CN104494214B - 一种z向定向连续纤维增强蜂窝芯材及其制备工艺与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于复合材料领域，具体涉及一种Z向定向连续纤维增强蜂窝芯材，并进一步公开了其制备工艺与应用。本发明所述工艺，包括如下步骤：(1)以具有Z向连续的长纤维为增强材料，按照所述蜂窝芯材的形状堆积，作为所述蜂窝芯材的侧壁；(2)以熔融状态的热塑性树脂包覆并浸润所述长纤维材料；(3)采用共挤出工艺堆积所述长纤维材料和所述热塑性树脂，并冷却固定形成所述蜂窝芯材的侧壁，重复上述堆积过程进而得到所述蜂窝芯材。本发明所述方法直接以长纤维为原料辅以热塑性树脂生产所述蜂窝芯材，进一步增强了其在Z向的抗压能力，制备的蜂窝结构芯材其Z向结构强度和承载能力大幅度提高，大幅度拓宽应用领域。
Description
技术领域
本发明属于复合材料领域，具体涉及一种Z向定向连续纤维增强蜂窝芯材，并进一步公开了其制备工艺与应用。
背景技术
蜂窝本意即指蜂巢，是一种六角形排列而成的结构(如图1所示)，它的一端是六角形开口，另一端则是封闭的六角棱锥体的底，由三个相同的菱形组成，所以说蜂巢是严格的六角柱形体。早在公元四世纪的古希腊，数学家佩波斯就提出：蜂窝的优美形状，是自然界最有效劳动的代表。他猜想人们所见到的截面呈六边形的蜂窝，是蜜蜂采用最少量的蜂蜡建成的，他的这一猜想被称为“蜂窝猜想”。而后的事实和理论均证明，蜜蜂所建造的蜂巢的确采用了最少的蜂蜡，占有最大的空间面积，而结构稳定性为最佳。而18世纪初，法国学者马拉尔奇曾经专门测量过大量蜂巢的尺寸，令人十分惊讶的是，这些蜂巢组成底盘的菱形的所有钝角都是109°28′，所有的锐角都是70°32′。后来经过法国数学家克尼格和苏格兰数学家马克洛林从理论上的计算，如果要消耗最少的材料，制成最大的菱形容器正是这个角度。从这个意义上说，蜜蜂称得上是“天才的数学家兼设计师”。
受自然蜂巢的这种即坚固又省料的结构的启迪，人类通过长期研究和分析自然蜂窝结构的特点，创造性地发明了各种蜂窝复合结构材料及其制品，它们有的用于新材料和新产品的研发，有的用来改善现有产品的特性，有的用于解决结构设计中面临的难题等等。
在应用材料领域，蜂窝复合材料类似于连续排列的工字钢结构，以其极佳的抗压、抗弯特性和超轻型结构特征而闻名于世。与同类型的实心材料相比，蜂窝材料其强度重量比和刚性重量比在已知材料中均是最高的。蜂窝结构板材具有许多优越的性能，从力学角度分析，封闭的六角等边蜂窝结构相比其他结构，能以最少的材料获得最大的受力，而蜂窝结构板受垂直于板面的载荷时，它的弯曲刚度与同材料、同厚度的实心板相差无几，甚至更高，但其重量却轻70～90％，而且不易变形，不易开裂和断裂，并具有减震、隔音、隔热、极强的耐候性以及比强度高、比刚度高等优势。因此广泛应用于航空、航天、建筑、汽车、火车、包装与电子电器等行业领域。
目前人们根据蜂窝的用途已经成功研制了多种蜂窝结构的产品，包括铝合金蜂窝、纸蜂窝、玻璃钢蜂窝、芳纶蜂窝、塑料蜂窝和陶瓷蜂窝等，并得到广泛的应用。但是现有蜂窝制品中，纸蜂窝材料一般只能用于包装材料；铝合金蜂窝的质量相对较重，造价过高，资源受到限制。相比其他蜂窝材料，塑料蜂窝材料因其具有良好的阻尼减振性能、良好的加工工艺性能以及良好的性能可设计性及可回收性等优势，成为应用最为广泛的材料。但是首先于制成所述塑料蜂窝的纤维材料的限制，使得其成品的平压强度较低，在一些厚度方向上承载要求较高的场合则不宜使用。
