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CN109130136A - 一种利用长纤维在线增强聚丙烯材料的生产装置及工艺 - Google Patents

一种利用长纤维在线增强聚丙烯材料的生产装置及工艺 Download PDF

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CN109130136A
CN109130136A CN201810941004.8A CN201810941004A CN109130136A CN 109130136 A CN109130136 A CN 109130136A CN 201810941004 A CN201810941004 A CN 201810941004A CN 109130136 A CN109130136 A CN 109130136A
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CN
China
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screw extruder
polypropylene material
fiber
extrusion
injection molding
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CN201810941004.8A
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李振
鹿海林
楚德军
谢惠芝
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Shandong Taishi New Material Technology Co ltd
Original Assignee
Shandong Taishi New Material Technology Co ltd
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Publication date
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Abstract

本发明涉及一种利用长纤维在线增强聚丙烯材料生产装置。所述生产装置包括：一级螺杆挤出机、二级双螺杆挤出机、挤注式注塑系统、锁模系统、顺序分散架，所述一级螺杆挤出机设置有进料斗，二级双螺杆挤出机的第一进料口与一级螺杆挤出机的挤出口模连接，挤注式注塑系统与二级双螺杆挤出机的挤出口模连接，所述锁模系统与挤注式注塑系统连接，所述顺序分散架与设置在二级双螺杆挤出机的第二进料口处，纤维通过顺序分散架后从第二进料口进入二级双螺杆挤出机；本发明在生产聚丙烯材料时，将连续未切断的长纤维有序地输入二级双螺杆挤出机的第二进料口，有效解决了增强聚丙烯材料中纤维长度短的问题，得到的聚丙烯材料的各项性能指标增幅明显。

Description

一种利用长纤维在线增强聚丙烯材料的生产装置及工艺
技术领域
本发明涉及聚丙烯材料的制备技术领域，尤其涉及一种利用长纤维在线增强聚丙烯材料的生产装置及工艺。
背景技术
长纤维增强聚丙烯是一种强度高，质量轻的复合材料，作为原材料的纤维通常是以长度较长的连续纤维形态存在的，当作为材料原料使用时，通常必须将长纤维切断为短纤维使用.如LLFT中所谓的长纤维是与普通纤维增强材料(SLFT)中所用的纤维相比较而言的。通常情况下，纤维增强材料(SLFT)中的纤维长度一般在0.2-0.4毫米，而在LLFT中，纤维的长度一般大于2毫米，甚至于能够保持在5毫米以上。现有的长纤维在线增强聚丙烯材料生产过程中，长纤维大都是切断后经料斗进入螺杆挤出机。然而，长纤维切断后存在纤维长度短小，纤维与聚丙烯熔融聚合物捏合不均匀的情况，对材料的增强性能不明显，无法真正有效改善聚丙烯材料的力学性能，限制了产品的应用范围，且该工艺中熔融后的PC混合物作为中间半成品，还需保温输送，增加了中间环节，降低了生产效率，增加了生产能耗。因此，有必要研究一种新的聚丙烯材料的制备方法。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种利用长纤维在线增强聚丙烯材料的生产装置及工艺。本发明在生产聚丙烯材料时，将连续未切断的长纤维有序地输入二级双螺杆挤出机的第二进料口，有效解决了增强聚丙烯材料中纤维长度短的问题，得到的聚丙烯材料的各项性能指标增幅明显。
