CN103921369B - 一种热塑性树脂基预浸渍带的干法预浸渍工艺 - Google Patents

一种热塑性树脂基预浸渍带的干法预浸渍工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种热塑性树脂基预浸渍带的干法预浸渍工艺，其主要步骤为：先将纱架上的增强纤维短切，纤维按自由落网，呈各向杂乱的模式定量撒在铺有树脂膜的传送带上面，再在短切纤维层的上面铺一层树脂膜，形成三层预混材料结构；然后对预混材料结构双面预针刺固网，再利用复合针刺工艺，使纤网相互缠绕呈三维立体结构；最后经热烘焙塑化及熔融辊压浸渍工艺，制备成连续短纤维预浸渍带。本发明的生产工艺路线，摒弃了传统干法气流成网或梳理成网的技术设备，对原有的生产工艺流程实现技术改进，解决了高温、高粘度的热塑性树脂因流动性差，熔融浸渍增强纤维困难的工艺技术瓶颈，提高了产品的质量与产量，降低了工业化生产的成本。

Description

一种热塑性树脂基预浸渍带的干法预浸渍工艺
技术领域
本发明属于热塑性复合材料成型领域，具体涉及一种热塑性树脂基预浸渍带的干法预浸渍工艺。
背景技术
目前常用的干法工艺，它是将玻璃纤维针刺毡与聚丙烯片或熔融聚丙烯相间叠合成三明治状，经专用的带压机加热加压、冷却加压制成片材。该方法的缺点是熔融聚丙烯粘度大，难于完全浸渍玻璃纤维，从而使得基体塑料与增强纤维的接触面少，界面结合强度差，片材内孔隙率高，导致片材的力学强度不好。
国内现有较先进的干法工艺(又称梳理工艺)，主要是将增强纤维短切之后与粘合树脂纤维混合，再进行梳理成网形成棉絮状，经针刺制备连续纤维毡。其工艺主要包括：纤维混合、开包、粗开松、精开松、梳理、铺网、多道针刺加固工序、收卷及表面处理等。该干法工艺的缺点是：
1、设备的投资额较大、占地面积大、生产能耗高而且效率较低。
2、由于该干法工艺主要借用于无妨机械设备，开包、开松、梳理等工艺的采用，增加了纤维的损伤、断裂现象，严重影响了制品的力学性能。
例如，专利CN1730764A提出了一种玻璃纤维和基体树脂纤维复合针刺的预混体制作方法，该方法将玻璃纤维与基体树脂纤维分别拉制成丝，经抛丝、针刺工艺制得两种纤维的预混体结构，可直接用于生产GMT材料及制品。这种方法能增加玻纤与基体树脂的接触面积，提升纤维浸渍率及产品的力学性能，但两种纤维的混合均匀度并不能有效保证，片材会出现干纤维区或富树脂区，产品的力学性能不够稳定。
发明内容
针对现有技术干法工艺的不足，本申请旨在提供一种热塑性树脂基针刺毡的干法预浸渍工艺，该方法可以有效解决高温、高粘度树脂因流动性差，浸渍增强材料困难的问题，同时可以使得增强纤维和基体树脂在成品中分布均匀，产品的力学性能稳定。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种热塑性树脂基预浸渍带的干法预浸渍工艺，包括以下步骤：
(1)将纱架上的连续增强纤维短切，形成短切纤维，所述短切纤维自由落网、呈各向杂乱的模式定量撒在铺有树脂膜的传送带上，控制每平方米树脂膜上铺有100g-350g短切纤维；然后在短切纤维上铺一层树脂膜，形成三层预混材料结构，所述树脂膜的克重为100～150g/m2；
(2)将所述预混材料结构进行针刺，控制上针刺和下针刺的针频密度分别为40刺/cm2～50刺/cm2，针刺深度分别为10mm～30mm；
(3)检验、切边、收卷形成预浸渍针刺毡；
(4)放卷所述预浸渍针刺毡，在210℃～230℃的温度下烘培并在1MPa～2MPa的线压强下熔融辊压浸渍制备成预浸渍带。
步骤(1)所述短切纤维的长度优选为60mm～90mm，纤维直径优选为16μm～17μm。
步骤(1)所述增强纤维优选为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、金属纤维、天然纤维中的一种或几种。
步骤(1)所述树脂膜优选为聚丙烯树脂、聚酰胺树脂、聚酰亚胺树脂、聚苯硫醚树脂、聚碳酸酯树脂、涤纶树脂中的任意一种。
步骤(1)所述三层预混材料结构中增强纤维原丝的重量百分比优选为30％～70％，树脂膜的重量百分比优选为70％～30％，且树脂膜的重量上下分配均匀。
步骤(2)所述的针刺工艺要将树脂膜针刺渗透、均匀喂入增强纤维毡层，利用树脂的柔韧性减少针刺工艺中纤维的损伤、断裂现象，使纤维相互缠绕呈三维立体结构，并具有一定膨化效果。
步骤(3)所述的预浸渍针刺毡的克重优选为200～500g/m2。
步骤(4)所述预浸渍带的厚度优选为0.18mm～0.45mm。
