CN102010149B - 一种水溶性模具及其制备方法和成型复合材料方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种水溶性模具及其制备方法和成型复合材料方法。其将胶粘剂和基体材料混合制成水溶性模具；基体材料采用石英砂或二氧化硅微球；胶粘剂采用聚乙二醇水溶液。成型复合材料的方法为：(I)在水溶性模具上铺放树脂基复合材料预浸料，并进行预压实，制成复合材料预浸料叠层；(II)对步骤(I)所得复合材料预浸料叠层进行固化，得到复合材料制品；(III)用水或含有羧基的水溶液作为溶解剂对步骤(II)所得复合材料制品外的水溶性模具进行溶解分离，最后得到复合材料构件。本发明适用于复杂结构的复合材料制品成型，可消除水溶性模具在制备过程中产生的内应力，保证后续复合材料制品的尺寸和精度。

Description

一种水溶性模具及其制备方法和成型复合材料方法
技术领域
本发明涉及复合材料制造技术领域，具体涉及一种复合材料成型模具和成型复合材料方法。
背景技术
水溶性高分子特别是天然水溶性高分子，广泛应用于造纸、纺织、医药、食品、胶粘剂等行业中。随着科技的进步，航空航天领域对复合材料的结构复杂性要求越来越高。传统的金属模具在一定程度上难以满足复杂结构复合材料的整体成型和脱模要求，因此急需开发新的芯模材料以适应复合材料及其成型工艺的发展。
水溶性模具具有见水分解溃散的特性，适用于复杂结构复合材料构件的整体成型及脱模问题。
水溶性模具的研究主要包括胶粘剂、基体材料以及成型工艺和后处理工艺。水溶性胶粘剂主要分为以下两类：1)天然水溶性胶粘剂以植物或动物为原料，最常见的有淀粉类、海藻类、植物胶、动物胶和微生物胶质等，天然水溶性胶粘剂主要用在食品、造纸等领域；半合成水溶性胶粘剂，常见的品种有：羧甲基纤维素、羧乙基纤维素、甲基纤维素、乙基纤维素、氧化淀粉、羧甲基淀粉等；2)合成类水溶性胶粘剂，如聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚乙二醇、聚丙烯酰胺、水溶性环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂等，合成类水溶性胶粘剂由于其高效性、多样化和较低生物耗氧量的优点，在目前水溶性胶粘剂中是发展最快的品种。
水溶性模具的基体材料可以为石英砂等固体颗粒的材料。其成型工艺和后处理工艺也因胶粘剂和基体材料的不同而不同。
目前的水溶性胶粘剂和基体材料制作的水溶性模具可满足一般民用产品的使用要求，但仍不能满足结构复杂的航天领域复合材料制件成型以及特定复合材料高压成型，另外，现有的水溶性模具无界面设计及处理，不适用于成型树脂基复合材料制品，因此开展新型高溃散性及高抗压强度的水溶性模具对于成型复杂结构复合材料具有重要意义。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种在水溶液的浸泡下即可使模具溶解，实现脱模的水溶性模具及其制备方法。
本发明的另一目的在于提供一种成型复合材料的方法，其采用水溶性模具，易于脱膜，制造成本低，适用于复杂结构的复合材料制品。
实现本发明目的的技术方案在于：
一种水溶性模具，其将胶粘剂和基体材料混合制成水溶性模具；所述的基体材料采用石英砂或二氧化硅微球；所述的胶粘剂采用聚乙二醇水溶液；其中石英砂与聚乙二醇水溶液的重量比为100∶(5～250)，二氧化硅微球与聚乙二醇水溶液的重量比为100∶(500～2500)。
另一种水溶性模具，其将胶粘剂和基体材料混合制成水溶性模具；所述的基体材料采用石膏，所述的胶粘剂采用水，其中石膏与水的重量比为100∶(25～50)。
