CN104212127A - 低温固化高温使用的模具预浸料 - Google Patents

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单瑞俊
黄登亮
杨强
马喜静
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Abstract

本发明提供一种低温固化高温使用的模具预浸料，将树脂组分混合均匀后与纤维组分复配，得到预浸料，其中，预浸料的树脂组分含量为10％-60％，纤维面密度为50gsm-800gsm，预浸料的树脂组分包括树脂部分、增韧剂部分和固化剂部分，预浸料的树脂组分中的树脂部分、增韧剂部分和固化剂部分的含量为：50％-98％、0-50％和2％-45％；使用该模具预浸料成型模具，可以在低温条件下初固化，然后脱模后固化得到“高温使用”的模具，可以降低母模的使用温度，减少母模成本。解决了传统金属材质模具材料及普通模具预浸料成型难度大、成型成本高等问题。

Description

低温固化高温使用的模具预浸料
技术领域
本发明涉及一种低温固化高温使用的模具预浸料。
背景技术
模具应用十分广泛，传统模具材料普遍为金属材质，它们存在加工困难，加工成本高等问题。近年来，国内模具预浸料开始发展但进展缓慢，普遍存在固化温度高、耐温性差、固化过程复杂等问题，如国内某公司的一款模具用预浸料，主体采用环氧树脂和东丽T300纤维，其初始固化温度为65℃，经一定后固化后，其耐温性较差，只能在130℃左右长期使用，这限制了它的应用范围，这些问题影响着模具预浸料的发展，研究一款初始固化温度低，后固化后耐温性良好的模具用预浸料有着重大意义。
发明内容
针对上述技术存在的问题，本发明提供一种“低温固化高温使用”的模具预浸料，使用该模具预浸料成型模具，可以在低温条件下初固化，然后脱模后固化得到“高温使用”的模具，可以降低母模的使用温度，减少母模成本，解决了传统金属材质模具材料及普通模具预浸料成型难度大、成型成本高等问题。
本发明是通过以下方式来实现的：
一种低温固化高温使用的模具预浸料，将树脂组分混合均匀后与纤维组分复配，得到预浸料，其中，预浸料的树脂组分含量为10％-60％，纤维面密度为50gsm-800gsm，预浸料的树脂组分包括树脂部分、增韧剂部分和固化剂部分，预浸料的树脂组分中的树脂部分、增韧剂部分和固化剂部分的含量为：50％-98％、0-50％和2％-45％；
预浸料的树脂组分中的树脂部分为不饱和聚酯、聚酯乙烯酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、双马来酰亚胺树脂和氰酸酯树脂中的一种或多种的混合物；
预浸料的树脂组分中的增韧剂部分为聚砜、聚醚砜、聚醚酮、聚醚醚酮、聚醚酰亚胺、聚苯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、改性聚芳醚砜和聚碳酸酯等中的一种或多种的混合物；
预浸料的树脂组分中的固化剂组分为胺类、酸酐类、金属盐类、咪唑类、线性树脂低聚物类和它们的衍生物中的一种或多种的混合物。
进一步地，预浸料的纤维组分采用高强或高模级别的纤维。
进一步地，预浸料的纤维组分采用单向连续纤维束、单向织物、二维织物和三维织物形式。
进一步地，将预浸料铺贴在母模上，预浸料与母模在较低温度下完成初固化定型，然后将预成型的模具从母模脱下，接着在较高温度下完成后固化，得到低温固化高温使用的复合材料模具。
进一步地，预浸料初始固化温度在50℃-100℃，后固化温度150℃-250℃。
进一步地，预浸料的树脂组分初固化后DMA Tg为60℃-100℃，后固化后DMA Tg为150℃-300℃。
进一步地，预浸料板材固化后层间剪切强度在50MPa-100MPa，弯曲强度在500Mpa-1600MPa，弯曲模量在40GPa-150GPa，热膨胀系数早0.1×10-6m/℃-5×10-6m/℃。
进一步地，预浸料初固化在55℃-85℃，后固化在180℃-230℃；预浸料初固化DMA Tg在65℃-90℃，后固化DMA Tg在180℃-300℃；预浸料板材固化后层间剪切强度在60Mpa-100MPa，弯曲强度在700Mpa-1600MPa，弯曲模量在50GPa-150GPa，热膨胀系数在0.1×10-6m/℃-3×10-6m/℃。
进一步地，以从室温以3℃/min升至180℃，180℃保温1h，以3℃/min降至室温，为一个热循环；经过200次热循环后，其预浸料板材固化后层间剪切强度、弯曲强度和弯曲模量降低程度在0.1％-5％；经过500次热循环后，其预浸料板材固化后层间剪切强度、弯曲强度和弯曲模量降低程度在0.1％-10％。
本发明的有益效果是：该种模具预浸料，在较低温度下将预浸料与母模一起预成型，然后脱离母模，在较高温度下单独成型，得到使用温度高的模具，这样可以降低母模的成本，且成型过程简单、易操作，扩大模具预浸料的应用，促进复合材料在模具领域的发展。该种模具预浸料，改变了传统模具和普通模具预浸料的成型方式，解决传统传统模具材料和铺贴模具预浸料成型难度大、成型成本高等问题，该模具预浸料由树脂组分和纤维组分构成，初始固化温度低，后固化后模具耐温性良好，且成型简单，使用方便。
具体实施方式
下面详细说明本发明的优选实施例。