步骤(4)所述的预浸渍带增强纤维浸渍透彻、无明显的干纤维区、气孔和厚度不均匀等质量缺陷。
优选选择多层步骤(4)所述的预浸渍带进行层叠，然后烘培塑化、热压、冷却定型，修边制得成品。
与现有技术相比，本发明的优势在于:
1、本发明通过针刺经针刺粉碎树脂膜进入增强短纤维层中，增大了增强纤维初步混合，两者之间的结合界面增加，热压工艺过程中，浸渍距离大为缩短，在高性能树脂有限的熔融温度范围内，基体树脂能更好的浸渍、包裹增强纤维，提高制品的物理机械性能。
2、本发明所制备的产品玻纤含量提高，可达70％甚至更高，增强纤维和基体树脂在成品中分布均匀，产品的力学性能得到提升。
3、低投入：仅由开卷设备、输送帘、针刺机若干台及收卷、切边设备即可组成整套生产线，设备投资成本低，占地面积小，人工需求少，在能耗方面有很大的优势。
4、高生产率：6～8t/天(现有技术一般是2t/天)，相应于上述的低投入，生产设备的简单化、节能化，减少了不必要的工时、工步(开松、梳理、成网等)，使整体生产效率有了较大幅度的提升。
5、多品种：由本工艺所制得的预浸渍带克重一般控制在500g/m2以下，可按产品需求合理配置最终产品克重(按叠层方式——如：需配置克重为2000g/m2的相关产品，可用四层500g/m2的预浸渍带层叠热压成板材或制品，由于各预浸渍带界面亦存有基体树脂，最终产品不会出现界面分层、剥离等不良现象)，满足相关性能要求。
附图说明
图1是本发明所述制备方法的工艺流程图；
图2是本发明所述制备方法的生产线示意图；
其中，1是纱架；2是抛丝装置；3是沉降室；4是传送带；5是上覆膜装置，6是针刺机I，7是针刺机II；8是收卷装置；9是下覆膜装置。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的说明。
实施例1
(1)增强纤维选择为玻璃纤维(直径：17μm1200tex)，改性树脂膜选择为聚丙烯树脂膜(单层克重：120g/m2)。将纱架1上的连续玻璃纤维短切成60～90mm，纤维自由落网、呈各向杂乱的模式定量撒在铺有改性树脂膜的传送带4上面(纤网克重控制在160g/m2左右)，再在短切纤维的上面铺一层改性树脂膜5，由此形成三合一的预混体结构；
(2)将上述预混体结构喂入高速针刺机6、7，进行预针刺固网和复合针刺，针频为45刺/cm2，针刺深度为25mm；
(3)检验、切边、收卷成单层预浸渍针刺毡；
(4)放卷单层预浸渍针刺毡，经热烘培(温度在210℃之间)及熔融辊压(1～2MPa线压强)浸渍工艺制备成连续短纤维预浸渍带(400g/m2)。
(5)放卷单层预浸渍带，按产品需求将多层预浸渍带层叠，烘培塑化、热压、冷却定型、修边制得成品。
这种层叠制品尤其适用于轻质GMT板材，可用于制作半结构件或非结构件。在等克重及玻纤含量的条件下，将其与传统三明治结构(背景中所描述的方法制备的)的GMT板材对比，如表1所示，可以看出：新工艺所制GMT板材的拉伸、弯曲、抗冲击等力学性能都有了较大幅度的提升，且该产品的低投入及生产高效。
表1GMT板材力学性能对比实验数据
产品名称 干法预浸渍基材 传统GMT
产品型号 HDGF40PP CM10400
产品组份 PP+40％GF PP+40％GF
密度g/cm3 1.17 1.19
拉伸强度MPa 140 100
弯曲强度/MPa 150 130
冲击强度KJ/m2 100 65
实施例2
(1)增强纤维选择为玻璃纤维(直径：17μm1200tex)，改性树脂膜选择为尼龙PA6树脂膜(单层克重：150g/m2)。将纱架1上的连续增强纤维短切成60～90mm，纤维自由落网、呈各向杂乱的模式定量撒在铺有改性树脂膜的传送带4上面(纤网克重控制在200g/m2左右)，再在短切纤维的上面铺一层改性树脂膜5，由此形成三合一的预混体结构；
(2)将上述预混体结构喂入高速针刺机6、7，进行预针刺固网和复合针刺，针频为50刺/cm2，针刺深度为30mm；
(3)检验、切边、收卷成单层预浸渍针刺毡；
(4)放卷单层预浸渍针刺毡，经热烘培(温度在220℃之间)及熔融辊压(1～2MPa线压强)浸渍工艺制备成连续短纤维预浸渍带(500g/m2)。
(5)放卷单层预浸渍带，按产品需求将多层预浸渍带层叠，烘培塑化、热压、冷却定型、修边制得GMT板材。
这种层叠制品尤其适用于制备高性能的轻质GMT板材，可用于制作车身结构件。该工艺较好地解决了高温、高粘度的尼龙树脂(熔融指数：一般为2.8g/10min，高温下粘度大于500Pa.s)因流动性差，浸渍增强纤维困难的技术瓶颈，为制备高性能的复合材料开辟了新的生产技术路线。
