CN103507280B - 一种树脂预浸纤维片复合材料的制造方法 - Google Patents

一种树脂预浸纤维片复合材料的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种树脂预浸纤维片复合材料的制造方法；切取单向连续纤维片，缝合；将缝合的纤维片开纤处理，将开纤处理的纤维片放置到下加热板上的挡板之间，端部用耐热带固定，在纤维片上面放置干燥处理后的热塑性树脂膜，形成层积物；利用平板加热机，将加热板预热到成型温度，把装有层积物的成型板放置在加热机内，分段加压将纤维含浸在热塑性树脂中；在积层板成型模具上，将预浸料裁成片状，按照铺层角度0/90积层，在每一层预浸料的表面铺放同一尺寸的热塑性树脂膜；放置在加热机中，升压到10MPa，降温到110℃，减压，脱模，得树脂预浸纤维片复合材料层压板；本方法制造设备简易，低成本，复合材料轻量，具有优异的抗冲击性。

Description

一种树脂预浸纤维片复合材料的制造方法
技术领域
本发明涉及一种树脂预浸纤维片复合材料的制造方法。
背景技术
作为热塑性树脂的工程塑料具有容易再生、尺寸精度高、价格低廉、耐冲击性强等优点，其主要用于汽车，电器，光学设备，IT关连部件。热可塑性树脂和强化纤维复合后得到的刚性材料可以作为飞机结构材料。由于热塑性树脂高分子结构特征，加热熔融后的粘度仍然很高，因此，利用简易设备，制造热可塑性树脂纤维含浸后的复合材料，和利用环氧树脂等低粘度树脂比较，相对很难。到目前为止，将玻璃纤维、碳纤维短切后与热塑型树脂混合，可以获得短纤维强化复合材料。关于连续纤维强化热可塑性树脂复合材料的制造方法，一般情况下，将连续纤维含浸于热可塑性树脂中，将纤维沿着单一方向拉伸形成片状。这样获得的预浸料，改变纤维的方向复数层积，加热将树脂熔融后加压制得复合材料。热可塑性树脂预浸料工业制品评价方法主要从树脂的含浸状态、强化纤维配向的均一程度、树脂和纤维的接着状态几方面进行评价。由于树脂的粘度与树脂的机械特性密切相关，例如聚碳酸酯树脂的耐冲击性和它的高粘度成比例，像这样的树脂，在树脂制造商推荐的成型加工温度下加热，粘度仍然很高，和纤维束的含浸很困难。因此，针对制造高粘度热可塑性树脂预浸料及其相关制品已有各种各样的专利发明，例如，给纤维施加张力向单方向拉伸的同时，将树脂和纤维在离型纸上含浸的方法（特开1985－027208号公报）；在金属板上，增强纤维和热可塑性树脂卷缠附着热加工法（特开1995－308991号公报）；树脂粉末与纤维含浸法（特开2005－239843号公报）；开纤后的增强纤维片上，热可塑性树脂纤维制造的热可塑性树脂不织布与之重叠，加热加压法（特开2003－165851号公报）；增强纤维和热可塑性树脂基体纤维开纤处理同时，进行混合后，扩展为片状的制造方法（特开1994－322159号公报）；增强纤维单方向拉伸成片状后，导入到热可塑性树脂浴中，使树脂附着在纤维上的制造方法（特开2005－255927号公报）。
作为一般的热可塑性树脂预浸料的制造方法，可塑性树脂加热熔融，加压使连续增强纤维含浸时，树脂粘度高，生产速度慢，要确保充分的树脂含浸时间，并且，树脂粘度极高的情况下，会含浸不良，导致预浸料的空隙多。为了提高生产速度，可以增加压力，使树脂的含浸速度加快，然而压力过高，导致整列的连续纤维局部间隔增大，使预浸料的质量低下。同时，为了使连续纤维含浸树脂时保持整列状态，必须给纤维施加高张力，导致预浸料的制造设备成本很高。粉末状可塑性树脂和纤维附着制造预浸料的方法，制造均匀的粉末状树脂很困难，导致基体树脂制造成本高，调整粉末状树脂的附着量也很困难。
