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CN103687705A - 用于浸渍纤维粗纱的具有张力调节装置的浸渍部分和方法 - Google Patents

用于浸渍纤维粗纱的具有张力调节装置的浸渍部分和方法 Download PDF

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CN103687705A
CN103687705A CN201280021300.7A CN201280021300A CN103687705A CN 103687705 A CN103687705 A CN 103687705A CN 201280021300 A CN201280021300 A CN 201280021300A CN 103687705 A CN103687705 A CN 103687705A
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impregnation
roving
rovings
resin
zone
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CN201280021300.7A
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A·H·约翰逊
D·W·伊斯特普
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Ticona LLC
Original Assignee
Ticona LLC
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Abstract

公开了一种用聚合物树脂浸渍至少一根纤维粗纱的模具(150)的浸渍部分和方法。浸渍部分包括配置成用树脂浸渍粗纱的浸渍区(250)。浸渍区(250)包括多个接触表面(252)。浸渍部分还包括沿粗纱的行进方向位于浸渍区(250)的上游的装置(300)。装置(300)被配置成减少粗纱中的张力。该方法还包括拉紧纤维粗纱，减少在粗纱中的张力，用聚合物树脂涂覆粗纱以及使被涂覆的粗纱横穿过浸渍区(250)以用树脂浸渍粗纱。

Description

用于浸渍纤维粗纱的具有张力调节装置的浸渍部分和方法
技术领域
本申请要求2011年4月29日递交的美国临时申请No.61/480,508的权益，并且由此引用并入本文。
背景技术
纤维粗纱已广泛用于多种应用。例如，已利用该粗纱形成纤维增强复合棒。该棒可用作轻质结构加强件。例如，电力脐带缆经常用于在海洋表面和位于海床上的设备之间的流体和/或电信号的传送。为了增强这种脐带缆，已尝试使用拉挤碳纤维棒作为单独的负荷承载元件。
特别适合使用纤维粗纱的另一应用是形成型材。型材是具有多种横截面形状的拉挤部件，可用作窗线、甲板、栏杆、栏杆柱、屋瓦、板壁、装饰板、管、围栏、柱、轻质柱、公路标志、路边标志柱等的结构件。已通过将连续纤维粗纱牵引(“拉挤”)通过树脂，然后在拉挤成型模具内成形纤维增强树脂来形成中空型材。
此外，纤维粗纱可通常用于任何合适的应用来形成例如合适的纤维增强塑料。如本领域通常已知的，在这些申请中利用的粗纱典型地与聚合物树脂结合。
然而使用目前已知的粗纱和利用该粗纱的最终应用存在许多显著问题。例如，许多粗纱依靠热固性树脂(例如乙烯基酯)来帮助获得期望的强度性质。热固性树脂难以在制造中使用并且对于与其他材料形成层不具有良好的粘结特性。此外，已尝试在其它类型的应用中由热塑性聚合物形成粗纱。例如，Bryant等人的美国专利公开号2005/0186410描述了已尝试将碳纤维埋入热塑性树脂来形成电传输电缆的复合芯。令人遗憾地，Bryant等人指出由于纤维的不充分浸润，这些芯显示出瑕疵和干斑，其导致差的耐用性和强度。用这样的芯的另一个问题是热塑性树脂不能在高温操作。
因而，目前存在对浸渍纤维粗纱的改进的模具浸渍部分和方法的需求。特别地，目前存在对制造纤维粗纱的浸渍部分和方法的需求，其提供特殊应用所需要的期望的强度、耐久性和温度性能。
发明内容
根据本发明的一个实施例，公开了一种用聚合物树脂浸渍至少一根纤维粗纱的模具的浸渍部分。该浸渍部分包括被配置成用树脂浸渍粗纱的浸渍区。浸渍区包括多个接触表面。浸渍部分还包括沿粗纱的行进方向位于浸渍区上游的装置。该装置被配置成降低粗纱中的张力。
根据本发明的另一个实施例，公开了一种用聚合物树脂浸渍至少一根纤维粗纱的方法。该方法包括拉紧纤维粗纱，减少粗纱中的张力，用聚合物树脂涂覆粗纱和使被涂覆的粗纱横穿过浸渍区以用树脂浸渍粗纱。浸渍区包括多个接触表面。
以下将更详细地阐述本发明的其它特征和方面。
附图说明
在说明书的其余部分，包括参考附图，更具体地说明本发明的完整和能够实现的公开内容，包括对本领域技术人员而言的最佳方式，其中：
图1是用于本发明的浸渍系统的一个实施例的示意图；
图2是用于本发明的模具的一个实施例的透视图
图3是用于本发明的模具的一个实施例的反向透视图；
图4是在图2中所示的模具的一个实施例的横截面图；
图5是在图2中所示的模具的另一个实施例的横截面图实施例；
图6是在图2中所示的模具的另一个实施例的横截面图实施例；
