一种植物纤维浸渍装置及方法.pdf

一种植物纤维浸渍装置及方法，用于天然植物纤维浸渍熔融树脂。植物纤维浸渍装置包括熔融浸渍模具(1)和冷却辊压装置(2)，其中，所述的熔融浸渍模具(1)包括模腔、入料口(4)和位于模腔内的4-8副浸渍辊对，每副浸渍辊对由上浸渍辊(6)、下浸渍辊(5)和浸渍辊弹簧(7)组成，浸渍辊弹簧(7)向上浸渍辊(6)施加一定的弹性压力，从而使得上浸渍辊(6)与下浸渍辊(5)之间具有一定的压力；所述的冷却辊压装置(2)包括2-4副压辊对，每副所述压辊对由上压辊(9)、和下压辊(10)和压辊弹簧(8)组成，压辊弹簧(8)向上压辊(9)施加一定的弹性压力，从而使得上压辊(9)与下压辊(10)之间具有一定的压力。天然植物纤维梳理成条状通过该熔融浸渍装置，得到天然长纤维增强热塑性聚合物预浸渍料。

权利要求书
1.  一种植物纤维浸渍装置，用于天然植物纤维浸渍熔融树脂，其特征在于，包括熔融浸渍模具(1)和冷却辊压装置(2)，其中，所述的熔融浸渍模具(1)包括模腔、入料口(4)和位于模腔内的4-8副浸渍辊对，每副浸渍辊对由上浸渍辊(6)、下浸渍辊(5)和浸渍辊弹簧(7)组成，浸渍辊弹簧(7)向上浸渍辊(6)施加一定的弹性压力，从而使得上浸渍辊(6)与下浸渍辊(5)之间具有一定的压力；
所述的冷却辊压装置(2)包括2-4副压辊对，每副所述压辊对由上压辊(9)、和下压辊(10)和压辊弹簧(8)组成，压辊弹簧(8)向上压辊(9)施加一定的弹性压力，从而使得上压辊(9)与下压辊(10)之间具有一定的压力。

2.  根据权利要求1所述的植物纤维浸渍装置，其特征在于，所述的上浸渍辊(6)由上浸渍辊定圈(6-1)和上浸渍辊动轴(6-2)组成，下浸渍辊由下浸渍辊定圈(5-1)和下浸渍辊动轴(5-2)组成，上浸渍辊(6)和下浸渍辊(5)为圆柱形，通过旋转副方式安装于熔融浸渍模具(1)内，为主动驱动旋转辊或纤维牵引带动旋转辊，上浸渍辊(6)在浸渍辊弹簧(7)的弹性压力下可上下浮动。

3.  根据权利要求1所述的一种适用于天然植物纤维增强热塑性树脂熔融浸渍设备，其特征在于：所述上压辊(9)由上压辊定圈和上压辊动轴组成，下压辊(10)由下压辊定圈和下压辊动轴组成，通过旋转副方式安装于冷却辊压装置(2)内，上压辊(9)和下压辊(10)为圆柱形，为主动驱动旋转辊或纤维牵引带动旋转辊，上压辊(9)在压辊弹簧(8)的弹性压力下可上下浮动。

4.  一种利用权利要求1所述的植物纤维浸渍装置进行浸渍的方法，包括以下步骤：
1)将天然植物纤维梳理成条状，得到连续天然植物纤维条(3)；
2)加热熔融浸渍模具(1)到设定温度，保温一段时间；
3)打开熔融浸渍模具(1)，将连续天然植物纤维条(3)，穿过浸渍辊对之间，浸渍辊弹簧(7)使上浸渍辊(6)和下浸渍辊(5)具有一定的压力，提高纤维之间的摩擦力，从而保证连续天然植物纤维条有足够的牵引强度，同时热塑性熔融树脂通过入料口加入到所述熔融浸渍模具(1)，使连续天然植物纤维条与热塑性树脂熔体进行熔融浸渍；
4)将被树脂熔体浸润包裹好的天然植物纤维条(3)通过冷却辊压装置(2)的上压辊(9)和下压辊(10)之间，由压辊弹簧(8)提供压力，实现树脂熔体的冷却以及天然植物纤维的二次分散，得到天然长纤维增强热塑性聚合物预浸渍料。

