纖維出口牽出，再經(jīng)冷卻、烘干后切成所需長度的連續(xù)長碳纖維增強熱塑性聚丙烯顆粒。然而該材料生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)就在于樹脂能否對碳纖維進行充分快速的浸潤。關(guān)鍵技術(shù)具體表現(xiàn)為:1)碳纖維通過浸潤裝備過程中，磨損程度較小，因為如果磨損程度嚴重容易堵塞浸潤設(shè)備，導致生產(chǎn)不穩(wěn)定；2)碳纖維在經(jīng)過浸潤裝備過程中，要被內(nèi)部的熔融樹脂充分浸潤，甚至樹脂包覆到每根碳纖維單絲，因為浸潤效果不好，制品的外觀浮纖嚴重，同時制品的強度不高；3)碳纖維通過浸潤裝置的線速度越快，LFT材料的產(chǎn)量越高，同時單位重量的LFT材料的加工成本越低。只有以上三個關(guān)鍵技術(shù)都能達到的浸潤裝備才算得上成功的設(shè)備。
[0005]法國阿托公司1989在中國專利CN1021643C公開的相關(guān)專利，其特征為一類似正玄曲線的彎曲浸潤流道。塑化好的聚丙烯進入到模腔內(nèi)與碳纖維接觸，碳纖維束在通過彎曲流道的波峰和波谷時，在張力的作用下散開，然后被熔融樹脂充分浸潤。該專利設(shè)計的優(yōu)點是，樹脂對碳纖維的浸潤效果較好，但是存在著非常嚴重的缺陷，即碳纖維絲容易被磨損，尤其是牽引速度越快，碳纖維受到的張力越大，越容易磨損，造成生產(chǎn)不穩(wěn)定，甚至造成停產(chǎn)。同時我們也查閱和驗證了國內(nèi)其他公司或高校的授權(quán)專利。都不同程度上存在著一些缺陷，能夠?qū)崿F(xiàn)上述3個關(guān)鍵技術(shù)的幾乎沒有。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種連續(xù)長碳纖維增強聚丙烯生產(chǎn)用碳纖維束反應(yīng)型熔融浸潤裝備。
[0007]本發(fā)明的再一的目的是，提供使用浸潤裝備浸潤長碳纖維增強聚丙烯生產(chǎn)用碳纖維束的方法。
[0008]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是:連續(xù)長碳纖維增強聚丙烯生產(chǎn)用碳纖維束反應(yīng)型熔融浸潤裝備，包括浸潤裝備的殼體、反應(yīng)槽、碳纖維分散浸潤輥輪、浸潤裝備碳纖維入口、浸潤裝備碳纖維出口、浸潤裝備樹脂導入通道入口和浸潤裝備樹脂通道，所述的反應(yīng)槽設(shè)有反應(yīng)槽碳纖維入口和反應(yīng)槽碳纖維出口，反應(yīng)槽碳纖維出口與浸潤裝備碳纖維入口之間連接碳纖維導向柱，所述的碳纖維分散浸潤輥輪是帶有螺旋狀凹槽結(jié)構(gòu)，形狀類似于螺紋，凹槽底部寬6-10mm，凹槽的深度為2_9mm。
[0009]所述的浸潤裝備殼體是經(jīng)過滲碳和氮化處理過的耐磨鋼材。
[0010]所述的反應(yīng)槽碳纖維入口的橫切面是長軸為3-8mm,短軸為2_6mm的橢圓。
[0011]所述的反應(yīng)槽碳纖維出口的橫切面是長軸為3-6mm,短軸為2_4mm的橢圓。
[0012]所述的浸潤裝備樹脂導入通道入口是一條狹縫，狹縫的間隙為1-4_。
[0013]所述的浸潤裝備碳纖維入口的橫切面是長軸為3-6mm,短軸為2_7mm的橢圓。
[0014]所述的浸潤裝備碳纖維出口的橫切面是長軸為2-8mm,短軸為2_6mm的橢圓。
[0015]在浸潤裝備中碳纖維分散浸潤輥輪可以設(shè)置兩個、三個或四個。
[0016]為實現(xiàn)上述第二個目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是:
浸潤裝備浸潤長碳纖維增強聚丙烯生產(chǎn)用碳纖維束的方法:碳纖維先通過反應(yīng)槽與相容劑發(fā)生接枝反應(yīng)，然后經(jīng)浸潤裝備碳纖維入口進入到浸潤裝備中，熔融樹脂經(jīng)浸潤裝備樹脂導入通道進入到浸潤裝備模腔中，在充滿熔體的模腔內(nèi)碳纖維束在張力牽引下錯位繞過浸潤輥輪，同時由于浸潤輥輪能夠使碳纖維充分散開，促進熔融樹脂浸潤到碳纖維束內(nèi)部，然后被充分浸潤的碳纖維束從浸潤裝備碳纖維出口牽出，浸潤好的碳纖維束經(jīng)冷卻、烘干后切成所需長度的連續(xù)長碳纖維增強熱塑性聚丙烯顆粒。