图7是在本发明中可采用的模具的歧管组件和浇道的一个实施例的分解图；
图8是在本发明中可采用的歧管组件的一个实施例的平面图；
图9是在本发明中可采用的歧管组件的另一个实施例的平面图；
图10是在本发明中可采用的歧管组件的另一个实施例的平面图；
图11是在本发明中可采用的歧管组件的另一个实施例的平面图；
图12是在本发明中可采用的歧管组件的另一个实施例的平面图；
图13在本发明中可采用的歧管组件的另一个实施例的平面图实施例；
图14是在本发明中可采用的至少部分地限定浸渍部分的板的一个实施例的透视图；
图15在本发明中可采用的一部分浸渍部分的一个实施例的放大横截面图；
图16是在本发明中可采用的一部分浸渍部分的另一个实施例的放大横截面图；
图17是在本发明中可采用的一部分浸渍部分的另一个实施例的放大横截面图；
图18是在本发明中可采用的一部分浸渍部分的另一个实施例的放大横截面图；
图19是在本发明中可采用的平直区的一个实施例的透视图；
图20是在本发明中可采用的平直区的另一个实施例的透视图；
图21是用于本发明的压实的带状物的一个实施例的透视图；和
图22是用于本发明的压实的带状物的另一个实施例的横截面图。
在本说明书和附图中参考标记的重复使用是用来表示本发明的相同或类似的特征或元件。
具体实施方式
本领域普通技术人员应当理解，目前的讨论仅仅是对示例性实施例的描述，并非意为限制本发明的更宽方面。
总体而言，本发明涉及用于用聚合物树脂浸渍纤维粗纱的模具的浸渍部分和方法。浸渍的纤维粗纱可用于复合棒，型材或任何其它合适的纤维补强的塑料应用。浸渍部分通常包括被配置成用树脂浸渍粗纱的浸渍区。因此，浸渍区包括多个接触表面。当粗纱横过接触表面时被树脂浸渍。此外，浸渍部分包括至少一个被配置成调节粗纱张力的装置。因此通常所述装置为张力调节装置，如多个辊。例如，在示例性实施例中，装置可在粗纱进入浸渍区前减少粗纱中的张力，这使得更好地浸渍粗纱。此外，第二装置可增加浸渍区内或在粗纱离开浸渍区之后粗纱中的张力。因此，张力装置可改善用树脂浸渍粗纱。
根据本发明的另一个方面，挤出装置可以与模具结合使用以用聚合物浸渍粗纱。此外，如下所述，挤出装置进一步促进将应用于纤维的整个表面的聚合物的能力。
参见图1，显示了该挤出装置的一个实施例。更具体地说，该装置包括含有安装在机筒122内部的螺杆轴124的挤出机120。加热器130(例如电阻加热器)安装在机筒122外侧。在使用时，将聚合物原料127通过进料斗126提供给挤出机120。将进料127通过螺杆轴124输送到机筒122内部以及通过机筒122内部的摩擦力和加热器130加热所述进料。当受热时，进料127通过机筒法兰128离开机筒122，并进入浸渍模具150的模具法兰132。
一根连续的纤维粗纱142或者多根连续的纤维粗纱142可从一个或多个卷轴144供给至模具150。可将粗纱142在提供浸渍之前分散开，并且可垂直地、水平地或者以任何合适的角度提供。在提供之后，粗纱142可大致并排地设置，在浸渍之前，相邻的粗纱间的距离最小至没有距离。原料127可通过安装在模具150中或者围绕模具150安装的加热器133进一步在模具内被加热。模具通常在足以使得和/或保持聚合物合适的熔融温度下操作，由此容许所希望水平的聚合物浸渍粗纱。典型地，模具的操作温度高于聚合物的熔融温度，例如温度在大约200℃到大约450℃之间。当以这样的方式进行处理时，连续的纤维粗纱142变成埋入在聚合物基体中，该基体可以是从原料127加工而成的树脂214(图4至图6)。然后混合物可离开浸渍模具150，作为浸润的复合物或挤出物152。
这里使用的术语“粗纱”通常指单根纤维构成的束。包含在粗纱中的纤维可以是加捻的或者直的。粗纱可包含单一纤维类型的纤维或者不同类型的纤维。不同纤维也可包含在单根粗纱中，或者，可替换地，每一根粗纱可包含不同纤维类型。在粗纱中使用的连续纤维相对于它们的质量而言拥有高度的抗拉强度。例如，纤维的极限抗拉强度典型的为约1,000-约15,000兆帕(“MPa”)，在一些实施例中为约2,000Mpa-约10,000MPa，以及在一些实施例中为约3,000Mpa-约6,000MPa。该抗拉强度可甚至通过相对轻的纤维来实现，例如每单位长度的质量为约0.05-约2克/米，在一些实施例中，为约0.4-约1.5克/米。抗拉强度与每单位长度的质量之比可因此为约1,000兆帕/克/米(“MPa/g/m”)或者更大，在一些实施例中，为约4,000MPa/g/m或者更大，以及在一些实施例中，为约5,500-约20,000MPa/g/m。该高强度纤维可例如是金属纤维，玻璃纤维(例如，E-玻璃、A-玻璃、C-玻璃、D-玻璃、AR-玻璃、R-玻璃、S1-玻璃、S2-玻璃等)，碳纤维(例如，无定形碳、石墨碳，或者金属镀层碳等)，硼纤维，陶瓷纤维(例如，矾土或者硅土)，芳族聚酰胺纤维(例如，由E.I.DuPont deNemours，Wilmington，Del.出售的
Figure BPA0000183108120000051