中国专利CN101797822A公开了一种新型纤维增强蜂窝板，该蜂窝板由两侧面板与棱锥形结构蜂窝芯构成，棱锥形蜂窝芯是由散乱状短切纤维棉/毡经注入环氧树脂基体或用10mm至30mm高强散乱状短切纤维预浸环氧树脂基体成预混模压料，并经加热加压模制而成。但是一方面该蜂窝芯是一系列凸凹交错的棱锥台体组成，并非真正意义上的蜂窝；而且成型的芯材受限于压机台面大小的影响，只能做到有限的长度和宽度，成型效率也较低，并且难于实现连续化的生产；更重要的是，该方法采用散乱状短切纤维棉/毡制成，使得其在Z相即厚度方向上的承重能力相对较差，依然不适用于对Z相定向要求较高的场合应用。
中国专利CN101386210A公开了一种玄武岩纤维增强预织造多层蜂窝复合材料复合方法，其采用玄武岩连续长丝作为增强材料，试图提高其承重性能，但是该方法采用的是先织成多层整体织造蜂窝立体布作为框架的方式，再利用拉挤工艺，在常温常压条件下采用环氧树脂/酚醛胺环氧固化成型，制得多层立体框架蜂窝复合材料。一方面需要先压模成型所述的蜂窝立体布，使得该蜂窝复合材料织造工艺比较复杂；同时在制备所述蜂窝立体布框架时，也会在一定程度上破坏所述长丝纤维的纵向强度，使其Z相上的定向承重能力受到影响。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于现有技术中蜂窝复合材料Z向定向强度较差的问题，进而提供一种具有Z相定向连续纤维增强的蜂窝芯材，并进一步公开其制备工艺与应用。
为解决上述技术问题，本发明所述的制备Z向定向连续纤维增强蜂窝芯材的工艺，包括如下步骤：
(1)以具有Z向连续的长纤维为增强材料，以热塑性树脂作为基体材料，在挤出机机头处以熔融状态的热塑性树脂包覆并浸润所述长纤维增强材料；
(2)采用共挤出工艺形成所述长纤维材料和所述热塑性树脂，按照所述蜂窝芯材的形状堆积挤出材料，形成所述蜂窝芯材的半边侧壁；
(3)移动模具至形成的半边侧壁相对的方向继续堆积另外半边侧壁，形成整个的蜂窝结构；
(4)重复上述工艺步骤，进而得到所述连续蜂窝芯材。
进一步的，本发明所述长纤维材料可选择任何有增强作用的长纤维材料，包括但不限于玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维或碳纤维、棉纤维、竹纤维、尼龙纤维、锦纶、涤纶中的至少一种或几种混杂纤维。
所述热塑性树脂选自聚乙烯、聚丙烯、热塑性聚酯树脂、热塑性聚氨酯、热塑性聚碳酸酯或聚酰胺中的至少一种。
并且进一步优选，以所述长纤维材料与树脂的总量计，所述长纤维材料的质量含量为10-50％。
为了更好的实现上述制备工艺，优选的，该工艺使用的模具包括相互配合的前模和后模；
所述后模包括若干交错排列的正六棱柱，相邻所述正六棱柱的侧壁相平行且正对设置，所述侧壁之间具有形成所述蜂窝芯材侧壁厚度的间隙；
所述前模具有与所述后模的相邻所述正六棱柱的排列形状形成的凹陷部相对应适配以形成蜂窝芯材结构的形状；
所述前模和所述后模相配合后，所述后模的所述正六棱柱的侧壁与所述前模之间可形成一定的间隙，所述间隙即为形成的所述蜂窝芯材侧壁的厚度；
所述工艺具体包括：
(1)将所述后模固定于台面上，并调整相邻所述正六棱柱的侧壁之间的距离为待制备蜂窝的壁厚，控制热塑性树脂颗粒处于熔融状态，将所述纤维材料与熔融态的树脂于挤出机模口处浸润复合，备用；
(2)控制混有熔融树脂流体的纤维材料沿着后模靠近所述前模方向的前侧表面做几字形往复运动，在所述后模的一侧堆积出半个蜂窝结构；
(3)此时推动前模与后模相配合，并控制所述前模与后模的配合间隙为所述蜂窝的壁厚，所述热塑性树脂冷却定型即形成了半个蜂窝单元；
(4)将所述前模向后退出，并将其移至所述后模的后侧表面，在所述后模的后侧表面重复上述步骤和，以形成整个的蜂窝单元；
(5)依次在所述后模的后侧表面重复上述步骤(2)和(3)，以制备下一组蜂窝单元，直至形成整个的蜂窝结构芯材。
