CN102400398B - 一种双组份复合纤维制备单聚合物复合材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双组份复合纤维制备单聚合物复合材料的方法，该方法包括以下步骤：(1)是采用复合纺丝技术，将两种同种聚合物：基体聚合物和增强相聚合物制成双组分复合纤维，该双组份复合纤维为并列型排列或芯鞘型排列，采用芯鞘型排列方式时，芯质材料为增强相聚合物，表层材料为基体聚合物；(2)将步骤(1)得到的双组份复合纤维编织形成复合纤维织物；(3)将步骤(2)得到的复合纤维织物，在温度介于增强相聚合物和基体聚合物的熔点之间下热压，使基体聚合物融化，复合形成单聚合物复合材料。与现有技术相比，本发明具有工艺简单、可大规模生产、环保等优点。
Description
技术领域
本发明属于热塑性复合材料的制备技术领域，具体涉及一种双组分复合纤维制造单聚合物复合材料的制备方法。
背景技术
热塑性复合材料由于具有优异的机械性能如高的拉伸强度、弯曲强度/模量、高低温冲击强度等，并具有相对较低的密度等诸多优点，近年来在国内外得到了巨大的发展。
制备热塑性复合材料的关键在于纤维与树脂间的界面粘接，但由于热塑性复合材料的基体本身缺乏可反应的活性官能团，很难与纤维发生良好的化学键结合，因此界面问题一直制约着其发展；解决热塑性树脂对增强纤维的浸渍成为各国制备热塑性复合材料的关键技术；此外复合材料大量使用导致了复合材料废弃物的增加，材料的回收和再利用已成为当前材料设计的趋势。在设计可回收材料时，一个关键的原则是在体系中选择尽可能少的组分。复合材料往往由两种或两种以上不同组分的材料组成，例如玻璃纤维增强聚酰胺，这严重限制了热塑性复合材料的回收再利用。
已经有一些公开的制备热塑性复合材料的制备方法的专利，虽然这些专利都在一定程度上解决了浸渍问题，但工艺复杂，且都没有考虑材料的回收与再利用的现代环保要求。例如：
中国专利CN129465A公开了一种连续纤维增强热塑性树脂预浸带的方法，它采用预先分散好的混纤纱例如Vetrotex生产的混纤纱通过加热熔融辊压浸渍的方法制造连续纤维增强热塑性树脂复合材料预浸带。该方法能够制造浸渍效果较好的连续纤维增强热塑性树脂复合材料预浸带，但由于原材料采用的是预先制造好的混纤纱，即需要先将热塑性树脂进行熔融纺丝，然后再与其它纤维混杂，因此要达到单丝层级上的混合，工艺装备及制备工艺复杂，且没有考虑材料的回收与再利用的现代环保要求。
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工艺简单、可大规模生产、环保的双组份复合纤维制备单聚合物复合材料的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种双组份复合纤维制备单聚合物复合材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)是采用复合纺丝技术，将两种同种聚合物：基体聚合物和增强相聚合物制成双组分复合纤维，该双组份复合纤维并列型排列或芯鞘型排列，采用芯鞘型排列方式时，芯质材料为增强相聚合物，表层材料为基体聚合物；
(2)将步骤(1)得到的双组份复合纤维编织形成复合纤维织物；
(3)将步骤(2)得到的复合纤维织物，在温度介于增强相聚合物和基体聚合物的熔点之间下热压，使基体聚合物融化，复合形成单聚合物复合材料。
所述的基体聚合物为热塑性树脂基体，所述的增强相聚合物为分布在基体中的同种聚合物连续增强纤维，所述的基体聚合物的含量为80t％-15wt％，所述的增强相聚合物的含量为20t％-85wt％。
所述的两种同种聚合物包括聚酰胺66(PA66)增强聚酰胺6(PA6)、聚酰胺66(PA66)增强聚酰胺1010(PA1010)、聚酰胺46(PA46)增强聚酰胺6(PA6)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)增强聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)增强聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)、聚丙烯(PP)增强聚乙烯(PE)，所述的分布在基体中的同种聚合物连续增强纤维的含量优选30t％-60wt％。
所述的复合纺丝技术中的纺丝速度为20-1000m/min，拉伸倍数为2-8，复合纤维的线密度为1-200tex。
所述的复合纺丝技术中的纺丝速度优选400-800m/min，拉伸倍数为4-6，复合纤维的线密度为3-50tex。
所述的双组分复合纤维通过缝编、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；所述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。
所述的复合纤维织物可以是一维织物、二维织物或三维织物。
