CN103350513B - 碳纤维预浸料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种碳纤维预浸料，所述碳纤维预浸料包括单向碳纤维，以及不同于所述碳纤维颜色的额外纤维，额外纤维与碳纤维同向排布。本发明提供的碳纤维预浸料，加入不同于碳纤维颜色的纱束来辅助定位碳纤维方向，使制作出的碳纤维预浸料在使用时更容易进行纤维定位，进一步让碳纤维预浸料使用者可以清楚辨识碳纤维方向，在制作CFRP成品时，提高预浸料铺层的操作方便性并提高产品质量；同时，与不加入额外纤维的碳纤维预浸料相比，得到的CFRP成品机械性能不受影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳纤维预浸料及其制备方法，尤其涉及一种能够提高单向碳纤维预浸料使用对位准确性的碳纤维预浸料。
背景技术
碳纤维（CF）是新一代增强材料，具有良好的力学性能，耐腐蚀性、耐高温性能良好，在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀。
在实际应用中，碳纤维常常用作增强纤维，碳纤维增强复合材料用途广泛，具有高强度、高刚性与质量轻的特性，提供高的比强度、比刚性，以增加相对产品的结构强度，减轻重量提升其实用性，与其它增强材料相比，杨氏模量是玻璃纤维的3倍以上、是芳纶的2倍左右；碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般可达到钢的7~9倍，比强度是钢的几十倍，比模量也比钢更高。目前碳纤维增强材料已经广泛应用于航空航天、电子通讯、车辆舰船、医疗器械等军工或民用众多领域，诸如：风电大梁、汽车车架、大型游艇等皆有使用碳纤维增强树脂（CFRP）复合材料。再如专利CN1299645C公开的碳纤维增强树脂制备的全髋股骨头假体，专利CN100477891C公开的碳纤维强化树脂基板，专利CN100407910C公开的碳纤维增强树脂制成的钓竿。
目前碳纤维的实际使用过程中，70%以上是通过碳纤维预浸料的方式实现，为了充分发挥碳纤维的超高强度性能，基本上都需要将碳纤维做成只有径向分布、没有纬向分布的单向纤维的预浸料。如专利CN102604045A公开的单向碳纤维增强环氧树脂预浸料、以及单向碳纤维增强环氧树脂复合材料；再如专利CN100467527C公开的碳纤维增强双马来酰亚胺树脂材料的方法，将树脂胶液与碳纤维制成单向预浸料，然后烘干压制，制成产品。
对于CFRP而言，成品质量如强度、刚性等性能很大一部分会受到受碳纤维方向的影响，因此需要对碳纤维方向进行精确控制，但是碳纤维的天然颜色为黑色，是一种黑色纤维纱束，制成预浸料之后，表面平整黑亮，如图1所示（图中箭头方向为碳纤维方向），不宜分辨出碳纤维的方向，所以在使用预浸料时，操作人员凭眼力观察对位比较困难，方向的准确性相对较低。所以目前的CFRP成品也经常因为碳纤维的方向的不确定性较大，而导致质量不稳定。
发明内容
针对现有技术中，碳纤维预浸料中碳纤维方向不宜辨别的问题，本发明提供了一种能够提高碳纤维预浸料使用过程中提高对位精准度的方法。
本发明的第一个目的是提供一种碳纤维预浸料，所述碳纤维预浸料包括单向碳纤维，以及不同于所述碳纤维颜色的额外纤维，额外纤维与碳纤维同向排布。
其中，所述额外纤维直径优选为50~100微米，更优选为50~80微米，更优选为50~60微米。
其中，所述额外纤维在碳纤维预浸料中体积比优选为≤1%，更优选为0.1%~1%。
其中，额外纤维最优选为在预浸料中均匀分布，但实际操作过程中，距离最近的两根额外纤维之间的距离优选为≥3cm。
所述额外纤维可以是任意的纤维材料，可以优选为常用的增强纤维如玻璃纤维、芳香族聚酰胺纤维（芳纶纤维）、硼纤维，但也可以是其它已知的纤维，如聚酯纤维、聚丙烯腈纤维、聚酰胺纤维（尼龙纤维）、聚丙烯纤维等；可以是上述纤维中的任意一种或几种的混合物。
本发明第二个目的是提供一种碳纤维预浸料的制备方法，所述方法包括：
步骤1，提供碳纤维，以及不同于所述碳纤维颜色的额外纤维，
步骤2，制备单线碳纤维预浸料，并在制备过程中加入额外纤维，使额外纤维与单线碳纤维同向。
其中，所述额外纤维直径优选为50~100微米，更优选为50~80微米，更优选为50~60微米。
其中，所述额外纤维在碳纤维预浸料中体积比优选为≤1%，更优选为0.1%~1%。
其中，额外纤维最优选为在预浸料中均匀分布，但实际操作过程中，距离最近的两根额外纤维之间的距离优选为≥3cm。
