定向短切碳纤维增强热塑性复合材料的挤丝装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开复合材料加工领域中的定向短切碳纤维增强热塑性复合材料的挤丝装置及方法，融料腔内部正中间装有多功能搅拌装置，融料腔的底部经闸阀连接左右水平布置的挤料腔，挤料腔的左侧是水平布置的伸缩式液压缸，伸缩式液压缸的右端连接有一级套筒活塞，二级套筒活塞与一级套筒活塞同轴连接；挤料腔的右端出口同轴连接且连通渐缩阶梯管式喷嘴，渐缩阶梯管式喷嘴内部具有从左到右的多级的渐缩式阶梯管，渐缩式阶梯管的管道内径从左往右依次递减且左右长度从左往右依次递减；本发明专利技术将下料、搅拌、挤料三个过程融为一体，引导短切碳纤维丝在热塑性树脂基体中沿材料挤出方向的定向排列，将短切碳纤维丝和热塑性树脂基体原材料直接加工成连续丝材。

Extrusion Device and Method of Directional Short-cut Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic Composites

The invention discloses a wire extrusion device and method for directional short-cut carbon fiber reinforced thermoplastic composites in the field of composite material processing. A multi-functional stirring device is installed in the middle of the melting chamber. The bottom of the melting chamber is connected with the left and right horizontal extrusion chambers through gate valves. The left side of the extrusion chamber is a horizontal telescopic hydraulic cylinder, and the right end of the telescopic hydraulic cylinder is connected with a first-order sleeve. Plug, two-stage sleeve piston and one-stage sleeve piston are coaxially connected; the right end of the extrusion chamber is coaxially connected and connected with a tapered stepped nozzle; the inner part of the tapered stepped nozzle has a multi-stage tapered stepped pipe from left to right; the inner diameter of the tapered stepped pipe decreases from left to right and the left-right length decreases from left to right in turn; the feeding, mixing and extrusion material are provided by the present invention. The three processes are integrated to guide the orientation of the short carbon fibers in the thermoplastic resin matrix along the direction of extrusion. The raw materials of the short carbon fibers and the thermoplastic resin matrix are directly processed into continuous wires.

【技术实现步骤摘要】
定向短切碳纤维增强热塑性复合材料的挤丝装置及方法
本专利技术涉及复合材料加工领域,特别涉及能定向的短切碳纤维增强热塑性复合材料的挤丝装置及方法。
技术介绍