进一步的，所述后模的任一所述正六棱柱有且仅有两个不相邻的侧壁与相邻所述六棱柱的侧壁相对应贴近；且从所述后模的一端计，位于奇数位置的所述正六棱柱的中心点的连线与位于偶数位置的所述正六棱柱的中心点的连线相平行；
所述前模与所述后模相配合的部分为波浪形线性结构，其波峰和波谷具有与所述后模的所述正六棱柱的排列形状相对应适配的形状。
更优选的，所述前模为一体成型的波浪形线性形状，或者是由若干与所述正六棱柱的侧壁长度相等的活动片在拐点处通过转轴连接而成，并可成任意角度转动。
所述后模还设有与所述正六棱柱的顶面相固定连接的顶板，用于固定所述正六棱柱，并在所述顶板上选择性的设置与所述正六棱柱相对应的卡槽，通过卡槽可以调整所述正六棱柱之间的距离和间隙。
所述蜂窝芯材侧壁的厚度为0.5mm～5mm。
本发明还公开了根据上述工艺制备得到的Z向定向连续纤维增强蜂窝芯材。
本发明还公开了一种蜂窝复合材料，包括上述制备得到的Z向定向连续纤维增强蜂窝芯材，以及设置于两侧面的复合面板。
本发明所述方法直接以长纤维为原材料以热塑性树脂为基体材料，生产所述蜂窝芯材，相较于以往为了制备所述蜂窝框架采用短切纤维的工艺，本发明所述方法可以实现直接以长纤维制备蜂窝芯材，进一步增强了其在Z向的连续纤维增强能力，制备的蜂窝结构芯材其Z向结构强度和承载能力大幅度提高，极大拓宽了应用领域。
本发明所述制备方法采用分体式的活动前模和后模相配合的模具，制备出蜂窝状结构的芯材，所述前模和后模通过正六棱柱的规则排列，形成蜂窝状的结构，可利用前模和/或后模的移动实现连续的蜂窝结构芯材的生产。相对于现有技术中先制备蜂窝框架再浸润树脂固化的方案相比，其实现了更多方向及更大尺寸的蜂窝的延展性生产，使得制备的蜂窝结构在长度、宽度、厚度方向上不受尺寸限制，可以制备大型的蜂窝结构。同时本发明所述模具省去了以往费事耗力的立体编织制备蜂窝框架的步骤，可实现任意所需蜂窝形状产品的在线连续生产，不仅工艺简单，且大幅度节约生产成本。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1为蜂窝的结构示意图；
图2为本发明所述前模的结构示意图；
图3为本发明所述后模的结构示意图；
图4为本发明所述后模的侧面图；
图中附图标记表示为：1-前模，2-后模，3-固定顶板，4-正六棱柱，5-凹陷部，6-波峰，7-波谷，8-活动片，9-拐点。
具体实施方式
如图2-4所示，给出了一种可连续制备蜂窝芯材尤其是具有Z向定向连续纤维增强蜂窝芯材的模具，其包括相互配合的前模1和后模2。本发明所述模具适用于制备的所述蜂窝芯材的侧壁的厚度为0.5mm～5mm。
如图3-4所示，所述后模2包括若干正六棱柱4和固定顶板3，所述正六棱柱4的顶面均连接固定在固定顶板3上。所述正六棱柱4之间呈交错排列。相邻的两个所述正六棱柱4的侧壁相平行且正对设置，相邻正六棱柱4相正对设置的侧壁之间具有一定的间隙，所述间隙的距离为形成所述待制备的所述蜂窝芯材的侧壁厚度。为了将进一步调节所述正六棱柱4之间的位置，所述固定顶板3上可以设置有与所述正六棱柱4相对应的卡槽，通过所述卡槽可以调整所述正六棱柱4之间的距离和间隙。
为了进一步规范化所述蜂窝的结构，优选将所述后模2的任一所述正六棱柱4有且仅有两个不相邻的侧壁与相邻的所述六棱柱4的侧壁相对应贴近且平行设置；并且从所述后模2的一端计，位于奇数位置的所述正六棱柱4的中心点的连线与位于偶数位置的所述正六棱柱4的中心点的连线相平行，即为附图3所示的排列方式。
如图2所示，所述前模1为与所述后模2的形状及排列方式相配合的结构及形状。所述后模2的相邻所述正六棱柱4的排列形状形成凹陷部5，所述前模1的结构为可深入所述凹陷部5且与之形状相适配的形状。所述前模1和所述后模2相配合后，所述前模1与所述后模2的所述正六棱柱4的侧壁之间需要形成一定的间隙，所述间隙的距离为形所述待制备的所述蜂窝芯材的侧壁厚度，相配合后形成的所述间隙填充物料经共挤形成的形状即为所述蜂窝芯材的形状。