5.  根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述熔融浸渍模具(1)设定温度为190℃～220℃，优选210℃。

6.  根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述连续天然植物纤维条选自黄麻、苎麻和竹纤维纤维条。

7.  根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述热塑性树脂选自聚烯烃树脂。

8.  一种植物纤维浸渍熔融树脂增强材料，其特征在于，其根据权利要求4-7之一所述的方法制备。

说明书一种植物纤维浸渍装置及方法
技术领域
本发明涉及一种浸渍装置，尤其涉及一种植物纤维浸渍装置；本申请还涉及使用该植物纤维浸渍装置进行天然植物纤维浸渍熔融树脂的方法，以及由该方法得到的植物纤维浸渍熔融树脂增强材料。
背景技术
受到天然纤维形态限制，天然纤维增强热塑性聚合物复合材料主要是短纤维(纤维长度0.2-0.4mm)增强热塑性聚合物复合材料，主要制备工艺是先将初混好的纤维和物料加入密炼机或双螺杆挤出机混合造粒，后经过注塑、挤出或模压工艺成型制品，由于造粒过程纤维受螺杆剪切变短，所得制品强度受到影响，难以满足结构强度需求。
上世纪末，国际复合材料市场涌现了长纤维增强热塑性聚合物，也就是通常说的LFRT(Long Fiber Reinforced Thermoplastic)粒料，其中纤维长度在3-10mm之间，使复合材料的力学性能上了一个台阶。
申请号为201210251939.6的中国专利申请公开了一种天然纤维增强热塑性树脂单向预浸带及其制备方法，其特点是先把天然纤维与热塑性树脂纤维梳理成条状产品，后加热辊压制成天然纤维/热塑性树脂单向预浸带。虽然这种方法实现了长天然纤维预浸渍料的制备，但是该工艺需要先把热塑性树脂加工成纤维状，过程繁琐且要实现天然纤维与树脂纤维的均匀混合具有较大困难。
申请号为201210315906.3的中国专利申请公开了一种连续纤维织物增强热塑性树脂复合材料及其制作方法，该方法是先将天然纤维或无机纤维制成连续纤维织物，后在纤维毡表面淋上熔融塑化好的塑料，经过双带辊压机辊压使树脂浸润纤维毡。虽然该方法能够制备长天然纤维增强热塑性复合材料，但是该工艺需要把天然纤维制成连续纤维织物，而纤维间排布密实，影响树脂对纤维的浸润效果，而且该工艺只适合制备片状产品。
目前，LFRT预浸渍料的工业生产以熔融浸渍法为主。熔融浸渍法是做玻璃纤维增强材料较为常用的一种浸渍方法，通常以热塑性聚合物为基体并采用螺杆挤出机与浸渍装置相连接，聚合物熔体入口流道和长纤维入口通道在同一平面内互相垂直或呈一定角度。其工艺过程是将连续纤维丝束在张力牵引下导入一个浸渍模头，为了提高连续纤维的分散和浸渍效果，一般需在浸渍装置或连续纤维喂料装置内设置张力辊等装置。张力辊按锯齿形排列，连续纤维在蜿蜒绕过这些张力辊时受到张力作用而分散成单丝，从而保证每根纤维都能被热塑性树脂 熔体充分浸润。