碳纤维是一种纤维状碳材料，具有耐高温、抗腐蚀、高导热等优点，主要被制成碳纤维增强复合材料来使用。在实际使用过程中，碳纤维增强复合材料具有其他纤维增强复合材料无法比拟的性能优势，这种复合材料强度高、耐疲劳、抗腐蚀，导电且导热性能良好。随着3D打印技术的应用，采用3D打印技术生产碳纤维增强复合材料新型构件已经成为一种新兴的制造工艺。常见的3D打印成形技术有:SLA技术、FDM技术、SLS技术、LOM技术和3DP技术等，其中FDM技术因其运行成本低、打印质量好、成形精度高、材料种类多、后期处理简单等优势而被广泛使用。基于FDM工艺所使用的短切碳纤维增强丝材，通常是由熔融的热塑性树脂基体与短切碳纤维丝混合均匀后通过挤丝装置进行制备。在利用短切碳纤维增强丝材进行FDM打印时，短切碳纤维丝在热塑性树脂基体中的取向度对丝材最终的力学性能有很大的影响。在目前的混合方式下，短切碳纤维丝在热塑性树脂基体中随机排列，表现出各向同性性质，从而使制备得复合材料构件的力学性能提高有限，复合材料特有的可设计性优势难以充分发挥。因此，设计一种短切碳纤维和热塑性树脂基体均匀混合、且纤维取向一致的制丝装置，对实现高性能热塑性碳纤维复合材料的3D打印显得尤为重要。已有中国专利公开号为CN106891518A的文献中公开了一种短切碳纤维和热塑性复合材料混合的定向排列处理装置，包括：热熔加热装置、气压挤出装置、非对称式均匀搅拌装置、短碳纳米管纤维极化处理装置和自动盘丝装置。该装置能够实现短切碳纤维增强丝材的预制，打印预制丝材可以提高碳纤维结构件的打印精度和机械性能。但是其存在的缺点是：（1）对短切碳纤维丝的取向原理是通过天线发射高压电场，瞬间实现导电短切碳纤维的极化，并实现其在熔融热塑性复合材料基质中的定向排列处理。但往往由于熔融热塑性复合材料的高粘度及纤维的柔韧性，使纤维极化取向所需的电场强度大、电场分布复杂，容易造成纤维定向排列效果不理想，且存在安全隐患。（2）所采用的非对称式均匀搅拌装置功能单一，仅包含对短切碳纤维粉末和热塑性复合材料的分级搅拌，对于高粘度熔融树脂基体来讲，其上下层搅拌均匀程度相差较大，容易造成后期挤丝质量和性能的不稳定，且搅拌效率较低。（3）所采用的挤出动力源是气缸，挤丝过程中靠从气缸管路输入的压力气体对高粘度的熔融热塑性复合材料施加推挤力，故所需气体压力大，而且压力气体也极容易混入热塑性复合材料融体从而导致在挤出丝材中出现气泡，进而影响所制备丝材和最终纤维复合材料制件的力学性能。（4）该技术对搅拌、挤丝过程中，融体的流动状态受温度变化的影响没有给予充分考虑，因此在挤丝通道中，位于流速和压力变化剧烈的部位容易造成堵塞，尤其是当每一工作循环完成并停机后，残留于挤丝通道中、未完全挤出的高粘度热塑性复合材料融体会逐渐冷却凝固，在堵塞挤丝通道的同时，造成极大的原材料浪费，使得挤丝工作难以顺利、持续进行。
技术实现思路
为了克服传统3D打印挤丝装置以及上述短切碳纤维和热塑性复合材料混合的定向排列处理装置中存在的短切碳纤维丝和热塑性复合材料均匀混合难度大、短切碳纤维丝在熔融的热塑性复合材料中难以实现定向排列，以及熔融热塑性复合材料在挤出过程中随温度降低容易堵塞等问题，本专利技术提供一种定向短切碳纤维增强热塑性复合材料的挤丝装置，通过多种结构的组合有效避免上述问题的发生。同时，本专利技术也提供了该装置的控制方法。为实现上述目的，本专利技术所述的定向短切碳纤维增强热塑性复合材料的挤丝装置的技术方案是：包括上下垂直布置的融料腔，料斗与融料腔顶部连通，融料腔内部正中间装有多功能搅拌装置，多功能搅拌装置同轴固定连接搅拌电机的输出轴；融料腔的底部经闸阀连接左右水平布置的挤料腔，挤料腔的左侧是水平布置的伸缩式液压缸，伸缩式液压缸的右端连接有一级套筒活塞，一级套筒活塞外壁与挤料腔的内壁滑动密封连接，二级套筒活塞与一级套筒活塞同轴连接；挤料腔的右端出口同轴连接且连通渐缩阶梯管式喷嘴，渐缩阶梯管式喷嘴内部具有从左到右的多级的渐缩式阶梯管，渐缩式阶梯管的管道内径从左往右依次递减且左右长度从左往右依次递减。进一步地，融料腔的外壁上包有盘管式加热器一，盘管式加热器一外壁包裹有保温棉一；挤料腔的右半侧外包有盘管式加热器二，盘管式加热器二外壁包裹有保温棉二；渐缩阶梯管式喷嘴外包有盘管式加热器三，盘管式加热器三外壁包裹有保温棉三。进一步地，多功能搅拌装置由一级搅拌杆、二级搅拌杆、螺旋式送料扇叶，刮料板，T型搅拌杆组成，二级搅拌杆同轴固定连接一级搅拌杆下端，一级搅拌杆上端同轴固定连接搅拌电机，在一级搅拌杆上从上到下依次装有螺旋式送料扇叶、刮料板和T型搅拌杆，在二级搅拌杆上装有螺旋式挤料扇叶。进一步地，渐缩式阶梯管为4～8级，左右相邻的两个渐缩式阶梯管中的左侧的渐缩式阶梯管和右侧的渐缩式阶梯管的内径比是1.3～1.5，左侧的渐缩式阶梯管和右侧的渐缩式阶梯管的左右长度比是1.1～1.3。进一步地，渐缩阶梯管式喷嘴外部的右侧依次装有冷却辊、盘丝筒，盘丝筒由盘丝电机带动旋转。进一步地，旋转式喷头从顶部伸入融料腔内，旋转式喷头连接水管一端，水管另一端连接水箱，水管上设有阀门，水箱位于渐缩阶梯管式喷嘴的右端出口的下方。本专利技术所述的定向短切碳纤维增强热塑性复合材料的挤丝装置的挤丝方法采用的技术方案是：具有以下步骤：A、关闭闸阀，热塑性树脂基体和短切碳纤维丝向料斗送原料，原料进入融料腔后，盘管式加热器一对融料腔加热，盘管式加热器一进行保温，同时搅拌电机带动多功能搅拌轴进行旋转；B、当短切碳纤维丝和热塑性树脂基体混合均匀后，盘管式加热器一停止加热，同时打开闸阀，多功能搅拌轴将混合均匀的短切碳纤维增强融体从融料腔向下推入挤料腔中；C、伸缩式液压缸工作，带动一级套筒活塞和二级套筒活塞从左向右推动混合好的融体材料挤丝，同时，盘管式加热器二和盘管式加热器三加热，保温棉二和保温棉三进行保温；D、伸缩式液压缸驱动一级套筒活塞和二级套筒活塞向左运动回到原位。