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CN103998213A - 制造带状复合材料的方法及其设备 - Google Patents

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CN103998213A CN201280063816.8A CN201280063816A CN103998213A CN 103998213 A CN103998213 A CN 103998213A CN 201280063816 A CN201280063816 A CN 201280063816A CN 103998213 A CN103998213 A CN 103998213A
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Abstract

本发明涉及由纤维束(11)和至少一种填料组分(12、13)制造带状复合制品(10)的方法和拉挤成型设备(1)，其中将纤维束(11)送入带有至少两个供料通道(29)和注射室(15)的注射箱(14)，向其中注入可流动态的填料组分(12、13)以使纤维束(11)被填料组分(12、13)浸透，由此形成复合材料(16)。根据本发明，将能量引入注射室(15)以在能量引入下使纤维束(11)被填料组分(12、13)浸透。

Description

制造带状复合材料的方法及其设备
本发明涉及由纤维束和至少一种填料组分制造带状复合制品的方法，其中将纤维束送入带有注射室的注射箱，向其中注入可流动态的填料组分以使纤维束被填料组分浸透，由此形成复合材料。
WO 2007/107007 A1公开了由纤维束制造带状复合制品的方法，该方法用所谓的拉挤成型设备进行。该拉挤成型设备具有注射箱，将由玻璃纤维制成的束牵引经过该注射箱。将玻璃纤维牵引到该注射箱中，并在注射箱的注射室中，玻璃纤维被两种填料组分浸透。所述填料组分是多异氰酸酯和多元醇。这两种填料组分经供料系统送入注射箱，该供料系统可以将这两种填料组分互相汇入，特别是将它们互相混合。在注射箱中，这两种填料组分例如互相反应以产生聚氨酯并同时浸透纤维束的纤维，特别地，所述填料组分可以润湿纤维束。填料组分的反应可以例如产生聚氨酯，以使该复合制品由在聚氨酯基质中的玻璃纤维构成。
在经过注射箱后，将所得复合材料引入冷却单元，然后引入加热单元并同时实施复合制品的成型，以使其在离开拉挤成型设备时可以例如呈带状型材的形式。在这些单元的末端，存在牵引装置，其最初将纤维束牵引到注射箱中，然后将该复合材料牵引经过随后的工艺单元。
EP 1 960 184 B1揭示了带有注射室的注射箱，将纤维束牵引经过该注射箱并在其中使纤维束被填料组分浸透。在输入端，该注射箱具有导板，其带有布置在基质中的孔，纤维束的纤维经过所述孔。在注射室中，纤维被填料组分浸透，然后它们经过注射室的相邻的具有递减横截面的区域，其后是固化模具。
EP 513 927 A1描述了通过拉挤成型法制造塑料型材。就该塑料由两种组分制成而言，在该方法中使用超声改进这两种组分的混合。
不利地，纤维束牵引经过注射箱的速度受到限制，因为所选的容许牵引速度不能高于确保纤维束的纤维被所述至少一种填料组分完全浸透的速度。特别地，必须确保纤维被填料组分完全润湿，并且已经发现，纤维束以过高的速度牵引经过注射箱会导致形成气泡，以致在复合制品中有可能出现缺陷。因此必须避免形成气泡，这一必要性决定了纤维束牵引经过注射箱的最大速度。同时，纤维束牵引经过注射箱的速度在此同时决定了经由该拉挤成型设备可以提供带状挤出复合制品的速度。
特别在基于添加多异氰酸酯和多元醇作为填料组分的聚氨酯复合制品的制造过程中，在使用例如400毫米长的注射箱时，可实现的拉挤成型速度为例如最多0.5米/分钟。但是，为了设计更便宜的拉挤成型工艺，更高速度是合意的。但是，在更高工艺速度下，如果纤维束的纤维没有完全被聚氨酯润湿，会形成气泡，并制成脆性复合制品，其例如是型材形式并且无法承受规定的负荷。
因此本发明的目的是提供能以更高速度制造由纤维束和至少一种填料组分制成的复合制品、同时不会损害该复合制品的有利机械性质的方法。一个特定目的是提供允许更高工艺速度的用于拉挤成型设备的注射箱。最后，本发明的目的是提供在更高工艺速度下避免在复合制品中形成气泡的拉挤成型设备。
