專(zhuān)利名稱：一種用于成型長(zhǎng)纖維增強(qiáng)塑料的注塑設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及高分子材料成型設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及一種用于成型長(zhǎng)纖維增強(qiáng)塑料的注塑設(shè)備。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，隨著節(jié)能減排、汽車(chē)輕量化等政策的實(shí)施，長(zhǎng)纖維增強(qiáng)塑料的用量急劇增 長(zhǎng)。長(zhǎng)纖維增強(qiáng)塑料具備高剛性、高韌性與較好的耐疲勞性等優(yōu)點(diǎn)，可作為結(jié)構(gòu)或半結(jié)構(gòu)件 的材料，來(lái)替代金屬、熱固性樹(shù)脂等傳統(tǒng)材料。在纖維增強(qiáng)塑料制品中，纖維的長(zhǎng)徑比將直接影響最終性能。Gupta VB等指出當(dāng) 纖維增強(qiáng)塑料受到一定載荷時(shí)，小于臨界長(zhǎng)度(Lo)的纖維會(huì)被拔出，纖維自身的強(qiáng)度就不 能得到充分地發(fā)揮。因此為了使纖維在塑料制品中更好地起到提高強(qiáng)度的作用，必須盡可 能地保留纖維長(zhǎng)度。長(zhǎng)纖維增強(qiáng)塑料中較長(zhǎng)的纖維還能夠形成三維纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，當(dāng)制品 受到外力作用時(shí)，相互搭接與交叉的纖維使得部分應(yīng)力直接在纖維骨架中傳遞，而不是樹(shù) 脂_纖維_樹(shù)脂間傳遞，從而進(jìn)一步提高制品的力學(xué)性能。美國(guó)專(zhuān)利US5773042與US6159589公開(kāi)了一種在線配混成型長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性塑 料(LFT-D)設(shè)備，這種設(shè)備集成了樹(shù)脂、纖維等原材料的預(yù)混部分與制品的成型部分。采用 一步法成型，具有速度快，能耗低等優(yōu)點(diǎn)，但是較大的集成度使得設(shè)備規(guī)格單一、造價(jià)昂貴， 而且在成型小尺寸的制品時(shí)，不能顯示其優(yōu)勢(shì)。因此，目前比較常見(jiàn)的仍然是兩步法，即先 制得長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料粒料(LFT-G)，再通過(guò)模壓或注塑等方法成型。相對(duì)于其他成型 方法，注塑成型具備能耗小，生產(chǎn)效率高，可成型復(fù)雜制品等優(yōu)點(diǎn)，被塑料制品生產(chǎn)商廣泛 采用，因此研究長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料粒料的注塑設(shè)備更加具有普遍意義。為了提升長(zhǎng)纖維增強(qiáng)塑料制品的力學(xué)性能，在粒料(LFT-G)的制備與注塑階段都 要盡可能保留纖維長(zhǎng)度。LGF-G粒子的纖維長(zhǎng)度與粒子尺寸一致，通常為8-25mm。在注塑 過(guò)程中，預(yù)塑、注射等階段都很容易造成纖維損傷，降低纖維長(zhǎng)度，這種損傷主要來(lái)源于纖 維與纖維之間的摩擦，纖維與機(jī)筒壁、螺桿的碰撞，熔融樹(shù)脂流動(dòng)過(guò)程對(duì)纖維的剪切，止逆 通道、射出噴嘴對(duì)纖維長(zhǎng)度的破壞等因素。除了調(diào)整工藝，如升高溫度，降低注射速度等方 法，改變注塑設(shè)備本身的結(jié)構(gòu)與參數(shù)可更明顯減少玻纖損傷。因此，研制一種能夠確保長(zhǎng)纖 維增強(qiáng)塑料在注塑機(jī)中充分塑化的條件下，對(duì)纖維損傷較小的注塑成型機(jī)，可大大提升長(zhǎng) 纖維增強(qiáng)塑料制品的力學(xué)性能。