專利名稱：攪拌－噴動流化床及其在制備纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種流化床以及通過該流化床制備纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的方法。
纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(Glass Mat Reinforced Thermoplastic)，簡稱GMT，是一種以熱塑性樹脂為基體，以長纖維或連續(xù)纖維為增強(qiáng)物的復(fù)合材料。用不同類型的纖維和熱塑性樹脂基體，可以組成多種多樣的GMT材料。由于聚丙烯具有很好的性能價格比，因此是一種應(yīng)用最廣泛的熱塑性基體。
目前國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)出多種GMT片材制備方法，且已經(jīng)工業(yè)化，如美國專利(U.S Patent 3 684 645(1969)，Temple，C.S.，Matthews，J.R.)所公開的熔融浸漬法和(U.S Patent 4 481 075(1984)，Dailly，C.，Gomez，D.)所披露的漿態(tài)浸漬法，另外還有(U.S Patent 3 742 106(1973).Price，R.V)所揭示的流化床粉術(shù)浸漬法等。
熔融浸漬工藝是將二層玻纖氈壓合在三層熱塑性樹脂中，當(dāng)中是熔融的熱塑性樹脂，最外層可以是薄膜，也可以是熔融的樹脂，將該夾層結(jié)構(gòu)送入雙鋼帶壓機(jī)，在高于樹脂熔融的溫度條件下加壓然后冷卻，最后裁割。一般而言，只有當(dāng)復(fù)合材料基體對增強(qiáng)介質(zhì)充分浸漬并且基體和增強(qiáng)介質(zhì)之間形成較好的界面結(jié)合以后，才能充分利用玻璃纖維高強(qiáng)度、高模量的物理特性，達(dá)到纖維增強(qiáng)的效果。此法的關(guān)鍵參數(shù)是熔體對玻璃纖維氈的浸漬速率，由于熱塑性樹脂熔體的高粘度以及玻璃纖維氈復(fù)雜致密的幾何結(jié)構(gòu)，完成熔體對玻璃纖維氈的浸漬過程，需要較長的浸漬時間和較高的浸漬壓力。即使如此，樹脂熔體還很難達(dá)到纖維束內(nèi)浸漬。
漿態(tài)浸漬工藝是在造紙機(jī)械的基礎(chǔ)上開發(fā)的，把長度在6～25mm之間的玻璃纖維分散在水中，加入樹脂粉末和一種乳液，這些組分懸浮于水中，加入絮凝劑后，使粉末和乳液凝結(jié)，在液壓成屏篩上分離出來，形成的氈在高于樹脂熔融的溫度下壓緊，制得GMT片材。該方法由于操作中加入大量的化學(xué)助劑，很難將其完全除盡，殘留在玻璃纖維上的助劑會降低基體與纖維之間的界面結(jié)合強(qiáng)度。同時此工藝還存在廢水回收和凈化的問題。
流化床粉末浸漬法是將玻璃纖維束分散后通過一流化床，樹脂粉末由于靜電吸附的作用而附著在玻璃纖維表面，然后通過加熱或同種聚合物薄膜包覆的方法制成預(yù)浸帶，最后將這種預(yù)浸帶編織并送入雙鋼帶壓機(jī)或平板壓機(jī)預(yù)熱壓制成片材。該方法設(shè)備復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。
因此提供一種新的設(shè)備以及新的制備GMT的方法，是人們所十分期望的。
