CN104708836A - 碳纤维预浸料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳纤维预浸料的制备方法，采用片状模塑料机组，所述片状模塑料机组刮糊槽外围设置有恒温保温装置，收卷机构采用卷筒式收卷装置及配套料架，主要步骤包括树脂糊制作，树脂糊采用占树脂糊总重的50%-60%的树脂、30%-40%的填料、10%的小料混合制成，制成的树脂糊粘度在2000-5000mPa·s；树脂糊、液体增稠剂在线混合，液体增稠剂选用氧化镁粉末加载体树脂进行配制，氧化镁粉末重量占液体增稠剂总重量的百分比为35%-40%，在线混合后的糊料粘度在5000mPa·s以下；碳纤维与在线混合后的糊料复合浸渍；熟化。本发明具有简洁方便，充分利用片状模塑料机组，成本低，生产效率高，污染小等特点。

Description

碳纤维预浸料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种碳纤维预浸料的制备方法。

背景技术

碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。预浸料（Prepreg）是增强纤维（Reinforced Fiber）或织物浸渍在基体（Matrix）中制成的半固化片材，是复合材料的中间材料。碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为23000~43000Mpa亦高于钢。同时具有优异的导电性、化学惰性、耐蚀性、耐温性等。广泛应用于民用，军用，建筑，化工，工业，航天以及超级跑车领域，需求量逐年增加。

碳纤维预浸料是将碳纤维或织物与树脂基体复合制成的半固化片材，是制造复合材料结构件的主要中间材料。目前碳纤维预浸料的应用发展很快，大都由专业化工厂生产已经有大量定型产品供用户选用。生产方法大致可以分为两类：干法和湿法。湿法是用树脂固化体系溶液浸渍纤维，经干燥除去溶剂，成为具有一定粘性的材料。因湿法制作过程中需大量溶剂，故环境友好性较差。干法是不用溶剂的预浸料生产方法，按其工艺不同可以分为：热熔法和胶膜法。干法制备预浸料其优点是不用溶剂，树脂含量易控制，生产效率高，但设备要求较高。

目前与本发明相似实现方案有：1.专利CN103350513A所述使用单向纤维制备预浸料；2.专利CN102513264A所述采用自制浸胶机采用浸胶法制备碳纤维软毡预浸料；3.专利CN102294846A所述采用干法涂胶法制备碳纤维网片增强型预浸料；4.专利CN101956306A所述涂胶碳纤维预浸料生产线。

目前预浸料的最大特点是生产难度大，传统湿法需使用大量有机溶剂，污染严重。干法制备预浸料虽然比湿法有更多的优点，但工序繁琐、生产装置复杂、昂贵。其后续的铺层法生产操作缓慢，生产周期长。而且，通常的预浸料也不适合生产复杂几何形状产品，灵活性较差，在这方面，不及SMC、BMC方法。加之碳纤维本身价格就高，制造费用更高，从而导致碳纤维制品只限于在生产航空、航天、军工类及高利润的体育休闲器材中使用，高价格严重制约了碳纤维在其他工业领域中的大量应用。

 

发明内容

本发明解决的技术问题为克服现有技术的上述缺陷，而提供一种碳纤维预浸料的制备方法。通过简易改装当前SMC生产线，节约投资和成本，简化生产工序，提高生产效率，可按客户需求灵活采用生产类型。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种碳纤维预浸料的制备方法，其特征是所述制备方法采用片状模塑料机组，所述片状模塑料机组刮糊槽外围设置有恒温保温装置，收卷机构采用卷筒式收卷装置及配套料架，主要步骤包括树脂糊制作，树脂糊采用占树脂糊总重的50%-60%的树脂、30%-40%的填料、10%的小料混合制成，制成的树脂糊粘度在2000-5000 mPa·s；树脂糊、液体增稠剂在线混合，液体增稠剂选用氧化镁粉末加载体树脂进行配制，氧化镁粉末重量占液体增稠剂总重量的百分比为35%-40%，在500rpm转速的搅拌机下搅拌混合20min，在线混合后的糊料粘度在5000 mPa·s以下；碳纤维与在线混合后的糊料复合浸渍，在线混合后的糊料投放到安有过滤网的刮糊槽中，使在线混合后的糊料均匀刮附于承载膜上，开启碳纤维输送机构，使碳纤维铺设在上下两层附有糊料的承载膜之间，经浸渍滚筒完成碳纤维与在线混合后的糊料的渗透复合，采用卷筒式收卷装置完成收卷；熟化。