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是通過(guò)調(diào)整注塑機(jī)的部分結(jié)構(gòu)，使注塑機(jī)在成型長(zhǎng)纖維增強(qiáng)材 料的過(guò)程中，達(dá)到減少纖維損傷，保留制品性能的效果?！N用于成型長(zhǎng)纖維增強(qiáng)塑料的注塑設(shè)備，包括帶噴嘴的機(jī)筒、機(jī)筒內(nèi)帶有止逆 環(huán)的螺桿以及用于向機(jī)筒供應(yīng)原料的料斗，所述的螺桿由喂料段、壓縮段和計(jì)量段三段組 成，各段在螺桿中的長(zhǎng)度分布為[0008]喂料段L1 40 55%;壓縮段L2 25 40% ；計(jì)量段L3 15 25%。本實(shí)用新型注塑設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)、機(jī)械控制系統(tǒng)等可以采用現(xiàn)有技術(shù)。所述的料斗與機(jī)筒連通的下料口截面可以是直徑80 100mm的圓形或邊長(zhǎng)80 100mm的正方形，以確保8 25mm長(zhǎng)的粒子可以利用自重進(jìn)入螺桿喂料區(qū)，不會(huì)形成架橋現(xiàn)象。伴隨著螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，料斗中下落的粒子不斷向前推進(jìn)，粒子中的樹(shù)脂在機(jī)筒內(nèi)受 高溫作用逐漸熔融，纖維開(kāi)始與注塑機(jī)筒、螺桿等部件直接接觸。纖維增強(qiáng)塑料對(duì)成型設(shè)備 的磨損很大部分來(lái)源于纖維的斷頭，相對(duì)于短纖維增強(qiáng)塑料，同樣纖維含量的長(zhǎng)纖維增強(qiáng) 塑料具有更少的斷頭，但是對(duì)螺桿與機(jī)筒的磨損仍然不能忽視。為減少纖維對(duì)螺桿與機(jī)筒 的磨損，影響成型效果。注塑設(shè)備的機(jī)筒、螺桿、噴嘴等與長(zhǎng)纖維增強(qiáng)塑料熔體直接接觸的 組件都必須采用合金材料。所述的合金可以為38CrM0Ala、Crl2M0V、4Cr5M0SiVl等。注塑設(shè)備的螺桿結(jié)構(gòu)對(duì)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)塑料在加熱環(huán)境中的停留時(shí)間、物料的塑化程 度、熔融塑料的剪切強(qiáng)度都具有決定性的作用，是影響制品中纖維長(zhǎng)度的主要因素之一。作為優(yōu)選，所述的螺桿喂料段、壓縮段和計(jì)量段在螺桿中的長(zhǎng)度分布為喂料段L1 40 45%;壓縮段L2 35 40%;計(jì)量段L3 20%。作為進(jìn)一步的優(yōu)選，所述的螺桿喂料段、壓縮段和計(jì)量段在螺桿中的長(zhǎng)度分布 為喂料段L1 40% ；壓縮段L2 40% ；計(jì)量段L3 20%。選擇合適的喂料段、壓縮段和計(jì)量段長(zhǎng)度分布更有利于保持制品內(nèi)增強(qiáng)纖維的長(zhǎng) 度，提高制品性能。所述的螺桿齒距(螺距)s為1D-1. 5D，D為螺紋大徑。加深螺槽可以減少增強(qiáng)纖維的損傷，但是螺槽過(guò)深也會(huì)引起物料變色等問(wèn)題，作 為優(yōu)選本實(shí)用新型螺桿喂料段的螺槽深度hi為5 9mm ；計(jì)量段的螺槽深度h3為2 5mm， 這樣可以兼顧避免纖維損傷和物料變色等問(wèn)題。本實(shí)用新型所述的螺桿喂料段有一個(gè)固定的螺紋底徑，通過(guò)壓縮段的漸變底徑逐 漸錐化到計(jì)量段，計(jì)量段擁有一個(gè)更大的固定螺紋底徑。較大的螺桿長(zhǎng)徑比對(duì)塑化效果和熔體溫度的均勻性都有好處，但是對(duì)于纖維的保 留卻有破壞作用，作為優(yōu)選，本實(shí)用新型所述的螺桿的長(zhǎng)徑比L/D= (16 22) 1，所述的螺桿的壓縮比￡ =1!1/1!3可在(1.8 2.5) 1之間變化，作為優(yōu)選，壓 縮比￡ = hl/h3 = (2.0 2. 5) 1。較大的壓縮比對(duì)壓實(shí)熔融物料，建立熔體壓力都有 很重要的作用。螺桿的頭部必須確保光滑，不能設(shè)置尖銳的拐角。螺桿頭附近的止逆環(huán)采用非球 閥式，注塑螺桿止逆環(huán)開(kāi)啟時(shí)，與螺桿頭之間的間距大于5mm，確保熔體能夠在螺桿頭部暢通無(wú)阻。