CN102295792B - 连续纤维增强热塑性阻燃预浸带复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及连续纤维增强热塑性阻燃预浸带复合材料及其制备方法，由以下原料按重量百分比配制而成：改性树脂45-55％、连续纤维55-45％。本发明以含有阻燃剂、接枝剂、玻璃微珠和其他助剂的树脂与浸润剂处理过的连续纤维为原料，通过合理的纤维分散、树脂浸润以及复合辊压工艺，与现有技术相比，本发明克服了阻燃树脂由于流动性差造成的浸润困难的问题，生产出来的连续纤维增强热塑性预浸带不仅具有极高的强度、模量和冲击性能，而且具有阻燃特性，阻燃级别可以达到UL94 V0级。
Description
技术领域
本发明涉及连续纤维增强热塑性阻燃复合材料，尤其是涉及一种连续纤维增强热塑性阻燃预浸带复合材料及其制备方法。
背景技术
现有连续纤维增强的复合材料多为连续纤维增强热固性树脂复合材料，这种材料固然有优异的强度和模量，然而其脆性以及由于热固性树脂决定的不可回收性使其在号召节能减排的国际环境下步履维艰。而连续纤维增强热塑性复合材料不但具有理想的强度和模量，热塑性树脂赋予复合材料以优异的冲击性能以及可以回收利用的优势，近年来得到快速发展。普通连续纤维增强热塑性预浸带由于其易燃性，应用受到限制，为了扩大其应用范围使之广泛应用于建筑、运输、桥梁等领域，连续纤维增强热塑性阻燃复合材料将以强大的性能优势占领复合材料市场。另外，目前人们对阻燃热塑性复合材料研究仅限于长纤维和短纤维，尚未见连续纤维的报道，其技术难题主要在于阻燃树脂均匀淋膜及其对连续纤维的浸润问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有力学性能优异，抗冲击性好，清洁能力强，耐腐蚀，阻燃级别高的连续纤维增强热塑性阻燃预浸带复合材料及其制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：连续纤维增强热塑性阻燃预浸带复合材料，其特征在于，该复合材料由以下原料按重量百分比配制而成：
改性树脂 45～55，
连续纤维 55～45。
所述的连续纤维为经过润湿处理的连续纤维，连续纤维选自玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、玄武岩纤维、芳香族聚酰胺纤维中的一种或多种。
所述的改性树脂由以下原料按重量份配比混合制成：
热塑性塑料 55～65；
阻燃剂 32～40；
接枝剂 3～5；
玻璃微珠 5～8；
抗氧剂 0.3～0.6；
光稳剂 0.3～0.6；
润滑助剂 1～2。
所述的热塑性塑料选自聚烯烃、尼龙、聚碳酸酯中的一种或几种。
所述的阻燃剂为卤系阻燃剂与三氧化二锑重量比为2～6∶1混合配制而成，所述的卤系阻燃剂选自十溴二苯乙烷、氯乙烯中的一种或几种。
所述的接枝剂为高分子接枝物、硅烷偶联剂或其混合物，所述的高分子接枝物为聚丙烯接枝马来酸酐(PP-g-MAH)，所述的硅烷偶联剂选自KH550，KH560，KH570，KH792，DL602，DL171中的一种或几种。
所述的玻璃微珠的粒径为2～130μm，真密度0.25～0.6g/cm3；所述的抗氧剂为受阻酚类抗氧剂与亚磷酸酯类抗氧剂或硫醇类抗氧剂按1∶2～2∶1配制而成；所述的润滑助剂选自乙撑双硬脂酰胺、硬脂酸镁或乙烯-丙烯酸共聚蜡中的一种或几种。
所述的受阻酚类抗氧剂选自抗氧剂1010、抗氧剂1076或抗氧剂1035中的一种或几种，所述的亚磷酸酯类抗氧剂为抗氧剂168，所述的硫醇类抗氧剂为硫代二丙酸二月桂酸酯。
一种连续纤维增强热塑性阻燃预浸带复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)改性树脂的制备，按照以下组分及重量份含量准备原料：
热塑性塑料 55～65，
阻燃剂 32～40，
接枝剂 3～5，
玻璃微珠 5～8，
抗氧剂 0.3～0.6，
光稳剂 0.3～0.6，
润滑助剂 1～2；
将以上原料经高混机混合均匀后在双螺杆挤出机中挤出造粒即得改性树脂；