以图3-4所示的后模2结构为例，与之适配的所述前模1与所述后模2相配合的部分为波浪形线性结构，其波峰6和波谷7具有与所述后模2的所述正六棱柱4的排列形状相对应适配的形状。
所述前模1可以为一体成型的波浪形线性形状，只需其与后模配合的部分与之适配即可。作为可以变换的结构，所述前模还可以是由若干与所述正六棱柱4的侧壁长度相等的活动片8在拐点9处通过转轴连接而成的活动转向模，可以成任意角度的转动，以便于折叠收纳及延长。
上述模具还可应用于连续制备蜂窝芯材的装置，包括上述的模具、用于投加料形成所述蜂窝芯材的物料的挤出机及纱架，以及控制所述前模1和/或后模2移动的计算机控制系统。
实施例1
本实施例所述制备Z向定向连续纤维增强蜂窝芯材的工艺，具体包括如下步骤：
(1)根据所制备的蜂窝芯材的尺寸要求事先安装好载物架，载物架起始部分有一块立板，将所述后模2固定于台面立板前端，并调整相邻所述正六棱柱4的侧壁之间的距离为待制备蜂窝的壁厚0.5mm，挤出机料斗加入高密度聚乙烯颗粒料，挤出机各加热段进入加热状态，调整挤出机口模尺寸，使得熔融状态的聚乙烯树脂与玻璃纤维实现共挤出并充分混合，以所述长纤维材料与树脂的总量计，所述玻璃纤维的质量含量为10％左右；
(2)将混有熔融树脂流体的纤维材料沿着后模2靠近所述前模1方向的前侧表面(即正对纸面下方)做“几”字形往复运动，在所述后模2的一侧堆积出半个蜂窝结构；
(3)此时推动前模1与后模2相配合，并控制所述前模1与后模2的配合间隙为所述蜂窝的壁厚，热塑性树脂冷却定型后，即形成了半个蜂窝单元；
(4)此时将所述前模1向后退出，并将其移至所述后模2的后侧表面(即正对纸面上方)，在所述后模的后侧表面重复上述步骤(2)和(3)，以形成整个的蜂窝单元；
(5)依次在所述后模2的后侧表面(即正对纸面上方)重复上述步骤(2)和(3)，以制备下一组蜂窝单元，直至形成整个的蜂窝结构芯材。
实施例2
按照实施例1所述方法，以玄武岩纤维为原料，辅以聚丙烯树脂制备所述的蜂窝芯材，以所述长纤维材料与树脂的总量计，所述玄武岩纤维的质量含量为20％。
实施例3
按照实施例1所述方法，以芳纶纤维为原料，辅以聚酰胺树脂制备所述的蜂窝芯材，以所述长纤维材料与树脂的总量计，所述芳纶纤维的质量含量为30％。
实施例4
按照实施例1所述方法，以碳纤维为原料，辅以热塑性聚酯树脂制备所述的蜂窝芯材，以所述长纤维材料与树脂的总量计，所述碳纤维的质量含量为40％。
实施例5
按照实施例1所述方法，以玄武岩纤维为原料，辅以热塑性聚氨酯树脂制备所述的蜂窝芯材，以所述长纤维材料与树脂的总量计，所述玄武岩纤维的质量含量为50％。
对比例1
市售产品中通用的没有纤维增强的聚丙烯蜂窝芯材。
对比例2
按照中国专利CN101797822A公开的方法，以散乱状短切纤维棉/毡经注入环氧树脂基体成预混模压料，并经加热加压模制而成。
对比例3
按照中国专利CN101386210A公开的方法，采用玄武岩连续长丝作为织造原料，先织成多层整体织造蜂窝立体布作为框架的方式，再利用拉挤工艺，在常温常压条件下采用环氧树脂/酚醛胺环氧固化成型，制得多层立体框架蜂窝复合材料。
对上述实施例1-5和对比例1-3中制得的蜂窝芯材进行性能指标的检测，结果见表1。
表1实施例和对比例蜂窝芯材达到的性能指标
从上表数据可以看出，采用本发明所述工艺制备得到的蜂窝芯材，相对于现有技术中的其他产品，其产品的平压强度较好，而且成型产品的时间则相对缩短较大，可见其制备工艺简单易操作；更重要的是，本发明所述工艺有助于实现产品成型尺寸的大幅延伸，降低单位面积的工艺成本。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (7)