)，合成有机纤维(例如聚酰胺，聚乙烯，对亚苯基，对苯二甲酰胺，聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚苯硫醚)，以及各种其它已知的用于增强热塑性和/或热固性组分的天然的或合成的、无机的或有机的纤维材料。碳纤维尤其适合用作连续纤维，其典型地具有的抗拉强度与质量之比为约5,000-约7,000MPa/g/m。连续纤维通常具有的标称直径为约4-约35微米，以及在一些实施例中，为约9-约35微米。包含在每根粗纱中的纤维的数量可以是恒定的，或者各个粗纱包含的纤维数量都彼此不同。典型地，一根粗纱包含约1,000根纤维到约50,000根单独的纤维，以及在一些实施例中，包含约5,000到约30,000根纤维。
可使用多种热塑性或者热固性聚合物中的任一种形成聚合物基体，其中连续纤维埋入所述基体中。例如，用于本发明的合适的热塑性聚合物可包括例如聚烯烃(例如，聚丙烯、丙烯-乙烯共聚物等)、聚酯(例如，聚对苯二甲酸丁二醇酯(“PBT”))、聚碳酸酯、聚酰胺(例如，NylonTM)、聚醚酮(例如，聚醚醚酮(“PEEK”))、聚醚酰亚胺、聚亚芳基酮(例如，聚亚苯基二酮(“PPDK”))、液晶聚合物、聚亚芳基硫醚(例如，聚苯硫醚(“PPS”)、聚(对亚联苯基硫醚酮)、聚(亚苯基硫醚二酮)、聚(对亚联苯基硫醚)等)、氟聚合物(例如，聚四氟乙烯-全氟甲基乙烯基醚聚合物、全氟-烷氧基烷烃聚合物，四氟乙烯聚合物，乙烯-四氟乙烯聚合物等)、聚缩醛、聚氨酯、聚碳酸酯、苯乙烯类聚合物(例如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(“ABS”))等。
通常选择聚合物基体的特性以实现可加工性和性能的所需的结合。例如，聚合物基体的熔融粘度通常足够低以使得聚合物能够充分地浸渍纤维。为此，熔融粘度典型的范围为约25至约1,000帕斯卡-秒(“Pa-s”)，在一些实施例中，为约50至约500Pa-s，以及在一些实施例中，为约60至约200Pa-s，取决于用于聚合物的操作条件(例如约360℃)。同样地，当被浸渍的粗纱要用于涉及高温的应用(例如，高电压传输电缆)时，使用具有相对高的熔融温度的聚合物。例如，该高温聚合物的熔融温度范围可为约200℃-约500℃，在一些实施例中为约225℃-约400℃，以及在一些实施例方案，为约250℃-约350℃。
聚亚芳基硫醚尤其适合在本发明中用作具有所需要的熔融粘度的高温基体。例如聚苯硫醚是半结晶树脂，其通常包括由如下通式表示的重复单体单元：
Figure BPA0000183108120000061
这些单体单元在聚合物中典型地构成重复单元的至少80摩尔百分比，以及在一些实施例中为至少90摩尔百分比。然而应当理解，聚苯硫醚可包含另外的重复单元，例如在Gotoh等人的美国专利No.5,075,381中所述，出于所有目的，该美国专利的全部内容在此以参考方式并入。当使用时，该另外的重复单元典型地构成聚合物的不超过大约20摩尔百分比。商业上可获得的高熔融粘度聚苯硫醚可包括商标名为
Figure BPA0000183108120000062
的从Ticona，LLC(Florence，Kentucky)可获得的那些聚苯硫醚。该聚合物可以具有约285℃的熔融温度(根据ISO11357-1，2，3测定)以及在310℃时从约260到约320帕斯卡-秒的熔融粘度。
压力传感器137(图2和3)可以感应浸渍模具150附近的压力，通过控制螺杆轴124的旋转速度或者进料器的喂入速率使得控制挤出速率。也就是说，压力传感器137位于浸渍模具150附近，例如歧管组件220的上游，这样可使挤出机120运转以运输与纤维粗纱142交互作用的恰当数量的树脂214。在离开浸渍模具150之后，挤出物152或者浸渍的纤维粗纱142可在进入形成于两个相邻辊190之间的压合部之前进入任选的预成型或者引导部分(未示出)。尽管是任选的，辊190可有助于将挤出物152压实形成带状物的形式，同时增强纤维浸渍和挤除任何多余的空穴。可替代地，挤出物152可正好在离开模具150时处于压实的带状物的形式。除了辊190之外，也可使用其它成型装置，如模具系统。无论如何，所获得的压实的带状物156通过安装在辊上的履带162和164牵引。履带162和164也牵引来自浸渍模具150的挤出物152，并使之通过辊190。如果需要，压实的带状物156可以被卷绕到部件171上。一般来说，所获得的带状物相对较薄，并典型地具有约0.05-约1毫米的厚度，在一些实施例中，为约0.1-约0.8毫米，以及在一些实施例中，为约0.2-约0.4毫米。
根据本发明的模具150的一个实施例的透视图进一步在图2和3中示出。如图所示，树脂214如树脂流向244所示流入模具150。树脂214分布在模具150中并随后与粗纱142相互作用。粗纱142沿粗纱行进方向282横穿过模具150，并用树脂214涂覆。然后用树脂214浸渍粗纱142，并且这些被浸渍的粗纱142离开模具150。
在浸渍模具中，通常需要粗纱142横穿过浸渍区250以用聚合物树脂214浸渍粗纱。在浸渍区250中，聚合物树脂可通过浸渍区250中产生的剪切力和压力被大体横向推动通过粗纱，其显著地加强了浸渍程度。当由高纤维含量的带状物形成复合物时，这尤其有用，所述高纤维含量例如为约35％的重量分数(“Wf”)或者更多，以及在一些实施例中，为约40％的重量分数或者更多。典型地，模具150将包括多个接触表面252，例如至少2个，至少3个，4到7个，2到20个，2到30个，2到40个，2到50个，或者更多个接触表面252，以在粗纱142上产生足够的浸透程度和压力。尽管它们的具体形式可以不同，接触表面252典型地拥有曲线形的表面，例如弯曲的凸起，销等。接触表面252也典型地由金属材料制成。
