专利名称：长纤维增强的树脂结构体的拉引装置及产生该结构体的方法
技术领域：
本发明涉及用于拉引树脂浸渍的纤维粗纱的拉引装置，该粗纱是通过纤维粗纱用熔融树脂浸渍并将生成物赋形和冷却而获得的，本发明还涉及使用该拉引装置生产长纤维增强的树脂结构体的方法。
在本发明中，长纤维增强的纤维结构体是纱股的常用术语，该纱股是通过在直角模头出口使用赋形模赋形成所要求形状的熔融树脂浸渍的纤维粗纱经冷却后获得的，并通过切割该纱股获得颗粒等。
本发明能长时间连续地生产长纤维增强的树脂结构体。
背景技术：
作为生产长纤维增强的热塑性树脂组合物的方法，拉挤成型现在已引起人们的注意。其中通常采用的技术包括在纤维粗纱通过后面将要说明的拉引装置拉引时，无数的连续纱股(也称作纤维粗纱)在直角模头中浸渍熔融热塑性树脂；熔融树脂浸渍的纤维粗纱经过赋形模处理赋形为所要求的形状；具有所要求形状的熔融树脂浸渍的纤维粗纱在冷却装置中冷却；按需要使干燥过的熔融树脂浸渍的纤维粗纱通过拉引装置形成纱股；然后，使用造粒机将纱股造粒。
图1表示常规和通用的长纤维增强的纤维结构体的生产装置。
纤维粗纱21(为简单起见，图1表示一根纤维粗纱)通过开松装置18如一对辊，开松成扁平纱，供给直角模头2的入口19。在直角模头2中，纤维粗纱浸渍上从树脂加料口12进入的熔融树脂。熔融树脂由挤压机(未画出)或其它同类机器供应。
例如，直角模头2有一对平的波浪形挡板14，设在树脂浸渍的纤维粗纱的拉引方向上。这样构成一对挡板，使凸出和凹进彼此相对。纤维粗纱受凸出部挤压，借此促进纤维粗纱浸渍上树脂并使纤维粗纱均匀地浸渍上树脂。
树脂浸渍的纤维粗纱通过赋形模15赋形并作为熔融树脂浸渍的纤维粗纱22排出，通过冷却装置30使其冷却后固化成为树脂浸渍的纤维粗纱23。树脂浸渍的纤维粗纱23经过引取装置16之后用造粒机17造粒。
拉引纤维粗纱用的引取装置16通常使用JP-A-06-293023中公开的一对履带式循环带(一对皮带)；JP-A-05-162124中公开的驱动压辊；等等。
如图2所示，例如，一对皮带操作如下。上履带式循环带1a是固定的，而下履带式循环带1b是能上下移动的。通过冷却获得的许多树脂浸渍的纤维粗纱23夹在恒压的上履带式循环带1a和下履带式循环带1b之间，并向前运送。用这种方法，围绕轴卷绕的纤维粗纱连续排出，供给直角模头，再从赋形模中排出，经过冷却装置，输入后面的造粒机中。
因此，该对皮带在拉引力、皮带表面压力、拉引速度等的严格条件下易于损坏。通常使用天然橡胶、SBR或丁腈橡胶作为皮带的材料，但是使用这样的皮带材料会产生下列问题，如短时间使用时在皮带表面上形成纱股的磨损伤痕；长期使用会形成较深的伤痕。具有较深伤痕的纱股松脱而不能拉引，因而皮带在数百小时内必须更换。
同样，JP-A-05-32757中的段落 和 有下列说明。用具有优异耐磨性、机械强度、回弹弹性等的聚氨酯弹性体作为辊、皮带等。生产聚氨酯弹性体的方法包括使分子端基上具有异氰酸酯基的预聚物用芳族聚酰胺进行硫化。该预聚物是经过下列化合物间反应而获得的作为异氰酸酯成分的甲苯二异氰酸酯(TDI)；和作为多元醇成分的长链多元醇如聚四亚甲基醚二醇(PTMG)、聚丙二醇(PPG)或聚酯多元醇。
发明内容
本发明的目的在于能使树脂浸渍的纤维粗纱长时间高速拉引，并且能连续、有效和经济地生产长纤维增强的树脂结构体。
在充分的研究之后，本发明的发明人发现上述目的能通过使用聚氨酯作皮带材料实现，由此完成本发明。
也就是说，按照本发明第一方面，提供一种用于树脂浸渍纤维粗纱(23)的拉引装置，该纤维粗纱(23)是通过将从长纤维增强热塑性树脂结构体生产装置的赋形模(15)中排出的熔融树脂浸渍的纤维粗纱(22)进行冷却而获得的。用于树脂浸渍纤维粗纱(23)的该拉引装置的特征在于包含一对循环带，其中与树脂浸渍的纤维粗纱(23)接触的该循环带表面是由聚氨酯弹性体制成的。
