一种用于成型长纤维增强塑料的注塑设备

摘要

本发明公开了一种用于成型长纤维增强塑料的注塑设备，包括带喷嘴的机筒、机筒内带有止逆环的螺杆以及用于向机筒供应原料的料斗，所述的螺杆由喂料段、压缩段和计量段三段组成，各段在螺杆中的长度分布为：喂料段40～55％，压缩段25～40％，计量段15～25％。本发明注塑设备能够注塑成型粒子长度为8-25mm的长纤维增强塑料，与普通的注塑机相比确保塑料充分塑化的条件下较好地保留了注塑件中的纤维长度，从而可以发挥长纤维增强塑料的优点，使产品的性能得到了进一步地提升。

说明书

技术领域

本发明涉及高分子材料成型设备领域，具体涉及一种用于成型长纤维增强塑料的注塑设备。

背景技术

近年来，随着节能减排、汽车轻量化等政策的实施，长纤维增强塑料的用量急剧增长。长纤维增强塑料具备高刚性、高韧性与较好的耐疲劳性等优点，可作为结构或半结构件的材料，来替代金属、热固性树脂等传统材料。

在纤维增强塑料制品中，纤维的长径比将直接影响最终性能。Gupta VB等指出当纤维增强塑料受到一定载荷时，小于临界长度(Lo)的纤维会被拔出，纤维自身的强度就不能得到充分地发挥。因此为了使纤维在塑料制品中更好地起到提高强度的作用，必须尽可能地保留纤维长度。长纤维增强塑料中较长的纤维还能够形成三维纤维网络结构，当制品受到外力作用时，相互搭接与交叉的纤维使得部分应力直接在纤维骨架中传递，而不是树脂-纤维-树脂间传递，从而进一步提高制品的力学性能。

美国专利US5773042与US6159589公开了一种在线配混成型长纤维增强热塑性塑料(LFT-D)设备，这种设备集成了树脂、纤维等原材料的预混部分与制品的成型部分。采用一步法成型，具有速度快，能耗低等优点，但是较大的集成度使得设备规格单一、造价昂贵，而且在成型小尺寸的制品时，不能显示其优势。因此，目前比较常见的仍然是两步法，即先制得长纤维增强热塑性塑料粒料(LFT-G)，再通过模压或注塑等方法成型。相对于其他成型方法，注塑成型具备能耗小，生产效率高，可成型复杂制品等优点，被塑料制品生产商广泛采用，因此研究长纤维增强热塑性塑料粒料的注塑设备更加具有普遍意义。

为了提升长纤维增强塑料制品的力学性能，在粒料(LFT-G)的制备与注塑阶段都要尽可能保留纤维长度。LGF-G粒子的纤维长度与粒子尺寸一致，通常为8-25mm。在注塑过程中，预塑、注射等阶段都很容易造成纤维损伤，降低纤维长度，这种损伤主要来源于纤维与纤维之间的摩擦，纤维与机筒壁、螺杆的碰撞，熔融树脂流动过程对纤维的剪切，止逆通道、射出喷嘴对纤维长度的破坏等因素。除了调整工艺，如升高温度，降低注射速度等方法，改变注塑设备本身的结构与参数可更明显减少玻纤损伤。因此，研制一种能够确保长纤维增强塑料在注塑机中充分塑化的条件下，对纤维损伤较小的注塑成型机，可大大提升长纤维增强塑料制品的力学性能。

发明内容

本发明的目的是通过调整注塑机的部分结构，使注塑机在成型长纤维增强材料的过程中，达到减少纤维损伤，保留制品性能的效果。

一种用于成型长纤维增强塑料的注塑设备，包括带喷嘴的机筒、机筒内带有止逆环的螺杆以及用于向机筒供应原料的料斗，所述的螺杆由喂料段、压缩段和计量段三段组成，各段在螺杆中的长度分布为：

