CN100564008C - 一种树脂传递模塑工艺制备复合材料的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种树脂传递模塑工艺制备复合材料的设备和方法。该设备的特征在于它包括氮气瓶，氮气瓶依次经压力表、压力阀门、树脂罐、注液阀门与U形下模具的注液孔管接，U形下模具的出液孔经抽空阀门与真空泵管接，与U形下模具匹配的T形上模具与压机压头相连，注液孔开在U形下模具的一侧，位置不高于预制件装入U形下模具内的最低上表面，出液孔开在U形下模具的另一侧，位置要高于预制件装入U形下模具内的最低上表面；U形下模具的底面和T形上模具的顶面分别内装可调温的加热器。该方法采用本发明的设备，并包括如下工艺：①装模；②合模；③连接管路；④充模；⑤抽真空；⑥加压。本发明可大幅减少复合材料的孔隙率。

Description

一种树脂传递模塑工艺制备复合材料的设备和方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料树脂成型技术，特别是一种具有压缩功能的树脂传递模塑工艺制备复合材料的设备和方法，国际专利主分类号拟为Int.Cl.B29C 70/00(2006.01)。

背景技术

树脂传递模塑技术(RTM)是一种复合材料的成型技术，以该工艺生产的复合材料构件具有可局部增强，两面光滑，尺寸精确，环境友好等特点，因此越来越广泛地用于航空航天，交通运输，电器等领域。由于传统RTM成型工艺属于闭模成型，因此要求树脂在固化过程中没有小分子产物。这一要求极大地限制了缩聚反应特征或类型的树脂基体在RTM工艺中的应用，如传统的酚醛树脂、环氧酚醛树脂、双马来酰亚胺树脂以及非活性溶剂等在高黏度树脂中的应用。这些树脂在应用传统RTM工艺时，固化过程放出的小分子会形成大量的气泡，在密闭的模腔内无法排出，导致在复合材料制件中形成许多孔隙，严重影响了复合材料的质量和性能。

国内外目前在应用具有缩聚反应特征或类型的树脂制备复合材料时，主要通过两种途径：一种是先制成预浸料半成品，然后再通过层压工艺，或高压釜工艺完成复合材料的制备，这种方法不能适用于整体结构的先进纺织复合材料的预成型体。另一种方法是先通过对树脂的改性使其具有加成反应特征和较低的黏度以及较长的适用期，然后再使用传统的RTM工艺制造。这种方法成本大幅度提高，而且复合材料的性能也会受到影响。

在申请人检索的范围内，下述的本发明具有压缩功能的传递模塑工艺制备复合材料的设备和方法没见有文献报道。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，设计一种树脂传递模塑工艺制备复合材料的设备和方法。该设备和方法在树脂传递模塑工艺中有压缩功能，适用于具有缩聚反应特征或类型的树脂采用RTM工艺来制备复合材料，并具有工艺简单，成本低廉，产品质量优良等优点。

本发明解决所述设备技术问题的技术方案是：设计一种树脂传递模塑工艺制备复合材料的设备，其特征在于该设备包括氮气瓶，氮气瓶依次经压力表、压力阀门、树脂罐、注液阀门与U形下模具的注液孔管接，U形下模具的出液孔经抽空阀门与真空泵管接，与U形下模具匹配的T形上模具与压机压头相连，所述注液孔开在U形下模具的一侧，位置不高于复合材料预制件装入U形下模具内的最低上表面，所述出液孔开在U形下模具的另一侧，位置要高于复合材料预制件装入U形下模具内的最低上表面；所述U形下模具的底面和T形上模具的顶面分别内装可调温的加热器。

本发明解决所述方法技术问题的技术方案是：设计一种树脂传递模塑工艺制备复合材料的方法，其特征在于该方法采用本发明所述的设备，并包括如下工艺：

①装模，将复合材料预制件放入预热好的U形下模具内；②合模，检查模具的真空度；③连接管路，调节压机的压头，使模腔与预制件之间有注胶空间，然后把注液管和出液管分别与U形下模具的注液孔和出液孔管接；④充模，将树脂倒入树脂罐中，预热至30℃，打开氮气瓶，调整压力值，开始注胶充模；⑤抽真空，充模结束后，关闭氮气瓶、注液阀门和抽空阀门，当加热到树脂的凝胶温度后，打开抽空阀门，启动真空泵，使模具的真空度达到0.1MPa，并保持30～50分钟；⑥加压，然后开动压机，提升压机的压头，打开T形上模具将工艺压板放入预制件上，闭合T形上模具，指令压机的压头下降，通过与压头装接的T形上模具对预制件施加6～35MPa的压力，保持该压力，并把多余的树脂从抽空阀门处排除，升温按常规固化制度进行；所述工艺压板的形状结构根据复合材料预制件的形状结构相匹配设计。