所述的热压的方式包括压机热压、压辊热压、双钢带热压、真空袋热压以及其他可实施热压的方式。
所述的单聚合物复合材料可制成热塑性复合材料片材或多层热压复合成各种形状的产品。
与现有技术相比，本发明针对现有热塑性复合材料制备方法中存在的工艺复杂、不能同时满足浸渍效果和现代环保要求的缺陷，提供一种单聚合物复合材料的制备方法，因该复合材料的增强纤维和基体为同种聚合物，因此基体树脂与增强纤维之间的界面结合比较好，浸渍效果理想；该工艺易于实现，可大规模生产；同时，该复合材料的增强相和基体都是热塑性材料，且为同种聚合物，便于材料的回收与再利用，满足现代环保要求。
具体实施方式
本发明双组分复合纤维制造单聚合物复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)双组分复合纤维的制备
将增强相聚合物和基体聚合物按照设计的重量比例，进行双组分复合纺丝，如复合纤维的排列方式采用芯鞘型排列方式，芯质材料为增强相聚合物，表层材料为基体聚合物。制备双组分复合纤维。
复合纺丝工艺参数如下：
纺丝速度：20～1000m/min，优先选用400～800
拉伸倍数：2～8，优先选用4～6
复合纤维线密度：1～200tex，优先选用3～50tex
增强相聚合物的重量百分比：20％～85％，优先选用30％～60％。
(2)复合纤维织物制备：
将制备的双组分复合纤维通过缝编、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，如通过织机织成各种规格的平纹布或斜纹布，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。
(3)单聚合物复合材料的制备
将上述复合纤维织物(可以单层，也可以多层)通过各种热压方式，如压机热压、压辊热压、双钢带热压、真空袋热压以及其他可实施热压的方式，先热压、后冷却制成复合材料。复合纤维布可以是单向的，也可以是双向的，还可以是多层多向的。热压工艺参数根据所选用的聚合物树脂的不同而不同，成型温度介于增强相聚合物和基体聚合物的熔点之间，一般可选高于基体聚合物熔点10～70℃，压制保温时间与复合材料的厚度有关，对于厚度约为3mm复合材料片材，一般的热压压制时间为60～1200s，优选120～600s。冷却方式可采用自然冷却、水冷却、油冷却等。
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
将PA66(1000份)和PA6(1000份)进行复合纺，采用芯鞘型排列方式，其中PA66为芯质材料(增强相聚合物)，PA6为表层材料(基体聚合物)，制备相应的双组分复合纤维。纺丝工艺参数如下：纺丝速度：600m/min，拉伸倍数：5，复合纤维线密度：4.5tex，。然后，将所制得的复合纤维在缝编机上制成单向的复合纤维缝编织物。然后，将12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235～245℃，制得PA66连续纤维增强PA6复合材料。
实施例2
将PET(1000份)和PBT(800份)进行复合纺，采用芯鞘型排列方式，其中PET为芯质材料(增强相)，PBT为表层材料(基体)，制备相应的双组分复合纤维。纺丝工艺参数如下：纺丝速度：500m/min，拉伸倍数：5，复合纤维线密度：4tex，。然后，将所制得的复合纤维在缝编机上制成单向的复合纤维缝编织物。然后，将14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235～245℃，制得PET连续纤维增强PBT复合材料。
实施例3
将PA46(800份)和PA6(1000份)进行复合纺，采用芯鞘型排列方式，其中PA46为芯质材料(增强相)，PA6为表层材料(基体)，制备相应的双组分复合纤维。纺丝工艺参数如下：纺丝速度：600m/min，拉伸倍数：5，复合纤维线密度：4.5tex，。然后，将所制得的复合纤维在缝编机上制成单向的复合纤维缝编织物。然后，将12层所制得的单向复合纤维缝编织物0°/90°交替铺层，通过真空袋热压成型，成型温度240～250℃，制得PA46连续纤维增强PA6复合材料。
实施例4
将PET(1000份)和PTT(1000份)进行复合纺，采用芯鞘型排列方式，其中PET为芯质材料(增强相)，PTT为表层材料(基体)，制备相应的双组分复合纤维。纺丝工艺参数如下：纺丝速度：500m/min，拉伸倍数：5，复合纤维线密度：4tex，。然后，将所制得的复合纤维在缝编机上制成单向的复合纤维缝编织物。然后，将14层所制得的单向复合纤维缝编织物0°/90°交替铺层，通过真空袋热压成型，成型温度235～245℃，制得PET连续纤维增强PTT复合材料。
实施例5