本發(fā)明的目的之一在于公開一種具有攪拌-噴動結(jié)構(gòu)的流化床，以克服現(xiàn)有設(shè)備工藝復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的缺陷；本發(fā)明的目的之二在于提供一種采用上述流化床生產(chǎn)纖維增強(qiáng)復(fù)熱塑性復(fù)合材料的方法。該方法流程簡單、能夠使聚合物基體與纖維實(shí)現(xiàn)充分的浸漬和界面結(jié)合、無污染、易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思是這樣的采用一個具有攪拌-噴動結(jié)構(gòu)的流化床，以空氣為流化介質(zhì)，在流化床中通過流化和攪拌實(shí)現(xiàn)聚合物基體與纖維的充分混合，并將纖維束分散為吸附了聚合物基體的單絲，既可以解決通常熱塑性復(fù)合材料制備中在浸漬上的難題，又可避免濕法中經(jīng)常出現(xiàn)的廢水污染環(huán)境的缺陷。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案本發(fā)明所說的流化床包括一個底部設(shè)有錐形氣體分布裝置、上部設(shè)有氣體和物料出口的圓柱形筒體；一個通過固定件與圓柱形筒體內(nèi)壁相固接的、并與圓柱形筒體同軸的導(dǎo)流管；一個設(shè)置在導(dǎo)流管內(nèi)與導(dǎo)流管同軸的、并與圓柱形筒體頂部的動力裝置相連接的攪拌裝置；一個設(shè)置在錐形氣體分布裝置錐部的流化氣和噴動氣入口裝置。
為了能夠更清楚地表達(dá)本發(fā)明的內(nèi)容，以下將通過附圖進(jìn)行詳細(xì)說明。
圖1為攪拌-噴動流化床的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為圖1中的A—A向示意圖。
圖3為導(dǎo)流管內(nèi)流化氣和噴動氣操作范圍圖。
由圖1和圖2可見，本發(fā)明所說的流化床包括一個底部設(shè)有錐形氣體分布裝置、上部設(shè)有氣體和物料出口10的圓柱形筒體8，所說的錐形氣體分布裝置由一個錐形的殼體3和一個具有流化氣分布孔11的內(nèi)層4構(gòu)成，內(nèi)層4與殼體3之間形成一個錐形環(huán)隙12；一個與錐形殼體3錐部相連接的、由外管13和內(nèi)管14構(gòu)成的流化氣和噴動氣入口裝置，外管13與錐形殼體3相連接，內(nèi)管14與內(nèi)層4相連接，內(nèi)管14與外管13之間形成一個與錐形環(huán)隙12相連通的直管環(huán)隙15，外管13設(shè)有流化氣入口2，內(nèi)管14設(shè)有噴動氣與物料入口1；一個通過固定件5與圓柱形筒體8內(nèi)壁相固接的、并與圓柱形筒體8同軸的導(dǎo)流管6，筒體8與導(dǎo)流管6之間為環(huán)隙區(qū)16，導(dǎo)流管6與圓柱形筒體8內(nèi)徑的取值將直接影響流化床內(nèi)氣體的走向，因此，導(dǎo)流管6與圓柱形筒體8內(nèi)徑比值以0.2～0.6為好，優(yōu)選范圍為0.3～0.6；一個設(shè)置在導(dǎo)流管6內(nèi)與導(dǎo)流管6同軸的、并與圓柱形筒體8頂部的動力裝置9相連接的攪拌裝置7，可優(yōu)選鋸齒形攪拌槳。
上述的攪拌-噴動流化床可用于制備纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料，制備方法如下所述預(yù)先混好的纖維束與聚合物基體粉術(shù)以及噴動氣由物料入口1通過內(nèi)管14噴入流化床；流化氣由流化氣入口2進(jìn)入直管環(huán)隙15，然后由錐形環(huán)隙12通過分布孔11進(jìn)入床層，使床層四周形成流態(tài)化層，相當(dāng)于使原有噴動床的環(huán)形區(qū)產(chǎn)生流態(tài)化作用，同時又可形成有規(guī)律的循環(huán)運(yùn)動；纖維束與聚合物基體粉末在噴射氣流夾帶下沿導(dǎo)流管6上升，經(jīng)過與攪拌裝置7的高速剪切碰撞，一部分分散成單絲，與聚合物基體粉末一起從出口10導(dǎo)出，另一部分未分散的纖維束從環(huán)隙區(qū)16沉降至流化床底部，在噴射氣流的作用下，再次沿導(dǎo)流管6上升；導(dǎo)出的物料通過擴(kuò)口收集器(圖上未表示)，收集吸附了聚合物基體粉末的絮狀單絲物送入雙鋼帶壓機(jī)，采用本領(lǐng)域公知的技術(shù)壓制成GMT片材。
