可再生连续纤维热塑性复合材料的制备方法及其制品
阅读说明：本技术 可再生连续纤维热塑性复合材料的制备方法及其制品 (Method for preparing renewable continuous fiber thermoplastic composite material and product thereof ) 是由 左苏兰 张伟华 于 2021-07-27 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种可再生连续纤维热塑性复合材料的制造方法,包括：将连续纤维通过分层进入到拉挤模具中,所述拉挤模具包括第一浸渍槽、第二浸渍槽,其中所述连续纤维分层后进入所述第一浸渍槽,所述第一浸渍槽和所述第二浸渍槽首尾连通；将热塑性材料进到第一浸渍槽中分层的连续纤维层间区域,对所述分层的连续纤维进行浸渍；将在第一浸渍槽中经浸渍的连续纤维前进进入所述第二浸渍槽,将热塑性材料进到所述第二浸渍槽中对所述经浸渍的连续纤维进行外浸渍；将经拉挤的外浸渍过的连续纤维进行冷却,形成所述可再生连续纤维热塑性复合材料。本发明还涉及由上述方法制成的制品。本发明的方法获得的复合材料性能优异。(The invention relates to a method for manufacturing a renewable continuous fiber thermoplastic composite material, which comprises the following steps: the continuous fibers are layered and enter a pultrusion die, the pultrusion die comprises a first impregnation tank and a second impregnation tank, the continuous fibers enter the first impregnation tank after being layered, and the first impregnation tank and the second impregnation tank are communicated end to end; feeding a thermoplastic material into a region between layered continuous fiber layers in a first impregnation tank to impregnate the layered continuous fibers; advancing the impregnated continuous fibers in the first impregnation tank into the second impregnation tank, advancing a thermoplastic material into the second impregnation tank to exo-impregnate the impregnated continuous fibers; cooling the pultruded outer impregnated continuous fibers to form the renewable continuous fiber thermoplastic composite. The invention also relates to articles made by the above method. The composite material obtained by the method has excellent performance.)
技术领域
本发明涉及一种复合材料的制备方法，具体涉及一种可再生连续纤维热塑性复合材料的制备方法。本发明还涉及包含由所述方法制备的可再生连续纤维热塑性复合材料的制品，特别是由该复合材料制成的工具柄柄芯及包括该柄芯的工具柄。
背景技术
迄今为止，手工工具柄，如斧柄、锤柄等，都是采用木柄、金属柄或热固性塑料制成。热固性塑料加工成型后，受热不再软化，因此不能回收再利用。热固性塑料成型工艺过程也比较复杂。另外，热固性塑料通常难以降解，废弃的此类材料给环境造成破坏，是一种环境不友好材料。
仅采用热塑性塑料制成的工具柄虽然可再生和回收利用，但其机械性能和安全性不能满足行业要求。
具有短增强纤维诸如玻璃纤维或碳纤维的工程塑料具有比纯尼龙更高的密度。其中短玻璃纤维的长度可以变化，一般在1.59mm与6.35mm之间。
本
技术领域
仍然需要一种适用于工具柄的强度高、韧性好的可再生连续纤维热塑性复合材料以及该复合材料的制备方法。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种可再生连续纤维热塑性复合材料的制造方法，所述方法包括：