所述额外纤维可以是任意的纤维材料，可以是常用的增强纤维如玻璃纤维、芳香族聚酰胺纤维、硼纤维，也可以是其它已知的纤维，如聚酯纤维、聚丙烯腈纤维、聚酰胺纤维、聚丙烯纤维等。
本发明第三个目的是提供一种上述任意碳纤维预浸料在制备碳纤维增强复合材料中的应用。尤其是在制备碳纤维增强树脂复合材料中的应用。
本发明提供的碳纤维预浸料，加入不同于碳纤维颜色的纱束来辅助定位碳纤维方向，使制作出的碳纤维预浸料在使用时更容易进行纤维定位，进一步让碳纤维预浸料使用者可以清楚辨识碳纤维方向，在制作CFRP成品时，提高预浸料铺层的操作方便性并提高产品质量；同时，与不加入额外纤维的碳纤维预浸料相比，得到的CFRP成品机械性能不受影响。
附图说明
图1为现有技术中单向碳纤维预浸料外观示意图，其中箭头方向为碳纤维方向；
图2为本发明实施例中制备的单向碳纤维预浸料外观示意图，其中箭头方向为碳纤维方向，较细的白色纤维为额外纤维。
具体实施方式
下面通过具体实施例，对本发明上述内容进行举例说明，但是下述实施例并不限制本发明范围。
实施例1
提供碳纤维与白色聚酯纤维，白色聚酯纤维（PET）与碳纤维体积比为0.001:1，聚酯纤维直径为60微米。
将聚酯纤维与碳纤维一起，均匀混合，制成单向碳纤维预浸料。如图2所示，图中箭头方向为碳纤维指向，虽然单向碳纤维部分平整、黑亮，但是由于加入了白色聚酯纤维（图中较细的白色线），而且与碳纤维混合均匀后一起制成单向预浸料，因此碳纤维方向与白色聚酯纤维方向相同，并且聚酯纤维均匀分布。
因此，在使用所制备的碳纤维预浸料时，即使在较为昏暗的环境下，操作人员可以可通过聚酯纤维的指向，准确地看出碳纤维的方向，从而确保碳纤维增强树脂复合材料性能的稳定。
同时，意外地发现，本实施例中加入聚酯纤维之后，对CFRP的强度和韧性性能没有影响，与不加入聚酯纤维纤维的碳纤维预浸料相比，强度、韧性基本一致。
实施例2
提供碳纤维与白色玻璃纤维，白色玻璃纤维与碳纤维体积比为0.0005:1，白色玻璃纤维直径为80微米。
将玻璃纤维与碳纤维一起制成单向碳纤维预浸料。如图2所示，因此碳纤维方向与白色玻璃纤维方向相同，玻璃纤维间距最小为3cm。
因此，在使用所制备的碳纤维预浸料时，操作人员可以可通过玻璃纤维的指向，准确地看出碳纤维的方向，从而确保碳纤维增强树脂复合材料性能的稳定。同时，玻璃纤维的加入，对CFRP的强度和韧性性能没有影响，与不加入聚酯纤维纤维的碳纤维预浸料相比，强度、韧性基本一致。
实施例3
提供碳纤维与褐色芳纶纤维（芳纶1414），褐色芳纶纤维与碳纤维体积比为0.0002:1，褐色芳纶纤维直径为100微米。
将芳纶纤维与碳纤维一起制成单向碳纤维预浸料。如图2所示，因此碳纤维方向与褐色芳纶纤维方向相同，芳纶纤维间距最小为5cm。
因此，在使用所制备的碳纤维预浸料时，操作人员可以可通过芳纶纤维的指向，准确地看出碳纤维的方向，从而确保碳纤维增强树脂复合材料性能的稳定。同时，芳纶纤维的加入，对CFRP的强度和韧性性能没有影响，与不加入聚酯纤维纤维的碳纤维预浸料相比，强度、韧性基本一致。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。
Claims (6)
1.一种碳纤维预浸料，其特征在于，所述碳纤维预浸料包括单向碳纤维，以及不同于所述碳纤维颜色的额外纤维，额外纤维与碳纤维同向排布；
所述额外纤维与碳纤维体积比为(0.0001～0.0005):1；
距离最近的两根额外纤维之间的距离为≥3cm；
所述额外纤维直径为50～100微米。
2.根据权利要求1所述的碳纤维预浸料，其特征在于，所述额外纤维选自玻璃纤维、硼纤维、聚酯纤维、聚丙烯腈纤维、聚酰胺纤维、聚丙烯纤维中的任意一种或几种。
3.根据权利要求1所述的碳纤维预浸料，其特征在于，所述额外纤维选自芳香族聚酰胺纤维。
4.一种碳纤维预浸料的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1，提供碳纤维，以及不同于所述碳纤维颜色的额外纤维，
步骤2，制备单向碳纤维预浸料，并在制备过程中加入额外纤维，使额外纤维与单向碳纤维同向；
所述额外纤维直径为50～100微米；
所述额外纤维与碳纤维体积比为(0.0001～0.001):1。
5.一种如权利要求1所述碳纤维预浸料在制备碳纤维增强复合材料中的应用。
6.如权利要求5所述的应用，其特征在于，用于制备碳纤维增强树脂复合材料。
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