表2为所制产品与某种玻纤增强尼龙6材料的性能对比。
产品名称 覆膜法针刺尼龙6 玻纤增强尼龙6
产品型号 GF40PA6 2040A2040H
产品组份 PA6+40％GF PA6+40％GF
密度g/cm3 1.41 1.45
拉伸强度MPa 260 195
弯曲强度/MPa 295 255
冲击强度KJ/m2 80 52
实施例3
(1)增强纤维选择为玻璃纤维(直径：17μm1200tex)，改性树脂膜选择聚丙烯树脂膜(单层克重：150g/m2)。将纱架1上的连续玻璃纤维短切成60～90mm，纤维自由落网、呈各向杂乱的模式定量撒在铺有改性树脂膜的传送带4上面(纤网克重控制在200g/m2左右)，再在短切纤维的上面铺一层改性树脂膜5，由此形成三合一的预混体结构；
(2)将上述预混体结构喂入高速针刺机6、7，进行预针刺固网和复合针刺，针频为40刺/cm2，针刺深度为30mm；
(3)检验、切边、收卷成单层预浸渍针刺毡；
(4)放卷单层预浸渍针刺毡，经热烘培(温度在230℃之间)及熔融辊压(1～2MPa线压强)浸渍工艺制备成连续短纤维预浸渍带(500g/m2)。
(5)放卷单层预浸渍带，将三层预浸渍带层叠(1500g/m2)，烘培塑化、复合胶膜、无纺布，置于某车型发动机底护板模具中热压成型、冷却定型、修边、冲孔制得该发动机底护板(1650g/m2)。将其与利用瑞士QPC某板材(都为半结构件板材：型号为G100F40-F6，克重为1800g/m2)所制作的同种发动机底护板对比(如表3所示)。可以看出：新工艺所制成型件的力学性能更为优越，且密度较小，能更好地满足汽车的轻量化要求。
表3性能对比实验数据
产品名称 干法预浸渍基材 QPC
产品型号 HDGF40PP G100F40-F6
产品组份 PP+40％GF PP+40％GF
密度g/cm3 1.17 1.21
拉伸强度MPa 140 70
弯曲强度/MPa 150 100
冲击强度KJ/m2 100 70
上述已以较佳实例公开了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采用等同替换或者等效替换方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种热塑性树脂基预浸渍带的干法预浸渍工艺，其特征是，包括以下步骤：
（1）将纱架上的连续增强纤维短切，形成短切纤维，所述短切纤维自由落网、呈各向杂乱的模式定量撒在铺有树脂膜的传送带上，控制每平方米树脂膜上铺有100g-350g短切纤维；然后在短切纤维上铺一层树脂膜，形成三层预混材料结构，所述树脂膜的克重为100~150g/m2；
（2）将所述预混材料结构进行针刺，控制上针刺和下针刺的针频密度分别为40刺/cm2~50刺/cm2，针刺深度分别为10mm~30mm；
（3）检验、切边、收卷形成预浸渍针刺毡；
（4）放卷所述预浸渍针刺毡，在210℃~230℃的温度下烘培并在1MPa~2MPa的线压强下熔融辊压浸渍，制备成预浸渍带。
2.根据权利要求1所述热塑性树脂基预浸渍带的干法预浸渍工艺，其特征是，步骤（1）所述短切纤维的长度为60mm~90mm，纤维直径为16μm~17μm。
3.根据权利要求1或2所述热塑性树脂基预浸渍带的干法预浸渍工艺，其特征是，步骤（1）所述增强纤维为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、金属纤维、天然纤维中的一种或几种。
4.根据权利要求1或2所述热塑性树脂基预浸渍带的干法预浸渍工艺，其特征是，步骤（1）所述树脂膜为聚丙烯树脂、聚酰胺树脂、聚酰亚胺树脂、聚苯硫醚树脂、聚碳酸酯树脂、涤纶树脂中的任意一种。
5.根据权利要求1或2所述热塑性树脂基预浸渍带的干法预浸渍工艺，其特征是，步骤（1）所述三层预混材料结构中增强纤维原丝的重量百分比为30%~70%，树脂膜的重量百分比为70%~30%，且树脂膜的重量上下分配均匀。
6.根据权利要求1或2所述热塑性树脂基预浸渍带的干法预浸渍工艺，其特征是，步骤（3）所述预浸渍针刺毡的克重为200~500g/m2。
7.根据权利要求1或2所述热塑性树脂基预浸渍带的干法预浸渍工艺，其特征是，步骤（4）所述预浸渍带的厚度为0.18mm~0.45mm。
8.根据权利要求1或2所述热塑性树脂基预浸渍带的干法预浸渍工艺，其特征是，选择多层步骤（4）所述的预浸渍带进行层叠，然后烘培塑化、热压、冷却定型，修边制得板材。
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