CN102775622B - 纤维增强热塑性复合材料的制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种纤维增强热塑性复合材料的制备方法，具体为：将纤维在包括热塑性树脂的熔体中进行浸渍，得到预浸带；将所述预浸带进行编织，得到纤维增强热塑性复合材料。本发明的连续纤维增强热塑性复合材料通过编织工艺成型，得到了三维结构的复合材料，从而使复合材料在横、纵向方向上都具有较高的刚度，极大地提高了热塑性复合材料的刚度。本发明还提供了将纤维增强热塑性复合材料在制备铁路扣件系统部件上的应用。实验结果表明，纤维增强热塑性复合材料的拉伸强度为450～690MPa，拉伸模量为25000～36000MPa，弯曲强度为780～850MPa，弯曲模量为25000～40000MPa。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及纤维增强热塑性复合材料的制备方法及其应用。
背景技术
随着工业的发展和人们生活节奏的加快，高铁、地铁与轻轨等成为人们出行必不可少的交通工具。由于列车速度的不断提高，对铁路扣件系统部件的强度和刚度要求不断增加，例如采用重型钢轨、重型枕轨等作为轨道部件时，在钢轨扣件的设计中，要求扣件系统能够提供足够的强度和刚度来满足轨道结构的要求。
铁路扣件系统部件包括垫板、轨距挡板、预埋座、预埋套管、绝缘轨距块、调高垫板等部分。现有技术中铁路扣件系统的很多部件是由金属加工而成的，如QT450-10钢常用于铁路扣件系统的垫板的制备，还有部分热固性材料充当金属的替代品作为铁路扣件部件，如采用纤维增强聚酰胺复合材料注塑而成的预埋套管。然而，金属垫板在使用过程中容易生锈老化，给铁路运行安全带来隐患。随着铁路特别是高速铁路的快速发展，以及环保要求的不断提高，其对铁路扣件系统部件及其制品的要求越来越高，普通的金属制品已经无法满足更高的要求。
纤维增强热塑性复合材料是上世纪80年代发展起来的一类复合材料，由于其具有断裂韧性高、断裂伸长率高，成型过程中无化学反应等优点，纤维增强热塑性复合材料被应用于汽车、航空航天、电子电气和机械等诸多领域。纤维增强复合材料的制备工艺主要有：手糊工艺、传递模塑、拉挤成型工艺等。手糊工艺适合尺寸较小，结构较简单的制品，但成型环境恶劣；传递模塑能够生产高质量，大尺寸的产品，但生产效率较低，成本较高。拉挤成型是制造高纤维体积含量、高性能低成本复合材料的一种连续的自动化生产。上述三种制备纤维增强热塑性复合材料的方法均能得到较高刚度的复合材料，但是由于铁路扣件系统部件存在安全性的问题，其对材料的刚度具有更高的要求，从而限制了纤维增强热塑性复合材料在铁路扣件系统部件上的应用。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供纤维增强热塑性复合材料的制备方法，该方法制备的纤维增强热塑性复合材料具有较高的刚度。
有鉴于此，本发明提供了一种纤维增强热塑性复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将纤维在包括热塑性树脂的熔体中进行浸渍，得到预浸带；
将所述预浸带进行编织，得到纤维增强热塑性复合材料。
优选的，所述纤维为连续纤维和长纤维中的一种或两种。
优选的，所述长纤维的长度大于10mm。
优选的，所述纤维为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、金属纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚酰胺纤维、聚酯纤维和植物纤维中的一种或多种。
优选的，所述热塑性树脂为聚丙烯、聚乙烯、聚甲醛、热塑性聚酯、聚酰胺、聚苯醚、聚醚醚酮和聚醚酮中的一种或多种。
优选的，得到预浸带的步骤具体为：
将纤维经表面处理后预热，将预热后的纤维在包括热塑性树脂的熔体中浸渍，将浸渍后的纤维辊压，得到预浸带。
优选的，所述预热的温度为140~230℃。