按照本发明第二方面，提供一种用于按本发明第一方面的树脂浸渍的纤维粗纱的拉引装置，其中聚氨酯弹性体是聚酯类的聚氨酯弹性体。
按照本发明第三方面，提供一种用于按照本发明第一方面或第二方面的树脂浸渍的纤维粗纱的拉引装置，其中聚氨酯弹性体具有50～80的肖氏A硬度。
按照本发明第四方面，提供一种用于按照本发明第一方面～第三方面中任一方面的树脂浸渍的纤维粗纱的拉引装置，其中每条循环带在内层中具有增强的金属线。
按照本发明第五方面，提供一种用于按照本发明第一方面～第四方面中任一方面的树脂浸渍的纤维粗纱的拉引装置，其特征在于对冷却至25～100℃的1～100根树脂浸渍的纤维粗纱(23)的每一根在1kgf(9.8N)～50kgf(490N)的拉力、0.1kgf/cm2(9,800Pa)～5kgf/cm2(0.49MPa)的皮带表面压力和3～80m/min的拉引速度下进行拉引。
按照本发明第六方面，提供一种用于按照本发明第一方面～第五方面中任一方面的树脂浸渍的纤维粗纱的拉引装置，其中皮带具有150mm或更宽的宽度；以及皮带与树脂浸渍的纤维粗纱(23)之间的接触长度为500mm或更长。
按照本发明第七方面，提供一种产生长纤维增强的热塑性树脂结构的方法，该方法使用按照本发明第一方面～第六方面中任一方面的树脂浸渍的纤维粗纱的拉引装置。
附图的简要说明图1是常规长纤维增强的热塑性树脂结构体生产装置的纵断面图。
图2是本发明的拉引装置的实例的纵断面图。
符号说明1a，1b 循环带2 直角模头12 树脂供料口15 赋形模
16 拉引装置17 造粒机18 开松装置19 入口20 出口21 纤维粗纱22 熔融树脂浸渍的纤维粗纱23 树脂浸渍的纤维粗纱30 冷却装置31 驱动轮32 空转轮33 辊具体实施方式
下面，将参照附图阐述本发明。
图2是用于纵向(树脂浸渍的纤维粗纱前进的方向)截取的本发明皮带对的纵断面图。标号1a和1b各代表循环带(缩写为皮带)。标号31代表驱动和移动皮带的驱动轮。标号32代表空转轮，而标号33代表辊。下皮带和上皮带中至少一条是可移动的而另一条是固定的。可移动皮带上下移动至两皮带分离并夹着树脂浸渍的纤维粗纱23。
重要的是供给皮带对的树脂浸渍的纤维粗纱23被冷却至25～100℃，优选至50～80℃，更优选至60～70℃。该树脂浸渍的纤维粗纱23的供料温度过高，会引起皮带材料的降解、纱股变扁和在随后的步骤中难以通过造粒机切割纤维粗纱。相反，该树脂浸渍的纤维粗纱23冷却的温度过低，在热量利用上不经济、易形成料屑、和缩短造粒机切割刀片的寿命。
向平行的皮带对供应的树脂浸渍的纤维粗纱23的数目没有特殊的限制。然而，树脂浸渍的纤维粗纱23的数目为1根或1根以上，优选10根或10根以上，更优选50根或50根以上，而通常例如为100根或100根以上。
关于拉引装置的尺寸，皮带的宽度由要平行加工处理的树脂浸渍的纤维粗纱23的数目确定。皮带与树脂浸渍的纤维粗纱23之间接触的长度优选为500mm或更长，更优选1000mm或更长。过短的接触长度不仅降低拉引纤维粗纱力，而且加速皮带的磨损。
关于拉引装置的能力，1～100根树脂浸渍的纤维粗纱(23)的每根可在1kgf(9.8N)～50kgf(490N)的拉引力、0.1kgf/cm2(9,800Pa)～5kgf/cm2(0.49MPa)的皮带表面压力、以及3～80m/min.的拉引速度下拉引。
用于拉引装置中的循环带具有宏观扁平结构，但优选具有微观粗糙表面。这样，皮带表面优选能经受住抛光或磨光。