所說的噴動氣和流化氣可優(yōu)選空氣，為使已分散為單絲的纖維束能夠順利地從出口10導(dǎo)出，而未分散的纖維束從環(huán)隙區(qū)16沉降下來參與內(nèi)循環(huán)，并使基體與纖維束在床層內(nèi)始終處于良好的流化狀態(tài)，應(yīng)對噴動氣與流化氣的總量及其相對量進(jìn)行控制，為此，發(fā)明人進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，確定了如下所述的操作條件(1)噴動氣的空速應(yīng)大于0.36m/s，優(yōu)選的為0.65±0.2m/s；(2)流化氣的空速應(yīng)大于0.06m/s，優(yōu)選的為0.32±0.15m/s；(3)噴動氣的空速與流化氣的空速之和應(yīng)小于1.5m/s。
也可用如下的方程組表示噴動氣的空速＞0.36m/s流化氣的空速＞0.06m/s噴動氣的空速＋流化氣的空速＜1.5m/s。
噴動氣的空速指的是噴動氣量/筒體8的橫截面積；流化氣的空速指的是流化氣量/筒體8的橫截面積；圖3十分明確地表示了噴動氣的空速與流化氣的空速的關(guān)系，圖中的陰影區(qū)即為噴動氣與流化氣的操作區(qū)域。
本發(fā)明所說的纖維束包括碳纖維束、硼纖維束、氧化鋁纖維束、玻璃纖維束、木纖維束、Kevlar纖維束或其混合物，可優(yōu)選玻璃纖維束；所說的聚合物基體粉術(shù)包括聚丙烯、聚乙烯、尼龍、聚酯、聚氯乙烯或ABS，或其與云母、碳酸鈣、滑石粉、高嶺土或空心玻璃微珠的混合物，優(yōu)選基體為聚丙烯。
纖維束與基體混合物中纖維束含量為10～50％wt，優(yōu)選25～40％wt。
噴動氣最好預(yù)熱至20-300℃，然后攜帶纖維束與基體進(jìn)入流化床；流化氣也最好預(yù)熱至20-300℃，然后進(jìn)入流化床。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有纖維單絲與基體的界面充分浸漬、流程簡單、設(shè)備投資小、能耗低、無污染且易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。采用本領(lǐng)域公知的技術(shù)壓制成GMT片材后，經(jīng)過測試，該GMT片的拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量和沖擊強(qiáng)度等機(jī)械性能均十分優(yōu)異。以下通過實(shí)施例對本發(fā)明的有關(guān)內(nèi)容作進(jìn)一步的說明。
實(shí)施例1導(dǎo)流管6與圓柱形筒體8內(nèi)徑比值為0.34。
原料聚丙烯粉末(60目～80目)，短切玻纖束(4毫米長，500根單絲/束)，纖維含量35±4wt％。
噴動氣空速0.74m/s，流化氣空速0.38m/s，攪拌槳轉(zhuǎn)速300rpm。
收集流化床出口10導(dǎo)出的吸附了聚丙烯粉末的絮狀短切玻纖物送入雙鋼帶壓機(jī)，采用本領(lǐng)域公知的技術(shù)壓制成厚度3.5±0.2mm的GMT片材，經(jīng)測試，拉伸強(qiáng)度72Mpa，拉伸模量4100Mpa，彎曲強(qiáng)度128Mpa，彎曲模量4620Mpa，沖擊強(qiáng)度680J/m。
實(shí)施例2采用與實(shí)施例1相同的設(shè)備。
原料聚丙烯粉末(60目～80目)，短切玻纖束(4毫米長，500根單絲/束)，纖維含量35±4wt％。