优选的，所述熔体还包括加工添加剂和填料中的一种或两种，所述加工添加剂包括耐光老化剂和耐热老化剂。
优选的，得到纤维增强热塑性复合材料的步骤具体为：
采用编织机将所述预浸带进行0°和90°的正交编织，得到纤维增强热塑性复合材料。
将上述的纤维增强热塑性复合材料在制备铁路扣件系统部件中的应用。
本发明提供了一种纤维增强热塑性复合材料的制备方法，包括：将纤维在包括热塑性树脂的熔体中进行浸渍，得到预浸带；将所述预浸带进行编织，得到纤维增强热塑性复合材料。与现有技术相比，本发明的纤维增强热塑性复合材料通过编织工艺成型，得到了三维结构的复合材料，从而使复合材料在横、纵向方向上都具有较高的刚度，极大地提高了热塑性复合材料的刚度。另外，由于本发明将纤维与热塑性树脂相结合，制备了纤维增强热塑性复合材料，上述两种材料均不会生锈，使纤维热塑性复合材料耐老化性能好，因此避免了老化生锈，使用寿命短的问题。本发明还提供了所述纤维增强热塑性复合材料在制备铁路扣件系统部件上的应用。实验结果表明，纤维增强热塑性复合材料的拉伸强度为450~690MPa，拉伸模量为25000~36000MPa，弯曲强度为780~850MPa，弯曲模量为25000~40000MPa。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
本发明实施例公开了纤维增强热塑性复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将纤维在包括热塑性树脂的熔体中进行浸渍，得到预浸带；
将所述预浸带进行编织，得到纤维增强热塑性复合材料。
按照本发明，制备纤维增强热塑性复合材料的过程中，首先制备了预浸带。所述预浸带为纤维浸渍在树脂中的预浸带。为了与树脂粘结良好，所述纤维优选进行了表面处理，使纤维在树脂中成单丝级分散，从而与树脂粘结良好。所述纤维表面处理的表面处理剂优选包括但不限于硅烷类、钛酸酯类、铝酸酯类、有机铬络合物、磷酸酯和锡酸脂中的一种或多种。所述纤维包括连续纤维和长纤维中的一种或两种。按照本发明，连续纤维可以作为长纤维的补强材料，对于结构复杂，而且强度有较高要求的部件，可以同时使用连续纤维和长纤维，既可以发挥长纤维制备结构复杂材料的优势，又结合了连续纤维的补强效应，增加制品的物理机械性能。所述纤维包括但不限于碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、金属纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚酰胺纤维、聚酯纤维和植物纤维中的一种或多种。所述长纤维的长度优选大于10mm。
作为优选方案，本发明所述预浸带具体按照下述方法制备：
将纤维在预热烘道中预热，得到预热后的纤维，所述预热的温度优选为140~230℃；
将热塑性树脂在挤出机中加热，得到熔体，将熔体经挤出机至模头，所述挤出机的加热温度为180~400℃；
将预热后的纤维在充满熔体的模头中浸渍，将浸渍后的纤维在辊压组中辊压，得到预浸带，所述模头的温度为230~350℃。
按照本发明，在纤维增强热塑性复合材料制备过程中，若原料中仅采用纤维和热塑性树脂，则将热塑性树脂在挤出机中加热，得到的熔体中只有热塑性树脂；然而为了保证纤维增强热塑性复合材料应用于铁路扣件系统部件中具有更高的物理机械性能，将热塑性树脂、填料和/或加工添加剂在挤出机中加热，则得到的熔体中还包括填料和/或加工添加剂。
所述加工添加剂包括耐光老化剂、耐热老化剂和其它加工添加剂。所述耐光老化剂能够屏蔽和吸收自然光中的紫外线，减少紫外线对树脂化学键的破坏的，增加材料的使用寿命。所述耐热老化剂能够防止在加工和使用过程中，因高温作用而使树脂化学键被破坏，导致降低材料的机械性能和使用寿命。所述填料优选为增加复合材料刚性的填料，具有一定长径比的无机填料，比如晶须，滑石粉，云母等，这些填料和纤维起协同增强效果，共同增加材料基体的刚性。所述耐光老化剂包括但不限于二苯甲酮类、水杨酸类、苯并三唑类、三嗪类、镍螯合物类、受阻胺类和炭黑中的一种或多种。所述耐热老化剂包括但不限于胺类、酚类、硫代脂或亚磷酸酯。所述填料优选为碳酸钙、硫酸钡、硅灰石、云母、二氧化钛或玻璃微珠。所述其它加工添加剂优选为脂肪酰胺类、脂肪酸酯、脂肪酸、脂肪醇、石蜡或烃类。