用于拉引装置的循环带具有聚氨酯弹性体的表面。所用的带内层包含增强剂如合成树脂纤维、合成树脂织物、或作芯材的金属丝。该循环带优选包含金属丝。包含增强剂如金属丝的层是由聚氨酯弹性体、其它天然橡胶、SBR、丁腈橡胶、氯丁二烯橡胶或硅橡胶或其它制成的。在由不同材料制成表面上的聚氨酯弹性体层和包括金属丝层的情况下，层之间用粘合剂、溶剂或加热来粘合。
从皮带的寿命，尤其是，皮带的耐磨性或诸如此类的观点考虑，聚氨酯弹性体优选是聚酯类的聚氨酯弹性体或者聚碳酸酯聚酯类的聚氨酯弹性体。
聚氨酯弹性体的表面硬度，即肖氏A硬度，优选为50～80，更优选为55～75。肖氏A硬度比上述范围低许多时，引起皮带严重的降解，而该肖氏A硬度比上述大许多时，则引起粗纱在拉引过程中松脱，和粗纱变形。
以下通过参考图1说明长纤维增强的树脂结构体的生产。把纤维粗纱21供给直角模头2中的入口19，熔融树脂从树脂加料口12供入。在浸渍部分14，纤维粗纱浸渍上树脂，生成物作为熔融树脂浸渍的纤维粗纱22从设置在直角模头2出口的赋形模15中排出。
纤维粗纱21优选通过开松装置18例如夹纤维粗纱21的对辊预先开松成平面状，借此有利于纤维粗纱浸渍上树脂。
实际上，例如，将30根纤维粗纱的每5根集合成一束，并通过对辊使6束粗纱开松。
浸渍部分14在狭义上说仅具有直角机头结构，其中纤维粗纱21与浸渍用的树脂组合。或者，浸渍部分14具有广义上的直角机头结构，其还包括随后促使纤维粗纱21均匀浸渍树脂的部分。
浸渍部分14没有特殊的限制，而可由挡板的组合，挡板和辊的组合，辊的组合等构成。
挡板组合的例子是一对平面挡板，其在树脂浸渍纤维粗纱的拉引方向上呈波浪形。
在赋形模15中有许多赋形孔。在直角模头中，通常供应许多纤维粗纱，并且有一些纤维粗纱集合成为一束用于浸渍的纤维粗纱。一些用于浸渍的纤维粗纱排列成平面样式。这样，在赋形模15中，这些赋形孔被排列成行或曲折状。
这些纤维粗纱通过赋形孔每束被赋形为具有所要求断面形状的树脂浸渍的纤维粗纱，并且每束粗纱被赋形为所要求的形状如束状、带状或片状。
直角模头或赋形模优选在温度控制下工作。温度控制包括，例如检测模中的温度，如接近树脂加料口部分的温度；并与设定温度一致的加热。所用加热装置没有特殊的限制。然而，通过在模中附有加热装置的方法如在模具中附电加热装置的方法，或在模具中循环加热介质的方法都能完成加热。或者，通过用红外线、热空气或诸如此类从模具的外部加热的方法也能完成加热。其中，在模具中进行电加热或从模具外部进行加热是优选的。
从赋形模15排出的熔融树脂浸渍的纤维粗纱22通过设置在树脂随后完全固化步骤的冷却装置30中进行冷却，借此获得树脂浸渍的纤维粗纱23。
在冷却装置30的后面，有本发明用来夹持树脂浸渍的纤维粗纱23的引取装置16。在操作开始时，没有浸渍上树脂的纤维粗纱通过直角模头、赋形模、冷却装置、引取装置、以及根据需要而设置的造粒机。调整引取装置的各种条件，并使纤维粗纱开始浸渍上树脂。改变各种条件使之成为适合于稳定状态下获得产品的正常条件。
排出的浸渍树脂的纤维粗纱23可作为该纤维粗纱的纱股转移至模制成型步骤。但是，通常，为了使树脂浸渍的纤维粗纱23进行注射成型等成型过程，在引取装置16的下游设置有造粒机17，并把纤维粗纱切成预定的长度，借此制成长纤维增强的树脂颗粒或短纤维增强的树脂颗粒，优选长纤维增强的树脂颗粒。
长纤维增强的树脂颗粒的每粒长度为3～50mm，优选5～40mm，更优选5～30mm。
当颗粒长度比上述范围小许多时，损害了长纤维增强的优点。相反，当颗粒长度比上述范围大许多时，造成挤压机料斗壅塞等的问题，引起供料上的麻烦树脂浸渍的纤维粗纱23的纤维/树脂重量比为70％/30％～20％/80％，优选为65％/35％～25％/75％，更优选为63％/37％～30％/70％(这里，纤维和树脂总和为100％)。