进一步地，步骤C中，在渐缩阶梯管式喷嘴外部的右侧依次装有冷却辊、盘丝筒，当熔融的短切碳纤维增强融体从渐缩阶梯管式喷嘴中向右挤出后，依次通过装有冷水的冷却辊冷却，形成短切碳纤维增强丝材，由盘丝筒对短切碳纤维增强丝材进行卷丝收集。更进一步地，卷丝收集完成后，用旋转喷头进入融料腔中用清水对其进行冲洗，同时打开闸阀，清水进入到挤料腔中，伸缩式液压缸工作，一级套筒活塞和二级套筒活塞向右运动，将水从渐缩阶梯管式喷嘴当中挤出流入水箱中。本专利技术采用上述技术方案后，具有的有益效果是：（1）本专利技术采用的多功能搅拌轴，将下料、搅拌、挤料三个过程融为一体。在下料过程中，利用螺旋式送料扇叶可实现短切碳纤维丝在融料腔中均匀抛撒，从而避免短切碳纤维丝大量凝聚现象的发生。在搅拌过程中，利用多级搅拌机构可以实现短切碳纤维丝和热塑性树脂基体的均匀混合。本专利技术在挤料过程中，考虑到熔融热塑性树脂基体黏度较高，仅借助自身重力难以顺利下滑，故采用螺旋式挤料扇叶来推动短切碳纤维丝和熔融热塑性树脂混合融体进行流动。此外，本专利技术在挤丝过程中，利本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种定向短切碳纤维增强热塑性复合材料的挤丝装置，包括上下垂直布置的融料腔（1），料斗（3）与融料腔（1）顶部连通，其特征是：融料腔（1）内部正中间装有多功能搅拌装置（34），多功能搅拌装置（34）同轴固定连接搅拌电机（6）的输出轴；融料腔（1）的底部经闸阀（13）连接左右水平布置的挤料腔（14），挤料腔（14）的左侧是水平布置的伸缩式液压缸（15），伸缩式液压缸（15）的右端连接有一级套筒活塞（16），一级套筒活塞（16）外壁与挤料腔（14）的内壁滑动密封连接，二级套筒活塞（17）与一级套筒活塞（16）同轴连接；挤料腔（14）的右端出口同轴连接且连通渐缩阶梯管式喷嘴（18），渐缩阶梯管式喷嘴（18）内部具有从左到右的多级的渐缩式阶梯管（35），渐缩式阶梯管（35）的管道内径从左往右依次递减且左右长度从左往右依次递减。

【技术特征摘要】
1.一种定向短切碳纤维增强热塑性复合材料的挤丝装置，包括上下垂直布置的融料腔（1），料斗（3）与融料腔（1）顶部连通，其特征是：融料腔（1）内部正中间装有多功能搅拌装置（34），多功能搅拌装置（34）同轴固定连接搅拌电机（6）的输出轴；融料腔（1）的底部经闸阀（13）连接左右水平布置的挤料腔（14），挤料腔（14）的左侧是水平布置的伸缩式液压缸（15），伸缩式液压缸（15）的右端连接有一级套筒活塞（16），一级套筒活塞（16）外壁与挤料腔（14）的内壁滑动密封连接，二级套筒活塞（17）与一级套筒活塞（16）同轴连接；挤料腔（14）的右端出口同轴连接且连通渐缩阶梯管式喷嘴（18），渐缩阶梯管式喷嘴（18）内部具有从左到右的多级的渐缩式阶梯管（35），渐缩式阶梯管（35）的管道内径从左往右依次递减且左右长度从左往右依次递减。2.根据权利要求1所述的定向短切碳纤维增强热塑性复合材料的挤丝装置，其特征是：融料腔（1）的外壁上包有盘管式加热器一（24），盘管式加热器一（24）外壁包裹有保温棉一（25）；挤料腔（14）的右半侧外包有盘管式加热器二（26），盘管式加热器二（26）外壁包裹有保温棉二（27）；渐缩阶梯管式喷嘴（18）外包有盘管式加热器三（28），盘管式加热器三（28）外壁包裹有保温棉三（29）。3.根据权利要求1所述的定向短切碳纤维增强热塑性复合材料的挤丝装置，其特征是：多功能搅拌装置（34）由一级搅拌杆（7）、二级搅拌杆（11）、螺旋式送料扇叶（8），刮料板（9），T型搅拌杆（10）组成，二级搅拌杆（11）同轴固定连接一级搅拌杆（7）下端，一级搅拌杆（7）上端同轴固定连接搅拌电机（6），在一级搅拌杆（7）上从上到下依次装有螺旋式送料扇叶（8）、刮料板（9）和T型搅拌杆（10），在二级搅拌杆（11）上装有螺旋式挤料扇叶（12）。4.根据权利要求1所述的定向短切碳纤维增强热塑性复合材料的挤丝装置，其特征是：渐缩式阶梯管（35）为4～8级，左右相邻的两个渐缩式阶梯管（35）中的左侧的渐缩式阶梯管（35）和右侧的渐缩式阶梯管（35）的内径比是1.3～1.5，左侧的渐缩式阶梯管（35）和右侧的渐缩式阶梯管（35）的左右长度比是1.1～1.3；从左到右的第二级的渐缩式阶梯管（35）的内径与二级套筒活塞（17）的外径相匹配。5.根据权利要求1所述的定向短切碳纤维增强热塑性复...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭玉琴，范海洋，陈智鹏，徐凡，李富柱，许桢英，陈龙，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32