用于制造纤维增强塑性材料的方法和设备

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(1)技术领域\n本发明涉及一种用于制造纤维增强塑性材料 的方法。本发明还涉及用于实现所述方法的设 备。\n(2)背景技术\n从德国专利文献DE 198 36 787 A1中已知一种这样的方法。该方法和其中 所述的塑料挤出机在实践中是可用的。但对于特殊应用，特别是对于含有纤维 的颗粒物料来说，还有改进的余地。\n另外还已知，用于塑料连续挤压的原料是所谓的棒状颗粒，也就是目前大 多用玻璃纤维增强的塑料棒粒。在这方面，所述的棒状颗粒通常为25mm长并且 在缓慢旋转的单螺杆挤出机中熔化。在这方面，大型的挤出机对适合的熔化功 率来说是必要的，因为要尽可能没有剪切能(耗损)，而在很大程度上必须通过 热传导使这些纤维塑料棒粒熔化。这种不受损的熔化需要以尽可能大的份额保 持前面所述的原料纤维的长度。这种棒状颗粒涉及的是半成品，要用它调整制 成品中的纤维含量。由于这种半成品的制造相当昂贵，因此近期有一种优选的 方法是，在所谓的浓缩棒粒中使用尽可能高的纤维含量。这些浓缩棒粒随后在 熔化挤出机中与廉价的塑料颗粒混合至构件中所需的纤维含量。这种方法虽然 可以使材料的价格很便宜，但是，所述挤出机不能因此而变小，或是所述熔化 功率无法因此而变大。\n由于在实践中所要求的熔化功率总是涉及到具有较大材料容量的大型挤出 机，因此还加大了纤维的损伤，并且在短循环时间中，有关塑化材料重量偏差 和起动特性方面的性能也下降了。\n另外还已知，为了将具有很小松装重量的无粘性材料喂入挤出机，通常要 借助相当大的螺距和槽形套筒，以增强材料在敞开的喂料区域中的前进运动。\n如果要将散料，如切割的纤维与在一个分离式挤出机中熔融的塑料结合在 一起，公知的方式是，借助其中喂入了纤维的挤出机，在下游的封闭区域中， 向熔融塑料中定量给入散料。而这种方式的缺点是，所述纤维和熔融塑料在相 遇时并没有均匀混合，而是形成了纤维和塑料的聚积。必须在下游通过混合单 元重新将这些聚积打散，以实现纤维的均匀混合和浸润。这就意味着在带混合 单元的挤出机中需要相当长的停留时间，在已知的方法中，这就意味着纤维损 伤和很大的材料容量。\n在实验中，在挤出机的加料口中同时对熔融塑料和散料进行定量给料并进 行混合时，将很快地形成粘合并因此形成交联，它们将阻止或中止定量给料。\n(3)发明内容\n本发明的任务在于提出一种方法，借助这一用于长纤维增强热塑材料(LF T)的塑性材料连续挤出法能够以高生产率对纤维散料(纤维材料)和塑料颗粒 进行混合，可以在挤压系统中使材料份额最小化并且在熔化过程中使纤维的损 伤最小化，并且还提出一种用于实现所述方法的具有塑料挤出机的设备，该设 备具有相匹配的挤出机外壳几何形状，外壳带有进料口和所属的螺杆，以此避 免上述缺点。\n根据本发明，提供一种用于制造纤维增强塑性材料的方法，该方法使用了 一种塑料挤出机，其中，冷的或经预热的浓缩棒粒、回收片料、散纤维或其他 纤维材料颗粒通过一个导向筛和一个预热装置进入塑料挤出机的供料口，物料 平行于挤压轴并且相切于喂料轴进入，而且围绕着挤压轴向前推进并进入到螺 杆体的圆柱孔内，此外，在供料口中，还同时将液态塑料膜输送到挤压轴/片上， 并且将所述纤维材料放入/压入到液态塑料膜中，接着，在喂料和浸渍区段内部， 还在挤压轴上以全面涂抹或整体涂抹的方式用液态塑料膜对所述纤维材料的单 纤维进行湿润或浸润，随后引导到一个排出和输送区段中，并且作为可以继续 加工的、纤维增强的塑料物料排出，作为塑料挤出机的同向运行双螺杆挤出机 设置有大螺距的啮合螺杆，在一个第一挤出机中，所述塑料颗粒在一个较高温 度上被熔化，该温度为所需的塑化温度，在一个第二挤出机，即塑料挤出机的 供料口中，熔融塑料和纤维材料汇合在一起，并且在塑料挤出机的喂料和浸渍 区段内部，所述纤维材料继续均匀地埋入熔融塑料中，并且在排出和输送区段 中被完全加热到塑化温度上，其中，所述纤维材料在汇合之前的预热程度使其 尚未出现粘合时即顺利地定量给料到供料口中，并且所述纤维材料与熔融塑料 一起，从与纤维材料接触的部位开始，以1/4至3/4的包角进入喂料轴的圆柱孔中， 所述圆柱孔在此处的直径D加大了2至20mm，是偏心布置。