图4-6显示浸渍模具150的横截面图。如图所示，浸渍模具150包括歧管组件220和浸渍部分。浸渍部分包括浸渍区250和至少一个被配置成调节粗纱142的张力的装置300。在一些实施例中，浸渍部分另外包括浇道270。提供歧管组件220用于使聚合物树脂214从中流过。例如，歧管组件220可包括一条通道222或者多条通道222。供给浸渍模具150的树脂214可以流过通道222。
如图7-13所示，在一些示例性实施例中，每一条通道222的至少一部分可以是曲线形的。曲线部分可允许树脂214沿不同的方向相对平滑地变向以将树脂214分散通过歧管组件220，并且可以允许树脂214相对平滑地流过通道222。可替代地，通道222可以是直线形的，并且树脂214的变向可以通过在通道222的直线形部分之间的相对急剧的过渡区域而实现。还应理解，通道222可具有任何合适的形状、大小和/或轮廓。
在如图7-13所示的示例性实施例中，多条通道222可以是多条分支状流道222。这些流道222可以包括第一分支状流道组232。第一分支状流道组232包括多条流道222，这些流道从向歧管组件220提供树脂214的一条初始通道或多条通道222分支而成。第一分支状流道组232可包括从初始通道222分支而成的2、3、4条或者更多条流道222。
如果希望，如图7和9-13所示，流道222可以包括从第一分支状流道组232分支而成的第二分支状流道组234。例如，来自第二分支状流道组234的多条流道222可以从在第一分支状流道组232中的一条或者更多条流道222分支出来。第二分支状流道组234可以包括从在第一分支状流道组232中的流道222分支出来的2、3、4条或者更多条流道222。
如果需要，如图7和10-11所示，流道222可以包括从第二分支状流道组234分支而成的第三分支状流道组236。例如，来自第三分支状流道组236的多条流道222可以从在第二分支状流道组234中的一条或者更多条流道222分支出来。第三分支状流道组236可以包括从在第二分支状流道组234中的流道222分支出来的2、3、4条或者更多条流道222。
在一些示例性实施例中，如图7-13所示，多条分支状流道222沿着中心轴线224具有对称的取向。分支状流道222和其对称取向基本均匀地分配树脂214，这样使得从歧管组件220离开并且涂覆粗纱142的树脂214的树脂流基本上均匀地分布在粗纱142上。这将非常理想地允许基本均匀地浸渍粗纱142。
此外，在一些实施例中，歧管组件220可限定出口区域242。出口区域242是其中树脂214离开歧管组件220的歧管组件220的那部分。因此，出口区域242通常包括树脂214从其离开的通道或者流道222的至少下游部分。在一些实施例中，如图7-12所示，置于出口区域242的通道或者流道222的至少一部分沿着树脂214的流动方向244具有增大的面积。当树脂214流过歧管组件220时，增大的面积允许树脂214的扩散和进一步的分布，这将进一步允许在粗纱142上的树脂214的基本上均匀的分布。另外或者可替换地，如图13所示，设置在出口区域242的不同的通道或者流道222沿着树脂214的流动方向244可具有恒定的面积，或者沿着树脂214的流动方向244可具有减小的面积。
在一些实施例中，如图7-11所示，使设置在出口区域242的每条通道或者流道222定位，使得由此流出的树脂214与设置在出口区域242的其它通道或者流道222的树脂214相结合。设置在出口区域242的不同通道或者流道222的树脂214的结合，产生来自于歧管组件220的基本上单一并且均匀分布的树脂214的树脂流，以基本上均匀地涂覆粗纱142。可替换地，如图12和13所示，使设置在出口区域242的不同的通道或者流道222定位，使得由此流出的树脂214与设置在出口区域242的其它的通道或者流道222的树脂214是离散的。在这些实施例中，可通过歧管组件220产生多股离散的、但大致均匀分布的树脂流214，用于基本上均匀地涂覆粗纱142。
如图4-6所示，设置在出口区域242中的至少一部分通道或者流道222具有曲线形横截面轮廓。这些曲线形横截面轮廓允许树脂214从通道或者流道222大体向下向着粗纱142逐渐被引导。然而可替换地，这些通道或者流道222可具有任何合适的横截面轮廓。
应当理解，本发明的内容不限于以上公开的歧管组件220的实施例。相反，任何合适的歧管组件220都在本发明的范围和精神内。特别地，可提供通常平滑、均匀的树脂214分布的歧管组件220在本发明的范围和精神内，如衣架型、马蹄形、弯曲唇形或者可调节狭槽的歧管组件。
进一步如图4-7所示，流过歧管组件220之后，树脂214可流过浇道270。浇道270位于歧管组件220和浸渍区250之间，并且被提供用于使树脂214从歧管组件220流动，从而树脂214涂覆粗纱142。因此，例如通过出口区域242离开歧管组件220的树脂214可进入浇道270并从中流过。树脂214可然后通过浇道270的出口离开浇道270。
在一些实施例中，如图4-6所示，浇道270在歧管组件220和浸渍区250之间沿垂直地延伸。然而可替换地，浇道270可以在垂直与水平之间的任何合适的角度延伸，从而使树脂214从中流过。
