CN102615839A - 连续纤维增强热塑性预浸带编织物及其板材的制备方法 - Google Patents

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周晓东
方立
郭兵兵
陈旭清
范传杰
林群芳
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Abstract

本发明涉及一种预浸编织物板材制备方法，尤其是一种连续纤维增强热塑性预浸带编织物及其板材的制备方法。本工艺先利用熔融浸渍、粉体浸渍等方法制备浸渍效果良好的连续纤维增强热塑性预浸带，能够有效解决浸渍困难的弊端。然后再根据需要实施不同的编织方式获得编织物，最后利用编织物，通过不同的成型途径制备获得性能优异的板材。与此同时，获得的编织物也可以直接对短纤维或者长纤维增强热塑性复合材料进行补强，可以大幅度提高材料的性能，尤其是冲击强度。

Description

连续纤维增强热塑性预浸带编织物及其板材的制备方法
技术领域
本发明涉及一种预浸编织物板材制备方法，尤其是一种连续纤维增强热塑性预浸带编织物及其板材的制备方法。
背景技术
连续纤维增强热塑性复合材料由于增强纤维的特殊形态，具有远超短纤维和长纤维增强热塑性复合材料的性能，可以在性能要求严格的领域使用，具有作为承力结构件使用的巨大潜力。连续纤维增强热塑性复合材料的传统工艺一般均是以连续纤维编织物或者纤维布为原料，编织物整体很难被高粘度的热塑性熔体充分浸渍，存在着浸渍困难的弊端。
发明内容
本发明旨在提供一种纤维含量可控，纤维浸渍效果良好，制备工艺完善，综合性能优异的以连续纤维增强热塑性预浸带编织物为原料的连续纤维增强热塑性板材的制备工艺。
本发明中连续纤维增强热塑性预浸带编织物板材的制备工艺是通过以下具体步骤实现的：
步骤(1)首先利用熔融浸渍、粉体浸渍等方法制备浸渍效果良好，纤维含量可控(30-70％)的连续纤维增强热塑性预浸带。
在步骤(1)中可以采用玻璃纤维、玄武岩纤维或者碳纤维等不同纤维为原料，利用熔融浸渍、粉体浸渍等工艺制备浸渍效果良好的连续纤维增强热塑性预浸带，预浸带宽幅可控。通过浸渍工艺的调整，纤维束能够获得良好的浸渍效果。
同时步骤(1)中可以采用的基体树脂十分广泛，既可以是通用树脂，比如聚烯烃等；也可以采用工程塑料，比如尼龙、聚苯硫醚、聚醚醚酮等。
此外在步骤(1)中，根据实际的需要还可以在浸渍过程中添加不同的功能助剂，可以为相容剂，抗氧化剂，抗紫外剂，阻燃剂，润滑剂，着色剂中的一种或多种。在确保浸渍和混合效果的前提下，赋予产品特殊的功能性。
步骤(2)根据制品性能的设计需要，可以对步骤(1)获得的预浸带实施不同的编织方式获得编织物。
在步骤(2)中既可以采用单一连续纤维增强热塑性预浸带进行编织，也可以采用混杂连续纤维增强热塑性预浸带进行编织，可以使最终制品具有多功能性。
在步骤(2)编织过程中，可以根据最终制品不同的需要采取不同的编织方式。编织方式可参照连续纤维编织物，最典型的编织方式包括单向编织、双向(经纬)编织等。
步骤(3)利用步骤(2)获得的编织物，通过不同的成型途径制备获得性能优异的连续纤维增强热塑性预浸带编织物板材。
步骤(3)可以选择不同成型工艺来制备连续纤维增强热塑性预浸带编织物板材，比如层压成型、冲压成型等工艺较为完善的成型工艺。
在步骤(3)，由步骤(2)获得的编织物还可以按照不同的需求进行铺放，提高制品的可设计性。
在步骤(3)中，可以添加纤维、针状填料、热塑性薄层或者纤维增强热塑性薄层，从而改善制品的层间剪切强度，避免制品在使用过程中过早发生层间破坏，进而失效。
相比于传统的制备工艺，本工艺先利用熔融浸渍、粉体浸渍等方法制备浸渍效果良好的连续纤维增强热塑性预浸带，能够有效解决浸渍困难的弊端。然后再根据需要实施不同的编织方式获得编织物，最后利用编织物，通过不同的成型途径制备获得性能优异的板材。与此同时，获得的编织物也可以直接对短纤维或者长纤维增强热塑性复合材料进行补强，可以大幅度提高材料的性能，尤其是冲击强度。
制备获得的连续纤维增强热塑性板材具有优异的性能，可以在轨道交通、航天航空等领域作为承力结构件进行应用，尤其在汽车领域。充分利用该材料轻质高强的特点，在保证性能需求的前提下，大幅度降低产品的重量，减少能源的消耗。
为便于对本发明目的、技术特征及其功效，做更进一步的认识与了解，兹举实施例配合图式，详细说明如下：
具体实施方式
实施例1
在步骤(1)中利用熔融浸渍的工艺方法制备获得连续玻璃纤维增强聚丙烯预浸带。在浸渍过程中，由单螺杆挤出机或者双螺杆挤出机挤出的树脂熔体对连续玻璃纤维束实施浸渍；挤出机输送段温度140～160℃，压缩段温度200～210℃，计量段和浸渍温度在220℃；挤出机螺杆转速的调节范围为10～60r/min；冷却后获得连续玻璃纤维增强聚丙烯预浸带。树脂熔体成分包括100份质量份(下同)的聚丙烯树脂、3～10份的相容剂(马来酸酐接枝聚丙烯，MPP)、0.3～1份的抗氧化剂(抗氧剂1010∶抗氧剂168＝5∶3～4)、0.5～1.5份润滑剂(乙撑双硬脂酸酰胺，EBS)和0.5～1.5份的炭黑等。
在步骤(2)中，参照常规的连续纤维单向织物的编织方法，使用编织机对获得的连续玻璃纤维增强聚丙烯预浸带进行单向编织得到预浸带单向编织物。
在步骤(3)中采用层压成型的工艺制备获得连续玻璃纤维增强热塑性预浸带编织物板材。整个工艺过程如下：将步骤(2)中获得的单向编织物同向铺放在模具中，接着把模具置于温度设置为220℃的压机上，在此温度下预热30～60分钟使得模具内的编织物充分熔融；然后在此温度下，设定成型压力3～5MPa进行成型，时间为30～60分钟；最后是保压阶段，压力保持在3～5MPa，直至模具自然冷却到室温，脱模获得连续玻璃纤维增强聚丙烯预浸带编织物板材。
