CN101134368A - 包缠复合纤维制造的热塑性复合材料片材及其制备方法 - Google Patents

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蔡建强
颜鸿斌
季雪松
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本发明属于热塑性复合材料制造技术领域，具体涉及一种包缠复合纤维制造的热塑性复合材料片材(WFT片材)及其制备方法。该热塑性复合材料片材由热塑性树脂基体和分布在基体中的增强纤维组成。该热塑性复合材料片材的制造方法包括：(1)采用纤维包缠技术，将热塑性纤维均匀地包覆在增强纤维上，制成包缠复合纤维；(2)将包缠复合纤维经编织制成各种规格结构的织物，形成复合纤维织物(片材一)；(3)将复合纤维织物经热压复合工序，形成所述热塑性复合材料片材(片材二)。WFT片材与同类产品相比具有更高的强度和刚度、更好的结构可设计性、更优的抗蠕变性能和尺寸稳定性。

Description

包缠复合纤维制造的热塑性复合材料片材及其制备方法
技术领域
本发明属于热塑性复合材料制造技术领域，具体涉及一种包缠复合纤维制造的热塑性复合材料片材及其制备方法。
背景技术
热塑性复合材料由于具有可重复使用、成型速度快、密度低以及良好的抗冲击性能等诸多优点，近年来在国内外都得到了迅猛的发展，已经被广泛地应用在汽车部件、机电工业、防腐工程及建筑等众多的行业和领域，并呈现快速增长的势头。
同热固性复合材料一样，制备热塑性复合材料首先需要有增强纤维和热塑性基体的良好浸润，但由于热塑性树脂基体粘度大，浸渍困难，因此热塑性复合材料中间体的制备一直是人们研究的重点课题。各国对制备FRTP的关键技术，即解决热塑性树脂对增强纤维的浸渍，进行了大量的研究，主要开发了熔融浸渍、悬浮浸渍、粉末预浸、纤维混杂、原位聚合以及薄膜镶嵌等多种制备技术。在过去多年的研究中，人们发展了增强粒料、预浸料及片状模塑料(片材)等几类中间体产品，主要的中间体产品品种包括：
短切纤维增强型粒料(SFT或SFRT)：这是通过挤压混合的一种产品，在挤压时，聚合物基材融化并包覆在短切纤维(0.1～0.2mm)上，该产品可以用标准压力注射。
长纤维增强型颗粒料(LFT或LFRT)：一般通过螺杆挤出机将热塑性聚合物颗粒料包覆在长纤维上，然后将生成的棒料切割成一定长度的颗粒料。
玻璃纤维毡增强型片材(GMT)：在两层热塑性塑料片材中间插入玻璃纤维毡增强材料，制成TP/mat/TP夹层材料，可以用热压模塑成型。
Vetrotex Twintex预浸料：在玻璃纤维生产阶段通过在其上混合PP(或PET)单丝制成的(增强材料含量在40％～80％)。
Ten Cate预浸料：将可熔基片用热压模塑技术将其融合到增强材料上，目前基本上都是用PPS或PEI聚合物和碳纤维增强材料结合，仅用于高性能复合材料。
纤维混编织物：在织物编织过程上直接将玻璃纤维和一定比例的热塑性纤维混合织造。
表1 几种玻纤/PP中间体材料的典型性能一成本比较
  中间体名称   拉伸强度/MPa   弯曲模量/GPa   缺口冲击强度/KJ/m2   成本
  SFT粒料   90   5.3   70～80   低
  LFT粒料   120   6.8   /   较低
  GMT片材   100～150   6～10   70   中等
  Twintex预浸料   240   13   220   高
这些中间体产品制备工艺不同，在性能上也各有特点。对于SFT、LFT和GMT而言，其制备工艺相对较为容易，混合均匀性好，但产品的力学性能较低；预浸料类型的中间体中，Twintex预浸料是在单丝层级上的混合，均匀性非常好，但工艺装备复杂，成本较高；而简单地采用增强纤维和热塑性纤维混编工艺所制成的预浸料虽然实现非常容易，制造成本低，但混合均匀性差，且浸渍效果较差，所制备的复合材料制品缺陷较多，性能较差。