\n完成上述有关设备的任务的解决方案在于，提供一种用纤维材料和熔融塑 料制造纤维增强塑性材料的设备，它包括一个塑料挤出机和一个塑料熔化挤出 机，在通向塑料挤出机的输料线上设置有对所述纤维材料进行加热的加热装置， 在塑料挤出机中设置有一个用于输入的纤维材料的浸渍装置，为进行混合，所 述塑料挤出机包括一个带有两个孔和两个旋转驱动的挤压轴的外壳，其中在所 述外壳内设置有一个用于将纤维材料输入到所述孔中的供料口，所述设备用于 实现所述的方法，作为塑料挤出机的同向运行双螺杆挤出机设置 有大螺距的啮合螺杆，所述挤出机在喂料轴的上方具有一个狭缝状供料口，其 中从所述供料口向下并在喂料轴的区域内，所述喂料轴的圆柱孔在1/4至3/4的包 角处的直径加大2至20mm，是偏心布置并且布置在刮料边的端部，接下来喂料 轴的外壳内孔的直径减小到螺杆直径。\n优选之处特别在于，采用了一种同向运行的双螺杆挤出机，其中，在一个 螺杆轴的上方具有一个狭缝状的、相当长的进料口。这个螺杆轴在下面的说明 书中被称作喂料轴。在所述喂料轴区域内，所述螺杆的外壳的直径要按以下方 式加大，以便熔融塑料带贴靠在螺杆片上相对于螺杆的外壳还具有自由空间。 为了在转动过程中，在外壳的直径加大部分上，不会出现材料聚积在喂料轴的 螺杆片上的现象，在新接收熔融塑料带之前，螺杆的外壳内孔减小到螺杆直径。 这最好借助一个置入的刮料板来实现。为了在喂料区域中尽可能均匀地对散料 和熔融塑料带/塑料膜进行混合，所述散料被设计成扁平状(没有形成堆积)进 行供给，几乎以所述塑料带的宽度进行供给。在喂料区域中，最好使用具有相 对较大螺距的啮合螺杆。\n对于散料(例如浓缩棒粒、切割纤维、杂散纤维、颗粒或类似材料)的喂 料来说，处在外壳内孔中的第二螺杆轴的区域最好不加大。\n有利的方案还在于，在与浓缩棒粒或纤维材料汇合之前，加入浓缩棒粒并 且将构件纤维含量所需的塑料熔化。就是说，用于混合材料的熔化热量在没有 长纤维情况下被存储了。因此在该区域可以以很高的转速和很大的耗损运转。 有利的方案还在于，所述塑料在一个较高的温度上被熔化，该温度为塑化所需 的温度，并且所述纤维材料一直被预热到这样的温度上，在该温度上，所述材 料还没有出现粘合的趋势并且仍然可以毫无问题地被定量给料。\n与此同时，分别按照散料和构件纤维含量的纤维浓缩度，热量已经在很大 程度上存在于材料中，因此，只要再向埋在液态塑料中的浓缩棒粒传热，就一 定会实现熔化和温度平衡。\n在具有很小的材料容量的挤出机中，在输送区段相当小的情况下会出现这 种情况。同时采用同向运行的双螺杆挤出机是很有利的。根据纤维的组织结构 和浸润性质，所述喂料区域内的直径加大部分或多或少地伸到双螺杆挤出机的 下游封闭区域中。与此同时，加大了的圆柱直径最好呈螺旋状在螺杆的旋转方 向上结束，从而使所述螺杆片在过渡到小直径部分时不会将纤维或棒粒切断。 作为喂入松散料的另一种改进方案是，所述喂料侧的结构具有一个带刮料板的 驱动辊或一个振动壁。此外所述辊还以等于或大于喂料轴的圆周速度被驱动， 这样便可将所述颗粒物料喂入。为了进一步对喂入过程进行改进，所述挤出机 外壳在加大的直径处还设置有一个锥形喂料区域。\n(4)附图说明\n本发明主题的其他优选措施和结构见从属权利要求和说明书及其附图。\n其中：\n图1是实现本发明所述方法的设备沿图2中B-B剖面的侧视图，\n图2是本发明塑料挤出机沿图1中的A-A剖面的视图，\n图3是图2所示的塑料挤出机，但具有较小包角u，\n图4是图2所示的塑料挤出机，但在供料口中有喂料轴，并且\n图5是图2所示的塑料挤出机，但具有进料口颚板。\n(5)具体实施方式\n图1是实现本发明所述方法的设备，它包括塑料挤出机1和塑料熔化挤出机3 0。在图2至5中所描述的本发明所述塑料挤出机1是具有长度L的双轴挤出机。如 图1所示，塑料挤出机1的长度分成两个功能区域并且为此相应设计成一个喂料 和浸渍区段m以及一个排出和输送区段n。