專利名稱：攪拌－噴動流化床及其在制備纖維增強復合材料中的應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種流化床以及通過該流化床制備纖維增強熱塑性復合材料的方法。
纖維增強熱塑性復合材料(Glass Mat Reinforced Thermoplastic)，簡稱GMT，是一種以熱塑性樹脂為基體，以長纖維或連續(xù)纖維為增強物的復合材料。用不同類型的纖維和熱塑性樹脂基體，可以組成多種多樣的GMT材料。由于聚丙烯具有很好的性能價格比，因此是一種應用最廣泛的熱塑性基體。
目前國內外已經開發(fā)出多種GMT片材制備方法，且已經工業(yè)化，如美國專利(U.S Patent 3 684 645(1969)，Temple，C.S.，Matthews，J.R.)所公開的熔融浸漬法和(U.S Patent 4 481 075(1984)，Dailly，C.，Gomez，D.)所披露的漿態(tài)浸漬法，另外還有(U.S Patent 3 742 106(1973).Price，R.V)所揭示的流化床粉術浸漬法等。
熔融浸漬工藝是將二層玻纖氈壓合在三層熱塑性樹脂中，當中是熔融的熱塑性樹脂，最外層可以是薄膜，也可以是熔融的樹脂，將該夾層結構送入雙鋼帶壓機，在高于樹脂熔融的溫度條件下加壓然后冷卻，最后裁割。一般而言，只有當復合材料基體對增強介質充分浸漬并且基體和增強介質之間形成較好的界面結合以后，才能充分利用玻璃纖維高強度、高模量的物理特性，達到纖維增強的效果。此法的關鍵參數(shù)是熔體對玻璃纖維氈的浸漬速率，由于熱塑性樹脂熔體的高粘度以及玻璃纖維氈復雜致密的幾何結構，完成熔體對玻璃纖維氈的浸漬過程，需要較長的浸漬時間和較高的浸漬壓力。即使如此，樹脂熔體還很難達到纖維束內浸漬。
漿態(tài)浸漬工藝是在造紙機械的基礎上開發(fā)的，把長度在6～25mm之間的玻璃纖維分散在水中，加入樹脂粉末和一種乳液，這些組分懸浮于水中，加入絮凝劑后，使粉末和乳液凝結，在液壓成屏篩上分離出來，形成的氈在高于樹脂熔融的溫度下壓緊，制得GMT片材。該方法由于操作中加入大量的化學助劑，很難將其完全除盡，殘留在玻璃纖維上的助劑會降低基體與纖維之間的界面結合強度。同時此工藝還存在廢水回收和凈化的問題。
流化床粉末浸漬法是將玻璃纖維束分散后通過一流化床，樹脂粉末由于靜電吸附的作用而附著在玻璃纖維表面，然后通過加熱或同種聚合物薄膜包覆的方法制成預浸帶，最后將這種預浸帶編織并送入雙鋼帶壓機或平板壓機預熱壓制成片材。該方法設備復雜，不易實現(xiàn)工業(yè)化。
因此提供一種新的設備以及新的制備GMT的方法，是人們所十分期望的。
本發(fā)明的目的之一在于公開一種具有攪拌-噴動結構的流化床，以克服現(xiàn)有設備工藝復雜，不易實現(xiàn)工業(yè)化的缺陷；本發(fā)明的目的之二在于提供一種采用上述流化床生產纖維增強復熱塑性復合材料的方法。該方法流程簡單、能夠使聚合物基體與纖維實現(xiàn)充分的浸漬和界面結合、無污染、易于實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產。
本發(fā)明的技術構思是這樣的采用一個具有攪拌-噴動結構的流化床，以空氣為流化介質，在流化床中通過流化和攪拌實現(xiàn)聚合物基體與纖維的充分混合，并將纖維束分散為吸附了聚合物基體的單絲，既可以解決通常熱塑性復合材料制備中在浸漬上的難題，又可避免濕法中經常出現(xiàn)的廢水污染環(huán)境的缺陷。
實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術方案本發(fā)明所說的流化床包括一個底部設有錐形氣體分布裝置、上部設有氣體和物料出口的圓柱形筒體；一個通過固定件與圓柱形筒體內壁相固接的、并與圓柱形筒體同軸的導流管；一個設置在導流管內與導流管同軸的、并與圓柱形筒體頂部的動力裝置相連接的攪拌裝置；一個設置在錐形氣體分布裝置錐部的流化氣和噴動氣入口裝置。