此外，如图4-6所示，在一些实施例中，浇道270的至少一部分沿着树脂214的流动方向244具有减小的横截面轮廓。浇道270的至少一部分的锥度可以使从该浇道中流过的树脂214在接触粗纱142之前的流动速度增大，这可以允许树脂214撞击粗纱142。借助树脂214对粗纱142的初始撞击，实现对粗纱更充分的浸渍，如下文所述。而且，浇道270的至少一部分的锥度可以增大在闸口通道270和歧管组件220内的背压，这可以更进一步地提供更为均匀、一致的树脂214分布来涂覆粗纱142。可替换地，如果需要的话，浇道270可以具有增大的或者基本恒定的截面轮廓。
如图4-6所示，当离开模具150的歧管组件220和浇道270时，树脂214接触横穿过模具150的粗纱142。如上所述，由于在歧管组件220和浇道270中树脂124的分布，树脂214可基本上均匀地涂覆该粗纱142。此外，在一些实施例中，树脂214可撞击每根粗纱142的上表面，或每根粗纱142的下表面，或每根粗纱142的上下表面两者。初始撞击所述粗纱142为用树脂214进一步浸渍粗纱142作准备。撞击粗纱142可通过当其撞击粗纱142时的树脂214的速度，当树脂离开歧管组件220或浇道270时粗纱142与树脂214的接近度，或其它各种变量促进。
如图4-6所示，被涂覆的粗纱142沿行进方向282横穿过浸渍区250。浸渍区250例如通过布置在其间的浇道270与歧管组件220流体连通。浸渍区250被配置成用树脂214浸渍粗纱142。
例如，如上所述，在图4-6和14-18所示的示例性实施例中，浸渍区250包括多个接触表面252。粗纱142在浸渍区中的接触表面252横穿经过。粗纱142撞击在接触表面252上形成足以用涂覆粗纱142的树脂214浸渍粗纱142的剪切力和压力。
在一些实施例中，如图4-6所示，将浸渍区250限定在两个分隔开的相对的板256和258之间。第一板256限定第一内表面257，而第二板258限定第二内表面259。将浸渍区250限定在第一板256和第二板258之间。可将接触表面252限定在或从第一和第二内表面257和259两者，或第一和第二内表面257和259之一伸出。
在示例性实施例中，如图4-6、15、17和18所示，接触表面252可被交替地限定在第一和第二表面257和259之间，这样粗纱交替地撞击在第一和第二表面257和259上的接触表面252上。因此，粗纱142可以以波形、弯曲的或正弦曲线型路径通过接触表面，这增强了剪切力。
粗纱142横过接触表面252的角度254可通常足够高以增强剪切力和压力，但不是如此高以致产生破坏纤维的过度力。因此，例如，角度254可以在约1°和约30°之间的范围内，在一些实施例中在约5°和约25°之间的范围内。
如上所述，接触表面252典型地具有曲线表面，如弯曲的凸起、销等。此外，在一些示例性实施例中，浸渍区250具有波形横截面轮廓。在一个示例性实施例中，如图4-6、14、15、17和18所示，接触表面252为凸起，其形成第一和第二板256和258两者的波形表面的部分并且限定波形横截面轮廓。图14显示根据这些实施例的形成至少一部分浸渍区250的第二板258和其上各种接触表面。
在其它实施例中，如图16所示，接触表面252是形成仅第一或第二板256或258之一的部分波形表面的凸起。在这些实施例中，撞击仅存在于一个板的表面上的接触表面252。另一板可以大体是平面或其它形状，这样没有与被涂覆的粗纱的相互作用存在。
在其它替代的实施例中，浸渍区250可包括多个销(或棒)，每个销具有接触表面252。销可以是静止的，自由地旋转的或可被旋转驱动的。此外，销可直接安装到限定撞击区的板的表面，或从表面间隔开。应当注意到销可通过加热器加热，或可依照要求或需要单独地或以其它方式加热。此外，销可包含在模具内，或可从模具向外延伸并且不完全包覆于其中。
在进一步替代的实施例中，接触表面252和浸渍区250可包括依照要求或需要用树脂214浸渍粗纱142的任何合适的形状和/或结构。
为了进一步促进粗纱142的浸渍，粗纱也可以在位于模具150内，并且具体地在浸渍区250内的同时保持在张力下。张力例如可在每根粗纱142或每束纤维约5到约300牛顿，在一些实施例中为约50到约250牛顿，和在一些实施例中为约100到约200牛顿的范围。
如图4-6和15-18所示，根据本发明的浸渍部分进一步包括至少一个装置300，其被配置成当粗纱142横穿过浸渍部分时调节一根粗纱142或多根粗纱142中的张力。例如，装置300可减少在粗纱142中的张力或增加粗纱142中的张力。为了减少粗纱142中的张力，装置300可过量供给粗纱142。换句话说，装置300可以以比诸如拉挤系统的牵引装置的其它装置快的速度操作，所述牵引装置如下所述，将粗纱142供给通过浸渍部分。这可使额外数量的粗纱142不断地喂送过装置300，由此降低通过该装置300的粗纱142中的张力。相反地，为了增加粗纱142中的张力，该装置300可不足地供给粗纱142。换句话说，装置300可以比其它装置慢的速度操作，所述其它装置诸如拉挤系统的牵引装置，如下所述，其将粗纱142供给通过浸渍部分。这可使较少数量的粗纱142不断地喂送过装置300，由此增加通过该装置300的粗纱142中的张力。