比如申请号为200910193484.5的中国专利申请公开了一种长纤维增强塑料生产用纤维丝束熔融浸渍模头及浸渍方法，除了锯齿状排布的浸渍辊，该发明特征在于采用具有中高度的接触导丝辊和非接触导丝辊对，强化塑料熔体往纤维丝束的径向流动，减少了纤维单丝的摩擦折损，使连续纤维丝束的熔融浸渍在高浸渍线速度下稳定运行。虽然熔融浸渍方法过程简单，且浸渍效果良好，但是在熔融浸渍制备过程中连续纤维需要上下绕过按锯齿形排列的浸渍辊，纤维需要承受较大的张力，所以目前所公开的熔融浸渍设备多适用于单根纤维为连续、牵引强度较高的纤维丝束熔融浸渍，比如玻璃纤维和碳纤维，而对于单根不连续的天然植物纤维条熔融浸渍，若纤维条不加捻，易产生纤维丝束断裂现象，而加捻后纤维条牵引强度提高，虽然满足了熔融浸渍的要求，可是加捻后纤维密实，浸渍效果差容易出现干丝线现象，所以目前公开的熔融浸渍设备并不适用于天然纤维。
发明内容
本发明的目的主要是克服现有熔融浸渍模具的结构不足，提供一种适用于植物纤维的熔融浸渍设备及浸渍方法。本发明采用以下技术方案：
一种植物纤维浸渍装置，用于天然植物纤维浸渍熔融树脂，其特征在于，包括熔融浸渍模具1和冷却辊压装置2，其中，所述的熔融浸渍模具1包括模腔、入料口和位于模腔内的4至8副浸渍辊对，每副浸渍辊对由上浸渍辊6、下浸渍辊5和浸渍辊弹簧7组成，浸渍辊弹簧7向上浸渍辊6施加一定的弹性压力，从而使得上浸渍辊6与下浸渍辊5之间具有一定的压力；所述的冷却辊压装置2包括2至4副压辊对，每副所述压辊对由上压辊9、和下压辊10和压辊弹簧8组成，压辊弹簧8向上压辊9施加一定的弹性压力，从而使得上压辊9与下压辊10之间具有一定的压力。
其中，所述的上浸渍辊6由上浸渍辊定圈6-1和上浸渍辊动轴6-2组成，下浸渍辊由下浸渍辊定圈5-1和下浸渍辊动轴5-2组成，上浸渍辊6和下浸渍辊5为圆柱形，通过旋转副方式安装于熔融浸渍模具1内，为主动驱动旋转辊或纤维牵引带动旋转辊，上浸渍辊6在浸渍辊弹簧7的弹性压力下可上下浮动。
其中，所述上压辊9由上压辊定圈和上压辊动轴组成，下压辊10由下压辊定圈和下压辊动轴组成，通过旋转副方式安装于冷却辊压装置2内，上压辊9和下压辊10为圆柱形，为主动驱动旋转辊或纤维牵引带动旋转辊，上压辊9在压辊弹簧8的弹性压力下可上下浮动。
本发明还提供一种上述的植物纤维浸渍装置进行浸渍的方法，包括以下步骤：
1)将天然植物纤维梳理成条状，得到连续天然植物纤维条3；
2)加热熔融浸渍模具1到设定温度，保温一段时间；
3)打开熔融浸渍模具1，将连续天然植物纤维条3，穿过几副浸渍辊对之间，每个浸渍辊对上的浸渍辊弹簧7使上、下两浸渍辊具有一定的压力，提高纤维之间的摩擦力，从而保证连续天然植物纤维条有足够的牵引强度，同时热塑性熔融树脂通过入料口加入到所述熔融浸渍模具1，使连续天然植物纤维条与热塑性树脂熔体进行熔融浸渍；
4)将被树脂熔体浸润包裹好的天然植物纤维条3通过冷却辊压装置2的上压辊9和下压辊10之间，由压辊弹簧8提供压力，实现树脂熔体的冷却以及天然植物纤维的二次分散，得到天然长纤维增强热塑性聚合物预浸渍料。
其中，所述熔融浸渍模具1设定温度为190℃～220℃，优选210℃。
其中，所述连续天然植物纤维条选自黄麻、苎麻、竹纤维等纤维条。
其中，所述热塑性树脂选自聚烯烃树脂。
本发明还涉及一种植物纤维浸渍熔融树脂增强材料，其特征在于，其根据上述的方法制备。