為了能夠更清楚地表達本發(fā)明的內容，以下將通過附圖進行詳細說明。


圖1為攪拌-噴動流化床的結構示意圖。
圖2為圖1中的A—A向示意圖。
圖3為導流管內流化氣和噴動氣操作范圍圖。
由圖1和圖2可見，本發(fā)明所說的流化床包括一個底部設有錐形氣體分布裝置、上部設有氣體和物料出口10的圓柱形筒體8，所說的錐形氣體分布裝置由一個錐形的殼體3和一個具有流化氣分布孔11的內層4構成，內層4與殼體3之間形成一個錐形環(huán)隙12；一個與錐形殼體3錐部相連接的、由外管13和內管14構成的流化氣和噴動氣入口裝置，外管13與錐形殼體3相連接，內管14與內層4相連接，內管14與外管13之間形成一個與錐形環(huán)隙12相連通的直管環(huán)隙15，外管13設有流化氣入口2，內管14設有噴動氣與物料入口1；一個通過固定件5與圓柱形筒體8內壁相固接的、并與圓柱形筒體8同軸的導流管6，筒體8與導流管6之間為環(huán)隙區(qū)16，導流管6與圓柱形筒體8內徑的取值將直接影響流化床內氣體的走向，因此，導流管6與圓柱形筒體8內徑比值以0.2～0.6為好，優(yōu)選范圍為0.3～0.6；一個設置在導流管6內與導流管6同軸的、并與圓柱形筒體8頂部的動力裝置9相連接的攪拌裝置7，可優(yōu)選鋸齒形攪拌槳。
上述的攪拌-噴動流化床可用于制備纖維增強熱塑性復合材料，制備方法如下所述預先混好的纖維束與聚合物基體粉術以及噴動氣由物料入口1通過內管14噴入流化床；流化氣由流化氣入口2進入直管環(huán)隙15，然后由錐形環(huán)隙12通過分布孔11進入床層，使床層四周形成流態(tài)化層，相當于使原有噴動床的環(huán)形區(qū)產生流態(tài)化作用，同時又可形成有規(guī)律的循環(huán)運動；纖維束與聚合物基體粉末在噴射氣流夾帶下沿導流管6上升，經過與攪拌裝置7的高速剪切碰撞，一部分分散成單絲，與聚合物基體粉末一起從出口10導出，另一部分未分散的纖維束從環(huán)隙區(qū)16沉降至流化床底部，在噴射氣流的作用下，再次沿導流管6上升；導出的物料通過擴口收集器(圖上未表示)，收集吸附了聚合物基體粉末的絮狀單絲物送入雙鋼帶壓機，采用本領域公知的技術壓制成GMT片材。
所說的噴動氣和流化氣可優(yōu)選空氣，為使已分散為單絲的纖維束能夠順利地從出口10導出，而未分散的纖維束從環(huán)隙區(qū)16沉降下來參與內循環(huán)，并使基體與纖維束在床層內始終處于良好的流化狀態(tài)，應對噴動氣與流化氣的總量及其相對量進行控制，為此，發(fā)明人進行了大量的試驗，確定了如下所述的操作條件(1)噴動氣的空速應大于0.36m/s，優(yōu)選的為0.65±0.2m/s；(2)流化氣的空速應大于0.06m/s，優(yōu)選的為0.32±0.15m/s；(3)噴動氣的空速與流化氣的空速之和應小于1.5m/s。
也可用如下的方程組表示噴動氣的空速＞0.36m/s流化氣的空速＞0.06m/s噴動氣的空速＋流化氣的空速＜1.5m/s。
噴動氣的空速指的是噴動氣量/筒體8的橫截面積；流化氣的空速指的是流化氣量/筒體8的橫截面積；圖3十分明確地表示了噴動氣的空速與流化氣的空速的關系，圖中的陰影區(qū)即為噴動氣與流化氣的操作區(qū)域。
本發(fā)明所說的纖維束包括碳纖維束、硼纖維束、氧化鋁纖維束、玻璃纖維束、木纖維束、Kevlar纖維束或其混合物，可優(yōu)選玻璃纖維束；所說的聚合物基體粉術包括聚丙烯、聚乙烯、尼龍、聚酯、聚氯乙烯或ABS，或其與云母、碳酸鈣、滑石粉、高嶺土或空心玻璃微珠的混合物，優(yōu)選基體為聚丙烯。
纖維束與基體混合物中纖維束含量為10～50％wt，優(yōu)選25～40％wt。