上述一种水溶性模具制造方法，其按照如下步骤进行：
(1)将胶粘剂和基体材料混合制成水溶性模具，所述的基体材料采用石英砂和/或二氧化硅微球，所述的胶粘剂采用聚乙二醇水溶液，其中石英砂与聚乙二醇水溶液的重量比为100∶(5～250)，二氧化硅微球与聚乙二醇水溶液的重量比为100∶(500～2500)；然后在一定尺寸模具内灌注上述胶粘剂和基体材料混合物，制成水溶性模具预制体；
(2)对步骤(1)制得的水溶性模具预制体进行固化，固化温度在120～170℃，保温5～24小时，然后自然冷却；
(3)对步骤(2)固化所得水溶性模具进行热处理，热处理升温至170～180℃，保温1～2小时，然后自然冷却；
(4)最后对步骤(3)热处理所得水溶性模具采用下述方法之一进行表面处理；一种表面处理方法为在水溶性模具表面喷涂含羟基的树脂膜，含羟基的树脂膜厚度为0.05～0.07mm；另一种表面处理方法为先用质量比为二氧化硅小球∶聚乙二醇溶液＝1∶25的混合物或原子灰将水溶性模具表面抹平，然后再在水溶性模具表面粘贴隔离膜，隔离膜厚度为0.05～0.1mm。
上述另一种水溶性模具制造方法，其按照如下步骤进行：
(1)将胶粘剂和基体材料混合制成水溶性模具，所述的基体材料采用石膏，所述的胶粘剂采用水，其中石膏与水的重量比为100∶(25～50)；然后在一定尺寸模具内灌注上述胶粘剂和基体材料混合物，制成水溶性模具预制体；
(2)对步骤(1)制得的水溶性模具预制体在室温下固化；
(3)最后对步骤(2)固化所得水溶性模具采用下述方法之一进行表面处理；一种表面处理方法为在水溶性模具表面喷涂含羟基的树脂膜，含羟基的树脂膜厚度为0.05～0.07mm；另一种表面处理方法为先用质量比为二氧化硅小球∶聚乙二醇溶液＝1∶25的混合物或原子灰将水溶性模具表面抹平，然后再在水溶性模具表面粘贴隔离膜，隔离膜厚度为0.05～0.1mm。
采用上述水溶性模具成型复合材料的方法，其按照如下步骤进行：
(I)在水溶性模具上铺放树脂基复合材料预浸料，并进行预压实，制成复合材料预浸料叠层；
(II)对步骤(I)所得复合材料预浸料叠层进行固化，得到复合材料制品；
(III)用水或含有羧基的水溶液作为溶解剂对步骤(II)所得复合材料制品外的水溶性模具进行溶解分离，最后得到复合材料构件。
如上所述的采用水溶性模具成型复合材料的方法，其步骤(I)中所述的树脂基复合材料预浸料采用碳纤维预浸料、玻璃纤维预浸料或芳纶纤维预浸料。
如上所述的采用水溶性模具成型复合材料的方法，其所述的碳纤维预浸料、玻璃纤维预浸料或芳纶纤维预浸料其浸渍树脂采用环氧树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛环氧树脂、酚醛树脂或双马来酰胺树脂。
如上所述的采用水溶性模具成型复合材料的方法，其步骤(II)中所述的对复合材料预浸料叠层进行固化，其固化工艺采用真空成型固化、模压成型固化或热压罐成型固化。
如上所述的采用水溶性模具成型复合材料的方法，其步骤(III)中所述的用水或含有羧基的水溶液作为溶解剂对步骤(II)所得复合材料制品外的水溶性模具进行溶解分离，是用水或含有羧基的水溶液浸泡复合材料制品，水或含有羧基的水溶液温度在40～60℃。
本发明的效果在于：本发明所述的水溶性模具适用于复杂结构的复合材料制品成型，并且水溶性模具具有一定的强度。该水溶性模具制备方法可消除水溶性模具在制备过程中产生的内应力，保证后续复合材料制品的尺寸和精度。对水溶性模具的表面处理，能保证顺利脱模，使复合材料制品的内表面光滑平整。采用本发明所述的水溶性模具成型复合材料构件，不仅易于脱膜，而且生产成本低，适用于各种复杂结构的复合材料制品。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明所述的一种水溶性模具及其制备方法和成型复合材料方法作进一步描述。