喂料段L1  40～55％；

压缩段L2  25～40％；

计量段L3  15～25％。

本发明注塑设备的电气控制系统、机械控制系统等可以采用现有技术。

所述的料斗与机筒连通的下料口截面可以是直径80～100mm的圆形或边长80～100mm的正方形，以确保8～25mm长的粒子可以利用自重进入螺杆喂料区，不会形成架桥现象。

伴随着螺杆的转动，料斗中下落的粒子不断向前推进，粒子中的树脂在机筒内受高温作用逐渐熔融，纤维开始与注塑机筒、螺杆等部件直接接触。纤维增强塑料对成型设备的磨损很大部分来源于纤维的断头，相对于短纤维增强塑料，同样纤维含量的长纤维增强塑料具有更少的断头，但是对螺杆与机筒的磨损仍然不能忽视。为减少纤维对螺杆与机筒的磨损，影响成型效果。注塑设备的机筒、螺杆、喷嘴等与长纤维增强塑料熔体直接接触的组件都必须采用合金材料。所述的合金可以为38CrMoAla、Cr12MoV、4Cr5MoSiV1等。

注塑设备的螺杆结构对长纤维增强塑料在加热环境中的停留时间、物料的塑化程度、熔融塑料的剪切强度都具有决定性的作用，是影响制品中纤维长度的主要因素之一。

作为优选，所述的螺杆喂料段、压缩段和计量段在螺杆中的长度分布为：

喂料段L1  40～45％；

压缩段L2  35～40％；

计量段L3  20％。

作为进一步的优选，所述的螺杆喂料段、压缩段和计量段在螺杆中的长度分布为：

喂料段L1  40％；

压缩段L2  40％；

计量段L3  20％。

选择合适的喂料段、压缩段和计量段长度分布更有利于保持制品内增强纤维的长度，提高制品性能。

所述的螺杆齿距(螺距)s为1D-1.5D，D为螺纹大径。

加深螺槽可以减少增强纤维的损伤，但是螺槽过深也会引起物料变色等问题，作为优选本发明螺杆喂料段的螺槽深度h1为5～9mm；计量段的螺槽深度h3为2～5mm，这样可以兼顾避免纤维损伤和物料变色等问题。

本发明所述的螺杆喂料段有一个固定的螺纹底径，通过压缩段的渐变底径逐渐锥化到计量段，计量段拥有一个更大的固定螺纹底径。

较大的螺杆长径比对塑化效果和熔体温度的均匀性都有好处，但是对于纤维的保留却有破坏作用，作为优选，本发明所述的螺杆的长径比L/D＝(16～22)∶1，

所述的螺杆的压缩比ε＝h1/h3可在(1.8～2.5)∶1之间变化，作为优选，压缩比ε＝h1/h3＝(2.0～2.5)∶1。较大的压缩比对压实熔融物料，建立熔体压力都有很重要的作用。

螺杆的头部必须确保光滑，不能设置尖锐的拐角。螺杆头附近的止逆环采用非球阀式，注塑螺杆止逆环开启时，与螺杆头之间的间距大于5mm，确保熔体能够在螺杆头部畅通无阻。

所述的机筒外表面包覆铸铝、铸铜加热块，或采用电磁加热方法。为消除径向加热不均，加热块与机筒外表面必须紧密贴合，尽可能减少加热块结合处的缝隙。

所述的喷嘴与机筒的连接处为弧形过度，喷嘴最细处的口径大于5mm。

本发明的重点是对注塑设备的螺杆结构进行改进，关于注塑过程中的压力及速度等工艺参数可根据具体制品适当调整。

本发明注塑设备能够注塑成型粒子长度为8-25mm的长纤维增强塑料，与普通的注塑机相比确保塑料充分塑化的条件下较好地保留了注塑件中的纤维长度，从而可以发挥长纤维增强塑料的优点，使产品的性能得到了进一步地提升。