[0017]與現(xiàn)有碳纖維熔融浸潤設(shè)備相比，本發(fā)明有如下優(yōu)點:1)碳纖維通過浸潤裝備過程中，磨損程度較小，因為如果磨損程度嚴重容易堵塞浸潤設(shè)備，導致停產(chǎn)；2)碳纖維在經(jīng)過浸潤裝備過程中，要被內(nèi)部的熔融樹脂充分浸潤，甚至樹脂包覆到每根碳纖維單絲，因為浸潤效果不好，制品的外觀浮纖嚴重，同時制品的強度不高；3)碳纖維通過浸潤裝置的線速度越快，LFT材料的產(chǎn)量越高，同時單位重量的LFT材料的加工成本越低。4)由于該浸潤裝備設(shè)置了一個對碳纖維進行預處理的設(shè)備一反應(yīng)槽(該反應(yīng)槽將碳纖維與樹脂的相容劑接枝到碳纖維上)，增強了樹脂與碳纖維之間的結(jié)合力，使得最終制品的性能會非常高。本發(fā)明的特點是更低的加工成本，更高的產(chǎn)量，更高的生產(chǎn)穩(wěn)定性，更高的材料性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是碳纖維分散浸潤輥輪結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2是連續(xù)長碳纖維增強聚丙烯生產(chǎn)用碳纖維束反應(yīng)型熔融浸潤裝備結(jié)構(gòu)示意圖?！揪唧w實施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明提供的【具體實施方式】作詳細說明。
[0021]附圖中涉及的附圖標記和組成部分如下所示:
1反應(yīng)槽
2碳纖維導向柱3碳纖維分散浸潤棍輪11反應(yīng)槽碳纖維入口12反應(yīng)槽碳纖維出口31浸潤裝備碳纖維入口32浸潤裝備碳纖維出口34浸潤裝備樹脂導入通道入口35浸潤裝備樹脂通道
請參看圖2，圖2是本發(fā)明連續(xù)長碳纖維增強聚丙烯生產(chǎn)用碳纖維束反應(yīng)型熔融浸潤裝備結(jié)構(gòu)示意圖。所述浸潤裝備的殼體是一個經(jīng)過滲碳和氮化處理的箱體，具有耐高溫、耐磨損、那腐蝕性的特性。箱體的內(nèi)部空間是反應(yīng)槽1和浸潤槽。所述的碳纖維分散浸潤輥輪3的兩端鑲嵌于箱體的兩側(cè)板上。并設(shè)有碳纖維入口、出口，樹脂的入口。上述連續(xù)長碳纖維增強聚丙烯生產(chǎn)用碳纖維束反應(yīng)型熔融浸潤裝備中，所述的反應(yīng)槽碳纖維入口 11的橫切面是長軸為3-8mm,短軸為2_6mm的橢圓。所述的反應(yīng)槽碳纖維出口 12的橫切面是長軸為3-6_，短軸為2-4_的橢圓。所述的浸潤裝備樹脂導入通道入口 34是一條狹縫，狹縫的間隙為l_4mm。所述的浸潤裝備碳纖維入口 31的橫切面是長軸為3_6mm,短軸為2_7mm的橢圓。所述的浸潤裝備碳纖維出口 32的橫切面是長軸為2-8mm,短軸為2_6mm的橢圓。所述的碳纖維分散浸潤輥輪3 (見圖1)是帶有螺旋狀凹槽結(jié)構(gòu)，形狀類似于螺紋。凹槽底部寬6-10mm,凹槽的深度為2_9mm，(凹槽底部寬也可以6_20mm，凹槽的深度也可以為3-lOmm)，碳纖維進入浸潤裝備內(nèi)部的的浸潤槽后，沿著凹槽纏繞在滾輪上，纏繞一周從相鄰的凹槽軌道離開輥輪，然后引入下一個輥輪的凹槽軌道。凹槽與凹槽之間隔板的寬度為2-6mm。凹槽的圈數(shù)至少是碳纖維股數(shù)的兩倍。碳纖維分散浸潤輥輪3個數(shù)為兩個(三個，四個)或兩個以上。反應(yīng)槽碳纖維出口 12與浸潤裝備碳纖維入口 31之間連接碳纖維導向柱2，碳纖維導向柱2的作用:該結(jié)構(gòu)是一個光滑的圓柱體，用于輔助纖維束改變方向。
[0022]長碳纖維增強聚丙烯生產(chǎn)用碳纖維束浸潤方法:
碳纖維先通過反應(yīng)槽1與相容劑發(fā)生接枝反應(yīng)，然后經(jīng)浸潤裝備碳纖維入口 31進入到浸潤裝備中。熔融樹脂經(jīng)浸潤裝備樹脂導入通道進入到浸潤裝備模腔中。在充滿熔體的模腔內(nèi)碳纖維束在張力牽引下錯位繞過浸潤輥輪，同時由于浸潤輥輪能夠使碳纖維充分散開，促進熔融樹脂浸潤到碳纖維束內(nèi)部，然后被充分浸潤的碳纖維束從浸潤裝備碳纖維出口 32牽出。浸潤好的碳纖維束經(jīng)冷卻、烘干后切成所需長度的連續(xù)長碳纖維增強熱塑性聚丙烯顆粒。
[0023]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明方法的前提下，還可以做出若干改進和補充，這些改進和補充也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.連續(xù)長碳纖維增強聚丙烯生產(chǎn)用碳纖維束反應(yīng)型熔融浸潤裝備，其特征在于，包括浸潤裝備的殼體、反應(yīng)槽、碳纖維分散浸潤輥輪、浸潤裝備碳纖維入口、浸潤裝備碳纖維出口、浸潤裝備樹脂導入通道入口和浸潤裝備樹脂通道，所述的反應(yīng)槽設(shè)有反應(yīng)槽碳纖維入口和反應(yīng)槽碳纖維出口，反應(yīng)槽碳纖維出口與浸潤裝備碳纖維入口之間連接碳纖維導向柱，所述的碳纖維分散浸潤輥輪是帶有螺旋狀凹槽結(jié)構(gòu)，形狀類似于螺紋，凹槽底部寬6-10mm,凹槽的深度為2_9mm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的浸潤裝備，其特征在于，所述的浸潤裝備殼體是經(jīng)過滲碳和氮化處理過的耐磨鋼材。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的浸潤裝備，其特征在于，所述的反應(yīng)槽碳纖維入口的橫切面是長軸為3-8mm,短軸為2_6mm的橢圓。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的浸潤裝備，其特征在于，所述的反應(yīng)槽碳纖維出口的橫切面是長軸為3-6mm,短軸為2_4mm的橢圓。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的浸潤裝備，其特征在于，所述的浸潤裝備樹脂導入通道入口是一條狹縫，狹縫的間隙為l_4mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的浸潤裝備，其特征在于，所述的浸潤裝備碳纖維入口的橫切面是長軸為3-6mm,短軸為2_7mm的橢圓。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的浸潤裝備，其特征在于，所述的浸潤裝備碳纖維出口的橫切面是長軸為2-8mm,短軸為2_6mm的橢圓。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的浸潤裝備，其特征在于，在浸潤裝備中碳纖維分散浸潤輥輪可以設(shè)置兩個、三個或四個。
9.使用權(quán)利要求1-8任一所述的浸潤裝備浸潤長碳纖維增強聚丙烯生產(chǎn)用碳纖維束的方法:碳纖維先通過反應(yīng)槽與相容劑發(fā)生接枝反應(yīng)，然后經(jīng)浸潤裝備碳纖維入口進入到浸潤裝備中，熔融樹脂經(jīng)浸潤裝備樹脂導入通道進入到浸潤裝備模腔中，在充滿熔體的模腔內(nèi)碳纖維束在張力牽引下錯位繞過浸潤輥輪，同時由于浸潤輥輪能夠使碳纖維充分散開，促進熔融樹脂浸潤到碳纖維束內(nèi)部，然后被充分浸潤的碳纖維束從浸潤裝備碳纖維出口牽出，浸潤好的碳纖維束經(jīng)冷卻、烘干后切成所需長度的連續(xù)長碳纖維增強熱塑性聚丙烯顆粒。
【文檔編號】B29B15/14GK103722638SQ201310695137
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年12月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月18日
【發(fā)明者】郭建鵬, 張強 申請人:上海日之升新技術(shù)發(fā)展有限公司