所述的機(jī)筒外表面包覆鑄鋁、鑄銅加熱塊，或采用電磁加熱方法。為消除徑向加熱 不均，加熱塊與機(jī)筒外表面必須緊密貼合，盡可能減少加熱塊結(jié)合處的縫隙。所述的噴嘴與機(jī)筒的連接處為弧形過(guò)度，噴嘴最細(xì)處的口徑大于5mm。本實(shí)用新型的重點(diǎn)是對(duì)注塑設(shè)備的螺桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，關(guān)于注塑過(guò)程中的壓力及 速度等工藝參數(shù)可根據(jù)具體制品適當(dāng)調(diào)整。本實(shí)用新型注塑設(shè)備能夠注塑成型粒子長(zhǎng)度為8_25mm的長(zhǎng)纖維增強(qiáng)塑料，與普 通的注塑機(jī)相比確保塑料充分塑化的條件下較好地保留了注塑件中的纖維長(zhǎng)度，從而可以 發(fā)揮長(zhǎng)纖維增強(qiáng)塑料的優(yōu)點(diǎn)，使產(chǎn)品的性能得到了進(jìn)一步地提升。

圖1是本實(shí)用新型注塑設(shè)備螺桿局部示意圖；圖2a為本實(shí)用新型注塑設(shè)備成型樣條灰份中的玻纖長(zhǎng)度分布圖；圖2b為普通注塑設(shè)備成型樣條灰份中的玻纖長(zhǎng)度分布圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1參見(jiàn)圖1，注塑設(shè)備的料斗口徑直徑為80mm，螺桿長(zhǎng)徑比L/D = 20，喂料段L1、壓 縮段L2、計(jì)量段L3分別占螺桿總長(zhǎng)度的40%、40%、20%，壓縮比￡ = 2.0，螺棱寬度e = 5mm，喂料段螺槽深度hi = 7mm，螺桿齒距=1D，其他熔體通道的間隙都為5. 5mm。機(jī)筒、螺 桿、噴嘴、模具全部采用38CrMoAla合金材料制作。在230°C -250°C的溫度下，成型30%玻纖含量(質(zhì)量百分比含量)的長(zhǎng)玻纖增強(qiáng) 聚丙烯(粒子長(zhǎng)度為12mm)測(cè)試樣條。同樣的材料在230°C -250°C的溫度下，采用普通注塑機(jī)(海天，HTF58X1)制得對(duì) 比樣條。再測(cè)試兩種樣條的力學(xué)性能，結(jié)果見(jiàn)表1:表1. 30%長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)聚丙烯成型樣條的力學(xué)性能 經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，本實(shí)用新型注塑設(shè)備制得的樣條性能明顯優(yōu)于普通注塑機(jī)成型的 樣條性能(p<0.01)。實(shí)施例2注塑設(shè)備的料斗口徑直徑為80mm，螺桿長(zhǎng)徑比L/D = 20，喂料段L1、壓縮段L2、計(jì) 量段L3分別占螺桿總長(zhǎng)度的40%、40%、20%，壓縮比e = 2. 0，螺棱寬度e = 5mm,喂料段 螺槽深度hi = 7mm，螺桿齒距=1D，其他熔體通道的間隙都為5. 5mm。機(jī)筒、螺桿、噴嘴、模 具全部采用38CrMoAla合金材料制作。采用230°C -250°C的溫度條件，分別在上述的改造注塑機(jī)與普通注塑機(jī)上成型 40% (質(zhì)量百分比含量)玻纖含量的長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)聚丙烯(粒子長(zhǎng)度為12mm)樣條。并測(cè)試 兩種樣條的力學(xué)性能，結(jié)果見(jiàn)表2 表2. 40%長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)聚丙烯成型樣條的力學(xué)性能 經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，本實(shí)用新型注塑設(shè)備制得的樣條性能明顯優(yōu)于普通注塑機(jī)成型的 樣條性能(p<0.01)。實(shí)施例3注塑設(shè)備的螺桿長(zhǎng)徑比L/D = 20，喂料段L1、壓縮段L2、計(jì)量段L3分別占螺桿總 長(zhǎng)度的40%、40%、20%，壓縮比e設(shè)置為2. 