实施例1
一种水溶性模具的制备方法，其按照如下步骤进行：
(1)将胶粘剂和基体材料混合，基体材料采用二氧化硅微球，胶粘剂采用聚乙二醇水溶液，其中二氧化硅微球和聚乙二醇水溶液的重量比为100∶2500。然后在直径为50mm、高度为100mm的模具内灌注胶粘剂和基体材料混合物，制成水溶性模具预制体。
(2)对步骤(1)所得水溶性模具预制体进行高温固化，升温速率为1℃/min，在150℃保温12小时，至水溶性模具完全固化后，自然降温。
(3)对步骤(2)所得水溶性模具进行热处理，以20℃/h进行升温，170℃保温2个小时，然后自然降温。
(4)对步骤(3)所得水溶性模具进行表面处理，在水溶性模具表面喷涂含羟基的树脂膜，该含羟基的树脂膜厚度为0.05mm，制成可做为复合材料成型模具的最终水溶性模具。
采用上述水溶性模具成型复合材料的方法如下：
(I)裁剪350mm×150mm的浸渍环氧树脂的碳纤维预浸料10张，然后在水溶性模具上铺放该碳纤维预浸料，并进行预压实，制成复合材料预浸料叠层。
(II)将步骤(I)所得复合材料预浸料叠层用聚四氟乙烯透气玻璃布包好，再用耐高温透气毡包好，用尼龙薄膜制作真空袋，然后接上真空嘴，放入热压罐中固化，固化温度160℃，固化时间6小时。
(III)采用50℃的水浸泡步骤(II)所得复合材料制品，将复合材料制品外的水溶性模具完全溶解分离，最后得到复合材料构件。对复合材料构件可根据所需尺寸进一步机械加工。
实施例2
一种水溶性模具的制备方法，其按照如下步骤进行：
(1)将胶粘剂和基体材料混合，基体材料采用二氧化硅微球，胶粘剂采用聚乙二醇水溶液，其中二氧化硅微球和聚乙二醇水溶液的重量比为100∶1500。然后在直径为50mm、高度为100mm的模具内灌注胶粘剂和基体材料混合物，制成水溶性模具预制体。
(2)对步骤(1)所得水溶性模具预制体进行高温固化，升温速率为1℃/min，在120℃保温24小时，至水溶性模具完全固化后，自然降温。
(3)对步骤(2)所得水溶性模具进行热处理，以30℃/h进行升温，180℃保温1个小时，然后自然降温。
(4)先用质量比为二氧化硅小球∶聚乙二醇溶液＝1∶25的混合物将模具表面抹平，然后再在水溶性模具表面粘贴隔离膜，隔离膜厚度0.05mm，制成可做为复合材料成型模具的最终水溶性模具。
采用上述水溶性模具成型复合材料的方法如下：
(I)裁剪350mm×150mm的浸渍酚醛环氧树脂的玻璃纤维预浸料10张，然后在水溶性模具上铺放该玻璃纤维预浸料，并进行预压实，制成复合材料预浸料叠层。
(II)将步骤(I)所得复合材料预浸料叠层用聚四氟乙烯透气玻璃布包好，再用耐高温透气毡包好，用尼龙薄膜制作真空袋，然后接上真空嘴，放入热压罐中固化。
(III)采用60℃的含有羧基的水溶液浸泡步骤(II)所得复合材料制品，将复合材料制品外的水溶性模具完全溶解分离，最后得到复合材料构件。对复合材料构件可根据所需尺寸进一步机械加工。
实施例3
一种水溶性模具的制备方法，其按照如下步骤进行：
(1)将胶粘剂和基体材料混合，基体材料采用80目石英砂，胶粘剂采用聚乙二醇水溶液，其中石英砂和聚乙二醇水溶液的重量比为100∶5。然后在直径为200mm、高度为500mm的L型模具内灌注胶粘剂和基体材料混合物，制成水溶性模具预制体。
(2)对步骤(1)所得水溶性模具预制体进行高温固化，升温速率为1℃/min，在170℃保温5小时，至水溶性模具完全固化后，自然降温。
