一种单聚合物复合材料模内自增强共注塑成型方法

摘要

本发明公开了一种单聚合物复合材料模内自增强共注塑成型方法，属于注射成型模具技术领域。本发明利用注塑方式先成型单聚合物复合材料的基体，在基体表面上含有预留的沟槽，将基体再次放入模具中，填充基体上的沟槽得到单聚合物复合材料，实现利用一套模具完成单聚合物复合材料中所有组分的注塑成型；克服了利用热压、挤出和注塑方式制备单聚合物复合材料所存在的工艺复杂、成型周期长、原材料要求严格等问题。模内自增强共注塑成型单聚合物复合材料的方法可以实现大批量生产，可应用于单聚合物复合材料制品的实际生产。

说明书

技术领域

本发明属于注射成型模具技术领域，涉及到聚合物的自增强方法和注塑制 备单聚合物复合材料(SinglePolymerComposites,SPC)的方法，具体涉及一种 单聚合物复合材料模内自增强共注塑成型方法。

背景技术

聚合物具有加工工艺好、密度小、比强度高(聚合物的比强度远高于水泥 混凝土，接近甚至超过了钢材，属于一种轻质高强的材料)、化学稳定性好等优 点。随着人类生产力水平的迅速发展，聚合物的应用范围越来越广，单一组分 的聚合物材料已经难以满足日益增长的使用要求，这种情况下，聚合物复合材 料应运而生。根据增强相的不同，可以将聚合物复合材料分为纤维增强型、晶 须增强型和颗粒增强型，相对于传统金属复合材料，聚合物复合材料具有密度 小、使用范围广等优点。但是，一般复合材料的增强相和基体采用不同的材料， 不同材料相互接触就存在界面相容性问题，界面性能对复合材料的整体性能影 响很大；并且，随着地球资源的逐渐减少，环境问题日益突出，传统聚合物复 合材料难以将基体和增强材料进行有效分离，从而给回收再利用带来了极大的 困难。

单聚合物复合材料(SPC)是一种新型的聚合物复合材料，其基体和增强相 为同种聚合物，因此，不存在材料界面相容性差以及回收困难的问题；对于同 种聚合物而言，SPC的力学性能远远优于单次成型的材料，并且无需将增强相和 基体的分离即可直接回收再利用。因此，SPC具有巨大的研究价值和应用前景。 然而，SPC的增强体和基体为同一种材料，其熔点相同，导致制备SPC的工艺比 较复杂，制备工艺成为限制单聚合物复合材料发展的瓶颈。目前制备单聚合物 复合材料的主要方法有：热压制备法、挤出制备法以及注塑制备法。

热压制备SPC的第一种方法是熔融浸渍法，这种方法最早提出，并且制备出 了SPC试样，将聚合物材料制备的纤维平行铺在两层同种聚合物片材之间，然后， 将三明治结构的材料放置到热压机上，加热到预定的温度并施加压力，保持一 定时间，得到SPC；热压制备SPC的另一种方法是溶液浸渍法，将增强相纤维浸 渍在溶解有该种聚合物的有机溶剂中，聚合物从溶液中析出并粘附在聚合物纤 维上，将得到的纤维利用热压方式制备SPC，纤维表面的聚合物会熔融再结晶形 成SPC的基体。与熔融浸渍法相比，溶液浸渍法不要求基体的熔融粘度低，并且 纤维之间的聚合物分布更加均匀，最终得到的SPC的力学性能更好，但是该方法 中需要使用大量的有机溶剂，而且比较耗时；热压方法制备的SPC制件的组织结 构均匀，力学性能突出；但是，这种方法成型效率低，制备过程比较繁琐，对 温度控制的要求特别严格，而且成型过程中的压力和热量容易影响纤维的取向 度和结晶性能，从而使单聚合物复合材料整体性能受损。

挤出法制备SPC利用挤出机将基体材料加热至熔融状态，熔融状态的基体在 挤出压力作用下向前输送并冷却为准熔融状态；然后，将增强材料加入到准熔 融状态的基体中，混合并向前输送，挤出成型得到SPC制品。这种方法相对于热 压的方法具有成型周期短，温度容易控制，可以连续批量生产的优点，但是， 该方法使热塑性聚合物增强纤维与熔融态的基体聚合物直接接触，容易损害纤 维的组织性能，降低复合材料的整体性能。

注塑成型方式制备SPC，该方法是先预制出增强体，然后将增强体放入注塑 模具的型腔中并固定，合模后将塑化好的基体材料注入型腔中，保压冷却得到 SPC。该方法相对于传统的热压方法，具有设备结构简单，操作容易的优点，但 是，该方法同样需要提前铺设预制增强体纤维，而且与挤出法类似，热塑性聚 合物增强纤维与熔融态的基体聚合物直接接触，会导致复合材料的整体性能被 破坏。