浸渍的树脂与纤维的比例小于上述范围，损害纤维充分浸渍树脂。相反，当其比例大于上述范围时，带来经济上的缺点。
用于本发明中的纤维粗纱的材料没有特殊的限制。其材料的例子包括玻璃纤维如E-玻璃和D-玻璃；碳纤维如聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维和人造丝基碳纤维；无机纤维如硼纤维和矿物纤维；金属纤维如不锈钢和黄铜；芳族酰胺纤维如具有超高分子量的聚乙烯纤维、聚甲醛纤维、聚乙烯醇纤维、液晶芳族聚酯纤维、聚对苯二甲酸乙二酯纤维、聚对苯二甲酰对苯二胺纤维和聚间苯二甲酰间苯二胺纤维；有机纤维如聚丙烯腈纤维、棉花和纤维素纤维如黄麻；及其混合物。其中，优选的是玻璃纤维。
纤维粗纱的形状没有特殊的限制，并且任何连续的纤维如粗纱或纱线都可以使用。在本发明中，粗纱是任何连续纤维如粗纱或纱线的一般性术语。
此外，为了使纤维更好与树脂粘附，纤维可以经表面处理剂的处理。在纤维随后在直角模头中浸渍上熔融热塑性树脂之前，优选将增强纤维束预先加热至高温并使其与熔融树脂接触。此外，优选将增强纤维束预先通过开松装置如引取辊进行开松。
使用的树脂材料可以是任意类型的树脂如结晶树脂、非结晶树脂、生物可降解树脂、非生物可降解树脂、合成树脂、天然树脂、通用树脂、工程树脂或聚合物合金。该树脂材料的例子包括聚烯烃如聚乙烯和聚丙烯；聚氯乙烯；聚苯乙烯；芳族聚酯如聚对苯二甲酸乙二酯和聚对苯二甲酸丁二酯；脂族聚酯如聚丁二酸乙二酯、聚己二酸丁二酯和含聚丁二酸乙二酯、聚己二酸丁二酯和己内酯的三元共聚物；聚酰胺如尼龙6、尼龙66、尼龙11、尼龙12、尼龙610、尼龙612和尼龙46；以及工程树脂如聚缩醛、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、聚苯硫醚、聚苯醚、聚砜、聚醚酮、聚醚酰胺和聚醚酰亚胺。两种或多种树脂可以组合起来使用。通常，使用的树脂优选具有适合各种模制工艺如注射成型和挤压成型的高分子量。此外，当只有树脂浸入纤维时，所用的树脂优选的是能显示足够的增强效果。
另外，按照本发明长纤维增强的热塑性树脂的结构体可以按需要与树脂添加剂或填料混合。其实例包括抗氧剂；稳定剂如耐热稳定剂或紫外线吸收剂；抗静电剂；润滑剂；增塑剂；脱模剂；阻燃剂；阻燃助剂；结晶促进剂；着色剂如染料或颜料；以及填料如滑石。树脂添加剂或填料可预先混合到热塑性树脂中再使用。
此外，本发明还可以用于形成连续纤维浸渍的膜或片的模具，和用于形成连续纤维浸渍的管的模具。
实施例下文，将参照实施例更加具体地阐述本发明。但是，本发明并不限于这些实施例。
在实施例中，使用下列产品。
树脂改性聚丙烯作为浸渍用的树脂。获得改性聚丙烯的方法是往聚丙烯中添加1wt％的马来酸酐和500ppm的2，5-二甲基-2，5-二(叔丁基过氧)己炔-3；并且于200℃下熔融捏合全部物料以利于反应。
增强纤维每根具有17μm直径的4,000根玻璃单纤维的束(经定型)作为玻璃纤维粗纱使用。
每根具有7μm直径的24,000根单碳纤维(经定型)作为一束碳纤维粗纱使用。
实施例1使用图1所示的长纤维增强的热塑性树脂结构体生产装置和图2所示的拉引装置。所用皮带具有聚酯类聚氨酯(肖氏A硬度为70)的表面层和具有金属丝增强的氯丁二烯橡胶内层，且两层经过粘合剂粘合。供应30根玻璃纤维粗纱并集合成6束，加以开松。由挤压机供应熔融聚丙烯，再使玻璃纤维粗纱束通过直角模头以便在260～280℃下浸渍上树脂。熔融树脂浸渍的纤维粗纱以15m/min的的速度从赋形模中拉出，冷却至65℃，再由造粒机切断，借此获得每个具有纤维密度为50wt％和长度为11mm的颗粒。可连续生产1,000小时，而在皮带表面上未观察到异常现象，颗粒未变色，并且树脂浸渍的纤维粗纱的拉引速度也未降低。