与现有技术相比较，本发明具有以下优点：
本发明实现了在不加捻情况下对天然纤维条的熔融浸渍，既保证了天然纤维蓬松的状态，有利于高粘度熔融树脂对纤维的浸润，同时特殊的熔融浸渍模具设计又提供了天然纤维条承受熔融浸渍过程较大张力的要求；
传统的熔融浸渍模具一般是连续纤维束在通过几个成角度排列的张力辊后得到一定的张力，使纤维束在张力作用向两边扩展，但是纤维只是单面受压，得到单侧浸渍。而本发明的熔融浸渍模具内的浸渍辊成对存在，纤维条的张力是通过弹簧施加压力得到，且可通过更换弹簧施加不同的纤维张力，纤维束在通过浸渍辊对时是双面受压，两侧同时浸渍；
本发明的冷却辊压装置，不仅使熔融树脂在出模具口后迅速凝固，使浸渍好的天然纤维条获得足够的牵引强度，也可将热塑性树脂进一步挤压入纤维条内，使纤维和热塑性树脂达到致密结合，从而大大提高纤维条的浸渍效果。
附图说明
图1为本发明的天然植物纤维增强热塑性树脂熔融浸渍设备；
图2为下浸渍辊结构图；
图3为上浸渍辊结构图。
其中，1-熔融浸渍模具、2-冷却辊压装置、3-连续天然纤维条(未加捻或少加捻)，4-入料口、5-下浸渍辊、6-上浸渍辊、7-浸渍辊弹簧、8-压辊弹簧、9-上压辊、10-下压辊、1-1U形槽、5-1下浸渍辊定圈、5-2下浸渍辊动轴、6-1上浸渍辊定圈、6-2上浸渍辊动轴。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。
实施例1
如图1和图2所示，天然植物纤维浸渍熔融树脂采用如下装置：包括熔融浸渍模具1和冷却辊压装置2，其中，所述的熔融浸渍模具1包括模腔、入料口和位于模腔内的4至8副浸渍辊对，浸渍辊对安装于模具的U型槽1-1内，每副浸渍辊对由上浸渍辊6、下浸渍辊5和浸渍辊弹簧7组成，上浸渍辊6由上浸渍辊定圈6-1和上浸渍辊动轴6-2组成，下浸渍辊由下浸渍辊定圈5-1和下浸渍辊动轴5-2组成，上浸渍辊6和下浸渍辊5为圆柱形，通过旋转副方式安装于熔融浸渍模具1内，为主动驱动旋转辊或纤维牵引带动旋转辊。上浸渍辊6两端的上浸渍辊定圈6-1分别与浸渍辊弹簧7接触，浸渍辊弹簧7向上浸渍辊6施加一定的弹性压力，上浸渍辊6在浸渍辊弹簧7的弹性压力下可上下浮动从而使得上浸渍辊6与下浸渍辊5之间具有一定的压力。
所述的冷却辊压装置2包括2至4副压辊对，每副所述压辊对由上压辊9和下压辊10和压辊弹簧8组成，上压辊9由上压辊定圈和上压辊动轴(图中未示出)组成，下压辊9由下压辊定圈和下压辊动轴(图中未示出)组成，上压辊9和下压辊10通过旋转副方式安装于冷却辊压装置2内，上压辊9和下压辊10为圆柱形，为主动驱动旋转辊或纤维牵引带动旋转辊。上压辊9两端的上压辊定圈分别与压辊弹簧8接触，压辊弹簧8向上压辊9施加一定的弹性压力，上压辊9在压辊弹簧8的弹性压力下可上下浮动，从而使得上压辊9与下压辊10之间具有一定的压力。熔融浸渍模具1的出料口4通过连接部件与挤出机喷嘴相连(图中未示出)，通过该出料口将熔融树脂注入熔融浸渍模具1的模腔内。
浸渍辊和压辊直径、水平间距等参数可根据浸渍纤维的厚度、强度进行调节，本实施例设定浸渍辊直径8mm，浸渍辊对间距80mm，压辊直径8mm，压辊对水平间距80mm，第一个压辊对与熔融浸渍模具1出口距离20mm。