(3)对步骤(2)所得水溶性模具进行热处理，以25℃/h进行升温，175℃保温1个小时，然后自然降温。
(4)先用质量比为二氧化硅小球∶聚乙二醇溶液＝1∶25的混合物将步骤(3)所得水溶性模具表面抹平，然后再在水溶性模具表面粘贴隔离膜，隔离膜厚度为0.1mm，制成可做为复合材料成型模具的最终水溶性模具。
采用上述水溶性模具成型复合材料的方法如下：
(I)裁剪630mm×500mm的浸渍环氧树脂的玻璃纤维预浸料22张，然后在水溶性模具上铺放该碳纤维预浸料，并进行预压实，制成复合材料预浸料叠层。
(II)将步骤(I)所得复合材料预浸料叠层用聚四氟乙烯透气玻璃布包好，再用耐高温透气毡包好，用尼龙薄膜制作真空袋，然后接上真空嘴，放入热压罐中固化，固化温度120℃，固化时间8小时。
(III)采用40℃的水浸泡步骤(II)所得复合材料制品，将复合材料制品外的水溶性模具完全溶解分离，最后得到复合材料构件。对复合材料构件可根据所需尺寸进一步机械加工。
实施例4
一种水溶性模具的制备方法，其按照如下步骤进行：
(1)将胶粘剂和基体材料混合，基体材料采用80目石英砂，胶粘剂采用聚乙二醇水溶液，其中石英砂和聚乙二醇水溶液的重量比为100∶250。然后在直径为200mm、高度为500mm的模具内灌注胶粘剂和基体材料混合物，制成水溶性模具预制体。
(2)对步骤(1)所得水溶性模具预制体进行高温固化，升温速率为1℃/min，在150℃保温15小时，至水溶性模具完全固化后，自然降温。
(3)对步骤(2)所得水溶性模具进行热处理，以20℃/h进行升温，170℃保温1个小时，然后自然降温。
(4)对步骤(3)所得水溶性模具进行表面处理，在水溶性模具表面喷涂含羟基树脂膜，该含羟基树脂膜的厚度为0.07mm，制成可做为复合材料成型模具的最终水溶性模具。
采用上述水溶性模具成型复合材料的方法如下：
(I)裁剪630mm×500mm的浸渍酚醛树脂的芳纶纤维预浸料22张，然后在水溶性模具上铺放该芳纶纤维预浸料，并进行预压实，制成复合材料预浸料叠层。
(II)将步骤(I)所得复合材料预浸料叠层用聚四氟乙烯透气玻璃布包好，再用耐高温透气毡包好，用尼龙薄膜制作真空袋，然后接上真空嘴，放入烘箱中，抽真空，真空表压≤-0.09Mpa，固化温度150℃，固化时间6小时；
(III)采用50℃的含有羧基的水溶液浸泡步骤(II)所得复合材料制品，将复合材料制品外的水溶性模具完全溶解分离，最后得到复合材料构件。对复合材料构件可根据所需尺寸进一步机械加工。
实施例5
一种水溶性模具的制备方法，其按照如下步骤进行：
(1)将胶粘剂和基体材料混合，基体材料采用超硬石膏，胶粘剂采用水，其中石膏和水的重量比为100∶25。然后在直径为300mm、高度为500mm的模具内灌注胶粘剂和基体材料混合物，制成水溶性模具预制体。
(2)对步骤(1)所得水溶性模具预制体在室温下完全固化后。
(3)对步骤(2)所得水溶性模具进行表面处理，在水溶性模具表面喷涂含羟基树脂膜，该含羟基树脂膜的厚度为0.06mm，制成可做为复合材料成型模具的最终水溶性模具。
采用上述水溶性模具成型复合材料的方法如下：
(I)裁剪950mm×500mm的浸渍环氧树脂的玻璃纤维预浸料36张，然后在水溶性模具上铺放该玻璃纤维预浸料，并进行预压实，制成复合材料预浸料叠层。
(II)将步骤(I)所得复合材料预浸料叠层用聚四氟乙烯透气玻璃布包好，再用耐高温透气毡包好，用尼龙薄膜制作真空袋，然后接上真空嘴，放在压机上，固化温度150℃，固化压力3Mpa，固化时间6小时；