本发明所述碳纤维为短切碳纤维、成品短切碳纤维、成卷碳纤维、成卷碳纤维织物中的一种或几种；对于短切碳纤维，在纱箱内装置打纱辊；对于成品短切碳纤维，增设碳纤维送料机构和计量辊；对于成卷碳纤维，在线切割装置采用导电切割滚筒；对于成卷碳纤维织物，增设载物架及附属气动紧固张紧装置。本发明充分利用现有的片状模塑料机组，并针对不同的碳纤维原料采用相应的设备，扩大了片状模塑料机组的应用范围，使得其同时具备生产片状模塑料和碳纤维预浸料的功能。

本发明所述碳纤维与在线混合后的糊料复合浸渍步骤中的刮糊厚度为0.2-1mm，刮糊幅宽500-1100mm，机组运行速度3-20m/min，浸渍压力为0.4-0.5MPa。

本发明所述熟化步骤中的烘房温度为40-45℃，熟化时间为48-72h。

本发明具有简洁方便，充分利用片状模塑料机组，成本低，生产效率高，污染小等特点。

附图说明

图1为本发明实施例短切碳纤维、成卷碳纤维织物组合构成碳纤维预浸料主体的工艺示意图。

图2为本发明实施例短切碳纤维构成碳纤维预浸料主体的工艺示意图。

图3为本发明实施例成卷碳纤维织物构成碳纤维预浸料主体的工艺示意图。

图4为本发明实施例的流程示意图。

具体实施方式

参见图1～图4，本发明实施例碳纤维预浸料的制备方法依托传统SMC（片状模塑料）机组，需对原有生产线增设和改造，主要改装要点如下：

①针对短切碳纤维，需在纱箱内装置打纱辊1，以保证短切碳纤维可连续、均匀洒落于承载膜2上。对于成品短切碳纤维，需增设碳纤维送料机构、计量辊，保证其稳定连续送料。对于在线切割的成卷碳纤维，需采用导电切割滚筒，防止因静电作用造成缠辊等现象。

②针对成卷碳纤维织物（包括成卷单向连续长纤），需增设载物架及附属气动紧固张紧装置，保证送料稳定性。

③纱箱内部电器装置应采取必要密封措施，防止碳纤维落入造成电源短路。切纱辊、压纱辊等与碳纤维直接接触设备应使用导电材料或接地。

④建议在刮糊槽外围设置恒温保温装置，以保证糊料粘度及工艺一致性。

⑤收卷机构由折叠式改为卷筒式收卷装置及配套料架。

本发明实施例具有SMC生产的灵活性，工艺操作简洁可行，主要分三个步骤：

(1)准备工作：

本阶段主要为原材料准备、配糊、设备调整等，根据产品要求设计配方、选取原材料，采用一般SMC生产流程进行配制。因碳纤维直径小、化学惰性、表面毛羽较多等固有特性，糊料配方要求粘度在2000-5000 mPa·s，较普通SMC配方低。

树脂可选用不饱和聚酯、环氧树脂、乙烯基树脂等，比例占糊料总重的50%-60%。填料可根据实际要求选用普通碳酸钙或特殊耐腐蚀粉体，比例约为糊料的30%-40%。小料包括固化剂、阻聚剂、降粘剂、偶联剂、相容剂等，占糊重的8-12%。将所有成分加入配料桶中，以800-1000rpm转速进行搅拌混合10min，使最终所配树脂糊粘度控制在2000-5000 mPa·s，温度在40-50℃之间。

（2）在线混合：

机组为在线混合体系，故使用液体增稠剂，选用氧化镁粉末加载体树脂进行配制（即液体增稠剂由氧化镁粉末、载体树脂混合制成），氧化镁粉末比例（氧化镁粉末重量占液体增稠剂总重量的百分比）为35%-40%，开启在线混合装置，使树脂糊与液体增稠剂混合均匀。所述使树脂糊与液体增稠剂混合均匀通常是指在500rpm转速的搅拌机下搅拌混合20min，在线混合后的糊料（即树脂糊与液体增稠剂混合后形成的糊料）粘度在5000 mPa·s 以下，通常在2000-5000 mPa·s。