噴動氣最好預熱至20-300℃，然后攜帶纖維束與基體進入流化床；流化氣也最好預熱至20-300℃，然后進入流化床。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有纖維單絲與基體的界面充分浸漬、流程簡單、設備投資小、能耗低、無污染且易實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產等優(yōu)點。采用本領域公知的技術壓制成GMT片材后，經過測試，該GMT片的拉伸強度、拉伸模量、彎曲強度、彎曲模量和沖擊強度等機械性能均十分優(yōu)異。以下通過實施例對本發(fā)明的有關內容作進一步的說明。
實施例1導流管6與圓柱形筒體8內徑比值為0.34。
原料聚丙烯粉末(60目～80目)，短切玻纖束(4毫米長，500根單絲/束)，纖維含量35±4wt％。
噴動氣空速0.74m/s，流化氣空速0.38m/s，攪拌槳轉速300rpm。
收集流化床出口10導出的吸附了聚丙烯粉末的絮狀短切玻纖物送入雙鋼帶壓機，采用本領域公知的技術壓制成厚度3.5±0.2mm的GMT片材，經測試，拉伸強度72Mpa，拉伸模量4100Mpa，彎曲強度128Mpa，彎曲模量4620Mpa，沖擊強度680J/m。
實施例2采用與實施例1相同的設備。
原料聚丙烯粉末(60目～80目)，短切玻纖束(4毫米長，500根單絲/束)，纖維含量35±4wt％。
噴動氣空速0.5m/s，流化氣空速0.9m/s，攪拌槳轉速300rpm。
收集流化床出口10導出的吸附了聚丙烯粉術的絮狀短切玻纖物送入雙鋼帶壓機，采用本領域公知的技術壓制成厚度3.5±0.2mm的GMT片材。拉伸強度45Mpa，拉伸模量2900Mpa，彎曲強度92Mpa，彎曲模量3100Mpa，沖擊強度580J/m。
實施例3采用與實施例1相同的設備。
原料尼龍粉末(60目～80目)，短切玻纖束(4毫米長，500根單絲/束)，纖維含量30±4wt％。
噴動氣空速0.79m/s，流化氣空速0.43m/s，攪拌槳轉速300rpm。
收集流化床出口10導出的吸附了尼龍粉末的絮狀短切玻纖物送入雙鋼帶壓機，采用本領域公知的技術壓制成厚度3.5±0.2mm的GMT片材。拉伸強度74Mpa，拉伸模量6900Mpa，彎曲強度124Mpa，彎曲模量6900Mpa，沖擊強度525J/m。
實施例4采用與實施例1相同的設備。
原料聚酯粉末(60目～80目)，短切玻纖束(4毫米長，500根單絲/束)，纖維含量30±4wt％。
噴動氣空速0.79m/s，流化氣空速0.43m/s和攪拌槳轉速300rpm。
收集流化床出口10導出的吸附了尼龍粉末的絮狀短切玻纖物送入雙鋼帶壓機，采用本領域公知的技術壓制成厚度3.5±0.2mm的GMT片材。拉伸強度95Mpa，拉伸模量7800Mpa，彎曲強度183Mpa，彎曲模量8200Mpa，沖擊強度654J/m。
實施例5采用與實施例1相同的設備。
原料聚丙烯粉末(60目～80目)，短切玻纖束(4毫米長，500根單絲/束)，纖維含量30±4wt％，云母含量28±2wt％，云母粉(100目)。
噴動氣空速0.74m/s，流化氣空速0.38m/s，攪拌槳轉速300rpm。
收集流化床出口10導出的絮狀物送入雙鋼帶壓機，采用本領域公知的技術壓制成厚度3.5±0.2mm的GMT片材。拉伸強度82.7Mpa，拉伸模量6313Mpa，彎曲強度148.3Mpa，彎曲模量8200Mpa，沖擊強度574J/m。
實施例6采用與實施例1相同的設備。
原料聚丙烯粉末(60目～80目)，短切玻纖束(4毫米長，500根單絲/束)，木粉(40目)，纖維含量30±4wt％，木粉含量14±2wt％。
噴動氣空速0.74m/s，流化氣空速0.38m/s，攪拌槳轉速300rpm。