(III)采用50℃的水浸泡步骤(II)所得复合材料制品，将复合材料制品外的水溶性模具完全溶解分离，最后得到复合材料构件。对复合材料构件可根据所需尺寸进一步机械加工。
实施例6
一种水溶性模具的制备方法，其按照如下步骤进行：
(1)将胶粘剂和基体材料混合，基体材料采用超硬石膏，胶粘剂采用水，其中石膏和水的重量比为100∶50。然后在直径为300mm、高度为500mm的模具内灌注胶粘剂和基体材料混合物，制成水溶性模具预制体。
(2)对步骤(1)所得水溶性模具预制体在室温下完全固化。
(3)在步骤(2)所得水溶性模具表面粘贴隔离膜，隔离膜厚度0.07mm，制成可做为复合材料成型模具的最终水溶性模具。
采用上述水溶性模具成型复合材料的方法如下：
(I)裁剪950mm×500mm的浸渍双马来酰胺树脂的玻璃纤维预浸料36张，然后在水溶性模具上铺放该玻璃纤维预浸料，并进行预压实，制成复合材料预浸料叠层。
(II)将步骤(I)所得复合材料预浸料叠层用聚四氟乙烯透气玻璃布包好，再用耐高温透气毡包好，用尼龙薄膜制作真空袋，然后接上真空嘴，放入热压罐中固化，固化温度180℃，固化时间4小时。
(III)采用50℃的含有羧基的水溶液浸泡步骤(II)所得复合材料制品，将复合材料制品外的水溶性模具完全溶解分离，最后得到复合材料构件。对复合材料构件可根据所需尺寸进一步机械加工。
实施例7
一种水溶性模具的制备方法，其按照如下步骤进行：
(1)将胶粘剂和基体材料混合，基体材料采用二氧化硅微球，胶粘剂采用聚乙二醇水溶液，其中二氧化硅微球和聚乙二醇水溶液的重量比为100∶500。然后在直径为50mm、高度为100mm的模具内灌注胶粘剂和基体材料混合物，制成水溶性模具预制体。
(2)对步骤(1)所得水溶性模具预制体进行高温固化，升温速率为1℃/min，在150℃保温12小时，至水溶性模具完全固化后，自然降温。
(3)对步骤(2)所得水溶性模具进行热处理，以20℃/h进行升温，170℃保温1个小时，然后自然降温。
(4)对步骤(3)所得水溶性模具进行表面处理，在水溶性模具表面喷涂含羟基的树脂膜，该含羟基的树脂膜厚度为0.06mm，制成可做为复合材料成型模具的最终水溶性模具。
采用上述水溶性模具成型复合材料的方法如下：
(I)裁剪350mm×150mm的浸渍环氧树脂的碳纤维预浸料10张，然后在水溶性模具上铺放该碳纤维预浸料，并进行预压实，制成复合材料预浸料叠层。
(II)将步骤(I)所得复合材料预浸料叠层用聚四氟乙烯透气玻璃布包好，再用耐高温透气毡包好，用尼龙薄膜制作真空袋，然后接上真空嘴，放入烘箱中，抽真空，真空表压≤-0.09Mpa，固化温度120℃，固化时间8小时；
(III)采用50℃的水浸泡步骤(II)所得复合材料制品，将复合材料制品外的水溶性模具完全溶解分离，最后得到复合材料构件。对复合材料构件可根据所需尺寸进一步机械加工。
实施例8
一种水溶性模具的制备方法，其按照如下步骤进行：
(1)将胶粘剂和基体材料混合，基体材料采用80目石英砂(石英砂在1～120目均可)，胶粘剂采用聚乙二醇水溶液，其中石英砂和聚乙二醇水溶液的重量比为100∶150。然后在直径为200mm、高度为500mm的L型模具内灌注胶粘剂和基体材料混合物，制成水溶性模具预制体。
(2)对步骤(1)所得水溶性模具预制体进行高温固化，升温速率为1℃/min，在170℃保温5小时，至水溶性模具完全固化后，自然降温。
(3)对步骤(2)所得水溶性模具进行热处理，以25℃/h进行升温，180℃保温1个小时，然后自然降温。
(4)先用质量比为二氧化硅小球∶聚乙二醇溶液＝1∶25的混合物将步骤(3)所得水溶性模具表面抹平，然后再在水溶性模具表面粘贴隔离膜，隔离膜厚度为0.1mm，制成可做为复合材料成型模具的最终水溶性模具。