发明内容
本发明的目的在于针对现有热塑性复合材料中间体产品的缺陷，提供一种包缠复合纤维制造的热塑性复合材料片材，与同类产品相比具有更高的强度和刚度、更好的结构可设计性、更优的抗蠕变性能和尺寸稳定性。同时，本发明还要提供这种热塑性复合材料片材的制备方法。
本发明的技术方案如下：一种包缠复合纤维制造的热塑性复合材料片材，由热塑性树脂纤维和连续增强纤维组成，其中，热塑性树脂纤维均匀缠绕包覆在连续增强纤维上形成复合纤维，复合纤维经编织形成复合纤维织物并经热压复合形成热塑性复合材料片材。
如上所述的包缠复合纤维制造的热塑性复合材料片材，其中，热塑性树脂纤维是由热塑性树脂基体制作成的连续纤维或定长纤维或纤维的改性品种，热塑性树脂基体可以为聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚对二苯二甲酸乙二酯醇(PET)、聚苯乙烯(PS)、聚酰胺(PA)、聚碳酸酯(PC)。
如上所述的包缠复合纤维制造的热塑性复合材料片材，其中，连续增强纤维可以为玻璃纤维、高硅氧纤维、石英纤维、碳纤维、玄武岩纤维、高聚物纤维、金属纤维、金属氧化物纤维。
如上所述的包缠复合纤维制造的热塑性复合材料片材，其中，复合纤维织物可以是单向、双轴向或多轴向结构形式的织物。
如上所述的包缠复合纤维制造的热塑性复合材料片材，其中，复合纤维织物可以是一维织物、二维织物或三维织物。
一种上述热塑性复合材料片材的制备方法，包括如下步骤：
(1)将热塑性树脂纤维按照设计的重量比例，均匀缠绕包覆到连续增强纤维上，制成复合纤维；
(2)将均匀包缠后的复合纤维通过编织制成柔性复合纤维织物；
(3)将复合纤维织物通过热压方式，制成热塑性复合材料片材。
如上所述的热塑性复合材料片材的制备方法，其中，步骤(2)中复合纤维通过缝编、经编、纬编或机织的方式制成各种规格结构的柔性复合纤维织物。
如上所述的热塑性复合材料片材的制备方法，其中，可以将步骤(2)中的柔性复合纤维织物直接热压复合成各种复杂形状的产品。
如上所述的热塑性复合材料片材的制备方法，其中，步骤(3)中热压方式包括压机热压、压辊热压、双钢带热压、真空袋热压以及其它可实施热压的方式。
如上所述的热塑性复合材料片材的制备方法，其中，热塑性复合材料片材可进一步一层或多层热压复合成各种形状的产品。
本发明通过采用现今成熟的纤维包缠技术，将热塑性纤维均匀地包覆在连续增强纤维上，制成复合纤维，再将所述复合纤维以缝编、经编、纬编或机织等方式织成各种规格结构的复合纤维织物，最后将所述复合纤维织物热压复合成织物增强热塑性复合材料基片(WFT片材)。所述WFT片材相比单丝层级混合的Twintex织物预浸料，其制造装备大为简单，因而具有较低的成本。同时，由于热塑性纤维均匀地包覆在每束连续增强纤维外表面，可有效减少增强纤维束之间或增强层之间浸渍距离，进而可显著提高浸渍效果，因而，与传统的热塑性纤维/增强纤维混编织物比较，WFT片材制备的复合材料制品中增强纤维与热塑性树脂基体浸润良好，具有优良的力学性能。与SFT、LFT、GMT比较，WFT由于采用连续长纤维织物增强，力学性能有明显提高。本发明所述包缠复合纤维织物增强热塑性复合材料片材(WFT片材)，除了具有纤维增强热塑性复合材料(FRTP)的轻质高强、冲击韧性高、贮存期长、制造周期短、可回收重复利用等突出特点外，由于采用连续纤维织物增强，还具有更高的强度和刚度、更好的结构可设计性(设计更灵活)、更优的抗蠕变性能和尺寸稳定性。可根据需要，进一步设计并低压成型各种复杂制品。
附图说明
图1为包缠复合纤维结构示意图。
图2为复合材料纤维缝编工艺示意图。
图中，1.热塑性纤维包缠纱 2.增强纤维芯纱 3.不同铺放角度的包缠复合纤维 4.缝编捆绑线