实施例2除了表面层换成聚酯类聚氨基甲酸酯(肖氏A硬度60)外，颗粒采用与实施例1相同的方式生产。生产连续1,000小时，而在皮带的表面上未观察到异常现象。颗粒未变色，且树脂浸渍的纤维粗纱的拉引速度也未降低。
对比例1除了使用具有炭黑丁腈橡胶表面的皮带(肖氏A硬度为50)外，按与实施例1相同方式生产颗粒。生产连续进行50小时，在皮带的表面上形成磨损伤痕。在生产连续进行100小时后，磨损的伤痕明显扩大且纤维束表面变黑。因此，生产停止。
对比例2除了使用具有炭黑硅橡胶表面的皮带(肖氏A硬度60)外，按与实施例1相同方式生产颗粒。生产持续100小时，在皮带的表面上形成磨损伤痕。生产持续150小时后，磨损伤痕明显扩大且纤维束的表面变黑。因此，生产停止。
对比例3除了使用具有炭黑硅橡胶表面的皮带(肖氏A硬度70)外，按与实施例1相同方式生产颗粒。生产持续100小时，在皮带的表面上形成磨损伤痕。生产持续150小时后，磨损伤痕明显扩大，且纤维束的表面变黑。因此，生产停止。
工业实用性本发明能使大量的树脂浸渍的纤维粗纱长时间地进行高速拉引而无须更换皮带，并且能连续、有效和经济地生产长纤维增强的树脂结构体。
权利要求
1.一种用于树脂浸渍纤维粗纱(23)的拉引装置，该纤维粗纱(23)是通过将从长纤维增强热塑性树脂结构体生产装置的赋形模(15)中排出的熔融树脂浸渍的纤维粗纱(22)进行冷却而获得的，用于树脂浸渍纤维粗纱(23)的该拉引装置的特征在于包含一对循环带，其中与树脂浸渍的纤维粗纱(23)接触的该循环带表面是由聚氨酯弹性体制成的。
2.根据权利要求1的用于树脂浸渍纤维粗纱的拉引装置，其中聚氨酯弹性体包括聚酯类聚氨酯弹性体。
3.根据权利要求1或2的用于树脂浸渍纤维粗纱的拉引装置，其中聚氨基甲酸酯弹性体具有50～80的肖氏A硬度。
4.根据权利要求1～3中任一项的用于树脂浸渍纤维粗纱的拉引装置，其中每一循环带的内层具有用于增强的金属丝。
5.根据权利要求1～4中任一项的用于树脂浸渍纤维粗纱的拉引装置，其特征在于对冷却至25～100℃的1～100根树脂浸渍的纤维粗纱(23)的每根在1kgf(9.8N)～50kgf(490N)的拉力、0.1kgf/cm2(9,800Pa)～5kgf/cm2(0.49MPa)的带表面压力、和3～80m/min的拉引速度下拉引。
6.根据权利要求1～5中任一项的用于树脂浸渍纤维粗纱的拉引装置，其中该拉引的带具有150mm或更宽的宽度；带与树脂浸渍的纤维粗纱(23)之间的接触长度为500mm或更长。
7.一种产生长纤维增强的热塑性树脂结构体的方法，该方法使用权利要求1～6中任一项的用于树脂浸渍纤维粗纱的拉引装置。
全文摘要
本发明提供一种用于树脂浸渍的纤维粗纱(23)拉引装置，该纤维粗纱(23)是通过将从长纤维增强的热塑性树脂结构体生产装置的赋形模(15)中排出的熔融树脂浸渍的纤维粗纱(22)冷却至特定温度而获得的。用于树脂浸渍的纤维粗纱(23)的该拉引装置包括一对循环带，与树脂浸渍的纤维粗纱(23)接触的该循环带表面是由聚氨基甲酸酯弹性体制成的。本发明能使树脂浸渍的纤维粗纱长时间高速拉引，并且还能连续、有效、经济地生产长纤维增强的树脂结构体。
文档编号B29B9/14GK1819903SQ200580000589
公开日2006年8月16日 申请日期2005年7月6日 优先权日2004年7月8日
发明者中辻巧, 西村浩一, 佐伯和彦 申请人:大赛璐化学工业株式会社