本发明的目的之一是提供一种利用长纤维在线增强聚丙烯材料生产装置。
本发明的目的之二是提供一种利用长纤维在线增强聚丙烯材料生产工艺。
本发明的目的之三是提供上述利用长纤维在线增强聚丙烯材料生产工艺及装置的应用。
为实现上述发明目的，本发明公开了下述技术方案：
首先，本发明公开了一种利用长纤维在线增强聚丙烯材料生产装置，包括：一级螺杆挤出机、二级双螺杆挤出机、挤注式注塑系统、锁模系统、顺序分散架，所述一级螺杆挤出机设置有进料斗，二级双螺杆挤出机的第一进料口与一级螺杆挤出机的挤出口模连接，挤注式注塑系统与二级双螺杆挤出机的挤出口模连接，所述锁模系统与挤注式注塑系统连接。
所述顺序分散架包括分散架外壳，以及水平布置在分散架外壳内部的纤维输送通道，所述纤维通道中设置有若干纤维输送口，所述顺序分散架与设置在二级双螺杆挤出机的第二进料口处，纤维通过顺序分散架后从第二进料口进入二级双螺杆挤出机。
所述第二进料口设置在第二阶螺杆的撕裂区，这样才能够保证螺杆带入的纤维不会被撕裂，而是仅和其他原料进行混合，这样才能保持纤维长度尽可能地大。
本发明在试验过程中发现：传统的纤维采用在挤出机外剪切后再与其他原料混炼的方式，而在混炼过程中，已经经过剪切的纤维在经过撕裂区时，会在螺杆的作用下再次被破坏，导致最终得到的产品中的纤维长度远远达不到要求，为此，本发明采用了两方面的设计来解决上述问题：首先是在纤维进入挤出机前不再进行剪切，而是直接加入挤出机，这样就能最大限度地保证纤维的完整性；其次是精确设计纤维的加入位置，因为挤出机的二级双螺杆本身为积木式螺杆，根据物料的不同搭配不同螺距的空心积木式螺杆段，它分为混料区(撕裂区)、强混区等区域，而纤维加入不同的区域，得到的效果完全不同，经过分析和试验，本发明将顺序分散架与设置在二级双螺杆挤出机的撕裂区，即纤维束通过顺序分散架后，直接进入二级双螺杆挤出机的撕裂区，而不是直接进入一级双螺杆挤出机或其他区域，这样才能保证纤维束在进入挤出机后仅和其他原料进行混合，而不会进行撕裂。
优选的，所述顺序分散架的数量为2组，分别与二级双螺杆挤出机中的两个螺杆相对应，即二级双螺杆挤出机中的每个螺杆单独由一个顺序分散架输送纤维，这样可以保证及时供料。
优选的，所述纤维输送通道的形状为“W”型，当螺杆水平穿过“W”型的纤维输送通道的下方时，这种形状可以将纤维输送到螺杆的径向两侧，从而更加均匀地将纤维与原料混合，避免同时输送到一侧时，造成纤维分布不均匀，影响最终聚丙烯材料质量的均一性。
所述进料斗中设置有原料输送装置，优选的，所述原料输送装置为绞刀。
所述挤注式注塑系统的特点为短流道、大浇口。这种结构缩短了纤维增强PP到达模腔流程，同等情况下大浇口可尽量避免纤维的取向和损伤，所以这种结构能够更加有效地保证制品纤维长度以及工艺的稳定性。
所述锁模系统的作用主要是锁定前后模具，锁定型腔，保证高压注射成型时，产品成型。
其次，本发明公开了一种利用长纤维在线增强聚丙烯材料生产工艺，包括如下步骤：
(1)将原料加入设置在一级螺杆挤出机上的进料斗中，输送到一级螺杆挤出机中进行塑化，塑化后的熔融聚丙烯从一级螺杆挤出机的挤出口模处挤出，进入二级双螺杆挤出机的第一进料口；
(2)通过顺序分散架将纤维连续有序地输入二级双螺杆挤出机的第二进料口，进而与来自一级螺杆挤出机的熔融聚丙烯材料混合进一步塑化；
(3)利用挤注式注塑系统将二级双螺杆挤出机塑化后的熔融混合物注入其模腔之中注塑成型，即得。
步骤(1)中，所述原料包括聚丙烯和助剂；聚丙烯和助剂的质量比为6-7:1。
优选的，所述助剂包括接枝PP、弹性体POE、抗氧化剂、阻燃剂、色母粒，助剂中各组分的含量可以根据具体的需要进行调配；优选的，接枝PP：弹性体POE：抗氧化剂：阻燃剂：色母粒的质量比为4:2:1:1:2。