对于玻璃纤维、碳纤维等连续强化纤维片，为了维持单束纤维的收束性、可操作性及运送时纤维片的配向性，在制造纤维的过程中，纤维表面使用上浆剂进行处理，同时，为改善热塑性树脂和强化纤维的接着性，把强化纤维片开纤处理，树脂含浸时效果很明显。未开纤时，含浸效率低，含浸不充分，导致复合材料的机械性能低下。关于强化纤维束开纤的方法，有利用机械冲击的方法将集束纤维束开纤，还有把片状的纤维束传送过程中进退摩擦开纤维。上述方法，为了解决开纤处理后的增强纤维片的可操作性恶化和维持树脂含浸时纤维配向均一性，必须给连续纤维片施加过大的张力，这样导致设备的复杂化和高成本。另外，也有采用丙酮含浸法，除去缝合处理后的纤维片表面上浆剂和耦合剂进行开纤处理，再给开纤处理后的纤维片表面附着耦合剂，这样的方法，在烘干溶剂丙酮的工艺过程中，不可避免给环境带来污染，并且，纤维片再附着耦合剂，很难保证耦合剂均一附着在纤维片表面，导致纤维和树脂基体接着不均，预浸料质量容易出现缺陷。
对于层压构件，各层越薄，复合物构件的强度越高，因此，首先要获得薄型预浸料，通常的纤维开纤处理是预浸料薄层化的手段之一。短时间内，不增加基材和设备成本的前提下，如果能提供工业品质良好的宽幅热塑性树脂预浸料，利用这种预浸料的复合材料具有优越的成本优势，其在汽车、建筑、飞机等领域将得到广泛应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种树脂预浸纤维片复合材料的制造方法，利用熔融树脂基体浸渍缝合及剪切开纤处理后的连续增强纤维，使用简易设备和较短的制造时间，制备纤维含浸状态良好、强化纤维配向均一的热塑性树脂预浸料和热固性树脂预浸料及其复合材料制品。
本发明所述的一种树脂预浸纤维片复合材料的制造方法，具体步骤如下：
（1）首先切取单向连续纤维片,将切取的纤维片用缝纫机缝合，缝合线选用具有耐热性的，缝合间隔20mm，沿着和纤维方向垂直处将整个纤维片进行缝合处理，缝合时，纤维片端部不进行反复缝合；
（2）将缝合处理的纤维片进行开纤处理，利用切割刀，从每个缝合间隔的中心处，沿着与纤维方向成固定角度处切开，切割长度2mm，切割幅宽方向间距50mm，纤维片端部不剪切，切割处是树脂流入纤维束内的经路；
（3）将热塑性树脂干燥，热塑性树脂成型用加热板由上部加热加压板和下部加热加压板构成，薄铝制作的挡板间隔放置，上下加热板粘贴耐热带；将开纤处理的纤维片放置到下加热板上的挡板之间,端部用耐热带固定,在纤维片上面放置干燥处理后的热塑性树脂膜,形成层积物；
（4）利用平板加热机，将加热板预热到成型温度310℃，把装有层积物的成型板放置在加热机内，预热10分钟后，分段加压将纤维含浸在热塑性树脂中，升压间隔2min,每次加压0.0625Mpa，加压到0.25MPa；0.25-0.75MPa之间，每次加压0.125MPa；0.75-1.75MPa之间，每次加压0.25MPa，升压时间间隔用计时器计量，手动升压；升压到1.75MPa后，维持压力不变，关闭加热机开关，自然冷却到190℃，然后利用加热机的水冷系统，将温度降到120℃，缓慢减压，脱摸；
或加热机预热5min，随后升压时间间隔为1min,每次加压0.125MPa,加压到0.75MPa；0.75-1.75MPa之间，每次加压0.25MPa,共计分9个阶段升压，合计时间14min；