将碳纤维预装或安置于SMC机组上。碳纤维可选用短切碳纤维、已切好的成品短切碳纤维，或成卷碳纤维在线进行切割，也可用成卷碳纤维织物。短切长度有6mm、12mm，型号有6k、12k、24k，织物结构可以为平纹、斜纹、缎纹。

(3) 复合浸渍：

在线混合后的糊料投放到安有过滤网的刮糊槽中，运行SMC机组，使在线混合后的糊料均匀刮附于承载膜2上。开启碳纤维输送机构，使短切碳纤维/成卷碳纤维织物均匀、平行夹层于上下两层附有糊料的承载膜2之间，经浸渍滚筒3完成碳纤维与在线混合后的糊料的渗透复合，采用卷筒式收卷装置4完成收卷。取样检测预浸料的单位面积重量、碳纤含量等，并适当进行调整。一般机组设置为：刮糊厚度0.2-1mm，刮糊幅宽500-1100mm，机组运行速度3-20m/min，浸渍压力为（0.4-0.5MPa）。

(4)熟化：

将收卷后成卷预浸料安置于储料架上，保证料片为悬挂状态，将料架转移至恒温烘房内，增稠熟化至可使用状态。熟化条件为：烘房温度40-45℃，熟化时间48-72h。

本发明可根据需要在熟化步骤后设置现有技术的模压步骤。

①对现有SMC机组改造，使其具有同时制备SMC和预浸料的功能，节约了设备投资；

②改造后设备可制备包括短切碳纤维、连续长纤碳纤维、碳纤维织物在内的各种碳纤维预浸布，用以生产各种高性能碳纤维复合材料，产品多样化；

③继承SMC灵活性，可根据要求调整树脂种类、碳纤含量、增稠程度等；

④生产快速、稳定，大大提高了碳纤维预浸布的生产效率，节约能源和生产成本。

本发明结合了传统SMC生产和干法制备预浸料的方法，无大量有机溶剂，不污染环境。使预浸料的生产具有SMC生产的灵活、高效。同时针对SMC、BMC因其纤维短及纤维含量低而缺乏高方向性机械强度问题，通过复合混杂型预浸料生产实现了功能和性能上的互补。配方体系可灵活调整，纤维和树脂的含量可以控制，还可根据产品要求设计方案，达到最佳的生产和使用性能。

凡是本发明技术方案和技术特征的等效变换或组合，均应认为落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种碳纤维预浸料的制备方法，其特征是所述制备方法采用片状模塑料机组，所述片状模塑料机组刮糊槽外围设置有恒温保温装置，收卷机构采用卷筒式收卷装置及配套料架，主要步骤包括树脂糊制作，树脂糊采用占树脂糊总重的50%-60%的树脂、30%-40%的填料、10%的小料混合制成，制成的树脂糊粘度在2000-5000 mPa·s；树脂糊、液体增稠剂在线混合，液体增稠剂选用氧化镁粉末加载体树脂进行配制，氧化镁粉末重量占液体增稠剂总重量的百分比为35%-40%，在500rpm转速的搅拌机下搅拌混合20min，在线混合后的糊料粘度在5000 mPa·s以下；碳纤维与在线混合后的糊料复合浸渍，在线混合后的糊料投放到安有过滤网的刮糊槽中，使在线混合后的糊料均匀刮附于承载膜上，开启碳纤维输送机构，使碳纤维铺设在上下两层附有糊料的承载膜之间，经浸渍滚筒完成碳纤维与在线混合后的糊料的渗透复合，采用卷筒式收卷装置完成收卷；熟化。

2.根据权利要求1所述的碳纤维预浸料的制备方法，其特征是：所述碳纤维为短切碳纤维、成品短切碳纤维、成卷碳纤维、成卷碳纤维织物中的一种或几种；对于短切碳纤维，在纱箱内装置打纱辊；对于成品短切碳纤维，增设碳纤维送料机构和计量辊；对于成卷碳纤维，在线切割装置采用导电切割滚筒；对于成卷碳纤维织物，增设载物架及附属气动紧固张紧装置。

3.根据权利要求1或2所述的碳纤维预浸料的制备方法，其特征是：所述熟化步骤中的烘房温度为40-45℃，熟化时间为48-72h。