(2)称取步骤(1)制得的改性树脂按45-55wt％，连续纤维55-45wt％；将经浸润剂处理过的连续纤维通过纺织纱架引入纤维展丝系统，经过张力调节系统进行系统张力调节，得到平整的预浸带，将该预浸带经过第一道展丝单元初步分散后，再经过浸润水槽过水，然后再经过第二道展丝单元进一步分散；
(3)分散后的纤维经过红外加热系统进行预加热，预加热温度为180～220℃，预加热时间为5～10s；
(4)将改性树脂在双螺杆挤出机中熔融挤出，然后在可旋转双挤出模头处均匀淋膜得到均匀的热塑性树脂膜；
(5)将步骤(4)得到的均匀的热塑性树脂膜对步骤(3)红外加热后的连续分散纤维两侧包覆，在复合单元处经复合辊辊压；
(6)最后经由冷却、定型、牵引、切割成连续片材即得产品。
步骤(2)所述的连续纤维经浸润剂处理是将连续纤维浸润在浸润剂中2-5min，所述的浸润剂为乙二醇、丙三醇或季戊四醇环氧；步骤(5)所述的复合辊辊压包括预复合和终复合两步，所述的预复合是使连续分散纤维与均匀的热塑性树脂膜在复合辊作用下黏合在一起得到粗预浸带，所述的终复合是对粗预浸带在180～220℃下进行加热5～10s后第二次辊压。
本发明采用的技术方案是连续纤维增强热塑性阻燃复合材料，其发明构思是这样的：首先是制备高流动性阻燃浸渍树脂，一是将阻燃剂做成阻燃母粒后进行添加提高阻燃剂分散性；二是添加玻璃微珠作为润滑剂，利用玻璃微珠滚珠轴承效应使树脂获得良好的流动性；其次是使纤维充分分散，一是通过纱架阻尼装置以及展丝浮动辊调节系统张力并进行纤维初步分散，二是将预分散纤维经由水槽，利用纤维单丝在水中受到排斥力而分散；三是过水后纤维进行第三次展丝，确保纤维完全分散；最后就是双重辊压工序，一是连续纤维与两侧淋膜树脂辊压黏合在一起；二是预成型预浸带被加热软化后再次辊压成型。其中预成型时选取磨砂辊-磨砂辊对其作用，增加树脂渗透程度，而在终成型步骤采取镜面辊-磨砂辊对其作用，提高表面性能。
本发明所采用的挤出模头为可旋转交错双挤出模头，熔融树脂采用单螺杆挤出机或双螺杆挤出机供料。本发明使用的模头采取独特的分流式流道设计，确保700mm宽的树脂膜保持厚度均匀性。静止时两模头处于平行状态，加热后的连续纤维带先与一个模头接触，然后纤维带的另一侧再与另一个模头接触；工作时两模头处于交错状态，增加树脂浸润时纤维受到的张力，这样既可以保证复合时纤维被完全浸润又可有效的降低复合辊对纤维造成的损伤。通过调节螺杆转速以及喂料速度，可以方便的调节预浸带中纤维含量，从而控制预浸带的力学性能。
与现有技术相比，本发明克服传统只对树脂进行改善或从工艺、设备进行着手的思路，同时从树脂流动性改善以及设备工艺浸润两方面考虑，提供的生产方法能较好的解决阻燃树脂由于流动性差导致的浸渍困难的问题，生产的预浸带复合材料宽度超过600mm，厚度为0.33±0.02mm，表面光滑有亮度且纤维均匀排布而无干丝存在。该热塑性复合材料具有力学性能优异，抗冲击性好，清洁能力强，耐腐蚀，阻燃级别高的优点。
附图说明
图1为本发明工业流程图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
下述实施实例中，抗氧剂1010为四(β-(3，5-二特丁基-4-羟基苯基)丙酸)季戊四醇酯；抗氧剂168为三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯；抗氧剂1098为N，N′-双-[3-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基]己二胺；光稳剂3346、3853S均为受阻胺类光稳剂；PP-g-MAH为瑞士进口，牌号NP507030；EBS为乙撑双硬脂酰胺；AC540A为一种乙烯-丙烯酸共聚蜡，由美国霍尼韦尔提供。
实施例1
树脂按以下原材料重量份配制：
PP 65
十溴二苯乙烷 24
Sb2O3 8
PP-g-MAH 3
玻璃微珠 5
抗氧剂1010 0.4
抗氧剂168 0.2
光稳剂3346 0.3
光稳剂3853S 0.3
硬脂酸镁 1.2
