[发明专利]纤维增强聚合物材料的制造方法和用于该方法的挤出机

说明书

本发明涉及熔体浸渍方法，尤其用于制备纤维增强的树脂材料。

纤维增强树脂材料有很高的强度，但质地轻，因而在无数工业领域中是非常理想的建筑用材。

制造此类材料的方法描述在EP-B-0167303中，其中纤维束在有弧形表面的加热挤出机机头上滑过，在构成纤维束的单丝纤维的排列方向的横向，从弧形表面上的槽缝，将熔化的热塑性聚合物注射入纤维束。

当对于较高粘性的材料使用这一方法时，会经历棘手的实际操作问题：挤出的聚合物趋向于将纤维束从挤出机机头的表面推开，而不是渗透入纤维束，从而涂覆纤维束的各纤维。没有被聚合物包围(润湿)的纤维不会对复合材料的机械强度有益处。在另外的加工步骤中，能够改进纤维的润湿状况，但这通常会导致纤维长度下降，因而降低纤维的增强效率。通过提高纤维在挤出机机头上的压力来克服这一问题的尝试导致在挤出机机头上有不可接受的高磨擦作用。

EP-A-397506公开了一种不同于EP-B-167303的方法，在弧形表面的反侧有两个狭缝状进料口，或两个以上的这样的进料口。EP-A-397506没有公开具有一个以上狭缝状开口的任何技术效果。

本发明提供一种纤维增强的聚合物材料的制造方法，包括以下步骤：纤维束在弧形支持表面上按弧形线的方向滑过，和向纤维束注射熔化的或液体的聚合物，其特征在于聚合物通过该表面上的至少8个槽缝被注射，每一槽缝基本上与纤维束保持横向。

本发明的方法使材料获得惊人的高效的浸渍效果；例如，它确保纤维束中各纤维被聚合物包围。因而能够生产出比现有技术更均匀的材料。

还有，该方法能够用来以较高的生产速度和低的成本制造纤维增强的聚合物树脂材料。

下面更详细地描述本发明的方法；纤维束在弧形表面上滑过。使用弧形表面能使纤维中的轴向张力转变成一种纤维作用于支持表面的径向力。这一径向力会受到纤维中的轴向预张力、纤维在该表面上的接触角和该表面的半径的影响。在这些参数当中，表面几何形状能够在一定的拉挤成型速度、纤维渗透性和聚合物粘度方面被最优化。

例如，当支持体是圆柱体时，可由支持体表面提供弧形支持。此外，它还能够通过切削出贯穿支持体的弧形截面或沟槽来提供。支持体的剩余部分可以是适合与其它设备一起操作的(与该设备一起使用的)任何的形状。例如，它可以被安装在挤出机上。优选的是，侧壁从该表面向上延伸，以便有利于控制纤维束通过它，并防止聚合物从纤维束下方侧漏。

熔化的或液体的聚合物，一般是热塑性聚合物(虽然能够使用热固性树脂)，受压力作用通过浸渍模具的弧形表面的多个槽缝。这些槽缝基本上与纤维排列方向和纤维束运动方向保持横向，因为，要不然纤维会被夹持在槽缝中。在弧形表面至少有8个槽缝，但优选有更多个，例如至少12个。槽缝的数目取决于，例如，待浸渍的纤维束的厚度，所使用的聚合物的粘度和所需要的拉挤成型速度。聚合物在模具表面和玻璃纤维之间产生膜。这一聚合物膜同时为本工艺方法起润滑作用并浸渍玻璃纤维。由于纤维是从一端浸渍，空气通过纤维束的另一端排出，减少了复合材料的孔隙度。聚合物膜的厚度是重要的参数。如果膜太薄，那么纤维将会接触模具表面，在模具表面和纤维之间产生摩擦力，不再进行纤维的浸渍。如果膜太厚，聚合物将会推开纤维和流过(而不是通过)纤维束，在复合材料中产生大量的孔隙。一般的膜厚是在0.05-1mm范围内。

当纤维在模具表面的槽缝上方通过时，一定量的聚合物通过槽缝释放出来形成某一厚度的膜。这种膜的厚度如以上所解释的那样加以限定，而在高粘度聚合物的情况下，当根据现有技术的方法进行操作时没有足够的聚合物来浸润纤维束中所有的单丝纤维。在模具表面之后，聚合物被压缩入纤维束，提高浸渍程度和减少聚合物膜的厚度。在膜厚快要减少至0和纤维接触模具表面之前，通过模具的另一槽缝将聚合物加入到膜中，一直到纤维束被完全浸渍。对于较低粘度的聚合物，50Pa.s和50Pa.s以下(在10³-10⁴Pa.s剪切应力和操作温度下)，聚合物通过纤维束的移动速度是如此的高，以致于一个槽缝和模具上的很小的接触区域就足够了。但对于较高粘度的聚合物来说，100Pa.s和100Pa.s以上(在10³-10⁴Pa.s剪切应力和操作温度下)，拉挤成型速度需要降低到这样一种程度：该方法不再在经济上有吸引力。本发明的方法特别适合于具有低于50(根据相应的ASTM方法)的相对粘度的热塑性聚合物。