或加热机预热3min，随后升压时间间隔为1min,每次加压0.125MPa，加压到0.25MPa；0.25-1.75MPa之间，每次加压0.25MPa,共计分7个阶段升压，合计时间10min；
（5）在积层板成型的模具上，将得到的热塑性树脂预浸料裁成片状，然后按照铺层角度0/90/90/0/0/90/90/0积层，同时，在每一层热塑性树脂预浸料的表面铺放同一尺寸的热塑性树脂膜；将铺放积层料的模具放置在加热机中，310℃预热10min，和制造热塑性树脂预浸料时温度相同，升压方式为每隔1min,升压1MPa,升压到4MPa；接着，每分钟升压2MPa,升压到10MPa,压力维持在10MPa,关掉加热机电源开关，自然冷却到190℃，然后，利用加热机的水冷系统，继续降温到110℃，缓慢减压，脱模，得树脂预浸纤维片复合材料层压板。
所述的纤维片为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维及陶瓷纤维。
所述的树脂是热固性树脂、热塑性树脂或热固性树脂与热塑性树脂的复合物。
所述热塑性树脂包括：氯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚苯硫醚、聚醚砜、聚醚醚酮或聚醚醚酮中的任何一种。
所述热固性树脂包括环氧树脂、苯酚树脂、不飽和聚酯树脂、聚氨酯树脂脂、聚氨酯丙烯酸酯树脂、乙烯基酯树脂、氰酸酯树脂、苯氧树脂、醇酸树脂、马来酰亚胺树脂或者是这些树脂的复合。
本发明方法同样适用于制备热固性树脂预浸料，紫外线固化树脂预浸料及其复合材料制品，制备步骤如下：
（1）将膏状的树脂涂抹在缝合开纤等处理后的纤维片上，常温下，用手动辊或者压片机，把树脂加压浸渍在纤维束中，获得紫外线固化树脂预浸料。
（2）本发明在获得紫外线固化树脂层压型复合材料构件时，增强纤维片是干燥的，树脂可以保存在试管内，这和通常预浸料相比较，可以降低管理成本。
关于上述热塑性树脂预浸料或热固性树脂预浸料的制造，对于纤维片实施缝合处理后剪切开纤处理，取得以下发明效果：
物理效果
纤维片缝合后，实施一定角度剪切开纤处理，改善了纤维片和树脂的含浸性，同时改善了预浸料成型工艺性和复合材料的力学性能。以发明实施例中的碳纤维增强聚碳酸酯树脂预浸料为例：工艺条件1获得的预浸料弯曲强度为580MPa(JIS K7074)。
经济效果
制造设备的简易化，低成本化；本发明制造的热塑性树脂预浸料,与现在通用的热塑性树脂预浸料一样可以铺放到模具中加热成型,制造多种形状的制件，用作汽车材料﹑建筑材料﹑电机材料等。特别是在实施例中获得的聚碳酸酯树脂纤维增强复合材料，轻量，具有优异的抗冲击性，耐候性好，尺寸精度高，是优秀的低成本工程塑料，适合制造汽车车身外壳或者可再利用的汽车零部件。另外，由于树脂优异的抗冲击性，可以制造防弹盾牌等。
具体实施方式
实施例1
（1）首先切取单向连续碳纤维片,纤维方向长250mm,幅宽：230mm。其次，将上述切取的碳纤维片利用工业缝纫机缝合，缝合线选用具有较高耐热性的，缝合间隔20mm,沿着和纤维方向垂直处将整个碳纤维片进行缝合处理。缝合时，碳纤维片端部不进行反复缝合。
（2）将上述缝合处理的碳纤维片进行开纤处理，利用切割刀，从每个缝合间隔的中心处，沿着与纤维方向成固定角度处切开，切割长度2mm,切割幅宽方向间距50mm（纤维片端部不剪切）。切割处是树脂流入纤维束内的经路。