噴動氣空速0.5m/s，流化氣空速0.9m/s，攪拌槳轉(zhuǎn)速300rpm。
收集流化床出口10導(dǎo)出的吸附了聚丙烯粉術(shù)的絮狀短切玻纖物送入雙鋼帶壓機(jī)，采用本領(lǐng)域公知的技術(shù)壓制成厚度3.5±0.2mm的GMT片材。拉伸強(qiáng)度45Mpa，拉伸模量2900Mpa，彎曲強(qiáng)度92Mpa，彎曲模量3100Mpa，沖擊強(qiáng)度580J/m。
實(shí)施例3采用與實(shí)施例1相同的設(shè)備。
原料尼龍粉末(60目～80目)，短切玻纖束(4毫米長，500根單絲/束)，纖維含量30±4wt％。
噴動氣空速0.79m/s，流化氣空速0.43m/s，攪拌槳轉(zhuǎn)速300rpm。
收集流化床出口10導(dǎo)出的吸附了尼龍粉末的絮狀短切玻纖物送入雙鋼帶壓機(jī)，采用本領(lǐng)域公知的技術(shù)壓制成厚度3.5±0.2mm的GMT片材。拉伸強(qiáng)度74Mpa，拉伸模量6900Mpa，彎曲強(qiáng)度124Mpa，彎曲模量6900Mpa，沖擊強(qiáng)度525J/m。
實(shí)施例4采用與實(shí)施例1相同的設(shè)備。
原料聚酯粉末(60目～80目)，短切玻纖束(4毫米長，500根單絲/束)，纖維含量30±4wt％。
噴動氣空速0.79m/s，流化氣空速0.43m/s和攪拌槳轉(zhuǎn)速300rpm。
收集流化床出口10導(dǎo)出的吸附了尼龍粉末的絮狀短切玻纖物送入雙鋼帶壓機(jī)，采用本領(lǐng)域公知的技術(shù)壓制成厚度3.5±0.2mm的GMT片材。拉伸強(qiáng)度95Mpa，拉伸模量7800Mpa，彎曲強(qiáng)度183Mpa，彎曲模量8200Mpa，沖擊強(qiáng)度654J/m。
實(shí)施例5采用與實(shí)施例1相同的設(shè)備。
原料聚丙烯粉末(60目～80目)，短切玻纖束(4毫米長，500根單絲/束)，纖維含量30±4wt％，云母含量28±2wt％，云母粉(100目)。
噴動氣空速0.74m/s，流化氣空速0.38m/s，攪拌槳轉(zhuǎn)速300rpm。
收集流化床出口10導(dǎo)出的絮狀物送入雙鋼帶壓機(jī)，采用本領(lǐng)域公知的技術(shù)壓制成厚度3.5±0.2mm的GMT片材。拉伸強(qiáng)度82.7Mpa，拉伸模量6313Mpa，彎曲強(qiáng)度148.3Mpa，彎曲模量8200Mpa，沖擊強(qiáng)度574J/m。
實(shí)施例6采用與實(shí)施例1相同的設(shè)備。
原料聚丙烯粉末(60目～80目)，短切玻纖束(4毫米長，500根單絲/束)，木粉(40目)，纖維含量30±4wt％，木粉含量14±2wt％。
噴動氣空速0.74m/s，流化氣空速0.38m/s，攪拌槳轉(zhuǎn)速300rpm。
收集流化床出口10導(dǎo)出的絮狀物送入雙鋼帶壓機(jī)，采用本領(lǐng)域公知的技術(shù)壓制成厚度3.5±0.2mm的GMT片材。拉伸強(qiáng)度71.68Mpa，拉伸模量4471Mpa，彎曲強(qiáng)度108.62Mpa，彎曲模量3907Mpa，沖擊強(qiáng)度733J/m。
權(quán)利要求
1.一種攪拌-噴動流化床，其特征在于，該流化床包括一個底部設(shè)有錐形氣體分布裝置、上部設(shè)有氣體和物料出口(10)的圓柱形筒體(8)，所說的錐形氣體分布裝置由一個錐形的殼體(3)和一個具有流化分布孔(11)的內(nèi)層(4)構(gòu)成，內(nèi)層(4)與殼體(3)之間形成一個錐形環(huán)隙(12)；一個與錐形殼體(3)錐部相連接的、由外管(13)和內(nèi)管(14)構(gòu)成的流化氣和噴動氣入口裝置，外管(13)與錐形殼體(3)相連接，內(nèi)管(14)與內(nèi)層(4)相連接，內(nèi)管(14)與外管(13