所述预浸带制备完成后，随后将所述浸带进行编织。作为优选方案，采用牵引电机将所述预浸带牵引至编织机中进行编织，即得到纤维增强热塑性复合材料。所述牵引机的牵引速度为5~50m/min。为了使纤维增强热塑性复合材料具有更好的刚度和强度，作为优选方案，所述浸渍带在编织方向上只存在0°和90°，从而使纤维增强热塑性复合材料形成一个横纵交织的网络结构，使复合材料具有较强的刚度。按照本发明，所述纤维增强热塑性复合材料中，所述纤维的含量优选为10~90wt%，所述树脂的含量优选为10~90wt%。
所述纤维增强热塑性复合材料制备完成后，得到的纤维增强热塑性复合材料为片材结构，将所述复合材料片材整体叠加，模压成板材，即可将其用于制备铁路扣件系统部件。本发明将所述纤维增强热塑性复合材料应用于制备铁路扣件系统部件。本领域技术人员熟知的，铁路扣件系统包括垫板、轨距挡板、预埋座、预埋套管、绝缘轨距块和调高垫板。所述纤维增强热塑性复合材料优选用于制备垫板、轨距挡板和预埋座，更优选用于制备垫板。在将所述纤维增强热塑性复合材料用于制备铁路扣件系统部件时，铁路扣件系统部件的制备方法为本领域技术人员熟知的制备方法，本发明并没有特别的限制，只需将制备铁路扣件系统部件的材料替换为纤维增强热塑性复合材料。
本发明制备的纤维增强热塑性复合材料通过编织工艺，得到了三维结构的复合材料，使得复合材料在横、纵向方向上都具有较高的刚度，且具有超高的韧性和一定的减震效果，将其用于铁路扣件系统部件可吸收车辆轮对与钢轨之间的撞击能量，减少车辆的震动，有利于提高车辆的舒适性。另一方面，本发明的复合材料可设计自由度高，将连续纤维和长纤维结合起来，形成多尺度增强结构，连续纤维编织物保证最高的力学性能，长纤维增强方式则保证产品可以设计成更复杂的结构，便于与整个扣件系统化、集成化。其次，纤维增强热塑性复合材料垫板采用冷模热压方式成型，成型速度快，效率高。
铁路扣件系统部件中的重要部件包括垫板，垫板在机械性能方面的要求需要具有较高的紧固扭矩值、扣压力值和使用年限。将本发明制备的纤维增强热塑性复合材料用于制备垫板，可使垫板具有较高的机械性能。垫板具有较高的紧固扭矩值和最大扣压力值，关键在于材料具有很好的刚性与强度，而刚性与强度取决于材料和结构。制备本复合材料垫板的基础材料主要包括增强纤维和热塑性树脂，增强纤维提供整体刚性与强度，垫板中的纤维首先具有连续的结构，起到整体增强的效果；其次垫板中的纤维通过编织具有增加垫板刚性与强度的三维结构，在横、纵向方向上都具有较强的刚度；再者，制备垫板的热塑性树脂具有极高的流动性，这使得本复合垫板中纤维含量可以很高，加上具有一定长径比的填料的协同效应，使得垫板具有上述可以承受较高的紧固扭矩值和扣压力值。实验结果表明，纤维增强热塑性复合材料制备的垫板的紧固扭矩值为380~500N·m，最大扣压力值为22~32KN，预计使用年限为8~15年。
若将本发明所制备的复合材料作为面层材料，以蜂窝、泡沫、轻质玻璃纤维毡等作为中间夹心材料，制作具有多层结构的三明治夹层材料，该类材料具有一定的机械强度，又有一定的轻量化效果，适合在汽车、轨道交通、航空航天、海运等领域大规模应用。若将多层所述复合材料经加热塑化，模压成板材或者结构不复杂的制品，该类板材或者制品强度极高、质量轻，在汽车、轨道交通、航空航天、海运等领域，适合替代金属、热固性复合材料作为结构材料使用。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的纤维增强热塑性复合材料的制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