将连续纤维通过分层进入到拉挤模具中，所述拉挤模具包括第一浸渍槽、第二浸渍槽、第一热塑性材料进料口和第二热塑性材料进料口，其中所述连续纤维分层后进入所述第一浸渍槽，所述第一浸渍槽和所述第二浸渍槽首尾连通；
采用挤出机和所述第一热塑性材料进料口将熔融的热塑性材料进到第一浸渍槽中分层的连续纤维层间区域，对所述分层的连续纤维进行内浸渍；
将在第一浸渍槽中经浸渍的连续纤维前进进入所述第二浸渍槽，并采用挤出机和所述第二热塑性材料进料口将熔融的热塑性材料进到所述第二浸渍槽中对所述经浸渍的连续纤维进行外浸渍；
将经拉挤的外浸渍过的连续纤维进行冷却，形成所述可再生连续纤维热塑性复合材料。
本申请所用的“外浸渍”是相对于“内浸渍”而言，即在“内浸渍”过的连续纤维上采用热塑性材料进一步进行浸渍。
在一个实施方案中，所述第一浸渍槽和第二浸渍槽中不设型芯，连续纤维的分层采用设于所述拉挤模具入口处的纤维分层板进行。
在一个实施方案中，所述第一浸渍槽和所述第二浸渍槽在所述复合材料的前进方向上至少在一部分上具有斜度。
上述斜度和各浸渍槽的形状是根据复合材料的形状而定，原则上不能造成模內结料。
在一个实施方案中，所述第一浸渍槽在所述复合材料的前进方向上的斜度和所述第二浸渍槽在所述复合材料的前进方向上的斜度不同。
在一个实施方案中，采用履带式牵引机使所述复合材料前进。
在一个实施方案中，所述第一浸渍槽和所述第二浸渍槽经过预热。
在一个实施方案中，所述热塑性材料选自聚乙烯（PE ）、聚丙烯（PP ）、聚苯乙烯（PS ）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA，俗称有机玻璃）、聚氯乙烯（PVC ）、尼龙（Nylon )、聚碳酸酯（PC ）、聚氨酯（PU）、聚四氟乙烯（特富龙, PTFE）、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET，PETE)和聚丁烯（PB），或它们的任意组合。
在一个实施方案中，所述连续纤维选自热塑性的玻璃纤维、碳纤维、芳族聚酰胺纤维、玄武岩纤维，或它们的任意组合。
在一个实施方案中，所述可再生连续纤维热塑性复合材料的制造方法采用连续工艺。
在一个实施方案中，在所述第一浸渍槽和所述第二浸渍槽中设有型芯，所述型芯为一芯棒，所述芯棒在所述第一浸渍槽中的部分设有一凹陷部，通过所述第一热塑性材料进料口将熔融的热塑性材料进到所述凹陷部以对所述分层的连续纤维进行内浸渍；其中所述连续纤维经由所述芯棒的周边分层进入所述第一浸渍槽。
优选地，所述芯棒被预热到与所述熔融的热塑性材料相同或相近的温度。
所述芯棒优选采用设置在所述拉挤模具外部的芯棒固定支撑装置悬设于所述第一浸渍槽和所述第二浸渍槽中。
优选地，在所述第一热塑性材料进料口处和第二热塑性材料进料口处的所述拉挤模具中分别设有热流道，所述热流道中设有独立加热装置和温控装置，以控制所述热流道中热塑性材料的温度。
本发明的另一方面涉及一种包含上述可再生连续纤维热塑性复合材料的工具柄的制造方法，所述方法包括：
将根据上述可再生连续纤维热塑性复合材料的制造方法制造的可再生连续纤维热塑性复合材料在模具中另行模塑形成所述工具柄。
在一个实施方案中，所述另行模塑包括在不同的工序中采用不同的材料进行模塑。
本发明的再一方面涉及一种工具柄柄芯，所述工具柄柄芯包含上述可再生连续纤维热塑性复合材料的制造方法制造的可再生连续纤维热塑性复合材料材料。
本发明的又一方面涉及一种工具柄，所述工具柄包含上述工具柄柄芯。
本发明还涉及一种制品，所述制品芯包含上述可再生连续纤维热塑性复合材料的制造方法制造的可再生连续纤维热塑性复合材料。
本发明提供的可再生连续纤维热塑性复合材料的制造方法采用纤维分层，根据复合材料的形状设计不同形状的纤维分层形式，例如空心分层形式、实心分层形式等，层间内浸渍和外浸渍两步或更多步连续工艺，使得热塑性材料和连续纤维复合充分、浸渍均匀，相比现有技术可大幅度提高产品质量和所获得的复合材料的机械性能，其不仅仅可用来制造性能优异的工具柄柄芯和包含该工具柄柄芯的工具柄，而且还可以制造成其它制品，用于建筑门窗、交通护隔栏等，但并不局限于此。
附图说明
图1为本发明的方法中所采用的一种拉挤模具的剖面示意图。
图2为本发明的方法的工艺设备布置示意图。
图3为本发明的方法中所采用的另一种拉挤模具的剖面示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。应该清楚，附图中所描述的本发明的具体实施例仅为说明本发明用，其并非按实际尺寸和比例严格绘制。因此，本申请中的附图不应解释为对本发明的任何限制。
为简洁起见，在有些附图中有可能并没有对所有的零部件或特征结构进行标记，因此，在阅读下面的描述时，应相互参照所有的附图，以清楚完整地理解本发明。