通过提供由纤维束和至少一种填料组分制成的带状复合制品的制造方法，实现所述目的，其中将纤维束送入带有注射室的注射箱，向其中注入可流动态的填料组分以使纤维束被填料组分浸透，由此形成复合材料，其中将能量引入注射室以在能量引入下使纤维束被填料组分浸透，其中填料组分的注入和能量的引入以互相独立的方式进行。
通过提供由纤维束和至少一种填料组分制成的带状复合制品的制造方法，实现所述目的，其中将纤维束送入带有注射室的注射箱，向其中注入可流动态的填料组分以使纤维束被填料组分浸透，由此形成复合材料，其中将能量引入注射室以在能量引入下使纤维束被填料组分浸透，其中填料组分的注入和能量的引入以空间上独立的方式进行，以防止在纤维束上形成气泡。
同样地通过提供由纤维束和至少一种填料组分制成的带状复合制品的制造方法，实现所述目的，其中将纤维束送入带有注射室的注射箱，向其中注入可流动态的填料组分以使纤维束被填料组分浸透，由此形成复合材料，其中将能量引入注射室以在能量引入下使纤维束被填料组分浸透，并且填料组分的注入位置不同于能量引入位置，以防止在纤维束上形成气泡。
本发明包括关于将能量引入注射室以在能量引入下使纤维束被填料组分浸透的效果的技术教导。该能量优选以选自微波、超声、高频波和冲击波的波形式引入注射室。
本发明基于下述发明概念：如果在能量引入下使纤维束被填料组分浸透，可以减轻或防止在用于使纤维束被至少一种填料组分浸透的提高的工艺速度下形成气泡。在此引入的能量不一定仅呈现为提高温度而引入的热的形式：该能量也可以例如以振荡激发（通过超声波和/或电磁辐射）的形式引入注射室。
在该方法的一个有利的实施方案中，可以通过超声振荡将能量引入注射室。为此，可以使用在注射箱外围或作为注射箱的组成部分设计的超声发生器。特别将超声振荡引入注射箱的注射室以通过超声振荡激发填料组分和/或纤维束的纤维。超声振荡的频率优选可以为至少16 kHz至最多1 GHz，特别优选至少16 kHz至1 MHz。但是，对本发明而言，当例如声频大于1 GHz时，还可以使用特超声（Hyperschall）将能量引入注射室。
超声振荡的波长可以有利地具有比纤维束的纤维的直径值大的值。这实现了超声振荡不在纤维束的纤维处散射并基本确保注射室在空间上被超声振荡渗透的优点。超声振荡特别渗透达到纤维束芯，在此处优先发生气泡形成并可以利用经超声引入的能量避免。基于超声振荡的能量引入方式因此确保能量的引入不仅在外围，而是引入的能量穿过纤维束并伴随着纤维束在所得复合材料和因此所得复合制品的整个横截面上被填料组分浸透，以使其甚至在提高的挤拉成型速度下也可以无气泡地制造。
可以有利地借助至少一个超声换能器（Ultraschallsonde）将能量引入注射室，该超声换能器可优选设计成以超声探针形式伸入注射室中。此外或或者，注射箱的部件已被设计成超声换能器，该部件例如可经受超声振荡并可以将超声振荡传送给所述至少一种填料组分。特别地，已被设计成超声换能器的注射箱部件可构成划定注射室范围的注射箱内壁。如果超声换能器已被设计成超声探针，该超声探针可伸入注射室中以使该超声探针穿透纤维束例如直至纤维束芯。在一种特别有利的可能性中，可以提供多个超声探针，它们例如以规则间距伸入注射室中。超声探针可以从注射箱的至少两侧伸入注射室中。超声换能器可连向超声发生器以在超声换能器中产生超声振荡。
在纤维束附近将能量引入注射室也是有利的。例如，可以在纤维束附近将超声换能器安置到注射室中。可以利用提高的压力将填料组分从注射管线引入注射室，或可以利用大气压将所述至少一种填料组分充入注射室。为了注入填料组分，可以例如在注射箱中提供适当的开口，利用大气压经所述开口将所述至少一种填料组分充入注射室。在另一实施方案中，注射管可以至少在一定程度上伸入注射室中，从这些管的末端或在沿管长度的各种位置将填料组分充入注射室。注射管可以有利地本身不被设计成超声探针：被设计成超声探针的注射管因此只有注入填料组分的功能。
如果经由超声振荡将能量引入注射室，超声会使纤维束的纤维振荡，特别是在填料组分浸透纤维时。超声振荡在此可以先从超声换能器传送给填料组分，以使其随后可以从填料组分传送给纤维束的纤维。因此安置超声换能器以使超声换能器的表面与填料组分接触就足够了。