在一些实施例中，可通过装置300将在粗纱142中的张力减少或增加约1％或更少，约2％或更少，约5％或更少，约10％或更少，或约20％或更少。另外地或可替代地，可通过装置300将粗纱142的线速度减少或增加约1％或更少，约2％或更少，约5％或更少，约10％或更少或约20％或更少。然而，应当理解，本发明不限于以上公开的百分数和范围，相反地，那些粗纱142的张力或线速度的任何合适的减少或增加在本发明的范围和精神内。
此外，在一些实施例中，浸渍部分可包括至少一个第一装置300和至少一个第二装置300。第一装置300可被配置成减少粗纱142中的张力，而第二装置300可被配置成增加在粗纱142中的张力。
在一些实施例中，如第一装置300的装置300可沿粗纱142的行进方向282位于浸渍区250的上游，如图4-6所示。例如，装置300可位于浇道270的出口的上游，如图4所示，或邻近所述出口，如图5所示，或浇道270的下游，如图6所示，如以下某些示例性实施例所述。
另外地或可替代地，如第二装置300的装置300可在一些实施例中位于浸渍区250内或浸渍区250下游，如以下某些示例性实施例详述。
在示例性实施例中，装置300可包括多个辊301。该辊301可被配置成调节粗纱142中的张力。例如，当粗纱142横穿过模具150时，粗纱142横穿过辊301。当粗纱142经过辊301时，粗纱142接触辊301的外表面。该接触在粗纱142上产生压力和/或剪切力。此外，可将粗纱142以快于或慢于粗纱142的横穿速率的速度驱动以如上所述增加或减少的粗纱142中的张力。
此外，在一些实施例中，可将各种辊301配置成用树脂214浸渍粗纱142。例如，通过在辊301和粗纱142之间的接触产生的压力和/或剪切力可足以使涂覆粗纱142的树脂214浸渍到粗纱142中。有利地，辊可在仅对粗纱142产生最小阻曳流和/或破坏同时实现这样的浸渍。另外，在一些示例性实施例中，可进一步利用辊301来计量施加到粗纱142上的树脂214，如下所述。
根据本发明的辊301是围绕中心轴302可旋转的。应当理解，辊301可相对于中心轴302是同轴的或偏心的。如上所述，该旋转运动可在仅对粗纱142产生最小阻曳流和/或破坏的同时实现对粗纱142的张力调节以及任选的浸渍。此外，在示例性实施例中，如上所述，辊301是被可旋转地驱动的。在这些实施例中，通常与和粗纱142有关的其它装置(诸如如下所述的拉挤系统中的牵引装置)分离的马达或其它合适的驱动设备可连接到辊301以可旋转地驱动辊301，辊301可与和粗纱142的接触无关地旋转。依照粗纱142的合适的张力调节要求或需要，辊301的转速可比横穿过辊301的粗纱142的速度快或慢。
在示例性实施例中，如图4-6和5-18所示，辊301可包括至少一对辊301。一对辊301可通常相对于粗纱142通过模具150的路径相对地对齐，这样横穿过辊301的粗纱142基本上同时接触在所述一对辊301中的两个辊301。因此，通过用所述一对辊301中的每个辊301从相反侧接触粗纱142，所述一对辊301可配置成调节粗纱142中的张力以及任选地浸渍粗纱142。辊301可包括一对辊301，两对辊301，三对辊301，四对辊301，或五对或更多对辊301。此外，在浸渍部分包括第一装置301和第二装置301的实施例中，每个装置301可包括一对辊301，如图4-6和15-18所示，或两对或更多对辊301。
另外或可替代地，辊301可包括交替的辊301。辊301可交替地位于或邻近例如第一和第二表面257和259。因此，粗纱142可以以波形、弯曲的或正弦波形路径通过辊301，这增强了剪切力。
在一些实施例中，如图4-6、14、15和16所示，辊301可位于空腔304内。可将空腔304限定在例如第一和/或第二板256和258内，由此中断第一和第二表面257和259。在示例性实施例中，位于空腔内的一部分辊301从空腔304突出，这样横穿过辊301的粗纱142可接触辊301。另外或可替代地，可将辊301直接安装到表面，如第一表面257或第二表面159上，或可与所述表面间隔开，如图17和18所示。
如图4-6和15-18所示，可将辊301沿粗纱142的行进方向设置在浸渍区250中的多个接触表面252的上游。在一些实施例中，可另外利用一个或多个上游的辊301来计量施加到粗纱142上的树脂214。例如，如图5所示，在一些实施例中，浇道270的出口可邻近辊301，这样来自浇道270的树脂214可流到辊301上。可然后当粗纱142横穿过辊301时通过辊301将树脂214涂覆在粗纱142上。辊301的转速可决定施加于粗纱142上的树脂214的用量，这样按照要求计量树脂214。另外或可替代地，依照要求或需要，如图4和15-18所示，辊301可位于浇道270的出口的上游，或如图6所示位于下游。此外，如图4-6、15、17和18所示，辊301可沿粗纱142的行进方向282位于在浸渍区250中的多个接触表面252的下游。更进一步，如图16所示，辊301可位于不同的接触表面252之间。例如，辊301可位于一个、两个、三个、四个、五个或更多个接触表面252的下游，可将其它接触表面252提供于该辊301的下游。