低温固化高温使用的模具预浸料，将树脂组分混合均匀后与纤维组分复配，得到预浸料，其中，预浸料的树脂组分含量为10％-60％，纤维面密度为50gsm-800gsm，优选的树脂含量30％-45％，纤维面密度200gsm-700gsm。
预浸料的树脂组分包括树脂部分、增韧剂部分和固化剂部分，预浸料的树脂组分中的树脂部分、增韧剂部分和固化剂部分的含量为：50％-98％、0-50％和2％-45％；优选的树脂部分、增韧剂部分和固化剂部分的含量为：70％-98％、10％-30％和3％-15％。将预浸料铺贴在母模上，预浸料与母模在较低温度下完成初固化定型，然后将预成型的模具从母模脱下，接着在较高温度下完成后固化，得到低温固化高温使用的复合材料模具。
预浸料的树脂组分中的树脂部分为不饱和聚酯、聚酯乙烯酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、双马来酰亚胺树脂和氰酸酯树脂中的一种或多种的混合物；预浸料的树脂组分中的增韧剂部分为聚砜、聚醚砜、聚醚酮、聚醚醚酮、聚醚酰亚胺、聚苯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、改性聚芳醚砜和聚碳酸酯等中的一种或多种的混合物；预浸料的树脂组分中的固化剂组分为胺类、酸酐类、金属盐类、咪唑类、线性树脂低聚物类和它们的衍生物中的一种或多种的混合物。
预浸料的纤维组分可以为相当于东丽T300、T400、T700、T800、T1000等高强或M40、M60等高模级别的所有纤维，纤维形式可以为单向连续纤维束、单向织物、二维织物和三维织物形式。优选T300级别纤维的二维斜纹织物。
初始固化温度在50℃-100℃，后固化温度150℃-250℃。优选初固化55℃-85℃，后固化180℃-230℃。
预浸料的初固化后DMA Tg为60℃-100℃，后固化后DMA Tg为150℃-300℃。优选的初固化DMA Tg在65℃-90℃，后固化DMA Tg在180℃-300℃。
预浸料板材固化后层间剪切强度在50MPa-100MPa，弯曲强度在500Mpa-1600MPa，弯曲模量在40GPa-150GPa，热膨胀系数早0.1×10-6m/℃-5×10-6m/℃。优选的预浸料板材固化后层间剪切强度在60Mpa-100MPa，弯曲强度在700Mpa-1600MPa，弯曲模量在50GPa-150GPa，热膨胀系数在0.1×10-6m/℃-3×10-6m/℃。
以从室温以3℃/min升至180℃，180℃保温1h，以3℃/min降至室温，为一个热循环；经过200次热循环后，其预浸料板材固化后层间剪切强度、弯曲强度和弯曲模量降低程度在0.1％-5％；经过500次热循环后，其预浸料板材固化后层间剪切强度、弯曲强度和弯曲模量降低程度在0.1％-10％。
实验检验
预浸料模具的制作步骤为：
第一步：选用树脂组分A和纤维组分B，按照相应工艺制成预浸料C；
第二步：根据母模要求，将预浸料C裁剪成相应形状，在洁净间铺贴到母模上，同时将预浸料按照ASTM标准铺贴成3mm层间剪切和弯曲测试板，作为随炉测试件；
第三步：将母模与铺贴的预浸料，放入热压罐固化，低温处固化后，脱模，将制作的模具单独进行后固化。
取出得到完全成型模具E及随炉件F。
其中：初始固化和后固化的温度及时间根据预浸料体系而改变，此处不做详细叙述。
1.当树脂组分A中树脂部分为酚醛环氧(环氧当量为195-205g/mol)和双酚A环氧(环氧当量为175-185g/mol)按质量比35:65得到的混合物，无增韧剂组分，固化剂组分为咪唑类固化剂，树脂部分与固化剂部分质量比为96:4；纤维采用东丽公司T300二维斜纹织物，规格为HFW200T-A3-2/2-1000(A3表示3K T300)时，按照上述步骤得到的树脂组分A1、预浸料C1、模具E1和随炉件F1；
2.当树脂组分为二种多官能团环氧树脂(环氧当量均在115-225g/mol)的混合物，增韧剂组分为聚砜，固化剂为胺类固化剂，各组分比例为60:20:20；纤维同样为东丽公司T300二维斜纹织物，规格为HFW200T-A3-2/2-1000(A3表示3K T300)时，按照上述步骤得到的树脂组分A2、预浸料C2、模具E2和随炉件F2；
经测试的树脂组分A1、树脂组分A2、随炉件F1、随炉件F2的性能为：
树脂组分A：
检验项目 单位 A1 A2
初固化后DMA Tg ℃ 65 85
后固化后DMA Tg ℃ 201 224
随炉件F：
随炉件用于测试层间剪切强度、弯曲强度和模量、DMA Tg和热膨胀系数。
随炉件的测试数据如下表：
检验项目 单位 F1 F2
初固化后DMA Tg ℃ 85 98
后固化后DMA Tg ℃ 206 226
层间剪切 MPa 69 82
弯曲强度 MPa 856 923
弯曲模量 GPa 59 73
热膨胀系数 10-6m/℃ 2.2 1.8
模具E：
制作的模具表面平整度及光洁度较好，如果客户需要高表面质量，可通过模具表面的后处理达到。
工业可利用性
根据本发明，可以降低高温模具的成型难度和成型成本，扩大复合材料在模具领域的应用，可以应用于从民用市场到航空市场的各种耐高温模具。
以上所述的具体实例只是为了详细说明本发明，但是在不损害本发明的宗旨和范围的情况下，可以进行各种变更、修改，这对于本领域的技术人员来说是清楚的。