附图说明：

图1是本发明注塑设备螺杆局部示意图；

图2a为本发明注塑设备成型样条灰份中的玻纤长度分布图；

图2b为普通注塑设备成型样条灰份中的玻纤长度分布图。

具体实施方式

实施例1

参见图1，注塑设备的料斗口径直径为80mm，螺杆长径比L/D＝20，喂料段L1、压缩段L2、计量段L3分别占螺杆总长度的40％、40％、20％，压缩比ε＝2.0，螺棱宽度e＝5mm，喂料段螺槽深度h1＝7mm，螺杆齿距＝1D，其他熔体通道的间隙都为5.5mm。机筒、螺杆、喷嘴、模具全部采用38CrMoAla合金材料制作。

在230℃-250℃的温度下，成型30％玻纤含量(质量百分比含量)的长玻纤增强聚丙烯(粒子长度为12mm)测试样条。

同样的材料在230℃-250℃的温度下，采用普通注塑机(海天，HTF58X1)制得对比样条。再测试两种样条的力学性能，结果见表1：

表1.30％长玻纤增强聚丙烯成型样条的力学性能

  检测项目  测试标准  单位  本发明注塑设  备成型样条性  能  普通注塑机成  型样条性能  拉伸强度  GB/T1040-2006  MPa  125.5  110.7  弯曲强度  GB/T9341-2000  MPa  161.2  140.3  弯曲模量  GB/T9341-2000  MPa  6715.9  6063.3

  检测项目  测试标准  单位  本发明注塑设  备成型样条性  能  普通注塑机成  型样条性能  简支梁冲击强度  (缺口)  ISO179-1∶2000  KJ/m²  37.1  21.4  简支梁冲击强度  (无缺口)  ISO179-1∶2000  KJ/m²  52.5  45.2

经过统计分析，本发明注塑设备制得的样条性能明显优于普通注塑机成型的样条性能(p＜0.01)。

实施例2

注塑设备的料斗口径直径为80mm，螺杆长径比L/D＝20，喂料段L1、压缩段L2、计量段L3分别占螺杆总长度的40％、40％、20％，压缩比ε＝2.0，螺棱宽度e＝5mm，喂料段螺槽深度h1＝7mm，螺杆齿距＝1D，其他熔体通道的间隙都为5.5mm。机筒、螺杆、喷嘴、模具全部采用38CrMoAla合金材料制作。

采用230℃-250℃的温度条件，分别在上述的改造注塑机与普通注塑机上成型40％(质量百分比含量)玻纤含量的长玻纤增强聚丙烯(粒子长度为12mm)样条。并测试两种样条的力学性能，结果见表2：

表2.40％长玻纤增强聚丙烯成型样条的力学性能

  检测项目  测试标准  单位  本发明注塑设  备成型样条性  能  普通注塑机成  型样条性能  拉伸强度  GB/T1040-2006  MPa  138.4  118.7  弯曲强度  GB/T9341-2000  MPa  178.7  168.3  弯曲模量  GB/T9341-2000  MPa  7917.7  7533.4  简支梁冲击强度  (缺口)  ISO179-1∶2000  KJ/m²  43.3  26.4

  检测项目  测试标准  单位  本发明注塑设  备成型样条性  能  普通注塑机成  型样条性能  简支梁冲击强度  (无缺口)  ISO179-1∶2000  KJ/m²  56.2  47.2

经过统计分析，本发明注塑设备制得的样条性能明显优于普通注塑机成型的样条性能(p＜0.01)。

实施例3

注塑设备的螺杆长径比L/D＝20，喂料段L1、压缩段L2、计量段L3分别占螺杆总长度的40％、40％、20％，压缩比ε设置为2.25，螺棱宽度e＝5mm，喂料段螺槽深度h1＝7.5mm，螺杆齿距＝1D，其他熔体通道的间隙都为6.5mm。机筒、螺杆、喷嘴、模具全部采用38CrMoAla合金材料制作。

在230℃-250℃的温度下，采用上述的改造注塑机成型长玻纤增强聚丙烯(粒子长度为12mm)样条；作为对比例，使用普通注塑机注塑同形状的样条。将两种样条燃烧完全后，观察玻纤的长度与分布。

两者的玻纤长度分布如图2a、图2b，从图中可以发现本发明的注塑设备对玻纤长度的最后保留有积极的作用，这也是制品获得高性能的根本原因。