将45wt%的玻璃纤维经钛酸酯表面处理剂处理后，进入140℃的预热烘道预热，同时将55wt%的聚丙烯树脂在挤出机中塑化，挤出机的加热温度为180℃，聚丙烯树脂塑化后经挤出机挤出至模头，预热后的玻璃纤维进入带有纤维分散装置的模头，模头的温度为230℃，在模头中玻璃纤维被分散并被聚丙烯树脂充分浸渍；充分浸渍的玻璃纤维在离开模头后，经压辊组辊压成预浸渍带，在牵引电机的牵引下，预浸渍带进入编织机在0°和90°方向上进行正交编织，编织成二维或三维取向结构的片材，即得到纤维增强热塑性复合材料，所述牵引电机的牵引速为20m/min。对所述复合材料进行力学性能测试，结果如表1所示，表1为纤维增强热塑性复合材料性能测试表。
实施例2
将50wt%的玻璃纤维经铝酸酯表面处理剂处理后，进入160℃的预热烘道预热，同时将50wt%的尼龙6树脂在挤出机中塑化，挤出机的加热温度为200℃，尼龙6树脂塑化后经挤出机挤出至模头，预热后的玻璃纤维进入带有纤维分散装置的模头，模头的温度为260℃，在模头中玻璃纤维被分散并被尼龙6树脂充分浸渍；充分浸渍的玻璃纤维在离开模头后，经压辊组辊压成预浸渍带，在牵引电机的牵引下，预浸渍带进入编织机进行编织，编织成二维或三维取向结构的片材，即得到纤维增强热塑性复合材料，所述牵引电机的牵引速为30m/min。对所述复合材料进行力学性能测试，结果如表1所示，表1为纤维增强热塑性复合材料性能测试表。
实施例3
将50wt%的玻璃纤维经磷酸酯表面处理剂处理后，进入200℃的预热烘道预热，同时将50wt%的聚苯硫醚树脂在挤出机中塑化，挤出机的加热温度为300℃，聚苯硫醚树脂塑化后经挤出机挤出至模头，预热后的玻璃纤维进入带有纤维分散装置的模头，模头的温度为310℃，在模头中玻璃纤维被分散并被聚苯硫醚树脂充分浸渍；充分浸渍的玻璃纤维在离开模头后，经压辊组辊压成预浸渍带，在牵引电机的牵引下，预浸渍带进入编织机进行编织，编织成二维或三维取向结构的片材，即得到纤维增强热塑性复合材料，所述牵引电机的牵引速为40m/min。对所述复合材料进行力学性能测试，结果如表1所示，表1为纤维增强热塑性复合材料性能测试表。
实施例4
将62wt%的玻璃纤维经0.5wt%的锡酸脂表面处理剂处理后，进入140℃的预热烘道预热，同时将35wt%的聚酰胺树脂、0.4wt%的二苯甲酮耐光老化剂、0.4wt%的苯酚耐热老化剂、1.3wt%的云母填料和0.4wt%的脂肪酸酯混合均匀，并在挤出机中塑化，挤出机的加热温度为330℃，聚酰胺树脂及助剂塑化后经挤出机挤出至模头，预热后的玻璃纤维进入带有纤维分散装置的模头，模头的温度为350℃，在模头中玻璃纤维被分散并被树脂充分浸渍；充分浸渍的玻璃纤维在离开模头后，经压辊组辊压成预浸渍带，在牵引电机的牵引下，预浸渍带进入编织机进行编织，编织成二维或三维取向结构的片材，即得到纤维增强热塑性复合材料，所述牵引电机的牵引速为50m/min。对所述复合材料进行力学性能测试，结果如表1所示，表1为纤维增强热塑性复合材料性能测试表。
实施例5
将62wt%的碳纤维经0.5wt%的钛酸酯表面处理剂处理后，进入210℃的预热烘道预热，同时将35wt%的聚苯硫醚树脂、0.4wt%的水杨酸耐光老化剂、0.4wt%的亚磷酸酯耐热老化剂、1.3wt%的云母填料和0.4wt%的脂肪醇混合均匀，并在挤出机中塑化，挤出机的加热温度为360℃，聚苯硫醚树脂及助剂塑化后经挤出机挤出至模头，预热后的碳纤维进入带有纤维分散装置的模头，模头的温度为330℃，在模头中碳纤维被分散并被树脂充分浸渍；充分浸渍的碳纤维在离开模头后，经压辊组辊压成预浸渍带，在牵引电机的牵引下，预浸渍带进入编织机进行编织，编织成二维或三维取向结构的片材，即得到纤维增强热塑性复合材料，所述牵引电机的牵引速为23m/min。对所述复合材料进行力学性能测试，结果如表1所示，表1为纤维增强热塑性复合材料性能测试表。
实施例6