与现有技术相比，本发明的树脂传递模塑工艺制备复合材料的设备和方法在树脂传递模塑工艺中有压缩功能，可适用于具有缩聚反应特征或类型的树脂制备复合材料时采用RTM工艺，且具有工艺简单，技术成熟，成本低廉，产品质量优良等特点，实验研究表明：使用传统酚醛树脂RTM工艺制得的复合材料试件中的孔隙率为11.92％，而采用本发明所述设备和方法制得的复合材料试件中的孔隙率仅为0.68％(参见实施例1)，极大地降低了复合材料制件中的孔隙率，提高了产品的质量和性能。

附图说明

图1为本发明树脂传递模塑工艺制备复合材料的设备一种实施例的结构示意图；

图2为本发明树脂传递模塑工艺制备复合材料的简单工艺流程图；

图3为本发明树脂传递模塑工艺制备复合材料的设备一种实施例的U形下模具和与之配套的T形上模具的形状结构示意图；

图4(a)为传统树脂传递模塑工艺制备复合材料的设备和方法一种对比实施例所制得的复合材料(三维编织四向酚醛复合材料)的横截面照片图；

图4(b)为本发明树脂传递模塑工艺制备复合材料的设备和方法一种实施例制得的复合材料(三维编织四向酚醛复合材料)的横截面照片图；

图5(a)为传统树脂传递模塑工艺制备复合材料的设备和方法一种对比实施例所制得的复合材料(三维编织五向环氧酚醛复合材料)的横截面照片图；

图5(b)为本发明树脂传递模塑工艺制备复合材料的设备和方法一种实施例制得的复合材料(三维编织五向环氧酚醛复合材料)的横截面照片图。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明。实施例不限制本发明权利要求。

本发明设计的树脂传递模塑工艺制备复合材料的设备(以下简称设备，参见图1、3)，其特征在于该设备包括氮气瓶1，氮气瓶1依次经压力表2、压力阀门21、树脂罐3、注液阀门4与U形下模具52的注液孔53管接，所述U形下模具52的出液孔54经抽空阀门8与真空泵9管接，与U形下模具匹配的T形上模具51与压机的压头7相连，所述注液孔53开在U形下模具52的一侧，位置不高于复合材料预制件6装入U形下模具52内的最低上表面，所述出液孔54开在U形下模具52的另一侧，位置要高于复合材料预制件6装入U形下模具52内的最低上表面；所述U形下模具52的底面和T形上模具51的顶面分别内装可调温的加热器55。

传统的RTM工艺是闭模成型，要求树脂在固化反应中无小分子产物放出，最好是加成反应类型的树脂。但大多数树脂的固化反应却为缩聚反应，固化过程会放出小分子，在密闭的模腔内产生大量无法排出的气泡，导致在复合材料制件中形成孔隙，影响复合材料的品质和性能。本发明设计的设备具有许多优良性能：例如，具有良好的加压和真空脱泡性能，在树脂固化反应过程中的凝胶时刻，通过调节T形上模具51的高度，可方便地对模腔内的复合材料预制件6施加适当的压力(所述的压力值依据复合材料预制件6中的纤维体积含量而设计)，由于压缩功能，有利于把密闭模腔内在缩聚反应过程中产生的水分子排除，减少复合材料中孔隙的形成，使复合材料预制件6的结构均匀而紧密，品质质量提高。又例如，具有良好的加热性能，T形上模具51和U形下模具52内分别装有可调温的加热器55，可方便地提供树脂固化反应所需要的温度，有利于节能。

本发明同时设计了一种树脂传递模塑工艺制备复合材料的方法(以下简称方法，参见图2)，其特征在于该方法采用本发明所述的设备，并包括如下工艺：①装模，将复合材料预制件6放入预热好的U形下模具52内；②合模，检查模具的真空度；③连接管路，调节压机的压头7，使模腔与预制件6之间有注胶空间，然后把注液管和出液管分别与U形下模具52的注液孔53和出液孔54管接；所述上、下模具之间要留有一定的空间，以便充模结束后对模具进行抽真空处理，以及排除树脂固化反应中生成的小分子产物；④充模，将树脂倒入树脂罐3中，预热至30℃，打开氮气瓶1，调整压力值，开始注胶充模；⑤抽真空，充模结束后，关闭氮气瓶1、注液阀门4和抽空阀门8，当加热到树脂的凝胶温度后，打开抽空阀门8，启动真空泵9，使模具的真空度达到0.1MPa，并保持30～50分钟；⑥加压，然后开动压机，提升压机的压头7，打开T形上模具51将工艺压板10放入预制件(增强体)6上，闭合T形上模具51使指令压机的压头7下降，通过与压头7装接的T形上模具对预制件6施加6～35MPa的压力，保持该压力，使注胶预制件6的结构紧密，并把多余的树脂从抽空阀门8处排除，升温按常规固化制度进行；所述工艺压板10的形状结构根据复合材料预制件6的形状结构相匹配设计。

在传统的RTM工艺中，模腔在充模前后固定不变。与之相比，本发明中的树脂传递模塑工艺通过模具结构的设计，在充模后抽真空，然后通过改变模腔的高度，对模具内的增强体施加压力，具有了压缩功能，从而排除了树脂在固化反应过程中形成的孔隙，大幅降低了所得制品中的孔隙率。