将20kgPA66和80kgPA1010进行复合纺丝，采用并列型排列方式，其中PA66为芯质材料(增强相聚合物)，PA1010为表层材料(基体聚合物)，制备相应的双组分复合纤维。纺丝工艺参数如下：纺丝速度：20m/min，拉伸倍数：8，复合纤维线密度：1tex，。然后，将所制得的复合纤维在缝编机上制成单向的复合纤维缝编织物。然后，将12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235～245℃，制得PA66连续纤维增强PA1010复合材料。
实施例6
将85kgPP和15kgPE进行复合纺丝，采用并列型排列方式，其中PP为芯质材料(增强相聚合物)，PE为表层材料(基体聚合物)，制备相应的双组分复合纤维。纺丝工艺参数如下：纺丝速度：1000m/min，拉伸倍数：2，复合纤维线密度：200tex，。然后，将所制得的复合纤维在缝编机上制成单向的复合纤维缝编织物。然后，将14层所制得的双轴向复合纤维经编织物双轴向铺层，在温度介于增强相聚合物和基体聚合物的熔点之间下，通过压机热压成型，成型温度235～245℃，制得PP连续纤维增强PE复合材料。
实施例7
将30kgPP和70kgPE进行复合纺丝，采用并列型排列方式，其中PP为芯质材料(增强相聚合物)，PE为表层材料(基体聚合物)，制备相应的双组分复合纤维。纺丝工艺参数如下：纺丝速度：400m/min，拉伸倍数：4，复合纤维线密度：3tex，。然后，将所制得的复合纤维在缝编机上制成单向的复合纤维缝编织物。然后，将16层所制得的多轴向复合纤维纬编织物多轴向铺层，在温度介于增强相聚合物和基体聚合物的熔点之间下，通过压辊热压成型，成型温度235～245℃，制得PP连续纤维增强PE复合材料。
实施例8
将60kgPET和40kgPTT进行复合纺丝，采用芯鞘型排列方式，其中PET为芯质材料(增强相)，PTT为表层材料(基体)，制备相应的双组分复合纤维。纺丝工艺参数如下：纺丝速度：800m/min，拉伸倍数：6，复合纤维线密度：50tex。然后，将所制得的复合纤维在缝编机上制成单向的复合纤维缝编织物。然后，将14层所制得的单向复合纤维缝编织物0°/90°交替铺层，在温度介于增强相聚合物和基体聚合物的熔点之间下，通过双钢带热压成型，成型温度235～245℃，制得PET连续纤维增强PTT复合材料。
Claims (8)
1.一种双组份复合纤维制备单聚合物复合材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)是采用复合纺丝技术，将两种同种聚合物：基体聚合物和增强相聚合物制成双组分复合纤维，该双组份复合纤维为并列型排列或芯鞘型排列，采用芯鞘型排列方式时，芯质材料为增强相聚合物，表层材料为基体聚合物；
(2)将步骤(1)得到的双组份复合纤维编织形成复合纤维织物；
(3)将步骤(2)得到的复合纤维织物，在温度介于增强相聚合物和基体聚合物的熔点之间下热压，使基体聚合物融化，复合形成单聚合物复合材料；
所述的两种同种聚合物选自聚酰胺66(PA66)增强聚酰胺6(PA6)、聚酰胺66(PA66)增强聚酰胺1010(PA1010)、聚酰胺46(PA46)增强聚酰胺6(PA6)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)增强聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)增强聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)或聚丙烯(PP)增强聚乙烯(PE)。
2.根据权利要求1所述的一种双组份复合纤维制备单聚合物复合材料的方法，其特征在于，所述的增强相聚合物为分布在基体中的同种聚合物连续增强纤维，含量为30wt％-60wt％。
3.根据权利要求1所述的一种双组份复合纤维制备单聚合物复合材料的方法，其特征在于，所述的复合纺丝技术中的纺丝速度为20-1000m/min，拉伸倍数为2-8，复合纤维的线密度为1-200tex。
4.根据权利要求3所述的一种双组份复合纤维制备单聚合物复合材料的方法，其特征在于，所述的复合纺丝技术中的纺丝速度优选400-800m/min，拉伸倍数为4-6，复合纤维的线密度为3-50tex。
5.根据权利要求1所述的一种双组份复合纤维制备单聚合物复合材料的方法，其特征在于，所述的双组分复合纤维通过缝编、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；所述的复合纤维织物是单向或多轴向结构形式的织物。
6.根据权利要求5所述的一种双组份复合纤维制备单聚合物复合材料的方法，其特征在于，所述的复合纤维织物是一维织物、二维织物或三维织物。
7.根据权利要求1所述的一种双组份复合纤维制备单聚合物复合材料的方法，其特征在于，所述的热压的方式包括压机热压、压辊热压、双钢带热压、真空袋热压以及其他可实施热压的方式。
8.根据权利要求1所述的一种双组份复合纤维制备单聚合物复合材料的方法，其特征在于，所述的单聚合物复合材料可制成热塑性复合材料片材或多层热压复合成各种形状的产品。
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