收集流化床出口10導出的絮狀物送入雙鋼帶壓機，采用本領域公知的技術壓制成厚度3.5±0.2mm的GMT片材。拉伸強度71.68Mpa，拉伸模量4471Mpa，彎曲強度108.62Mpa，彎曲模量3907Mpa，沖擊強度733J/m。
權利要求
1.一種攪拌-噴動流化床，其特征在于，該流化床包括一個底部設有錐形氣體分布裝置、上部設有氣體和物料出口(10)的圓柱形筒體(8)，所說的錐形氣體分布裝置由一個錐形的殼體(3)和一個具有流化分布孔(11)的內層(4)構成，內層(4)與殼體(3)之間形成一個錐形環(huán)隙(12)；一個與錐形殼體(3)錐部相連接的、由外管(13)和內管(14)構成的流化氣和噴動氣入口裝置，外管(13)與錐形殼體(3)相連接，內管(14)與內層(4)相連接，內管(14)與外管(13)之間形成一個與錐形環(huán)隙(12)相連通的直管環(huán)隙(15)，外管(13)設有流化氣入口(2)，內管(14)設有噴動氣與物料入口(1)；一個通過固定件(5)與圓柱形筒體(8)內壁相固接的、并與圓柱形筒體(8)同軸的導流管(6)，筒體(8)與導流管(6)之間為環(huán)隙區(qū)(16)，導流管(6)與圓柱形筒體(8)內徑比值為0.2～0.6；一個設置在導流管(6)內與導流管(6)同軸的、并與圓柱形筒體(8)頂部的動力裝置(9)相連接的攪拌裝置(7)。
2.如權利要求1所述的流化床，其特征在于，導流管(6)與圓柱形筒體(8)內徑比值為0.3～0.6。
3.如權利要求1所述的流化床，其特征在于，攪拌裝置(7)采用鋸齒形攪拌槳。
4.如權利1～3任一所述的攪拌-噴動流化床的應用，其特征在于，可用于制備纖維增強熱塑性復合材料。
5.如權利4所述的應用，其特征在于，預先混好的纖維束與聚合物基體粉末以及噴動氣由物料入口(1)通過內管(14)噴入流化床，流化氣由流化氣入口(2)進入流化床，吸附了聚合物基體粉末的纖維單絲從出口(10)導出，采用公知的技術壓制成GMT片材。
6.如權利要求5所述的應用，其特征在于，在導流管(6)內，噴動氣的空速和流化氣的空速為(1)噴動氣的空速大于0.36m/s；(2)流化氣的空速大于0.06m/s；(3)噴動氣的空速與流化氣的空速之和小于1.5m/s。
7.如權利要求6所述的應用，其特征在于噴動氣的空速為0.65±0.1m/s，流化氣的空速為0.32±0.1m/s。
8.如權利要求5所述的應用，其特征在于，所說的纖維束包括碳纖維束、硼纖維束、氧化鋁纖維束、玻璃纖維束、木纖維束、Kevlar纖維束或其混合物；所說的聚合物基體粉末包括聚丙烯、聚乙烯、尼龍、聚酯、聚氯乙烯或ABS，或其與云母、碳酸鈣、滑石粉、高嶺土或空心玻璃微珠的混合物，纖維束與基體混合物中纖維束含量為10～50％wt。
9.如權利要求8所述的應用，其特征在于，纖維束與基體混合物中纖維束含量為25～40％wt。
10.如權利要求5～9任一所述的應用，其特征在于，噴動氣和流化氣預熱至20-300℃。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種攪拌－噴動流化床及其在制備纖維增強復合材料中的應用。采用一個具有攪拌－噴動結構的流化床,以空氣為流化介質,在流化床中通過流化和攪拌實現(xiàn)聚合物基體與纖維的充分混合,并將纖維束分散為吸附了聚合物基體的單絲,具有纖維單絲與基體界面充分浸漬、流程簡單、設備投資小、能耗低、無污染且易實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產等優(yōu)點。壓制成GMT片材后,該GMT片的機械性能十分優(yōu)異。
文檔編號B29B15/10GK1327905SQ0111294
公開日2001年12月26日 申請日期2001年5月22日 優(yōu)先權日2001年5月22日
發(fā)明者戴干策, 黃進, 孫斌, 周曉東, 潘敏 申請人:華東理工大學