将连续黄麻纤维梳理成条状，得到连续黄麻纤维条；
加热熔融浸渍模具1到210℃，保温一段时间；
打开熔融浸渍模具1，将连续黄麻纤维条穿过几副下浸渍辊5和上浸渍辊6之间，浸渍辊弹簧7使上下两浸渍辊具有一定的压力以提高纤维之间的摩擦力，从而提高天然纤维条的牵引强度，同时将塑化好的高密度聚乙烯熔融树脂由入料口4加入到所述熔融浸渍模具1，使连续天然纤维条与热塑性树脂熔体进行熔融浸渍；
将被高密度聚乙烯熔融树脂浸润包裹好的连续黄麻纤维条通过冷却辊压装置2的上压辊9和下压辊10之间，由压辊弹簧8提供压力，实现高密度聚乙烯熔融树脂的冷却以及连续黄 麻纤维条的二次分散，得到高密度聚乙烯增强黄麻纤维预浸渍料。
所制备的复合材料黄麻纤维含量为45％，长黄麻纤维增强高密度聚乙烯的拉伸强度为101.7MPa(按GB/T 1040-2006标准测试，10mm/min)，弯曲强度为141.3MPa(按GB/T9341-2000标准测试，10mm/min)。
实施例2
本实施例采用的装置同实施例1。
将连续黄麻纤维梳理成条状，得到连续黄麻纤维条；
加热熔融浸渍模具1到200℃，保温一段时间；
打开熔融浸渍模具1，将连续黄麻纤维条穿过几副下浸渍辊5和上浸渍辊6之间，浸渍辊弹簧7使上下两浸渍辊具有一定的压力以提高纤维之间的摩擦力，从而提高天然纤维条的牵引强度，同时将塑化好的低密度聚乙烯熔融树脂由入料口4加入到所述熔融浸渍模具1，使连续天然纤维条与热塑性树脂熔体进行熔融浸渍；
将被低密度聚乙烯熔融树脂浸润包裹好的连续黄麻纤维条通过冷却辊压装置2的上压辊9和下压辊10之间，由压辊弹簧8提供压力，实现低密度聚乙烯熔融树脂的冷却以及连续黄麻纤维条的二次分散，得到低密度聚乙烯增强黄麻纤维预浸渍料。
所制备的复合材料黄麻纤维质量含量为45％，连续黄麻纤维增强低密度聚乙烯的拉伸强度为95.8MPa(按GB/T 1040-2006标准测试，10mm/min)，弯曲强度为135.7MPa(按GB/T9341-2000标准测试，10mm/min)。
实施例3
本实施例采用的装置同实施例1。
将连续苎麻纤维梳理成条状，得到连续苎麻纤维条；
加热熔融浸渍模具1到210℃，保温一段时间；
打开熔融浸渍模具1，将连续苎麻纤维条穿过几副下浸渍辊5和上浸渍辊6之间，浸渍辊弹簧7使上下两浸渍辊具有一定的压力以提高纤维之间的摩擦力，从而提高天然纤维条的牵引强度，同时将塑化好的高密度聚乙烯熔融树脂由入料口4加入到所述熔融浸渍模具1，使连续天然纤维条与热塑性树脂熔体进行熔融浸渍；
将被高密度聚乙烯熔融树脂浸润包裹好的连续苎麻纤维条通过冷却辊压装置2的上压辊9和下压辊10之间，由压辊弹簧8提供压力，实现高密度聚乙烯熔融树脂的冷却以及连续苎麻纤维条的二次分散，得到高密度聚乙烯增强苎麻纤维预浸渍料。
所制备的复合材料苎麻纤维质量含量为40％，连续苎麻纤维增强高密度聚乙烯的拉伸强度为105.6MPa(按GB/T 1040-2006标准测试，10mm/min)，弯曲强度为144.3MPa(按 GB/T9341-2000标准测试，10mm/min)。
本领域技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。