（3）热塑性树脂使用聚碳酸酯树脂膜（230mm×140mm）。将该聚碳酸酯树脂膜定温干燥。由上部加热加压板和下部加热加压板构成的热塑性树脂成型用加热板，把薄铝制作的挡板间隔为230mm放置，上下加热板粘贴耐热带.其次,将上述的缝合处理和开纤处理的碳纤维片放置到前面提到的下加热板上的挡板之间,端部用耐热带固定,在纤维片上面放置上述干燥处理后的聚碳酸酯树脂膜,形成层积物。
（4）作为预热和加压手段,利用平板加热机,将加热板预热到成型温度310℃，把上述装有层积物的成型板放置在加热机内，预热10分钟后，分段加压将碳纤维含浸在聚碳酸酯树脂中，升压间隔2min,每次加压0.0625MPa,加压到0.25MPa;0.25-0.75MPa之间，每次加压0.125MPa;0.75-1.75MPa之间，每次加压0.25MPa,升压时间间隔用计时器计量,手动升压。升压到1.75MPa后，维持压力不变，关闭加热机开关，自然冷却到190℃，然后利用加热机的水冷系统，将温度降到120℃，缓慢减压，脱摸。本发明方法获得的聚碳酸酯树脂碳纤维预浸料，质量良好。
（5）树脂含浸增强纤维片的工艺条件1:加热机预热10min，随后升压时间间隔为2min,每次加压0.0625MPa,加压到0.25MPa;0.25-0.75MPa之间，每次加压0.125MPa;0.75-1.75MPa之间，每次加压0.25MPa,共计分11个阶段升压，合计时间32min。
工艺条件2，加热机预热5min，随后升压时间间隔为1min,每次加压0.125MPa,加压到0.75MPa；0.75-1.75MPa之间，每次加压0.25MPa,共计分9个阶段升压，合计时间14min。
工艺条件3，加热机预热3min，随后升压时间间隔为1min,每次加压0.125MPa,。加压到0.25MPa；0.25-1.75MPa之间，每次加压0.25MPa,共计分7个阶段升压，合计时间10min。
（6）对于工艺1,沿幅宽方向间隔50mm剪切开纤处理的增强纤维片与聚碳酸酯树脂含浸状态良好；
对于工艺2，沿幅宽方向间隔25mm剪切开纤处理的增强纤维片与聚碳酸酯树脂含浸状态良好；
对于工艺3，沿幅宽方向间隔50mm剪切开纤处理的增强纤维片与聚碳酸酯树脂含浸状态不良；
根据上述的实验结果，关于加压时间和剪切开纤间隔对树脂和纤维浸润程度影响，剪切开纤间隔小，有利于树脂和纤维的含浸；加压速度慢，有利于提高树脂对纤维的含浸性。
对于上述工艺条件下获得的预浸料，分别进行三点弯曲试验（JISKK7074）,工艺条件1、工艺条件2和工艺条件3获得的预浸料的弯曲强度分别是：580MPa，574MPa和541MPa，结果和预浸料的外观质量一致。（7）在积层板成型的模具上，将上述得到的聚碳酸酯树脂预浸料裁成200×120mm片状，然后按照铺层角度0/90/90/0/0/90/90/0积层，同时，在每一层聚碳酸酯树脂预浸料的表面铺放同一尺寸的聚碳酸酯树脂膜。将铺放积层料的模具放置在上述制造聚碳酸酯树脂预浸料使用的加热机中，310℃预热10min（和制造聚碳酸酯树脂预浸料时温度相同），升压方式为每隔1min,升压1MPa,升压到4MPa；接着，每分钟升压2MPa,升压到10MPa,压力维持在10MPa,关掉加热机电源开关，自然冷却到190℃，然后，利用加热机的水冷系统，继续降温到110℃，缓慢减压，脱模。利用以上成型方法，可以获得聚碳酸酯树脂碳纤维在纤维方向异性的复合材料层压板。