在端部安装了一个出口喷嘴8用于最终 产品24(纤维增强塑性材料)的成形排出。图2是沿图1中的A-A剖面的视图，显 示了作为散料输入的纤维材料10喂入到供料口18中的情况。所述塑料挤出机1还 包括在喂料和浸渍区段m上的具有外壳内孔2和3以及用于喂料轴5和同步轴4的 挤压轴6和7的外壳25、具有用于排出和输送区段n的挤压轴4′和5′的内孔2′和3′的 外壳26。根据图1，用于对塑料进行加工的塑料熔化挤出机30包括用于塑料颗粒 供给的料斗19和塑料输送装置29。此外该塑料输送装置29还通过塑料输入装置2 8将加工好的塑料膜11输送到排出喷嘴13中。所述驱动装置20用于驱动挤压轴4/ 5和4′/5′。在生产过程中，所述的纤维材料10在输送运动中被输送到喂料通道27 中并从此处借助所述塑料挤出机1的螺杆通过螺杆片9和螺杆底22朝产品排出方 向输送。此外在同向旋转的双螺杆挤出机1中，在排出方向上，所述纤维材料10 还与熔融塑料一起在从喂料轴5到同步轴4的方向上和相反的方向上进行移动。 这就是说，所述纤维材料10以缠绕方式，根据给料宽度b，或多或少有所重叠地 向出口喷嘴8的方向上输送。在这种滑动输送运动过程中，夹带有所述纤维材料 10的液态塑料膜11摩擦进入到具有单纤维的纤维材料10中。如图1至5所示进一 步可以见到的那样，所述纤维材料10以其宽度b进入到塑料挤出机1的供料口18 的入口中，该宽度b平行于挤压轴6和7并且以1/4至3/4的圆周包角u大致相切于喂 料轴5，物料从直径D加大了约2至20mm的、必要时偏心布置的外壳内孔3喂入。 在供料口18中，液态塑料膜11直接被涂布到落下来的纤维材料10上，所述涂布 是通过挤压从排出喷嘴13落到喂料轴5上的液态塑料膜11实现的。此外在喂料和 浸渍区段m内部，还以全面涂抹的方式在挤压轴4和5上用液态塑料膜11对所述纤 维材料10进行湿润或浸润。接下来，将被塑料膜完全浸透或完全润透的纤维材 料10的单纤维从喂料和浸渍区段m引导到排出和输送区段n中，在此，在棒状颗 粒情况下，要将其完全熔化并且进行纤维分布。根据纤维材料10的厚度S和塑料 熔融体相适应的组成，适当的方式是，在直径加大的外壳内孔3的端部，借助一 个刮料边12或刮料板21将所述纤维材料10压入到凹槽中以及压到喂料轴5的螺 杆片23上。通过一个布置在供料口18中的喂料辊15可以使纤维材料10的喂料情 况得到改善，见图4所示。\n同样，如果喂料区域呈锥形扩大，也可以使纤维材料10向供料口18的喂料 状况得到改善。根据图5，另一种有关纤维材料10无障碍进入到供料口18中的改 进和一种对这一区域进行清洁的可能性在于，设置一个可移入和移出的进料口 颚板16。该进料口颚板16相对于所述外壳25是绝热的，并且借助一个孔17可以 进行加热和/或冷却，而且可以设定到一个大约在纤维材料10的粘合温度以下的 温度上。此外，有利的方案是，所述进料口颚板16装备有一个振动式驱动装置， 并且在供料口18后的下游区域，所述喂料轴5的缩小的直径d呈旋转方向上的螺 旋状结束。\n标号一览表\n1.  塑料挤出机\n2.  外壳内孔(浸渍部分)\n3.  外壳内孔(浸渍部分)\n4.  同步轴(浸渍部分)\n5.  喂料轴(浸渍部分)\n6.  挤压轴\n7.  挤压轴\n8.  出口喷嘴\n9.  螺杆片\n10. 纤维材料(散料)\n11. 液态塑料膜\n12. 刮料边\n13. 排出喷嘴\n14. 喂料区域\n15. 喂料辊\n16. 进料口颚板\n17. 进料口颚板16上的孔\n18. 供料口\n19. 料斗\n20. 驱动装置\n21. 刮料板\n22. 螺杆底\n23. 螺杆片\n24. 产品\n25. m段外壳\n26. n段外壳\n27. 喂料通道\n28. 通向排出喷嘴13的塑料输入装置\n29. 塑料输送装置\n30. 塑料熔化挤出机\nb   给料宽度\nD   加大的外壳直径\nd   标准的外壳直径\nm   喂料和浸渍区段\nn   排出和输送区段\nL   塑料挤出机的长度\nS   纤维材料的厚度\nu   包角