具体实施方式
包缠复合纤维制造的热塑性复合材料片材，由热塑性树脂纤维和连续增强纤维组成，其中，热塑性树脂纤维均匀缠绕包覆在连续增强纤维上形成复合纤维，复合纤维的结构如图1所示，复合纤维经编织形成复合纤维织物并经热压复合形成热塑性复合材料片材。
适于本发明的热塑性树脂基体无特别的限制，只要能被制成连续纤维或定长纤维即可。适于本发明所述热塑性纤维的非限定性例子包括：聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚对二苯二甲酸乙二酯醇(PET)、聚苯乙烯(PS)、聚酰胺(PA)、聚碳酸酯(PC)以及其它可以制作成连续纤维或定长纤维的热塑性纤维，同时还包括上述纤维的改性品种，如各种着色改性的热塑性纤维等。
适于本发明的连续增强纤维无特别的限制，只要能对热塑性基材起到增强作用即可。适于本发明所述连续增强纤维的非限定性例子包括：玻璃纤维、高硅氧纤维、石英纤维、碳纤维、玄武岩纤维、高聚物纤维(如涤纶、尼龙纤维以及芳纶等)、金属纤维、金属氧化物纤维以及其它可以用作增强复合材料的连续长纤维。
适于本发明的复合纤维织物可以是单向、双轴向或多轴向结构形式的织物，复合纤维织物可以是一维织物、二维织物或三维织物。
包缠复合纤维制造的热塑性复合材料片材的制备方法，包括如下步骤：
(1)纤维包缠复合：
将热塑性的连续纤维或定长纤维按照设计的重量比例，经过自动包缠装置均匀包覆到增强纤维上，制备包缠复合纤维。
包覆工艺参数如下：
车速：30～800m/min，优先选用400～600
喂入：0.2～10g/m，优先选用5～8
捻度：50～3000捻/m，优先选用200～850
复合纤维线密度：80～2000tex，优先选用150～800tex
增强纤维的重量百分比为20％～85％，优先选用30％～65％。
(2)复合纤维织物(片材一)制备：
将均匀包缠后的复合纤维通过缝编、经编、纬编或机织等方式制成柔性复合纤维织物(片材一)，如通过织机织成各种规格的平纹布、斜纹布或者缎纹布，也可以通过缝编机编织成各种规格的单向布、双轴向布或者是多轴向布。片材一既可以作为片材二原料使用，也可以直接压制成各种厚度和形状的产品。
(3)包缠复合纤维织物增强热塑性复合材料基片(片材二)制备：
将上述复合纤维织物通过各种热压方式，如压机热压、压辊热压、双钢带热压、真空袋热压以及其它可实施热压的方式，先热压、后冷却制成各种规格片材，即制成所需的复合材料基片(片材二)。片材中连续纤维可以是单向的、也可以是双向的，还可以是多层多向的。压制工艺参数根据所选用的热塑性基体树脂的不同而不同，压制温度需参考基体树脂的熔点温度和热降解温度，一般可选高于熔点10～70℃，压制保温时间与片材厚度有关，对于厚度小于5mm的WFT片材，一般的压机热压压制保温时间为30～300s，优选60～120s。冷却方式包括自然冷却、水冷却、气体冷却或油冷却等。
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的描述。
实施例1：
将重量百分比为40％PP纤维，经过包缠装置均匀包覆到E—玻璃纤维上，制备相应的包缠复合纤维。包覆工艺参数如下：车速：500；喂入：8；捻度：210。复合纤维线密度：150tex。然后，将所制得的包缠复合纤维在缝编机上制成单向的复合纤维缝编织物，其面密度约为240g/m2。最后，将16层所制得的单向复合纤维缝编织物同方向铺层，通过真空袋热压成型，成型温度210～220℃，制得WFT片材。片材性能测试结果列于表2。
实施例2：
将重量百分比为40％PP纤维，经过包缠装置均匀包覆到E—玻璃纤维上，制备相应的包缠复合纤维。包覆工艺参数如下：车速：500；喂入：8；捻度：210。复合纤维线密度：150tex。然后，将所制得的包缠复合纤维在缝编机上制成单向的复合纤维缝编织物，其面密度约为240g/m2。最后，将16层所制得的单向复合纤维缝编织物按正交方式交叉方向铺层，通过真空袋热压成型，成型温度210～220℃，制得WFT片材。片材性能测试结果列于表2。