将预浸带纤维质量含量控制在30％，然后对通过上述步骤制备获得的连续纤维增强聚丙烯预浸带编织物板材进行力学性能测试。弯曲性能利用万能电子试验机测试，缺口冲击强度利用悬臂梁冲击试验机测试(下同)，结果如下：
                弯曲强度：＞200MPa；
                弯曲模量：＞8GPa；
                缺口冲击强度：＞60kJ/m2；
实施例2
采用与实施例1一样的工艺步骤制备获得连续玻璃纤维增强聚丙烯预浸带及其编织物板材。
将预浸带纤维质量含量控制在55％，通过上述步骤制备获得的连续纤维增强聚丙烯预浸带编织物板材主要力学性能如下：
                弯曲强度：＞550MPa；
                弯曲模量：＞25GPa；
                缺口冲击强度：＞110kJ/m2；
实施例3
具体工艺过程与实施例1相同，不同的地方仅在于：利用熔融浸渍的工艺方法制备连续纤维碳纤维增强聚苯硫醚预浸带，挤出的熔体为聚苯硫醚树脂；挤出机输送段温度240～260℃，压缩段温度280～290℃，挤出计量段和浸渍温度在320℃；挤出机螺杆转速的调节范围为10～60r/min；在层压成型过程中采用的成型温度为320℃。
将预浸带纤维质量含量控制在50％，通过上述步骤制备获得的连续碳纤维增强聚苯硫醚预浸带编织物板材主要力学性能如下：
                弯曲强度：＞1500MPa；
                弯曲模量：＞120GPa
                缺口冲击强度：＞220kJ/m2；
实施例4
在步骤(1)中利用粉体浸渍的工艺方法制备获得连续玄武岩纤维增强聚苯硫醚预浸带。在浸渍过程中，连续玄武岩纤维束经过聚苯硫醚树脂粉末槽吸附树脂粉末；接着通过温度为300～340℃的加热烘道使得聚苯硫醚树脂粉末充分熔融，对连续碳纤维束进行浸渍，冷却后获得连续玄武岩纤维增强聚苯硫醚预浸带。
在步骤(2)中，参照常规的连续纤维织物的编织方法，使用编织机对获得的连续玄武岩纤维增强聚苯硫醚预浸带进行双向编织得到预浸带双向编织物，其中经向和纬向的纤维比例为4∶1。
层压成型的具体过程也基本不变，成型温度为320℃。
将预浸带纤维质量含量控制在70％，通过上述步骤制备获得的连续玄武岩纤维增强聚苯硫醚预浸带编织物板材主要力学性能如下：
                弯曲强度：＞600MPa；
                弯曲模量：＞35GPa；
                缺口冲击强度：＞150kJ/m2；
实施例5
采用与实施例4一样的工艺步骤制备获得连续玄武岩纤维增强聚苯硫醚预浸带及其编织物板材。
将预浸带纤维质量含量控制在30％，通过上述步骤制备获得的连续玻璃纤维增强聚苯硫醚预浸带编织物板材主要力学性能如下：
                弯曲强度：＞250MPa；
                弯曲模量：＞12GPa；
                缺口冲击强度：＞80kJ/m2；
综上所述仅为发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。

Claims (10)

1.一种连续纤维增强热塑性预浸带编织物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1通过对纤维进行熔融浸渍或粉体浸渍制备一种或多种连续纤维增强热塑性预浸带；
步骤2编织所述预浸带，获得编织物。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述预浸带的纤维质量含量在30～70％。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纤维为玻璃纤维、玄武岩纤维或者碳纤维中的一种。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述浸渍方法中所选用的基体树脂为热塑性树脂。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述浸渍过程中可在基体中进一步添加功能助剂，为相容剂、抗氧化剂、抗紫外剂、阻燃剂、润滑剂或着色剂中的一种或多种。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2中编织所述预浸带，为编织一种或多种纤维增强的预浸带。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述编织方法为单向编织或双向编织。
8.一种使用如权利要求1～7中任一方法进一步制备编织物板材的方法，其特征在于，还包括步骤3铺放编织物，并通过成型工艺来制备连续纤维增强热塑性预浸带编织物板材。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述成型工艺为层压成型或冲压成型。
10.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在所述成型工艺中添加纤维、针状填料、热塑性薄层或者纤维增强热塑性薄层中的一种。
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