步骤(1)中，所述塑化温度、时间根据需要进行调节，优选为温度210±30℃，时间20-40s。
步骤(2)中，所述塑化温度、时间根据需要进行调节，优选为温度210±30℃，时间20-40s。
步骤(2)中，所述纤维包括玻璃纤维，碳纤维，玄武岩纤维等。
步骤(2)中，所述纤维与步骤(1)中原料的质量比为(2-3)：(7-8)。
步骤(2)中，所述注塑成型的艺参数可以依据不同注塑设备不同进行选择，本发明不做具体限定。
最后，本发明公开了利用长纤维在线增强聚丙烯材料生产工艺备的聚丙烯材料在汽车、电子、家电、通讯，医疗器材等领域中的应用。
与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：本发明在生产聚丙烯材料时，连续纤维不经切割，而是利用螺杆自身的捏合、塑化带入，将纤维直接送入二级双螺杆挤出机，同时经过对纤维进入口的精确设计，能够尽量地将纤维完整地与原料结合，从而大幅度提高了得到的聚丙烯材料中纤维的长度，有效解决了增强聚丙烯材料中纤维长度短的问题。经过测试，得到聚丙烯材料中的纤维长度达到30mm，明显高于未剪切的纤维长度，且本发明在纤维的加入位置设置了顺序分散架，能够保证纤维均匀、连续地进入，进而将纤维均匀地分布在原料中，保证得到的聚丙烯材料质量的均一性和稳定性。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明利用长纤维在线增强聚丙烯材料生产装置的结构示意图。
图2为本发明顺序分散架的俯视结构示意图。
所述附图1中标记分别代表：1-一级螺杆挤出机，2-二级双螺杆挤出机，3-挤注式注塑系统，4-锁模系统，5-进料斗，6、一级螺杆挤出机的挤出口模，7-第二进料口，8-二级双螺杆挤出机的挤出口模，9-顺序分散架、10-二级双螺杆挤出机螺杆、9.1-第一分散架外壳、9.2-第一纤维输送通道、9.3-第一纤维输送口、9.4-第二分散架外壳、9.5-第二纤维输送通道、9.6-第二纤维输送口。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，长纤维切断后存在纤维长度短小，纤维与聚丙烯熔融聚合物捏合不均匀的情况，对材料的增强性能不明显，无法有效改善聚丙烯材料的力学性能，限制了产品的应用范围，因此，本发明提出一种利用长纤维在线增强聚丙烯材料的生产装置及工艺，下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步的说明。
实施例1
如图1、图2所示，一种利用长纤维在线增强聚丙烯材料生产装置，包括：一级螺杆挤出机1、二级双螺杆挤出机2、挤注式注塑系统3、锁模系统4、顺序分散架9、二级双螺杆挤出机螺杆10、二级双螺杆挤出机螺杆10、第一分散架外壳9.1、第一纤维输送通道9.2、第一纤维输送口9.3、第二分散架外壳9.4、第二纤维输送通道9.5、第二纤维输送口9.6。
所述一级螺杆挤出机设置有进料斗5，二级双螺杆挤出机2的第一进料口与一级螺杆挤出机1的挤出口模6连接，挤注式注塑系统3与二级双螺杆挤出机2的挤出口8模连接，所述锁模系统4与挤注式注塑系统3连接。
所述顺序分散9架为两组，包括第一分散架外壳9.1，以及水平布置在第一分散架外壳9.1内部的第一纤维输送通道9.2，所述第一纤维输送通道9.2中设置有第一纤维输送口9.3；第二分散架外壳9.4，以及水平布置在第二分散架外壳9.4内部的第二纤维输送通道9.5，所述第一纤维输送通道9.5中设置有第一纤维输送口9.6。
所述顺序分散架9与设置在二级双螺杆挤出机2的第二进料口7处，纤维通过顺序分散架9后从第二进料口7进入二级双螺杆挤出机2，两组顺序分散架分别与二级双螺杆挤出机2中的两个螺杆10相对应，即二级双螺杆挤出机中的每个螺杆单独由一个顺序分散架输送纤维，这样可以保证及时供料。
所述一级螺杆挤出机的进料斗5中设置有输送原料的绞刀。
所述第二进料口7设置在第二阶螺杆的撕裂区，这样保证螺杆带入的纤维不会进行撕裂，仅进行混合。