25，螺棱寬度e = 5mm，喂料段螺槽深度hi = 7. 5mm，螺桿齒距=1D，其他熔體通道的間隙都為6. 5mm。機(jī)筒、螺桿、噴嘴、模具全部采用 38CrMoAla合金材料制作。在230°C -250°C的溫度下，采用上述的改造注塑機(jī)成型長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)聚丙烯(粒子 長(zhǎng)度為12mm)樣條；作為對(duì)比例，使用普通注塑機(jī)注塑同形狀的樣條。將兩種樣條燃燒完全 后，觀察玻纖的長(zhǎng)度與分布。兩者的玻纖長(zhǎng)度分布如圖2a、圖2b，從圖中可以發(fā)現(xiàn)本實(shí)用新型的注塑設(shè)備對(duì)玻 纖長(zhǎng)度的最后保留有積極的作用，這也是制品獲得高性能的根本原因。
權(quán)利要求一種用于成型長(zhǎng)纖維增強(qiáng)塑料的注塑設(shè)備，包括帶噴嘴的機(jī)筒、機(jī)筒內(nèi)帶有止逆環(huán)的螺桿以及用于向機(jī)筒供應(yīng)原料的料斗，其特征在于，所述的螺桿由喂料段、壓縮段和計(jì)量段三段組成，各段在螺桿中的長(zhǎng)度分布為喂料段L140～55％；壓縮段L225～40％；計(jì)量段L315～25％。
2.如權(quán)利要求1所述的注塑設(shè)備，其特征在于，所述的螺桿喂料段、壓 縮段和計(jì)量段在 螺桿中的長(zhǎng)度分布為喂料段Ll 40 45%;壓縮段L2 35 40%;計(jì)量段L3 20%。
3.如權(quán)利要求2所述的注塑設(shè)備，其特征在于，所述的螺桿喂料段、壓縮段和計(jì)量段在 螺桿中的長(zhǎng)度分布為喂料段Ll 40% ；壓縮段L2 40% ；計(jì)量段L3 20%。
4.如權(quán)利要求1所述的注塑設(shè)備，其特征在于，所述的料斗與機(jī)筒連通的下料口截面 為直徑80 IOOmm的圓形或邊長(zhǎng)80 IOOmm正方形。
5.如權(quán)利要求1 4任一項(xiàng)所述的注塑設(shè)備，其特征在于，所述的注塑設(shè)備中與長(zhǎng)纖維 增強(qiáng)塑料熔體直接接觸的部件材料為38CrMoAla、Crl2MoV或4Cr5MoSiVl。
6.如權(quán)利要求1所述的注塑設(shè)備，其特征在于，所述的喂料段螺槽深度hi為5 9mm； 計(jì)量段的螺槽深度h3為2 5mm。
7.如權(quán)利要求1所述的注塑設(shè)備，其特征在于，所述的螺桿齒距(s)為1D-1.5D，D為 螺紋大徑。
8.如權(quán)利要求7所述的注塑設(shè)備，其特征在于，所述的螺桿長(zhǎng)徑比L/D= (16 22) 1。
9.如權(quán)利要求8所述的注塑設(shè)備，其特征在于，所述的螺桿壓縮比為(1.8 2.5) 1。
10.如權(quán)利要求9所述的注塑設(shè)備，其特征在于，所述的螺桿壓縮比為(2.0 2.5) 1。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種用于成型長(zhǎng)纖維增強(qiáng)塑料的注塑設(shè)備，包括帶噴嘴的機(jī)筒、機(jī)筒內(nèi)帶有止逆環(huán)的螺桿以及用于向機(jī)筒供應(yīng)原料的料斗，所述的螺桿由喂料段、壓縮段和計(jì)量段三段組成，各段在螺桿中的長(zhǎng)度分布為喂料段40～55％，壓縮段25～40％，計(jì)量段15～25％。本實(shí)用新型注塑設(shè)備能夠注塑成型粒子長(zhǎng)度為8-25mm的長(zhǎng)纖維增強(qiáng)塑料，與普通的注塑機(jī)相比確保塑料充分塑化的條件下較好地保留了注塑件中的纖維長(zhǎng)度，從而可以發(fā)揮長(zhǎng)纖維增強(qiáng)塑料的優(yōu)點(diǎn)，使產(chǎn)品的性能得到了進(jìn)一步地提升。
文檔編號(hào)B29C45/60GK201597148SQ200920201698
公開(kāi)日2010年10月6日 申請(qǐng)日期2009年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月14日
發(fā)明者宋玉興, 楊飛南, 黃志杰 申請(qǐng)人:浙江俊爾新材料有限公司