如图1所示，将热塑性塑料、阻燃剂、接枝剂、玻璃微珠以及助剂添加剂经高混机混合均匀后在双螺杆挤出机中挤出造粒，备用(占预浸带总量的45％)。用浸润剂处理过的纤维(占预浸带总量的55％)通过纺织纱架引入纤维展丝系统，经过张力调节系统进行系统张力调节，使每根纤维束受力均匀，以便于得到平整的预浸带。平整预浸带经过一道展丝单元，使纤维受到初步分散后再经过浸润水槽，根据生产工艺调节纤维过水时间，过水后纤维再经过第二道展丝单元，通过调节系统中不同辊轴之间的差速来使纤维有效分散，可以将原宽度为3mm的纤维束展开到6～7mm。受力均匀的纤维带通过红外加热装置对纤维带进行预加热，加热温度不高于200℃，时间不超过10s，以保证纤维上的浸润剂不挥发并降低树脂和纤维带之间的温差，提高树脂和纤维的界面结合力。经熔融挤出造粒后的树脂在双螺杆挤出机中熔融挤出，供料给可旋转交错双挤出模头，得到均匀淋膜。连续纤维带在可旋转双挤出模头中间经过，受到树脂膜两侧先后包覆并在模头模唇处受到一定的张力，实现树脂对纤维带的预浸渍，预浸渍后的纤维带经复合辊辊压后浸渍完全。生产过程中复合辊温度控制要得宜，温度过低导致树脂过快冷却不利于树脂对纤维的浸润；温度过高则使树脂出现粘辊现象，降低预浸带品质。预辊压得到的粗预浸带再次经过红外加热通道，受热软化后的粗预浸带再次受到辊压浸渍。辊压后预浸带冷却定型，经牵引、切割得到预定宽度的预浸带，按照预定长度或预定重量进行收卷、包装。
所得产品性能如下表：
实施例2～4
按照实施例1的工艺路线进行，原材料配比按以下重量份配置：
所得产品性能如下表：
实施例5
一种连续纤维增强热塑性阻燃预浸带复合材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)改性树脂的制备，按照以下组分及重量份含量准备原料：
聚乙烯 55，
十溴二苯乙烷 35，
三氧化二锑重量比为 5，
聚丙烯接枝马来酸酐(PP-g-MAH) 3，
粒径2～130μm真密度0.25～0.6g/cm3的玻璃微珠 8，
抗氧剂1010 0.1
抗氧剂168 0.2，
市售常用光稳剂 0.6，
乙撑双硬脂酰胺 1；
将以上原料经高混机混合均匀后在双螺杆挤出机中挤出造粒即得改性树脂；
(2)称取步骤(1)制得的改性树脂按45wt％，连续纤维55wt％；将经浸润剂乙二醇浸润2min处理过的连续纤维通过纺织纱架引入纤维展丝系统，经过张力调节系统进行系统张力调节，得到平整的预浸带，将该预浸带经过第一道展丝单元初步分散后，再经过浸润水槽过水，然后再经过第二道展丝单元进一步分散；
(3)分散后的纤维经过红外加热系统进行预加热，预加热温度为180℃，预加热时间为10s；
(4)将改性树脂在双螺杆挤出机中熔融挤出，然后在可旋转双挤出模头处均匀淋膜得到均匀的热塑性树脂膜；
(5)将步骤(4)得到的均匀的热塑性树脂膜对步骤(3)红外加热后的连续分散纤维两侧包覆，在复合辊作用下黏合在一起得到粗预浸带，粗预浸带在180℃下进行加热10s后进行第二次辊压；
(6)最后经由冷却、定型、牵引、切割成连续片材即得产品。
实施例6
一种连续纤维增强热塑性阻燃预浸带复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)改性树脂的制备，按照以下组分及重量份含量准备原料：
聚乙烯 65，
十溴二苯乙烷 22，
三氧化二锑 11，
聚丙烯接枝马来酸酐(PP-g-MAH) 5，
粒径2～130μm真密度0.25～0.6g/cm3的玻璃微珠 5，
抗氧剂1010 0.4
硫代二丙酸二月桂酸酯 0.2，
市售常用光稳剂 0.3，
硬脂酸镁 2；
将以上原料经高混机混合均匀后在双螺杆挤出机中挤出造粒即得改性树脂；
(2)称取步骤(1)制得的改性树脂按55wt％，连续纤维45wt％；将经浸润剂季戊四醇环氧浸润5min处理过的连续纤维通过纺织纱架引入纤维展丝系统，经过张力调节系统进行系统张力调节，得到平整的预浸带，将该预浸带经过第一道展丝单元初步分散后，再经过浸润水槽过水，然后再经过第二道展丝单元进一步分散；
(3)分散后的纤维经过红外加热系统进行预加热，预加热温度为220℃，预加热时间为5s；
(4)将改性树脂在双螺杆挤出机中熔融挤出，然后在可旋转双挤出模头处均匀淋膜得到均匀的热塑性树脂膜；