在一些实施例中，如图18所示，辊301可大体垂直于粗纱142的行进方向282是可调节的，如沿着大体直线或曲线路径。应当理解，依照这些实施例的辊301可依照要求或需要垂直于行进方向282或以相对于垂直线的任何合适的角度调节，以便给粗纱142提供额外的压力。因此，这种调节可使辊301当朝向粗纱142调节时，对粗纱142施加额外的压力以进一步增强粗纱142的张力调节以及任选地浸渍。例如，如图18所示的弹簧装置306、气压缸或液压缸、齿轮机构或任何其它合适的调整机构可连接到辊301以依照要求移动辊301，由此调节辊301。在一些实施例中，辊301的调节可以是恒定的，由此将恒定压力施加于粗纱142。在可替代的实施例中，辊301的调节可以是间歇的，由此以任何合适的速度和/或间隔将间歇压力施加于粗纱142。此外，应当理解，辊301的任何合适的调节在本发明的范围和精神内。
应当注意，装置300可通过加热器133加热，或可依照要求或需要单独地或以其它方式加热。此外，装置300可包含在模具150内，或可从模具150向外延伸，而不完全包覆其中。在示例性实施例中，装置300大体不低于模具150的温度。
在一些实施例中，如图4-6、15、16所示，撞击部分可进一步包括至少一个刮刀308。每个刮刀308可与装置300(如辊301)接触，可用于将过量树脂214从装置300去除。例如，刮刀308可以是医用刮刀或其它合适的刮刀。如图所示，在示例性实施例中与装置300有关的刮刀308可沿粗纱142的行进方向282位于装置300的下游。可替代地，刮刀208可位于辊301的上游。在辊301旋转期间和与粗纱142接触之后，装置300可接触刮刀308。刮刀308可从装置300的外表面刮掉过量树脂214。
应当理解，在撞击部分中的装置300的排列和位置不限于以上公开的实施例，相反，在撞击部分中的装置300的任何合适的排列和位置都在本发明的范围和精神内。此外，应当理解，本发明的装置300不限于辊301，相反，用于调节粗纱142张力的任何合适的装置，如弹簧装置或其它合适的张力调节装置都在本发明的范围和精神内。
如图4-6、19和20所示，在一些实施例中，平直区280可沿粗纱142的行进方向282位于浸渍区250的下游。粗纱142可在离开模具150前横穿过平直区280。在一些实施例中，如19所示，至少一部分平直区280可在行进方向282上具有增加的横截面轮廓，这样平直区280的面积增加。增加部分可以是平直区280的下游部分以便于粗纱142离开模具150。可替代地，横截面轮廓或其任何部分可减小或可如图20所示保持恒定。
进一步如图4-6所示，在一些实施例中，面板290可邻接浸渍区250。面板290可沿行进方向282位于浸渍区250和如果包括的话，平直区280的下游。面板290通常被配置成计量来自粗纱142的过量树脂214。因此，在面板290中被粗纱142横穿过的孔隙按规定尺寸制作，这样当粗纱142横穿过时，孔隙的尺寸使过量树脂214从粗纱142除去。
另外，可任选地使用其它组成部分以有助于树脂的浸渍。例如，“气体喷射”组件可以应用在特定的实施例中来帮助由各个纤维组成的粗纱在合并束的全部宽度上均匀分散，每一根粗纱可以包含多达24,000根的纤维。这帮助实现强度特性的均匀分布。这种组件可以包括压缩空气或者另外的气体的供应源，所述压缩空气或者另外的气体以大致垂直的方式撞击在穿过出口端口的移动粗纱上。然后如上所述将分散的粗纱引入到模具加以浸渍。
使用由根据本发明公开的方法以及模具产生的浸渍粗纱可以具有非常低的空隙率，其有助于增强它们的强度。例如，空隙率可以是约3％或者更小，在一些实施例中是约2％或者更小，在一些实施例中是约1％或者更小，而在一些实施例中是约0.5％或者更小。空隙率可以使用本领域技术人员已知的技术测量。例如，空隙率可以使用“树脂烧脱”试验测量，在其中样本被置于烘箱(例如，在600℃持续3小时)中来烧尽树脂。然后测量剩余纤维的质量来计算重量和体积分数。这种“烧脱”试验可按照ASTM D2584-08来进行，以确定纤维和聚合物基体的重量，然后可基于下面的等式计算“空隙率”：
Vf＝100*(ρt-ρc)/ρt
其中，
Vf是空隙率，为百分比；
ρc是使用已知的技术(例如用液体或气体比重计(例如，氦比重计))测量的复合物的密度；
ρt是复合物的理论密度，其由以下等式确定：
Figure BPA0000183108120000161
ρm是聚合物基体的密度(例如，在适当结晶度下)；
ρf是纤维的密度；
Wf是纤维的重量分数；
Wm是聚合物基体的重量分数。
可替换地，空隙率可根据ASTM D3171-09通过以化学方式溶解树脂来确定。“烧脱”和“溶解”方法尤其适于玻璃纤维，玻璃纤维通常耐熔化和化学溶解。然而，在其它例子中，空隙率可根据ASTM D2734-09(方法A)，基于聚合物、纤维和带状物的密度间接地计算，其中密度可以由ASTM D792-08的方法A来确定。当然，空隙率也能用常规的显微镜仪器来估算。
本发明进一步涉及用聚合物树脂214浸渍至少一根纤维粗纱142的方法。如上所述，该方法包括拉紧纤维粗纱142，这可通过使用如上所述的牵引装置或其它合适的装置完成。该方法还包括减少在粗纱142中的张力，如用如上所述的装置300。该方法还包括用聚合物树脂214涂覆纤维粗纱142。该方法还包括使被涂覆的粗纱142横穿过浸渍区250，以用树脂214浸渍粗纱142。浸渍区250包含多个接触表面252。