实施例2
（1）利用本发明，可以制造热固性树脂基体预浸料。热固性树脂基体可以是环氧树脂、苯酚树脂、不飽和聚酯树脂、苯氧树脂、醇酸树脂等或者是这些树脂的混合，并且，在常温下，浸渍纤维，利用紫外线固化树脂。以下利用紫外线固化树脂作为基体，说明热固性树脂积层复合材料板的制造方法。与上述实施例1所叙述的制造热塑性树脂预浸料的方法一样,利用非常简单的设备,快速制造复合材料构件。
（2）将膏状的树脂涂抹在缝合开纤等处理后的纤维片上，常温下，用手动辊或者压片机，把树脂加压浸渍在纤维束中，获得紫外线硬化树脂预浸料。将该预浸料复数铺层，在常温下，利用手动辊或压片机加压，除去层间空气，使得层间相互紧密接触后，利用紫外线照射固化，获得紫外线硬化树脂层压型复合材料构件。

Claims (1)

1.一种树脂预浸纤维片复合材料的制造方法，其特征在于：
(1)首先切取单向连续纤维片,将切取的纤维片用缝纫机缝合，缝合线选用具有耐热性的，缝合间隔20mm，沿着和纤维方向垂直处将整个纤维片进行缝合处理，缝合时，纤维片端部不进行反复缝合；
(2)将缝合处理的纤维片进行开纤处理，利用切割刀，从每个缝合间隔的中心处，沿着与纤维方向成固定角度处切开，切割长度2mm，切割幅宽方向间距50mm，纤维片端部不剪切，切割处是树脂流入纤维束内的经路；
(3)将热塑性树脂干燥，热塑性树脂成型用加热板由上部加热加压板和下部加热加压板构成，薄铝制作的挡板间隔放置，上下加热板粘贴耐热带；将开纤处理的纤维片放置到下加热板上的挡板之间,端部用耐热带固定,在纤维片上面放置干燥处理后的热塑性树脂膜,形成层积物；
(4)利用平板加热机，将加热板预热到成型温度310℃，把装有层积物的热塑性树脂成型用加热板放置在加热机内，预热10分钟后，分段加压将纤维含浸在热塑性树脂中，升压间隔2min,每次加压0.0625MPa，加压到0.25MPa；0.25-0.75MPa之间，每次加压0.125MPa；0.75-1.75MPa之间，每次加压0.25MPa，升压时间间隔用计时器计量，手动升压；升压到1.75MPa后，维持压力不变，关闭加热机开关，自然冷却到190℃，然后利用加热机的水冷系统，将温度降到120℃，缓慢减压，脱模；
或加热机预热5min，随后升压时间间隔为1min,每次加压0.125MPa,加压到0.75MPa；0.75-1.75MPa之间，每次加压0.25MPa，共计分9个阶段升压，合计时间14min；
或加热机预热3min，随后升压时间间隔为1min,每次加压0.125MPa，加压到0.25MPa；0.25-1.75MPa之间，每次加压0.25MPa,共计分7个阶段升压，合计时间10min；
(5)在积层板成型的模具上，将得到的热塑性树脂预浸料裁成片状，然后按照铺层角度0/90/90/0/0/90/90/0积层，同时，在每一层热塑性树脂预浸料的表面铺放同一尺寸的热塑性树脂膜；将铺放积层料的模具放置在加热机中，310℃预热10min，和制造热塑性树脂预浸料时加热板预热温度相同，升压方式为每隔1min,升压1MPa,升压到4MPa；接着，每分钟升压2MPa,升压到10MPa,压力维持在10MPa,关掉加热机电源开关，自然冷却到190℃，然后，利用加热机的水冷系统，继续降温到110℃，缓慢减压，脱模，得树脂预浸纤维片复合材料层压板。
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