所述二级双螺杆挤出机2的双螺杆自身为积木式螺杆，根据物料的不同搭配不同螺距的空心积木式螺杆段，保证物料大限度的均匀分散。
所述挤注式注塑系统3的特点为短流道、大浇口。这种结构缩短了纤维增强PP到达模腔流程，同等情况下大浇口可尽量避免纤维的取向和损伤，所以这种结构能够更加有效地保证制品纤维长度以及工艺的稳定性。
实施例2
一种利用长纤维在线增强聚丙烯材料生产工艺，该工艺通过实施例1中的生产装置进行，包括如下步骤：
(1)将聚丙烯和助剂按质量比为6：1的比例混合后加入设置在一级螺杆挤出机上的进料斗中，经进料斗下方出口处绞刀切割后输入一级螺杆挤出机中，在200℃下塑化30s，塑化后的熔融聚丙烯从一级螺杆挤出机的挤出口模处挤出，进入二级双螺杆挤出机的第一进料口；
(2)通过顺序分散架将玻璃纤维(GF)连续有序地输入二级双螺杆挤出机的第二进料口，进而与来自一级螺杆挤出机的熔融聚丙烯材料混合进一步塑化，塑化的温度为220℃，时间为30s；
(3)利用挤注式注塑系统将二级双螺杆挤出机塑化后的熔融混合物注入其模腔之中注塑成型，即得。
步骤(1)中，所述助剂包括接枝PP、弹性体POE、抗氧化剂、阻燃剂、色母粒，混合均匀后同时加入进料斗中，接枝PP、弹性体POE、抗氧化剂、阻燃剂、色母粒的质量比为4:2:1:1:2。
步骤(2)中，所述玻璃纤维(GF)与原料的质量比为3:7。
步骤(3)中，所述注塑成型的参数如表1所示。
实施例3
一种利用长纤维在线增强聚丙烯材料生产工艺，该工艺通过实施例1中的生产装置进行，包括如下步骤：
(1)将聚丙烯和助剂按质量比为6：1的比例混合后加入设置在一级螺杆挤出机上的进料斗中，经进料斗下方出口处绞刀切割后输入一级螺杆挤出机中，在180℃下塑化40s，塑化后的熔融聚丙烯从一级螺杆挤出机的挤出口模处挤出，进入二级双螺杆挤出机的第一进料口；
(2)通过顺序分散架将玄武岩纤维连续有序地输入二级双螺杆挤出机的第二进料口，进而与来自一级螺杆挤出机的熔融聚丙烯材料混合进一步塑化，塑化的温度为240℃，时间为20s；
(3)利用挤注式注塑系统将二级双螺杆挤出机塑化后的熔融混合物注入其模腔之中注塑成型，即得。
步骤(1)中，所述助剂包括接枝PP、弹性体POE、抗氧化剂、阻燃剂、色母粒，混合均匀后同时加入进料斗中，接枝PP、弹性体POE、抗氧化剂、阻燃剂、色母粒的质量比为4:2:1:1:2。
步骤(2)中，所述玄武岩纤维与原料的比例为3:7。
步骤(3)中，所述注塑成型的参数如表1所示。
实施例4
一种利用长纤维在线增强聚丙烯材料生产工艺，该工艺通过实施例1中的生产装置进行，包括如下步骤：
(1)将聚丙烯和助剂按质量比为7：1的比例混合后加入设置在一级螺杆挤出机上的进料斗中，经进料斗下方出口处绞刀切割后输入一级螺杆挤出机中，在240℃下塑化20s，塑化后的熔融聚丙烯从一级螺杆挤出机的挤出口模处挤出，进入二级双螺杆挤出机的第一进料口；
(2)通过顺序分散架将碳纤维连续有序地输入二级双螺杆挤出机的第二进料口，进而与来自一级螺杆挤出机的熔融聚丙烯材料混合进一步塑化，塑化的温度为180℃，时间为40s；
(3)利用挤注式注塑系统将二级双螺杆挤出机塑化后的熔融混合物注入其模腔之中注塑成型，即得。
步骤(1)中，所述助剂包括：接枝PP、弹性体POE、抗氧化剂、阻燃剂、色母粒，混合均匀后同时加入进料斗中，接枝PP、弹性体POE、抗氧化剂、阻燃剂、色母粒的质量比为4:2:1:1:2。
步骤(2)中，所述碳纤维与原料的比例为2:8。
步骤(3)中，所述注塑成型的参数如表1所示。
对比例1
一种利用长纤维在线增强聚丙烯材料生产工艺，包括如下步骤：
(1)将聚丙烯、助剂、玻璃纤维(GF)按比例称取后加入设置在一级螺杆挤出机上的进料斗中，经进料斗下方出口处绞刀切割后输入一级螺杆挤出机中，在在200℃下塑化30s，，塑化后的熔融聚丙烯从一级螺杆挤出机的挤出口模处挤出，进入二级双螺杆挤出机中进一步塑化；塑化的温度为220℃，时间为30s；
(2)利用挤注式注塑系统将二级双螺杆挤出机塑化后的熔融混合物注入其模腔之中注塑成型，即得。
步骤(1)中，所述聚丙烯和助剂的质量比例为：6:1，玻璃纤维(GF)的加入量与聚丙烯和助剂总质量的比为3：7，所述剥离纤维的长度为30-40mm。