采用上述水溶性模具成型复合材料的方法如下：
(I)裁剪630mm×500mm的浸渍环氧树脂的玻璃纤维预浸料22张，然后在水溶性模具上铺放该碳纤维预浸料，并进行预压实，制成复合材料预浸料叠层。
(II)将步骤(I)所得复合材料预浸料叠层用聚四氟乙烯透气玻璃布包好，再用耐高温透气毡包好，用尼龙薄膜制作真空袋，然后接上真空嘴，放入烘箱中，抽真空，真空表压≤-0.09Mpa，固化温度180℃，固化时间4小时。
(III)采用40℃的水浸泡步骤(II)所得复合材料制品，将复合材料制品外的水溶性模具完全溶解分离，最后得到复合材料构件。对复合材料构件可根据所需尺寸进一步机械加工。

Claims (6)

1.一种水溶性模具制造方法，其特征在于：该方法按照如下步骤进行：
（1）将胶粘剂和基体材料混合制成水溶性模具，所述的基体材料采用石英砂和/或二氧化硅微球，所述的胶粘剂采用聚乙二醇水溶液，其中石英砂与聚乙二醇水溶液的重量比为100：（5～250），二氧化硅微球与聚乙二醇水溶液的重量比为100：（500～2500）；然后在一定尺寸模具内灌注上述胶粘剂和基体材料混合物，制成水溶性模具预制体；
（2）对步骤（1）制得的水溶性模具预制体进行固化，固化温度在120～170℃，保温5～24小时，然后自然冷却；
（3）对步骤（2）固化所得水溶性模具进行热处理，热处理升温至170～180℃，保温1～2小时，然后自然冷却；
（4）最后对步骤（3）热处理所得水溶性模具采用下述方法之一进行表面处理；
一种表面处理方法为在水溶性模具表面喷涂含羟基的树脂膜，含羟基的树脂膜厚度为0.05～0.07mm；
另一种表面处理方法为先用质量比为二氧化硅小球：聚乙二醇溶液＝1：25的混合物或原子灰将水溶性模具表面抹平，然后再在水溶性模具表面粘贴隔离膜，隔离膜厚度为0.05～0.1mm。
2.一种采用权利要求1的方法所得水溶性模具制造成型复合材料的方法，其特征在于：该方法按照如下步骤进行：
（I）在水溶性模具上铺放树脂基复合材料预浸料，并进行预压实，制成复合材料预浸料叠层；
（II）对步骤（I）所得复合材料预浸料叠层进行固化，得到复合材料制品；
（III）用水或含有羧基的水溶液作为溶解剂对步骤（II）所得复合材料制品外的水溶性模具进行溶解分离，最后得到复合材料构件。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤（I）中所述的树脂基复合材料预浸料采用碳纤维预浸料、玻璃纤维预浸料或芳纶纤维预浸料。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述的碳纤维预浸料、玻璃纤维预浸料或芳纶纤维预浸料其浸渍树脂采用环氧树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛环氧树脂、酚醛树脂或双马来酰胺树脂。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤（II）中所述的对复合材料预浸料叠层进行固化，其固化工艺采用真空成型固化、模压成型固化或热压罐成型固化。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤（III）中所述的用水或含有羧基的水溶液作为溶解剂对步骤（II）所得复合材料制品外的水溶性模具进行溶解分离，是用水或含有羧基的水溶液浸泡复合材料制品，水或含有羧基的水溶液温度在40～60℃。
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