应当理解，本发明中可能出现的方向性术语如但不限于 “前”、“后”、“底”、“侧”、“横”、“竖”、“上”、“下”、“内”、“外”等仅为相对概念，不应被解释为对本发明范围的限制。
参照图1、图2。图1为本发明的方法中所采用的一种拉挤模具的剖面示意图。图2为本发明的方法的工艺设备布置示意图。本发明的可再生连续纤维热塑性复合材料的制造方法包括首先将从纤维架1000上引出的多根连续纤维1001在拉挤模具100的纤维入口30处经由纤维分层板40分层进入到拉挤模具100中，纤维分层板40的尾端与第一浸渍槽10连通，从而使进入第一浸渍槽10的纤维是分层的，即具有层间间隙（未示出）。对应于该层间间隙，拉挤模具100设有第一热塑性材料进料口101。为了保证热塑性材料对纤维能够充分内浸渍，优选将第一浸渍槽10预热到与由第一挤出机110通过第一热塑性材料进料口101挤出的热塑性材料的温度相同或相近的温度。
第一浸渍槽10在前进方向上优选具有斜度，使得被热塑性材料浸渍的纤维在前进时进一步受压，从而进一步促进热塑性材料对纤维的浸渍。也就是说，第一浸渍槽10在复合材料的前进方向上是逐渐变窄的。复合材料的前进方向如图1、图2中的箭头所指方向。
第一浸渍槽10的尾部与第二浸渍槽20的首部相通。在第一浸渍槽10中浸渍过的纤维前进进入第二浸渍槽20。在第二浸渍槽20的首部设有第二热塑性材料进料口201。为了保证热塑性材料对纤维能够充分外浸渍，优选将第二浸渍槽20预热到与由第一挤出机110通过第二热塑性材料进料口201挤出的热塑性材料的温度相同或相近的温度。
上述情形是第一热塑性材料进料口101和第二热塑性材料进料口201共用一个挤出机110。作为另外一个选择，第二热塑性材料进料口201也可采用另外的挤出机，而该另外的挤出机可以设置为与第一挤出机110同侧或相对侧。对更为复杂的复合材料可顶置第三挤出机。
本发明中的挤出机可采用单螺杆挤出机或双螺杆挤出机。
第二浸渍槽10也优选在前进方向上具有斜度，使得被热塑性材料外浸渍的纤维在前进时进一步受压，从而进一步促进热塑性材料对纤维的浸渍。也就是说，第二浸渍槽20在复合材料的前进方向上至少一部分上是逐渐变窄的。优选地，第二浸渍槽20在复合材料的前进方向上是逐渐变窄的。复合材料的前进方向如图1、图2中的箭头所指方向。
从拉挤模具100出来的复合材料前进通过冷却模具200。在冷却模具200中，复合材料在压力下冷却、成型，以达到最终的产品形状。
然后，从冷却模具200出来的成型的复合材料前进进入冷却水槽300进行进一步冷却，以获得所需的产品型材500。
如图2所示，可采用履带式牵引机400使本发明中的纤维和复合材料前进，但本发明中的牵引方式并不局限于此。本领域的技术人员已知的其它牵引方式也可以用于本发明。
图3为本发明的方法中所采用的另一种拉挤模具的剖面示意图。如图3所示，与图1中的拉挤模具100不同的是，本实施例中的拉挤模具100’在第一浸渍槽10’和第二浸渍槽20’中设有一芯棒50。芯棒50通过位于拉挤模具100’外部的芯棒固定支撑装置61、62悬设于第一浸渍槽10’和所述第二浸渍槽20’中。连续纤维（图中未示出）通过纤维入口30’处经由芯棒50的周边分层进入第一浸渍槽10’。
芯棒50在第一浸渍槽10’中的部分设有一凹陷部510，通过第一热塑性材料进料口101’将熔融的热塑性材料进到凹陷部510以在挤出机110的压力下对分层的连续纤维进行内浸渍。
除了在第二浸渍槽20’也设有芯棒50外，其它结构与拉挤模具100的第二浸渍槽20相同。
通过采用上述拉挤模具100’，可以制造出空心的复合材料。本实施例中的芯棒的截面形状可为圆形、椭圆形、多边形等。
本领域的技术人员会理解，通过拉挤模具中浸渍槽形状和型芯形状的配合，可以制备出不同形状的实心和空心连续纤维热塑性复合材料。本发明的方法中的热塑性材料包括但不限于聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、尼龙、聚碳酸酯、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丁烯等等；本发明的方法中的纤维包括但不限于热塑性的玻璃纤维、碳纤维、芳族聚酰胺纤维、玄武岩纤维等等。在浸渍过程中所采用的温度和压力可以根据不同的热塑性材料和纤维而变化。
由上述方法制备的可再生连续纤维热塑性复合材料可进一步制成各种制品，如工具柄柄芯，包括实心工具柄柄芯和空心工具柄柄芯，其通过在模具中进一步包覆其它热塑性材料而制成手工工具柄，如斧柄、锤柄等等，或者建筑用门窗、交通护隔栏等等。
本发明的分步浸渍工艺确保所获得的可再生连续纤维热塑性复合材料致密性高、复合完全、机械性能优异。由该复合材料制备的制品同样具有优异的性能。
基于对本发明优选实施方式的描述，应该清楚，由所附的权利要求书所限定的本发明并不仅仅局限于上面说明书中所阐述的特定细节，未脱离本发明宗旨或范围的对本发明的许多显而易见的改变同样可能达到本发明的目的。