将62wt%的芳纶纤维经0.6wt%的锡酸脂表面处理剂处理后，进入210℃的预热烘道预热，同时将35wt%的聚丙烯树脂、0.6wt%的苯并咪唑耐光老化剂、0.3wt%的苯酚耐热老化剂、1.0wt%的二氧化钛填料和0.5wt%的石蜡混合均匀，并在挤出机中塑化，挤出机的加热温度为360℃，聚丙烯树脂及助剂塑化后经挤出机挤出至模头，预热后的玻璃纤维进入带有纤维分散装置的模头，模头的温度为300℃，在模头中芳纶纤维被分散并被树脂充分浸渍；充分浸渍的芳纶纤维在离开模头后，经压辊组辊压成预浸渍带，在牵引电机的牵引下，预浸渍带进入编织机进行编织，编织成二维或三维取向结构的片材，即得到纤维增强热塑性复合材料，所述牵引电机的牵引速为50m/min。对所述复合材料进行力学性能测试，结果如表1所示，表1为纤维增强热塑性复合材料性能测试表。
实施例7
将45wt%的玻璃纤维经磷酸酯表面处理剂处理后，进入140℃的预热烘道预热，同时将55wt%的聚丙烯树脂在挤出机中塑化，挤出机的加热温度为180℃，聚丙烯树脂塑化后经挤出机挤出至模头，预热后的玻璃纤维进入带有纤维分散装置的模头，模头的温度为230℃，在模头中玻璃纤维被分散并被聚丙烯树脂充分浸渍；充分浸渍的玻璃纤维在离开模头后，经压辊组辊压成预浸渍带，在牵引电机的牵引下，预浸渍带进入编织机进行编织，编织成二维或三维取向结构的片材，即得到纤维增强热塑性复合材料，所述牵引电机的牵引速为20m/min。对所述复合材料进行力学性能测试，结果如表1所示，表1为纤维增强热塑性复合材料性能测试表。将本发明制备的纤维增强热塑性复合材料用于制备铁路扣件系统部件中的垫板，对垫板的性能进行测试，结果如表2所示，表2为纤维增强热塑性复合材料垫板的性能数据表。
表1纤维增强热塑性复合材料性能测试结果表
表2纤维增强热塑性复合材料垫板性能测试结果表
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (7)
1.一种纤维增强热塑性复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将纤维在预热烘道中预热，得到预热后的纤维，所述预热的温度为140～230℃，
所述纤维为表面处理的纤维，所述纤维表面处理的表面处理剂为硅烷类、钛酸酯类、铝酸酯类、有机铬络合物、磷酸酯和锡酸脂中的一种或多种；
将热塑性树脂在挤出机中加热，得到熔体，将熔体经挤出机至模头，所述挤出机的加热温度为180～400℃；
将预热后的纤维在充满熔体的模头中浸渍，将浸渍后的纤维在辊压组中辊压，得到预浸带，所述模头的温度为230～350℃；
采用编织机将所述预浸带进行仅有0°和90°的正交编织，得到横纵交织的网络结构的纤维增强热塑性复合材料，所述纤维增强热塑性复合材料为三维结构的纤维增强热塑性复合材料；
所述纤维增强热塑性复合材料中，所述纤维的含量为10～90wt％，所述树脂的含量为10～90wt％。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纤维为连续纤维和长纤维中的一种或两种。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述长纤维的长度大于10mm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纤维为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、金属纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚酰胺纤维、聚酯纤维和植物纤维中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述热塑性树脂为聚丙烯、聚乙烯、聚甲醛、热塑性聚酯、聚酰胺、聚苯醚、聚醚醚酮和聚醚酮中的一种或多种。
6.根据权利要求1的制备方法，其特征在于，所述熔体还包括加工添加剂和填料中的一种或两种，所述加工添加剂包括耐光老化剂和耐热老化剂。
7.权利要求1～6任一项所述的纤维增强热塑性复合材料的制备方法制备得到的纤维增强热塑性复合材料在制备铁路扣件系统部件中的应用。
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