Claims (9)

1.一种低温固化高温使用的模具预浸料，其特征在于，将树脂组分混合均匀后与纤维组分复配，得到预浸料，其中，预浸料的树脂组分含量为10％-60％，纤维面密度为50gsm-800gsm，预浸料的树脂组分包括树脂部分、增韧剂部分和固化剂部分，预浸料的树脂组分中的树脂部分、增韧剂部分和固化剂部分的含量为：50％-98％、0-50％和2％-45％；
预浸料的树脂组分中的树脂部分为不饱和聚酯、聚酯乙烯酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、双马来酰亚胺树脂和氰酸酯树脂中的一种或多种的混合物；
预浸料的树脂组分中的增韧剂部分为聚砜、聚醚砜、聚醚酮、聚醚醚酮、聚醚酰亚胺、聚苯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、改性聚芳醚砜和聚碳酸酯等中的一种或多种的混合物；
预浸料的树脂组分中的固化剂组分为胺类、酸酐类、金属盐类、咪唑类、线性树脂低聚物类和它们的衍生物中的一种或多种的混合物。
2.如权利要求1所述的低温固化高温使用的模具预浸料，其特征在于：预浸料的纤维组分采用高强或高模级别的纤维。
3.如权利要求2所述的低温固化高温使用的模具预浸料，其特征在于：预浸料的纤维组分采用单向连续纤维束、单向织物、二维织物和三维织物形式。
4.如权利要求1-3任一项所述的低温固化高温使用的模具预浸料，其特征在于：将预浸料铺贴在母模上，预浸料与母模在较低温度下完成初固化定型，然后将预成型的模具从母模脱下，接着在较高温度下完成后固化，得到低温固化高温使用的复合材料模具。
5.如权利要求4所述的低温固化高温使用的模具预浸料，其特征在于：预浸料初始固化温度在50℃-100℃，后固化温度150℃-250℃。
6.如权利要求5所述的低温固化高温使用的模具预浸料，其特征在于：预浸料的树脂组分初固化后DMA Tg为60℃-100℃，后固化后DMA Tg为150℃-300℃。其中：DMA全称“动态热机械分析”，“DMA Tg”表示样品储能模量变化时的转变温度，它表征样品能使用的最高温度，下同。
7.如权利要求6所述的低温固化高温使用的模具预浸料，其特征在于：预浸料板材固化后层间剪切强度在50MPa-100MPa，弯曲强度在500Mpa-1600MPa，弯曲模量在40GPa-150GPa，热膨胀系数早0.1×10-6m/℃-5×10-6m/℃。
8.如权利要求7所述的低温固化高温使用的模具预浸料，其特征在于：预浸料初固化在55℃-85℃，后固化在180℃-230℃；预浸料初固化DMA Tg在65℃-90℃，后固化DMA Tg在180℃-300℃；预浸料板材固化后层间剪切强度在60Mpa-100MPa，弯曲强度在700Mpa-1600MPa，弯曲模量在50GPa-150GPa，热膨胀系数在0.1×10-6m/℃-3×10-6m/℃。
9.如权利要求7所述的低温固化高温使用的模具预浸料，其特征在于：以从室温以3℃/min升至180℃，180℃保温1h，以3℃/min降至室温，为一个热循环；经过200次热循环后，其预浸料板材固化后层间剪切强度、弯曲强度和弯曲模量降低程度在0.1％-5％；经过500次热循环后，其预浸料板材固化后层间剪切强度、弯曲强度和弯曲模量降低程度在0.1％-10％。
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