代替借助超声振荡引入能量或除借助超声振荡引入能量外，可以经由微波辐射将能量引入注射箱。在此可以选择微波辐射的波长以使其同样甚至渗透到优选已被填料组分浸透的纤维束及其芯。优选使用在1 GHz至300 GHz范围内的微波辐射。拉挤成型速度尤其取决于要制造的复合制品的性质和几何形状并因此可变。但是，本发明的方法的一个特征特别在于，纤维束穿过注射箱的速度优选为至少1米/分钟，特别优选为至少1.4米/分钟，非常特别优选为至少2米/分钟。该方法的一个特征因此在于，拉挤成型速度优选大于1米/分钟，特别是在注射箱的长度例如为400毫米时。
一旦纤维束经过注射箱并已被所述至少一种填料组分浸透，则得到复合材料，其然后可引入用于成型的工艺步骤，然后用于固化的工艺步骤。特别地，在该复合材料离开注射箱后，其可以首先经过冷却单元，在此离开注射箱的复合材料大体已相当于实际复合制品的轮廓。如果例如由聚氨酯构成的所述至少一种填料组分已转化成所需廓形，在经过冷却单元后可接着至少一个固化单元，在此将热能引入该复合材料，其中经由热能引入用于固化该复合材料的能量，例如适当加热固化模具。该填料组分优选不含具有氰基的化合物。
进一步通过用于制造由纤维束和至少一种填料组分制成的带状复合制品的拉挤成型设备的注射箱实现本发明的目的，其中所述注射箱具有至少两个供料通道和一个注射室，纤维束进入其中并向其中注入可流动态的填料组分，其中本发明提出，该注射箱具有用于将能量引入注射室的装置以使纤维束被填料组分浸透的过程可以在能量引入下实施，其中能量引入装置不同时充当供料通道。该装置可以由至少一个超声换能器构成，其特别被设计成超声探针和/或被设计成该注射箱的部件。或者或另外，该装置可以由至少一个微波发生器构成。
本发明进一步提供带有注射箱的拉挤成型设备，其特征在于所述箱如上文与各优点一起描述的那样。
下面参照附图与本发明的优选实施方案的描述一起更详细陈述改进本发明的其它措施。
图1是带有注射箱和带有用于将能量引入注射箱的超声发生器的用于制造带状复合制品的拉挤成型设备的图，且
图2显示带有用于引入能量的超声换能器的注射箱的一个实施方案的剖视图。
图1是带有注射箱14的拉挤成型设备1的图，且注射箱14与超声发生器19功能连接以经由超声换能器17将能量以超声振荡形式引入注射箱14。
纤维束11进入注射箱14且纤维束11具有大量纤维20。纤维20被牵引力F牵引到注射箱14中，并将这种牵引力F引入以给定型材离开拉挤成型设备1的制成复合制品10中。在注射箱14中，纤维束11被填料组分12和13浸透。填料组分12可以例如包含多异氰酸酯，填料组分13可以包含多元醇。这两种填料组分12和13通过计量装置21以规定比率互相汇入，然后通过挤出混合机22注入注射箱14，填料组分12和13经由挤出混合机22的这种注入可以在压力下或不用压力进行。
一旦纤维束11经过注射箱14，纤维束11的纤维20已被填料组分12和13浸透，例如纤维20已引入在注射箱14中通过填料组分多异氰酸酯12和多元醇13的反应形成的聚氨酯基质中。
所得复合材料然后经过冷却单元23，在注射箱14的出口，已引入至少一种基质以将该复合材料模制成复合制品10。在冷却单元23下游，所得复合材料经过多个加热和冷却单元24、25和26。
为了将能量引入注射箱14以伴随纤维束11被填料组分12和13润湿的过程，例如显示多个超声换能器17，它们连向超声发生器19。超声换能器17在注射箱14上和中的布置的一个实例更详细显示在下列图2中。
图2显示由大量纤维20制成的纤维束11进入的注射箱14的横截面。纤维20在此穿过在前导板28内引入的孔27。纤维20随后进入注射箱14的注射室15。
例如，在注射室15的正面切面中显示多个供料通道29，经由这些将预先互相混合的填料组分12和13引入注射室15。填料组分12和13的混合物在此浸透纤维束11的纤维20，以在纤维20经过注射室15的过程中实现纤维20的润湿。
纤维20被填料组分12和13浸透的过程伴随着借助超声探针17（其例如显示为超声发生器（Sonotroden）并伸入注射室15中）引入能量。在经由超声发生器19激活超声探针17时，将超声振荡传送给填料组分12和13的混合物，并最终将超声振荡从填料组分12和13传送给纤维20。
通过引入的超声振荡减轻或避免在纤维20与已互相混合产生聚氨酯的填料组分12和13之间的界面处形成气泡，从而允许提高将纤维束11牵引经过注射室15的速度。