另外，在一些实施例中，该方法还包括增加粗纱142的张力，如用如上所述的装置300。此外，在一些实施例中，该方法可包括大体垂直于粗纱142的行进方向282调节装置300的步骤，如上所述。
在一些实施例中，如上所述，粗纱142可在浸渍区250内处于约5牛顿-约300牛顿的张力下。此外，在一些实施例中，用树脂214涂覆粗纱142可包括使树脂214流过浇道270。
如上所述，在离开浸渍模具150之后，可将浸渍后的粗纱142或挤出物152压实成带状物的形式。在每一个带状物中使用的粗纱数可以不同。然而，典型地，带状物将包含2-20根粗纱，和在一些实施例中包含2-10根粗纱，以及在一些实施例中包含3-5根粗纱。为了帮助实现粗纱的对称分布，通常希望它们在带状物内相互之间以近似相同的距离间隔开。例如参见图21，显示压实的带状物4的一个实施例，其包含三(3)根粗纱5，它们在X方向上相互之间等距离地隔开。然而，在其它实施例中，希望粗纱合并，使得粗纱的纤维在整个带状物4中大体上均匀地分布。在这些实施例中，粗纱互相之间大体上不能区分开。例如，参考图22，显示压实带状物4的一个实施例，其包含了合并在一起的粗纱，使得纤维大体上均匀地分布。
根据本发明对于一些特殊的用途而言，还可以利用拉挤方法。例如，在一些实施例中，可利用该方法形成棒。在这些实施例中，粗纱142的连续纤维可以沿纵向方向取向(图1中系统的机器方向“A”)以增强拉伸强度。除了纤维取向，也可以对拉挤方法的其它方面加以控制以实现需要的强度。例如，将相对高百分数的连续纤维应用在压实带状物中，以提供增强的强度特性。例如，连续的纤维典型地构成带状物的约25wt％(重量百分比)到约80wt％，在一些实施例中约30wt％到约75wt％，以及在一些实施例中约35wt％到约60wt％。类似地，聚合物典型地构成带状物的约20wt％到约75wt％，在一些实施例中约25wt％到约70wt％，以及在一些实施例中约40wt％到约65wt％。
通常，可将带状物直接从浸渍模具150供给到拉挤系统，或者可以由线轴或者其它合适的储存装置来供给。可以应用张力调节装置以便有助于当带状物牵引通过拉挤系统时控制带状物中的张紧度。在装置中可以设置烘箱，以加热带状物。然后可以将带状物供给到压实模具，其可操作以将各个带状物压缩到一起而形成预成形坯，以及排列和形成所需产品的最初形状，例如棒。如果需要，也可以使用第二模具(例如，校准模)，其将预成形坯压缩到最终形状。冷却系统可另外结合在模具之间和/或在任一模具之后。可以设置下游牵引设备，以将产品牵引通过系统。
本领域的普通技术人员可以实施本发明的这些和其它修改和变化，而不背离本发明的精神和范围。此外，应当理解，不同的实施例的各方面可全部或者部分互换。而且，本领域普通技术人员将理解上述说明仅仅是例示性的，并非意为限制本发明，如在附加权利要求中进一步描述的。

Claims (20)

1.一种模具的浸渍部分，所述浸渍部分用于利用聚合物树脂浸渍至少一根纤维粗纱，该浸渍部分包括：
配置成用树脂浸渍粗纱的浸渍区，该浸渍区包括多个接触表面；以及
沿粗纱行进方向位于浸渍区上游的装置，所述装置配置成减少粗纱中的张力。
2.如权利要求1所述的浸渍部分，其中该装置为第一装置，并且所述浸渍部分还包括沿行进方向位于所述第一装置下游的第二装置，所述第二装置配置成增加粗纱中的张力。
3.如权利要求2所述的浸渍部分，其中所述第二装置位于所述浸渍区的下游。
4.如权利要求2所述的浸渍部分，其中所述第二装置位于所述浸渍区内。
5.如权利要求1所述的浸渍部分，其中该装置为分别围绕中心轴可旋转的多个辊。
6.如权利要求5所述的浸渍部分，其中所述多个辊包括一对辊，所述一对辊相对于粗纱相对地对齐。
7.如权利要求5所述的浸渍部分，其中所述多个辊中的至少一个是被可旋转地驱动的。
8.如权利要求5所述的浸渍部分，其中所述多个辊中的至少一个是垂直于粗纱的行进方向可调节的。
9.如权利要求1所述的浸渍部分，还包括与所述装置相接触以从所述装置除去过量的树脂的刮刀。
10.如权利要求1所述的浸渍部分，其中所述浸渍区包括2和50个之间的接触表面。
11.如权利要求1的浸渍部分，其中所述多个接触表面中的每一个包括曲线接触表面。
12.如权利要求1所述的浸渍部分，其中所述多个接触表面中的每一个配置成使得粗纱以范围在1度和30度之间的角度横过所述接触表面。
13.如权利要求1所述的浸渍部分，其中所述浸渍区具有波形横截面轮廓。
14.如权利要求1所述的浸渍部分，其中所述树脂为热塑性树脂。
15.如权利要求1所述的浸渍部分，其中所述树脂为热固性树脂。
16.一种用聚合物树脂浸渍至少一根纤维粗纱的方法，该方法包括：
拉紧纤维粗纱；
减少粗纱中的张力；
用聚合物树脂涂覆粗纱；以及
使被涂覆的粗纱横穿过浸渍区以用树脂浸渍粗纱，该浸渍区包括多个接触表面。
17.如权利要求16所述的方法，还包括增加粗纱中的张力。
18.如权利要求16所述的方法，其中所述粗纱在所述浸渍区内处于约5牛顿至约300牛顿的张力下。
19.如权利要求16所述的方法，其中用树脂涂覆粗纱的步骤包括使树脂流过浇道。
20.如权利要求16所述的方法，还包括拉紧多根粗纱；减少在所述多根粗纱中的张力；用树脂涂覆所述多根粗纱以及使被涂覆的粗纱横穿过所述浸渍区。
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