实施例3：
将重量百分比为60％PP纤维，经过包缠装置均匀包覆到E—玻璃纤维上，制备相应的包缠复合纤维。包覆工艺参数如下：车速：650；喂入：5；捻度：350。复合纤维线密度：250tex。然后，将所制得的包缠复合纤维在缝编机上制成单向的复合纤维缝编织物，其面密度约为260g/m2。
最后，将20层所制得的单向复合纤维缝编织物按同方向铺层，通过压机热压成型，成型温度205℃，压力0.3～0.5MPa，时间300s，制得WFT片材。片材性能测试结果列于表2。
表2
  性能   实施例1   实施例2   实施例3
  密度(g/cm3)   1.39   1.32   1.21
  拉伸强度(MPa)   378   196   258
  拉伸模量(GPa)   20.1   9.39   13.0
  延伸率(％)   2.15   2.66   /
  弯曲强度(MPa)   168   116   159
  弯曲模量(GPa)   16.1   8.63   11.1
  冲击韧性ak(J/cm2)   45.7   13.3   12.7

Claims (11)

1.一种包缠复合纤维制造的热塑性复合材料片材，由热塑性树脂纤维和连续增强纤维组成，其特征在于：热塑性树脂纤维均匀缠绕包覆在连续增强纤维上形成复合纤维，复合纤维经编织形成复合纤维织物并经热压复合形成热塑性复合材料片材。
2.如权利要求1所述的包缠复合纤维制造的热塑性复合材料片材，其特征在于：热塑性树脂纤维是由热塑性树脂基体制作成的连续纤维或定长纤维或纤维的改性品种.
3.如权利要求1所述的包缠复合纤维制造的热塑性复合材料片材，其特征在于：热塑性树脂基体可以为聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚对二苯二甲酸乙二酯醇(PET)、聚苯乙烯(PS)、聚酰胺(PA)、聚碳酸酯(PC)。
4.如权利要求1所述的包缠复合纤维制造的热塑性复合材料片材，其特征在于：连续增强纤维可以为玻璃纤维、高硅氧纤维、石英纤维、碳纤维、玄武岩纤维、高聚物纤维、金属纤维、金属氧化物纤维。
5.如权利要求1或2或3所述的包缠复合纤维制造的热塑性复合材料片材，其特征在于：复合纤维织物可以是单向、双轴向或多轴向结构形式的织物。
6.如权利要求5所述的包缠复合纤维制造的热塑性复合材料片材，其特征在于：复合纤维织物可以是一维织物、二维织物或三维织物。
7.一种上述热塑性复合材料片材的制备方法，包括如下步骤：
(1)将热塑性树脂纤维按照设计的重量比例，均匀缠绕包覆到连续增强纤维上，制成复合纤维；
(2)将均匀包缠后的复合纤维通过编织制成柔性复合纤维织物；
(3)将复合纤维织物通过热压方式，制成热塑性复合材料片材。
8.如权利要求7所述的热塑性复合材料片材的制备方法，其特征在于：步骤(2)中复合纤维通过缝编、经编、纬编或机织的方式制成各种规格结构的柔性复合纤维织物。
9.如权利要求8所述的热塑性复合材料片材的制备方法，其特征在于：可以将步骤(2)中的柔性复合纤维织物直接热压复合成各种复杂形状的产品。
10.如权利要求7所述的热塑性复合材料片材的制备方法，其特征在于：步骤(3)中热压方式包括压机热压、压辊热压、双钢带热压、真空袋热压以及其它可实施热压的方式。
11.如权利要求7或8或9或10所述的热塑性复合材料片材的制备方法，其特征在于：热塑性复合材料片材可进一步一层或多层热压复合成各种形状的产品。
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