例如，显示被设计成注射箱14的外周的部件18的附加超声换能器18。这些部件18以例如平面形状显示，同样可以借助超声发生器19在这些中造成超声振荡，以便可以将这种振荡传送给注射室15内部的填料组分12和13。
由此提供没有空气夹杂的复合材料16，尽管纤维束11以更高速度牵引经过注射箱14，因此尽管拉挤成型速度提高，仍可实现所得复合制品10的高品质。
本发明的实施不限于上述实施方案，其仅是优选的。实际上，可以想到许多变体，它们也以根本不同类型的实施方案利用所述解决方案。从权利要求书、从说明书或从附图中显而易见的所有特征和/或优点，包括构造细节或空间布置，独自或在尽可能多样的组合中，都是基于本发明的。
标记列表
1    拉挤成型设备
10  复合制品
11  纤维束
12  第一填料组分
13 第二填料组分
14  注射箱
15  注射室
16  复合材料
17  超声换能器，超声探针
18  超声换能器，注射设备的部件
19  超声发生器
20  纤维
21  计量装置
22  挤出混合机
23  冷却单元
24  加热单元
25  加热单元
26  加热/冷却单元
27  孔
28  导板
29  供料通道
F   牵引力

Claims (15)

1.由纤维束(11)和至少一种填料组分(12、13)制造带状复合制品(10)的方法，其中将纤维束(11)送入带有注射室(15)的注射箱(14)，向其中注入可流动态的填料组分(12、13)以使纤维束(11)被填料组分(12、13)浸透，由此形成复合材料(16)，
其特征在于将能量引入注射室(15)以在能量引入下使纤维束(11)被填料组分(12、13)浸透，其中填料组分(12、13)的注入和能量的引入以互相独立的方式进行。
2.如权利要求1中所述的方法，其特征在于所述能量以选自微波、超声、高频波和冲击波的波形式引入注射室(15)。
3.如权利要求1或2中所述的方法，其特征在于通过超声振荡将所述能量引入注射室(15)。
4.如权利要求3中所述的方法，其特征在于所述超声振荡的波长具有比纤维束(11)的纤维(20)的直径值大的值。
5.如权利要求1至4的至少一项中所述的方法，其特征在于借助至少一个超声换能器(17、18)将所述能量引入注射室(15)，其中超声换能器(17、18)优选设计成伸入注射室(15)中的超声探针(17)和/或设计成注射箱(14)的部件(18)。
6.如权利要求1至5的至少一项中所述的方法，其特征在于超声使纤维束(11)的纤维(20)振荡，特别是在填料组分(12、13)浸透纤维(20)时。
7.如权利要求6中所述的方法，其特征在于所述超声振荡从超声换能器(17、18)经由填料组分(12、13)传送给纤维束(11)的纤维(20)。
8.如权利要求1或2中所述的方法，其特征在于经由微波辐射将所述能量引入注射室(15)。
9.如权利要求1至8的至少一项中所述的方法，其特征在于纤维束(11)穿过注射箱(14)的速度为至少1米/分钟。
10.如权利要求1至9的至少一项中所述的方法，其特征在于在复合材料(16)离开注射箱(14)后，将其输送到至少一个用于成型的工艺步骤和至少一个用于固化的工艺步骤。
11.用于由纤维束(11)和至少一种填料组分(12、13)制造带状复合制品(10)的拉挤成型设备的注射箱(14)，其中注射箱(14)具有至少两个供料通道(29)和一个注射室(15)，纤维束(11)进入其中并向其中注入可流动态的填料组分(12、13)，
其特征在于注射箱(14)具有用于将能量引入注射室(15)的装置以使纤维束(11)被填料组分(12、13)浸透的过程可以在能量引入下实施，其中能量引入装置不充当供料通道(29)。
12.如权利要求11中所述的注射箱(14)，其特征在于所述装置由至少一个超声换能器(17、18)构成，其特别被设计成超声探针(17)和/或被设计成注射箱(14)的部件(18)。
13.如权利要求11中所述的注射箱(14)，其特征在于所述装置由至少一个微波发生器构成。
14.如权利要求11至13任一项中所述的注射箱(14)，其用于实施如权利要求1至10任一项中所述的方法。
15.带有如权利要求11至14任一项中所述的注射箱(14)的拉挤成型设备(1)。
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