步骤(1)中，所述助剂包括：接枝PP、弹性体POE、抗氧化剂、阻燃剂、色母粒，混合均匀后同时加入进料斗中，接枝PP、弹性体POE、抗氧化剂、阻燃剂、色母粒的质量比为4:2:1:1:2。
步骤(3)中，所述注塑成型的参数如表1所示。
表1注塑成型参数
性能测试：
对实施例2和对比例1制备的聚丙烯材料的性能进行测试，结果分别如表2和表3所示，为了保证试验的稳定性，每种方法均采用相同的原料及其比例、工艺参数进行了3组试验。
表2
表3
从表2和表3可以看出，本发明在生产聚丙烯材料时，将连续未切断的长纤维有序地输入二级双螺杆挤出机的第二进料口，有效解决了增强聚丙烯材料中纤维长度短的问题，得到的聚丙烯材料的各项性能指标增幅明显。
以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用长纤维在线增强聚丙烯材料生产装置，其特征在于：包括：一级螺杆挤出机、二级双螺杆挤出机、挤注式注塑系统、锁模系统、顺序分散架，所述一级螺杆挤出机设置有进料斗，二级双螺杆挤出机的第一进料口与一级螺杆挤出机的挤出口模连接，挤注式注塑系统与二级双螺杆挤出机的挤出口模连接，所述锁模系统与挤注式注塑系统连接，所述顺序分散架包括分散架外壳，以及水平布置在分散架外壳内部的纤维输送通道，所述纤维通道中设置有若干纤维输送口，所述顺序分散架与设置在二级双螺杆挤出机的第二进料口处，纤维通过顺序分散架后从第二进料口进入二级双螺杆挤出机；所述第二进料口设置在第二阶螺杆的撕裂区。
2.如权利要求1所述的利用长纤维在线增强聚丙烯材料生产装置，其特征在于：所述顺序分散架的数量为2组，分别与二级双螺杆挤出机中的两个螺杆相对应。
3.如权利要求1所述的利用长纤维在线增强聚丙烯材料生产装置，其特征在于：所述纤维输送通道的形状为“W”型。
4.如权利要求1所述的利用长纤维在线增强聚丙烯材料生产装置，其特征在于：所述二级双螺杆挤出机的底部经过了变径处理，即底部为锥形；或，所述挤注式注塑系统的特点为短流道、大浇口；或，所述进料斗的下方出口处设置有原料输送装置，优选的，所述原料输送装置为绞刀。
5.利用权利要求1-4任一项所述的生产装置在线增强聚丙烯材料的生产工艺，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
(1)将原料加入设置在一级螺杆挤出机上的进料斗中，经进料斗中切割装置切割后输入一级螺杆挤出机中进行塑化，塑化后的熔融聚丙烯从一级螺杆挤出机的挤出口模处挤出，进入二级双螺杆挤出机的第一进料口；
(2)通过顺序分散架将纤维连续有序地输入二级双螺杆挤出机的第二进料口，进而与来自一级螺杆挤出机的熔融聚丙烯材料混合进一步塑化；
(3)利用挤注式注塑系统将二级双螺杆挤出机塑化后的熔融混合物注入其模腔之中注塑成型，即得。
6.如权利要求5所述的在线增强聚丙烯材料的生产工艺，其特征在于：步骤(1)中，所述原料包括聚丙烯和助剂，所述聚丙烯和助剂的质量比为：6-7:1；优选的，所述助剂包括接枝PP、弹性体POE、抗氧化剂、阻燃剂、色母粒；进一步优选的，所述接枝PP、弹性体POE、抗氧化剂、阻燃剂、色母粒的质量比为4:2:1:1:2。
7.如权利要求5所述的在线增强聚丙烯材料的生产工艺，其特征在于：步骤(1)中，所述塑化的温度为210±30℃，时间为20-40s。
8.如权利要求5-7任一项所述的在线增强聚丙烯材料的生产工艺，其特征在于：步骤(2)中，所述塑化的温度为210±30℃，时间为20-40s。
9.如权利要求5-7任一项所述的在线增强聚丙烯材料的生产工艺，其特征在于：步骤(2)中，所述纤维包括璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维中的一种或几种；优选的，所述纤维与步骤(1)中原料的质量比为(2-3)：(7-8)。
10.如权利要求5-9任一项所述的生产工艺制备的聚丙烯材料在汽车、电子、家电、通讯，医疗器材领域中的应用。
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