本发明未述及之处适用于现有技术。

下面给出本发明应用的具体实施例。

实施例1

制备三维编织四向酚醛复合材料试件。该实施例制备复合材料试件的形状为矩形(参见图1)，采用本发明的设备和如下工艺：

①装模，将复合材料预制件6放入预热好的U形下模具52内；②合模，检查模具的真空度；③连接管路，调节压机的压头7，使模腔与预制件6之间有注胶空间，然后把注液管和出液管分别与U形下模具52的注液孔53和出液孔54管接；④充模：将酚醛树脂倒入树脂罐3中，预热至30℃，打开氮气瓶1，调整压力值，开始注胶充模；⑤抽真空，充模结束后，关闭氮气瓶1、注液阀门4和抽空阀门8，当温度升至80℃，打开抽空阀门8，启动真空泵9，使模具的真空度达到0.1MPa，并保持40分钟。⑥加压，然后开动压机，提升压机的压头7，打开T型上模具51，将工艺压板10放入预制件(增强体)6上，闭合T型上模具51，使指令压机的压头7下降，通过与压头7装接的T形上模具51对预制件6施加压力。根据纤维体积含量65％，施加压力6.5MPa，并保持该压力，使注胶预制件6结构紧密，多余的树脂从抽空阀门8中流出，升温按常规固化制度进行。所述工艺压板10的形状结构根据复合材料预制件6的形状结构相匹配设计为矩形。

所得产品按照国家标准GB/T3365-1982检测，其孔隙率为0.68％。对比实验使用传统酚醛树脂RTM工艺制得的复合材料试件中的孔隙率为11.92％，是本发明孔隙率的17.5倍(参见图4(a)和图4(b))。

实施例2

采用本发明的设备制备三维编织五向环氧酚醛复合材料。该实施例制备的复合材料试件的形状为U形(参见图3)，采用如下工艺：

①装模，将复合材料预制件6放入预热好的U形下模具52内；②合模，检查模具的真空度；③调节压机的压头7，使模腔与预制件6之间有注胶空间，然后把注液管和出液管分别与U形下模具52的注液孔53和出液孔54管接；④充模：将环氧酚醛树脂倒入树脂罐3中，预热至30℃，打开氮气瓶1，调整压力值，开始注胶充模；⑤抽真空，充模结束后，关闭氮气瓶1、注液阀门4和抽空阀门8，当温度升至90℃，打开抽空阀门8，启动真空泵9，使模具的真空度达到0.1MPa并保持35分钟。⑥加压，然后开动压机，提升压机的压头7，打开T型上模具51，将工艺压块10放入预制件(增强体)6上，闭合T型上模具51，使指令压机的压头7下降，通过与压头7装接的T形上模具51对预制件6施加压力。根据纤维体积含量72％，施加压力15MPa，并保持该压力，使注胶预制件6结构紧密，多余的树脂从抽空阀门8中排出，升温按常规固化制度进行。所述工艺压块10的形状结构根据U形复合材料预制件6的形状结构匹配设计为T形。

所得产品按照国家标准GB/T3365-1982检测，其测孔隙率为0.32％。对比实验使用传统环氧酚醛树脂RTM工艺制得的复合材料试件中的孔隙率为5.46％，是本发明孔隙率的17.1倍(参见图5(a)和图5(b))。

Claims (2)

1.一种树脂传递模塑工艺制备复合材料的设备，其特征在于该设备包括氮气瓶，氮气瓶依次经压力表、压力阀门、树脂罐、注液阀门与U形下模具的注液孔管接，U形下模具的出液孔经抽空阀门与真空泵管接，与U形下模具匹配的T形上模具与压机压头相连，所述注液孔开在U形下模具的一侧，位置不高于复合材料预制件装入U形下模具内的最低上表面，所述出液孔开在U形下模具的另一侧，位置要高于复合材料预制件装入U形下模具内的最低上表面；所述U形下模具的底面和T形上模具的顶面分别内装可调温的加热器。

2.一种树脂传递模塑工艺制备复合材料的方法，其特征在于该方法采用权利要求1所述的设备，并包括如下工艺：①装模，将复合材料预制件放入预热好的U形下模具内；②合模，检查模具的真空度；③连接管路，调节压机的压头，使模腔与预制件之间有注胶空间，然后把注液管和出液管分别与U形下模具的注液孔和出液孔管接；④充模，将树脂倒入树脂罐中，预热至30℃，打开氮气瓶，调整压力值，开始注胶充模；⑤抽真空，充模结束后，关闭氮气瓶、注液阀门和抽空阀门，当加热到树脂的凝胶温度后，打开抽空阀门，启动真空泵，使模具的真空度达到0.1MPa，并保持30～50分钟；⑥加压，然后开动压机，提升压机的压头，打开T形上模具将工艺压板放入预制件上，闭合T形上模具，指令压机的压头下降，通过与压头装接的T形上模具对预制件施加6～35MPa的压力，保持该压力，并把多余的树脂从抽空阀门处排除，升温按常规固化制度进行；所述工艺压板的形状结构根据复合材料预制件的形状结构相匹配设计。

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