1.一种制备Z向定向连续纤维增强蜂窝芯材的工艺，其特征在于，该工艺使用的模具包括相互配合的前模（1）和后模（2）；
所述后模（2）包括若干交错排列的正六棱柱（4），相邻所述正六棱柱（4）的侧壁相平行且正对设置，所述侧壁之间具有形成所述蜂窝芯材侧壁厚度的间隙；
所述前模（1）具有与所述后模（2）的相邻所述正六棱柱（4）的排列形状形成的凹陷部（5）相对应适配以形成蜂窝芯材结构的形状；
所述前模（1）和所述后模（2）相配合后，所述后模（2）的所述正六棱柱（4）的侧壁与所述前模（1）之间可形成一定的间隙，所述间隙即为形成的所述蜂窝芯材侧壁的厚度；
所述后模（2）中除边缘位置的所述正六棱柱（4）外的其他任一所述正六棱柱（4）有且仅有两个不相邻的侧壁与相邻所述六棱柱（4）的侧壁相对应贴近；且从所述后模（2）的一端计，位于奇数位置的所述正六棱柱（4）的中心点的连线与位于偶数位置的所述正六棱柱（4）的中心点的连线相平行；
所述前模（1）与所述后模（2）相配合的部分为波浪形线性结构，其波峰（6）和波谷（7）具有与所述后模（2）的所述正六棱柱（4）的排列形状相对应适配的形状；
所述工艺具体包括：
（1）将所述后模（2）固定于台面上，并调整相邻所述正六棱柱（4）的侧壁之间的距离为待制备蜂窝的壁厚，控制热塑性树脂颗粒处于熔融状态，将所述纤维材料与熔融态的树脂于挤出机模口处浸润复合，备用；
（2）控制混有熔融树脂流体的纤维材料沿着后模（2）靠近所述前模（1）方向的前侧表面做几字形往复运动，在所述后模（2）的一侧堆积出半个蜂窝结构；
（3）此时推动前模（1）与后模（2）相配合，并控制所述前模（1）与后模（2）的配合间隙为所述蜂窝的壁厚，所述热塑性树脂冷却定型即形成了半个蜂窝单元；
（4）将所述前模（1）向后退出，并将其移至所述后模（2）的后侧表面，在所述后模的后侧表面重复上述步骤（2）和（3），以形成整个的蜂窝单元；
（5）依次在所述后模（2）的后侧表面重复上述步骤（2）和（3），以制备下一组蜂窝单元，直至形成整个的蜂窝结构芯材。
2.根据权利要求1所述的制备Z向定向连续纤维增强蜂窝芯材的工艺，其特征在于，所述纤维材料选自玻璃纤维、玄武岩纤维、碳纤维、棉纤维、竹纤维、尼龙纤维、涤纶中的一种或几种混合。
3.根据权利要求2所述的制备Z向定向连续纤维增强蜂窝芯材的工艺，其特征在于，所述热塑性树脂选自聚乙烯、聚丙烯、热塑性聚酯树脂、热塑性聚氨酯、热塑性聚碳酸酯或聚酰胺中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的制备Z向定向连续纤维增强蜂窝芯材的工艺，其特征在于，以所述纤维材料与树脂的总量计，所述纤维材料的质量含量为10-50%。
5.根据权利要求1-4任一所述的制备Z向定向连续纤维增强蜂窝芯材的工艺，其特征在于，所述前模（1）为一体成型的波浪形线性形状，或者是由若干与所述正六棱柱（4）的侧壁长度相等的活动片（8）在拐点（9）处通过转轴连接而成，并可成任意角度转动。
6.根据权利要求5所述的制备Z向定向连续纤维增强蜂窝芯材的工艺，其特征在于，所述后模（2）还设有与所述正六棱柱（4）的顶面相固定连接的固定顶板（3），所述顶板（3）上选择性的设置有与所述正六棱柱（4）相对应的卡槽，通过所述卡槽可以调整所述正六棱柱（4）之间的距离和间隙。
7.根据权利要求6所述的制备Z向定向连续纤维增强蜂窝芯材的工艺，其特征在于，所述蜂窝芯材侧壁的厚度为0.5mm～5mm。
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