发明内容

针对SPC现有的成型方法存在生产工艺复杂、产品几何形状单一以及难以实 现批量化生产的现状，本发明提出了一种SPC模内自增强共注塑成型制备方法和 对应的模具结构。该方法具有材料选择广泛、工艺简单、生产周期短、可实现 批量化生产等优点。本发明中的成型模具，可以在普通单螺杆注塑机上，利用 一套模具完成SPC的制备。

本发明的技术方案如下：

一种单聚合物复合材料模内自增强共注塑成型制备方法，与传统SPC成型方 法中先成型增强相，后成型基体的方式不同，该方法先注塑成型SPC的基体，然 后将基体置入模具的另一个型腔中成型增强相。基体和增强相是分两次成型的， 基体的成型对增强相的性能没有影响。聚合物的性能不仅跟材料有关，还与成 型方式和成型条件有关，优化增强相的成型参数，可以获得性能最优的SPC。

一种单聚合物复合材料模内自增强共注塑成型方法，该方法的单聚合物复 合材料模内自增强共注塑成型装置包括定模座板、定模板、动模板、基体型腔 镶块、增强相型腔镶块和动模座板；动模板上有两个独立的凹槽，分别用于安 装增强相型腔镶块和基体型腔镶块，两个镶块通过圆柱销和侧边定位，使用螺 栓安装在动模板上；基体型腔镶块有沿熔体填充方向、具有截面恒定的三条凸 起，用于制备具有沟槽结构的SPC基体；增强相型腔镶块的型腔为长方体结构， 尺寸与SPC基体的外廓尺寸相同，用于基体沟槽中SPC增强相的填充；成型的步 骤如下：

1)设定注塑机的成型参数，将塑化完成的聚合物注射到模具型腔中，成型 第一模时，增强相型腔镶块不放置基体，得到一个SPC基体；第一模的塑化量 大于增强相型腔镶块中放置基体时的量；

2)第二模开始，将注塑机的塑化量设置为正常水平，每次合模前，将处理 好的SPC基体置于增强相型腔中，SPC基体的沟槽面朝定模板方向；每注射一次 得到一个SPC样件和一个SPC基体。

本发明的效果和益处是：1)与传统的先铺设预制好的增强体纤维，再将基 体材料与增强体复合来制备复合材料的方法不同，本方法先注塑成型基体，然 后利用共注成型方式在基体中直接制备出增强体纤维；2)改变基体上沟槽的结 构和尺寸可以对增强体纤维的尺寸和结构进行灵活调整；3)改变注塑参数，可 以调整增强体以及基体的分子取向度、结晶度等微观特性，从而能够更加灵活 方便地对单聚合物复合材料的性能进行调控；4)能够同时成型单聚合物复合材 料预制体和增强体的注塑模具结构，利用一套模具及成型设备在无须预先铺设 增强体材料即可直接制备单聚合物复合材料；5)该方法中材料选择宽泛，不要 求基体材料的熔点比增强相材料的熔点低。

附图说明

图1(a)是一种SPC模内自增强共注塑成型模具装配主视图。

图1(b)是一种SPC模内自增强共注塑成型模具装配俯视图。

图2(a)是SPC共注塑成型模具的基体型腔镶块主视图。

图2(b)是SPC共注塑成型模具的基体型腔镶块俯视图。

图3(a)是SPC共注塑成型模具的增强相型腔镶块主视图。

图3(b)是SPC共注塑成型模具的增强相型腔镶块俯视图。

图中：1动模座板；2推板；3顶针固定板；4动模垫板；5动模板； 6基体型腔镶块；7水咀；8定模板；9定模座板；10增强相型腔镶块。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图1(a)、(b)以及2(a)、(b)详细叙述本发明的 制备SPC的工艺过程。

1)将附图2中的基体型腔镶块6和增强型成型镶块10，通过定位销和内六 角螺钉安装到动模板5上；在模具的动模板5和定模板8上设有冷却水孔，利 用模温机控制成型过程中模具的温度，这就构成了模内自增强共注塑成型SPC 的模具；

2)设定注塑机的成型参数，将塑化好的聚合物注射到模具型腔中，成型第 一模时，由于增强相镶块中没有基体，所以仅可以得到一个SPC基体，第一模 的塑化量应该适当调高一些；

3)将成型得到的SPC基体样件的料把剪掉，在合模之前，将处理好的基体 放置到模具的增强相成型型腔中，基体的沟槽面朝定模板方向；

4)自第二模，适当降低注塑机的塑化量，操作注塑机，完成注塑过程；

5)从第二模开始，每注射一次可以得到一个SPC样件和一个SPC基体；

本发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明的精神和原则之下进行的 任何等同替换或者局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。