[发明专利]一种长纤复合材料的造粒生产线

权利要求书

1.一种长纤复合材料的造粒生产线，包括挤出机、长纤存储单元、长纤预处理单元、长纤浸润挤出模具、冷却系统、风干系统、牵引系统、切粒系统和收集系统；

其中，所述的挤出机可为具有塑化混炼功能的单螺杆挤出机、双螺杆挤出机、三螺杆挤出机或多螺杆挤出机，主要起对聚合物的塑化混炼作用；

其中，所述的长纤存储单元主要起存放成卷长纤的作用，供复合材料制备使用，其设计要点在于减少或消除长纤束打扭的现象；

其中，所述的长纤预处理单元主要包括长纤预热功能与长纤预分散功能；长纤预热的目的是将长纤温度提高到聚合物熔体温度，使得长纤表面低分子物挥发的同时，保证长纤的引入不造成聚合物熔体温度的下降；长纤预分散的目的是将成股长纤进行预梳理，降低长纤丝之间的结合力，有利于降低长纤在聚合物熔体中的分散难度；

其中，所述的长纤浸润挤出模具主要起浸润长纤的作用；包括长纤导入口和聚合物熔体入口；长纤与聚合物熔体在长纤浸润挤出模具中复合；长纤与聚合物熔体充分浸润后，形成长纤复合材料；长纤复合材料从长纤浸润挤出模具出料口挤出；

其中，所述的冷却系统主要有水冷和风冷两种形式；当聚合物具有高温水解性能时，需进行风冷；当聚合物性能不受水份影响时，可采用水冷系统；

其中，所述的风干系统，主要是在采用水冷系统的情况下，对长线复合材料进行吹干；

其中，所述的牵引系统提供了长纤复合材料牵引的动力；

其中，所述的切粒系统将长纤复合材料按照设定好的长度进行切割；

其中，所述的收集系统将切割后的长纤复合材料进行收集和包装；

所述的一种长纤复合材料的造粒生产线中各组成部分的连接及上下游关系如下：长纤浸润挤出模具安装在挤出机出口位置；长纤存储单元处于挤出机的侧方或上方；从长纤走向上看，长纤存储单元的下游为长纤预处理单元；长纤预处理单元的下游为长纤浸润挤出模具；长纤浸润挤出模具的下游为冷却系统；冷却系统的下游为风干系统；风干系统的下游为牵引系统；牵引系统的下游为切粒系统；切粒系统的下游为收集系统；挤出机将聚合物熔化、共混和挤出，以一定压力为长纤浸润挤出模具供料；长纤从长纤存储单元上放置的成卷长纤中抽出，经长纤预处理单元预热和分纤后引入长纤浸润挤出模具中；在长纤浸润挤出模具内长纤与聚合物熔体复合，形成聚合物浸润长纤复合材料；长纤浸润挤出模具输出的复合材料，经冷却系统进行冷却和固化；风干系统将经过冷却系统冷却和固化的长纤吹干，即进行干燥处理；牵引系统提供长纤和浸润后复合材料的牵引动力，其牵引速度可调；切粒系统将风干系统输出的冷却、固化及干燥后的复合材料切碎，切割成一定长度的长纤复合材料颗粒；收集系统将收集和包装切粒系统切碎的长纤复合材料颗粒；值得注意的是，当使用风冷系统对浸润后的复合材料进行冷却时，可以省略风干系统；

所述的长纤浸润挤出模具包括熔池底板、熔池上板、导柱、上加热器和下加热器；其中，所述的熔池上板开设有长纤导入孔、热电偶安装孔和熔体压力传感器安装孔；所述的熔池底板开设有挤出模孔、聚合物熔体进料口和热电偶安装孔；熔体压力传感器的安装孔也可开设在熔池底板上；

其中，所述的导柱包含分纤导柱、压平导柱和导向导柱；所述的熔池上板与熔池底板安装后，其内空间构成了长纤浸润熔池，此长纤浸润熔池沿挤出方向截面形状相似但尺寸不同；长纤浸润熔池厚度方向尺寸和宽度方向尺寸均沿挤出方向逐渐收敛，该收敛空间称为收敛流道，收敛流道压缩比定义为长纤浸润熔池入口侧最大截面积与出口侧最小截面积的比值，且收敛流道压缩比范围在1到4.5之间；所述的长纤浸润熔池减去导柱所占空间后所剩空间为模具型腔；

其中，所述的长纤导入孔的截面形状可以为矩形或圆形；当其截面形状为矩形时，其宽度方向尺寸范围为10-16mm，厚度方向尺寸范围为0.5-2mm；当其形状为圆形时，长纤导入孔的直径范围为2-4mm；沿长度方向长纤导入孔的截面面积可以保持不变，也可以逐渐减小，即长纤入口一侧截面面积大于另一侧截面面积；当截面形状为矩形时，其截面面积的改变可通过调整厚度方向尺寸来实现；当截面形状为圆形时，其截面面积的改变可以通过调整截面圆形直径来实现；值得注意的是，当采用截面面积逐渐减小的长纤导入孔时，加工费用会有所提高，但是可以降低聚合物熔体从长纤导入孔冒料现象发生的机率；

其中，所述的挤出模孔直径范围为2-4mm；在挤出模孔内聚合物熔体的流动方向与长纤的牵引方向是相同的；

长纤浸润挤出模具中各组成部分的连接关系如下：上加热器与熔池上板相连，下加热器与熔池底板相连；分纤导柱、压平导柱与导向导柱安装到长纤浸润熔池内；熔池上板与熔池底板相连；

长纤浸润挤出模具中各组成部分的安装过程如下：

所述的分纤导柱、压平导柱和导向导柱安装到熔池底板的安装槽中；所述的熔池上板安装到熔池底板上；所述的上加热器安装在熔池上板上；所述的下加热器安装在熔池底板上；所述的熔池上板与熔池底板都安装热电偶；根据熔体压力传感器安装孔开设的位置不同，将熔体压力传感器安装到熔池上板或熔池底板上，其特征在于：长纤导入孔的长度计算方法，通过以下步骤实现：

步骤一、使用计算流体力学有限元方法计算模具型腔内的压力分布；

步骤二、从步骤一计算出的模具型腔内的压力分布中提取长纤导入孔出口压力；

其中，长纤导入孔出口压力，记为P_fo；

步骤三、利用圆环型流道拖曳压力流模型建立长纤导入孔内流体平均流速与长纤导入孔长度、长纤导入孔出口压力及长纤拖曳速度之间的关系，并确定长纤导入孔等效半径、长纤束等效半径、聚合物熔体的表观粘度；

步骤四、根据长纤导入孔内流体的平均流速、长纤导入孔出口压力、长纤拖曳速度、长纤导入孔等效半径、长纤束等效半径、聚合物熔体的表观粘度，计算长纤导入孔长度。