)之間形成一個與錐形環(huán)隙(12)相連通的直管環(huán)隙(15)，外管(13)設(shè)有流化氣入口(2)，內(nèi)管(14)設(shè)有噴動氣與物料入口(1)；一個通過固定件(5)與圓柱形筒體(8)內(nèi)壁相固接的、并與圓柱形筒體(8)同軸的導(dǎo)流管(6)，筒體(8)與導(dǎo)流管(6)之間為環(huán)隙區(qū)(16)，導(dǎo)流管(6)與圓柱形筒體(8)內(nèi)徑比值為0.2～0.6；一個設(shè)置在導(dǎo)流管(6)內(nèi)與導(dǎo)流管(6)同軸的、并與圓柱形筒體(8)頂部的動力裝置(9)相連接的攪拌裝置(7)。
2.如權(quán)利要求1所述的流化床，其特征在于，導(dǎo)流管(6)與圓柱形筒體(8)內(nèi)徑比值為0.3～0.6。
3.如權(quán)利要求1所述的流化床，其特征在于，攪拌裝置(7)采用鋸齒形攪拌槳。
4.如權(quán)利1～3任一所述的攪拌-噴動流化床的應(yīng)用，其特征在于，可用于制備纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料。
5.如權(quán)利4所述的應(yīng)用，其特征在于，預(yù)先混好的纖維束與聚合物基體粉末以及噴動氣由物料入口(1)通過內(nèi)管(14)噴入流化床，流化氣由流化氣入口(2)進(jìn)入流化床，吸附了聚合物基體粉末的纖維單絲從出口(10)導(dǎo)出，采用公知的技術(shù)壓制成GMT片材。
6.如權(quán)利要求5所述的應(yīng)用，其特征在于，在導(dǎo)流管(6)內(nèi)，噴動氣的空速和流化氣的空速為(1)噴動氣的空速大于0.36m/s；(2)流化氣的空速大于0.06m/s；(3)噴動氣的空速與流化氣的空速之和小于1.5m/s。
7.如權(quán)利要求6所述的應(yīng)用，其特征在于噴動氣的空速為0.65±0.1m/s，流化氣的空速為0.32±0.1m/s。
8.如權(quán)利要求5所述的應(yīng)用，其特征在于，所說的纖維束包括碳纖維束、硼纖維束、氧化鋁纖維束、玻璃纖維束、木纖維束、Kevlar纖維束或其混合物；所說的聚合物基體粉末包括聚丙烯、聚乙烯、尼龍、聚酯、聚氯乙烯或ABS，或其與云母、碳酸鈣、滑石粉、高嶺土或空心玻璃微珠的混合物，纖維束與基體混合物中纖維束含量為10～50％wt。
9.如權(quán)利要求8所述的應(yīng)用，其特征在于，纖維束與基體混合物中纖維束含量為25～40％wt。
10.如權(quán)利要求5～9任一所述的應(yīng)用，其特征在于，噴動氣和流化氣預(yù)熱至20-300℃。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種攪拌－噴動流化床及其在制備纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的應(yīng)用。采用一個具有攪拌－噴動結(jié)構(gòu)的流化床,以空氣為流化介質(zhì),在流化床中通過流化和攪拌實(shí)現(xiàn)聚合物基體與纖維的充分混合,并將纖維束分散為吸附了聚合物基體的單絲,具有纖維單絲與基體界面充分浸漬、流程簡單、設(shè)備投資小、能耗低、無污染且易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。壓制成GMT片材后,該GMT片的機(jī)械性能十分優(yōu)異。
文檔編號B29B15/10GK1327905SQ0111294
公開日2001年12月26日 申請日期2001年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月22日
發(fā)明者戴干策, 黃進(jìn), 孫斌, 周曉東, 潘敏 申請人:華東理工大學(xué)