(5)将步骤(4)得到的均匀的热塑性树脂膜对步骤(3)红外加热后的连续分散纤维两侧包覆，在复合辊作用下黏合在一起得到粗预浸带，粗预浸带在220℃下进行加热5s后进行第二次辊压；
(6)最后经由冷却、定型、牵引、切割成连续片材即得产品。
Claims (8)
1.连续纤维增强热塑性阻燃预浸带复合材料，其特征在于，该复合材料由以下原料按重量百分比配制而成：
改性树脂 45～55，
连续纤维 55～45；
所述的改性树脂由以下原料按重量份配比混合制成：
所述的连续纤维为经过浸润剂处理的连续纤维,连续纤维选自玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、玄武岩纤维、芳香族聚酰胺纤维中的一种或多种；浸润剂为乙二醇或丙三醇。
2.根据权利要求1所述的连续纤维增强热塑性阻燃预浸带复合材料，其特征在于，所述的热塑性塑料选自聚烯烃、尼龙、聚碳酸酯中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的连续纤维增强热塑性阻燃预浸带复合材料，其特征在于，所述的阻燃剂为卤系阻燃剂与三氧化二锑重量比为2～6：1混合配制而成，所述的卤系阻燃剂选自十溴二苯乙烷、氯乙烯中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的连续纤维增强热塑性阻燃预浸带复合材料，其特征在于，所述的接枝剂为高分子接枝物、硅烷偶联剂或其混合物，所述的高分子接枝物为聚丙烯接枝马来酸酐(PP-g-MAH)，所述的硅烷偶联剂选自KH550，KH560，KH570，KH792，DL602，DL171中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的连续纤维增强热塑性阻燃预浸带复合材料，其特征在于，所述的玻璃微珠的粒径为2～130μm，真密度0.25～0.6g/cm3；所述的抗氧剂为受阻酚类抗氧剂与亚磷酸酯类抗氧剂或硫醇类抗氧剂按1：2～2：1配制而成；所述的润滑助剂选自乙撑双硬脂酰胺、硬脂酸镁或乙烯-丙烯酸共聚蜡中的一种或几种。
6.根据权利要求5所述的连续纤维增强热塑性阻燃预浸带复合材料，其特征在于，所述的受阻酚类抗氧剂选自抗氧剂1010、抗氧剂1076或抗氧剂1035中的一种或几种，所述的亚磷酸酯类抗氧剂为抗氧剂168，所述的硫醇类抗氧剂为硫代二丙酸二月桂酸酯。
7.一种根据权利要求1所述的连续纤维增强热塑性阻燃预浸带复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤
（1）改性树脂的制备，按照以下组分及重量份含量准备原料：
将以上原料经高混机混合均匀后在双螺杆挤出机中挤出造粒即得改性树脂；
（2）称取步骤（1）制得的改性树脂按45-55wt%，连续纤维55-45wt%；将经浸润剂处理过的连续纤维通过纺织纱架引入纤维展丝系统，经过张力调节系统进行系统张力调节，得到平整的预浸带，将该预浸带经过第一道展丝单元初步分散后，再经过浸润水槽过水，然后再经过第二道展丝单元进一步分散；
（3）分散后的纤维经过红外加热系统进行预加热，预加热温度为180～220℃，预加热时间为5～10s；
（4）将改性树脂在双螺杆挤出机中熔融挤出，然后在可旋转双挤出模头处均匀淋膜得到均匀的热塑性树脂膜；
（5）将步骤（4）得到的均匀的热塑性树脂膜对步骤（3）红外加热后的连续分散纤维两侧包覆，在复合单元处经复合辊辊压；
（6）最后经由冷却、定型、牵引、切割成连续片材即得产品。
8.根据权利要求7所述的一种连续纤维增强热塑性阻燃预浸带复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的连续纤维经浸润剂处理是将连续纤维浸润在浸润剂中2-5min，所述的浸润剂为乙二醇或丙三醇；步骤（5）所述的复合辊辊压包括预复合和终复合两步，所述的预复合是使连续分散纤维与均匀的热塑性树脂膜在复合辊作用下黏合在一起得到粗预浸带，所述的终复合是对粗预浸带在180～220℃下进行加热5～10s后第二次辊压。
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